淺談公路隧道施工質量的檢測方法

桂允成

遼寧省高速公路運營管理有限責任公司 遼寧 沈陽 110001

引言

截至2020年底，全國公路隧道共有19067處，累計長度為1896.66萬米，與19年相比增加1329處，長度為173.05萬米，其中特長隧道有1175處，累計長度為521.75萬米，長隧道有4784處，累計長度為826.31萬米。

我國山嶺重丘區占國土面積的70%以上，隨著公路網的建設與城市地下道路交通的發展，穿越崇山峻嶺，連接江河兩岸，隧道已成為重要的方式之一[1]，我國正進入公路隧道建設的黃金時期，大量公路隧道工程正在建設或者即將開始建設。公路隧道施工質量控制是目前工程建設關注的熱點問題之一，隧道的施工質量越來越受到人們的重視，而在具體工程施工質量檢測中，檢測方法的選用以及如何準確進行操作非常關鍵。隨著公路隧道里程的不斷增加，養護需求日趨迫切，提高養護水平，確保暢通，也是十分突出的問題。無論是新建，還是運營的隧道，為保證工程質量，降低運營風險，都離不開隧道的檢測與監測工作。

公路隧道的建造是百年大計，保證工程質量是業主的基本要求。檢測技術作為質量管理的重要手段越來越為人們所重視，公路隧道檢測技術涉及面廣，內容較多。隧道檢測的內容分類如下：

材料檢測

防排水材料檢測：包含注漿材料、防水材料、防水管材。

支護材料檢測：錨桿材質、噴射混凝土材料、鋼構件。

襯砌材料：混凝土材料、鋼筋材料。

施工檢測

施工質量檢測：開挖質量、支護質量、防排水、襯砌質量。

施工監控量測：圍巖變形、支護受力、襯砌受力。

環境檢測

施工環境檢測：粉塵、有害氣體。

運營環境檢測：通風、照明、噪聲。

本文主要介紹各種公路隧道工程施工過程中，一些較為常見的質量檢測方法，重點評價其實用性。研究過程中參考了國家或行業的相關標準規范。

1 常見質量問題和主要病害現象

我國的地域較大，自然條件跨度大，水文地質條件和工程地質條件復雜多變，受到設計和施工等技術條件的限制，已運營隧道存在不同程度的質量問題和病害現象，常見的存在幾個方面。

1.1 隧道滲漏水[2]

公路隧道在施工期間和建成通車后，因破壞了原山體的排水體系，地下水在隧道結構薄弱環境通過一定的通道滲入到隧道內部，出現襯砌表面滲水、淌水、滴水，甚至出現股狀噴水、涌水等現象。路面返水、邊墻滲漏水，滴落至路面，造成路面積水或積冰，影響隧道運營安全。

1.2 襯砌開裂

隧道襯砌為混凝土結構，結構開裂比較普遍，其形態主要有縱向裂縫、斜向裂縫、環向裂縫、網狀裂縫等，有單一類型裂縫出現，也有多種裂縫并存。

1.3 襯砌厚度不足

混凝土襯砌屬于隱蔽工程，在施工過程中由于多種因素影響，襯砌厚度在拱頂、邊墻或仰拱處出現厚度不足情況。

1.4 襯砌背后空洞及不密實現象

按照規范要求，初期支護要求緊貼圍巖，與圍巖共同工作，初期支護背后空洞和不密實都屬很嚴重的質量問題，在隧道拱部、邊墻都發現有空洞現象。二襯襯砌混凝土空洞主要出現在拱部。

1.5 混凝土劣化、強度不足

主要有噴混凝土強度不足，模筑混凝土強度不足，混凝土在腐蝕性環境作用下產生劣化。

1.6 路面隆起、下沉、開裂

隧道運營一段時間后，有些隧道出現路面開裂、底鼓、下沉變形現象，通暢伴隨電纜溝蓋板翹起，路緣石、邊溝破壞。

2 目測法

公路隧道工程中采用的目測法是指不借用任何儀器只通過目測的手段，對工程的施工過程，表觀缺陷是否符合相應規范要求進行檢測。檢查確定其外觀質量是否合格。特別是在隧道施工過程中，工程外觀質量檢查是工程合格評定的基本要求之一。目前，國內在公路隧道施工過程的檢測仍然主要采用目測法進行檢測評定。

目測法的優點具有直觀方便，無須特殊檢測儀器特點。缺點是難以定量評估，且不能檢測內部缺陷。

目測法在工程檢測中已經應用多年，總結各方經驗，其基本操作要領可通過“看”“摸”“敲”“照”四種手段來進行概括。

3 量測法

量測法是指利用量測工具或計量儀表，通過實際量測結果與規定的質量標準或規范的要求相對照，從而判斷質量是否符合要求。

量測法具有操作相對容易，實用性較強，部分工程僅需采用最基本、最傳統的量測手段，便能有效地控制工程質量。實際操作過程中，量測值和設計值之間必然存在差異，這就是誤差理論，誤差是多方面因素引起的，主要可以分為儀器誤差和人為誤差。任何量測都不可避免地存在誤差，如何最大限度地減小誤差，避免誤差對檢測結果產生影響，是目前誤差研究的主要方向之一。我們在量測的過程中，必須嚴格按照規范操作，避免人為誤差，盡量降低儀器誤差，以保證數據高精確度高質量，確保質量檢測數據的正確。

結合實踐經驗，隧道工程施工質量檢測中采用的量測法基本操作要領主也可歸納為“靠”“吊”“量”“套”四種基本手段。

4 沖擊回波法

沖擊回波法是基于應力波的一種檢測結構厚度、缺陷的無損檢測方法。在20世紀80年代，國外的一些專家就對該方法進行了研究。沖擊回波技術發展非常迅速，目前已有IES掃描式沖擊回波系統、帶表面波的沖擊回波系統、超薄沖擊回波檢測系統等多種類型，可根據工程需要進行選擇。IES是IE技術發展的一大突破，不僅可以快速連續檢測，而且增加了檢測項目如預應力管灌漿情況等，此外還可對結構厚度、缺陷進行三維成像。表面波型沖擊回波系統無須取芯標定，就可準確檢測混凝土的厚度。超薄型沖擊回波系統可檢測最小厚度約5cm的板狀結構，拓寬了沖擊回波方法的厚度檢測范圍。目前應用比較廣泛的沖擊回波法是IES掃描式沖擊回波系統。

沖擊回波法適合于單面結構，對于隧道結構檢測，具有非常有利的優勢。如路面、仰拱、隧道襯砌等結構的檢測。用鋼球產生的超聲波和音速范圍內的機械應力脈沖檢測結構時，用傳感器可記錄觀察到多次反射波，通過對其進行頻率分析，能夠獲得有關襯砌厚度的數據及特殊反射體的重疊。目前，沖擊回波法已經能成功地應用于檢測60cm厚的理想隧道的厚度。

沖擊回波法在工程檢測應用中也存在缺點，其能達到的檢測深度對要檢測的材料結構、強度以及應力脈沖的頻率依賴性較大，而材料結構、強度以及應力脈沖的頻率會受到所選球尺寸的影響。另外，沖擊回波法還極大地依賴回波響應、頻譜分析等應力波理論，解釋較為困難，而且對混凝土表面的光潔度、耦合劑層厚要求較高。

5 聲波反射法

該方法和地震波探測原理基本相同，其原理是建立在彈性波理論的基礎上，傳播過程遵循惠更斯-菲涅爾原理和費馬原理，本方法探測的物理前提是巖體間或不同地質體間明顯的聲學特性差異。

聲波反射法主要采用波形對比分析和頻譜分析兩種基本方法，在實際檢測中通過頻譜特征及波形來確定襯砌混凝土的健康狀態，從而可判定混凝土內部缺陷范圍、襯砌體和圍巖結合情況及襯砌厚度。聲波傳播特性是其檢測施工質量缺陷的物理基礎。當聲波垂直入射到兩種介質的界面時，一部分能量透過界面成為透射波，波的傳播方向不變；另一部分能量則被界面反射回來成為反射波。常見的聲波法檢測襯砌混凝土質量主要有透射波法和反射波法。

透射波法原理與CT掃描方法相似，是根據超聲脈沖穿過混凝土內部時，在缺陷區的聲時、波形、波幅和頻率等參數所發生的變化來判斷缺陷的，要求被測結構物有一對相互平行的測試面。這種方法的缺點是其無法確定缺陷的準確位置，即它只能確定缺陷在平面上的投影位置，對于處于什么深度無法判斷。

目前，聲波反射法主要應用于檢測錨桿錨固質量、襯砌混凝土內部缺陷、襯砌厚度和襯砌混凝土與圍巖結合情況。

6 超聲一回彈綜合法[3]

“回彈－超聲”綜合法是應用回彈儀和超聲波檢測儀綜合測定混凝土的強度。這種方法是建立在混凝土回彈值與混凝土波速與混凝土的抗壓強度之間的相互聯系的基礎之上，即用回彈值和聲波的產波速度綜合反映混凝土的抗壓強度，與單一法相比，精確度高，適用范圍較廣，且對混凝土無任何損傷，為無損檢測類方法。

回彈法測混凝土強度是基于強度與混凝土的表面硬度有相關性，而表面硬度可由回彈值反映。因此，混凝土強度與回彈值之間也有相關性。超聲一回彈綜合法，是綜合超聲法檢測和回彈儀測量，對隧道襯砌超聲聲速（V）和回彈值（R）進行檢測，然后把強度值與聲速和回彈值進行二元回歸，參考《超聲一回彈綜合法檢測混凝土抗壓強度技術規程》。

回彈值反映襯砌混凝土的表面強度，超聲波聲速則可以反映襯砌的內部強度信息，兩者結合對襯砌混凝土強度進行檢測，既可內外結合，又能相互彌補各自的不足，能夠較全面地反映結果混凝土的實際質量。

7 地質雷達法

探地雷達是一種寬帶高頻電磁波信號探測方法，它是利用電磁波信號在物體內部傳播時電磁波的運動特點進行探測的。利用電磁波在介質中的反射速度和反射情況，確定目的物的位置及形狀，從而對工程質量進行有效判斷。我國從1992年起，開始利用地質雷達法檢測隧道工程質量，主要用于隧道地質超前預報、隧道襯砌質量檢測、仰拱施工質量檢測等方面。地質雷達用于隧道襯砌質量和仰拱施工質量檢測，是基于隧道襯砌混凝土與襯砌背后基巖，空洞與密實的襯砌混凝土及襯砌背后基巖、襯砌混凝土與鋼格柵、鋼拱架，襯砌背后超挖回填空隙之間的介電常數和電阻率都有一定的差異；同樣，隧底與混凝土鋪底，鋪底、回填層與仰拱層、仰拱層與基巖之間的介電常數和電阻率也有一定差異。地質雷達法利用這些差異，將地質雷達的發射和接收天線密帖在襯砌表面，電磁波通過天線進入混凝土襯砌層或者隧道底，遇到鋼筋、鋼拱架、材質差別較大的混凝土、混凝土中的裂隙、混凝土與巖石界面、混凝土與空氣的界面、巖石中的裂隙面等時，均會產生反射，并傳遞到反射天線，此時，可測出反射波的入射、反射雙走向，并計算出反射波走過的路程長度，根據反射信號的特征判斷襯砌背后空隙、密實情況、空洞、鋼筋、鋼拱架，隧道底部仰拱、鋪底層以下的填充層等的存在及其健康狀態，同時可計算出其埋深及襯砌的厚度、缺陷的位置等。

由于地質雷達檢測技術采用了先進的連續掃描無損探傷技術，探測精度比傳統檢測方法高，而且是連續掃描，可獲得隧道探測的連續結果，能全面地對隧道襯砌的實際情況進行檢測，是一種快速、高效、經濟、簡便的無損檢測高新技術，現已被廣泛地應用到襯砌病害無損檢測中。

8 結束語

工程技術人員要在施工的過程中熟練掌握和運用好上述列舉的檢測方法，使隧道的質量在“事前”“事中”“事后”中都能得到非常有效地控制。