1、,s o u t h w e s t j I a o t o n g u n I v e r s I t y,西南交通大学Southwest Jiaotong University,隧道质量控制技术,仇文革 教授,2010年07月,隧道施工质量控制技术三阶段质量控制隧道施工质量控制是一个过程，即从隧道结构“孕育”、“成长”的各个阶段都要进行控制，通过试验、检测等技术，提出相应的控制指标、方法以及检测技术。施工质量控制包括事前控制、事中控制和事后控制三个阶段，三阶段控制构成了质量控制的系统控制过程。,事前控制 事前控制要求预先进行编制周密的质量计划。尤其是工程项目施工阶段，制订质量计划或编制施工
2、组织设计或施工项目管理实施规划，都必须建立在切实可行、有效实现预斯质量目标的基础上，作为一种行动方案施工部署。事前控制主要包括强调质量目标的计划预控和按质量计划进行质量活动前的准备工作状态的控制。,事中控制 事中控制首先是对质量活动的行为约束，即对质量产生过程各荐技术作业活动操作者在相关制度管理下的自我行为约束的同时，充分发挥其技术能力，去完成预定质量目标的作业任务；其次是参建各方对质量活动过程和结果的监督控制，这里包括来自企业内部管理者的检查检验和来自企业外部的工程监理和政府质量监督部门等的监控。,事后控制 事后控制包括对质量活动结果的评价认定和对质量偏差的纠正。人理论上分析，如果计划控制过
3、程所制订的行动方案考虑得越周密，事中约束监控的能力越强、越严格，实现质量预期目标的可能性就越大。理想的状况就是希望做到各项作业活动“一次成功”、“一次交验合格率100%”。由于系统因素和偶然因素的存在，因此当出现质量实际值与目标值之间超出允许偏差时，必须分析原因，采取措施纠正偏差，保持项目质量始终处于受控状态。,施工质量过程控制（也称工后控制）。目前的质量控制大多是“重二衬，轻初支”，实际上隧道初期支护是隧道的主要承力结构，对整个隧道结构的耐久性起着很重要的作用，故在隧道施工质量过程控制中，对初期支护各结构的施工质量均需进行必要的控制。施工质量过程控制主要包括开挖断面、锚杆质量（长度及砂浆饱和
4、度）、钢拱架或格栅钢架、喷混凝土质量（强度、厚度及背后缺陷）、防水层施工质量、二次衬砌混凝土质量（强度、厚度及背后缺陷）、隧道衬砌裂纹等的实时控制。,1 原材料 对于隧道工程中所要用到的所有材料（水泥、砂、石、钢材、防水板、外加剂等），在施工前均需按要求进行试验，确保合格之后才能使用。对施工过程中将要用到的喷混凝土配合比、二次衬砌混凝土配合比及砂浆的配合比等，均要以工程中将要采用的各种材料为基础进行各种配合比设计，以确保混凝土及砂浆的强度满足要求。,2 隧道开挖断面,（1）控制超欠挖,表12-1 隧道允许超挖值（cm）,客运专线铁路隧道工程施工技术指南 TZ 2142005规定：隧道开挖不应欠
5、挖，当围岩完整、石质坚硬时，允许岩石个别突出部分侵入衬砌（每1m2不大于0.1m2、高度不大于5cm）。拱脚和墙脚以上1m范围内严禁欠挖。在控制超欠挖技术的研究中，首先应改变观念，即必需改变“宁超勿欠”的传统观点，树立“少欠少超”的观点。也就是说，应容许一定程度的欠挖，例如，日本在隧道施工中，基本上容许概率为16的欠挖。即在开挖断面上取100个点，有不超过16个点的超挖就可以了。这样就可以避免开挖轮廓线的无谓扩大，而使超挖得以减少。例如，铁路隧道施工规范（TB 102042002）规定：当围岩完整、石质坚硬时，容许岩石个别突出部分（每1m2不大于0.1m2）侵入衬砌，侵入值应小于衬砌厚度的1/
6、3，并小于10cm。对喷锚衬砌应不大于5cm。,实际施工中，周边孔开口位置e有三种情况，其出现机率和差值大小则主要决定于钻孔水平。第1种情况（a）不影响超欠挖；在（b）的情况时，将使超挖增加一个e值，而第3种情况，将使超挖减小一个e值，但出现欠挖。因而，钻孔时先定位，后钻进，并在掌子面上完整醒目地标出周边孔位线，把e控制在较小范围内（约在3cm）是可能的。,对隧道在各施工阶段的净空尺寸（横断面净空及超欠挖）采用激光断面仪（如国产BJSD-2型隧道限界检测仪，见图）或全站仪进行检测。通过激光断面仪对隧道各施工阶段净空尺寸的检测、数据处理，可以评价隧道开挖质量、取代收敛量测以及对地质雷达检测喷混凝
7、土厚度时进行波速标定和厚度修正等。,（2）激光断面仪检测,开挖质量 在隧道开挖后，将激光断面仪架设在检测横断面上对开挖轮廓进行检测，对实测数据进行分析处理，得出隧道开挖轮廓断面，与设计的开挖线相比较，可评价隧道开挖的超欠挖情况，对隧道的开挖质量进行评价，详见图。,混凝土厚度检测 在隧道开挖后，用激光断面仪或全站仪对开挖断面进行测量，待初期支护喷混凝土完成后在相同断面作初期支护施作后的净空断面进行测量，利用两次测量结果的差值，可得出该断面初期支护喷混凝土厚度的准确值（见图）。若在二次衬砌前后对相同断面进行检测，即可得检测断面二次衬砌厚度准确值。,隧道净空状况检测 检测中以隧道控制网坐标系统（中线
8、及高程）为断面轮廓检测的坐标系统，隧道内每间隔一定距离（如20m）设置一个检测断面，每个检测断面上设置一定数量的测点进行检测，对隧道净空状况采用激光断面仪（BJSD-2型）方法进行检测。利用专用处理软件（软件界面见图4-25）对实测数据进行分析处理，得出隧道横断面数据（详见图4-23）。同时，以设计断面为标准曲线，通过与实测断面轮廓数据的比较，确定隧道衬砌净空断面是否满足设计要求（见图4-26）。,图4-25 BJSD-2型隧道限界检测仪专用软件界面,图4-26 二衬后断面检测结果图,（2）锚杆质量 锚杆是将破碎或不稳定岩体(块)与牢固稳定的岩体连结在一起以提高整体稳定性的一种支护措施。当锚杆
9、发挥作用时，锚杆不同部段的功能各不相同。锚杆内端处于牢固稳定岩体的部段，其锚固力主要起着固定锚杆的作用；而锚杆外端处于破碎或不稳定岩体的部段，其锚固力主要起着将该段岩体(块)与锚杆连结在一起的作用（见图4-27）。要让锚杆能发挥设计的效果，除保证锚杆的长度满足设计要求外，还要使各段都能均匀而有效地与岩体锚固在一起。除此之外，对锚杆质量影响较大的因素还有砂浆的强度，得有足够的裹握力才能保证锚杆的质量。,图4-27 理想锚杆受力示意图,锚杆长度及注浆饱和度均采用应力反射波法检测，现已有专用的锚杆质量检测仪，见图4-28。,图4-28 JLMG锚杆质量检测仪,锚杆长度 应力反射波法是一种无损检测方法
10、，该方法的基本理论依据为一维杆件的弹性应力波反射理论。在锚杆顶部激发弹性应力波，当弹性应力波传播到锚杆底部时由于锚杆和锚杆底部的岩石存在波阻抗差异，将产生反射波回到锚杆顶。根据反射波的走时和锚杆中的应力波传播速度就可以用(3)式求出锚杆长度L，锚杆中的应力波传播速度可在现场已知长度的锚杆上进行标定。,注浆饱和度 注浆饱和度检测通过测定锚杆不同方位，不同距离应力波的阻尼情况，即锚杆与围岩的耦合情况来判断注浆饱和度。由应力波在介质中的传播特性可知：应力波在坚硬完整的介质中传播速度大，衰减速度快，而在松散及不完整介质中应力波的传播速度小，衰减速度慢。利用应力波这一传播特性来判断注浆饱和度情况，对于注
11、浆饱满的，砂浆和岩石的耦合性好，可看成完整的介质，因此应力波的波形规则衰减快，近于指数衰减；对于注浆饱满程度差的则砂浆和岩石间的耦合性差，可看成松散不完整的介质，应力波的波形杂乱、衰减慢。根据不同方向、不同部位击震的应力波衰减曲线就可以对注浆饱和度作出判断。,(a)全长树脂锚杆锚固段长度为0.77m实测波形图,(b)树脂端锚锚杆的实测波形图,图12-34 锚杆长度及注浆饱和度检测波形图,砂浆强度 在砂浆锚杆的长度及灌浆饱和度均达到要求后，并不能说明锚杆的质量完全达到了要求。从锚杆的支护性能可知，它是受砂浆的裹握并通过砂浆与围岩这间发生作用的，若砂浆的强度达不到要求。为了全面评价锚杆的质量，有必
12、要对砂浆（抗压、抗剪）强度进行检测。,A、抗压强度 采用传统的试验方法，在施作锚杆时同期制作试件，对试件进行抗压试验，得出砂浆的抗压强度。B、剪切强度 由锚杆的支护机理可知，在联结锚杆与岩体中砂浆主要受剪力的作用。从而，砂浆的剪切直接影响到锚杆的质量。由于围岩存在差异，在不同的联结体上，砂浆与围岩间的剪切力有所不同。为了真实反映锚杆实际工作时砂浆与围岩（锚杆洞壁）间的剪切力，可进行原位试验。将施作好的锚杆与周围的围岩一同取出，采用特制的试验设备对其进行抗剪试验，得出砂浆与围岩间的剪切力，并对其进行评价。,锚杆抗拔试验 锚杆抗拔力通过拉拔试验进行检测。拉拔试验检测方法是一种传统的锚杆锚固质量检测
13、方法。进行拉拔试验时,将液压千斤顶放在托板和螺母之间,拧紧螺母,施加一定的预应力,然后用手动液压泵加压,同时记录液压表和位移计上的对应读数,当压力或者位移读数达到预定值时,或者当压力计读数下降而位移计读数迅速增大时,停止加压。测试后,整理出锚杆的位移-荷载曲线,进而分析出试验锚杆的抗拔力大小。试验时锚杆的受力状态见图12-35。,图12-35 抗拔试验时锚杆的受力示意图,锚杆检测结果评定 试验证明：对于高强螺纹锚杆，当锚固长度达到锚杆直径的42倍时，握裹力不再随锚杆长度的增加而增加。高速铁路隧道锚杆的长与直径比达到几百倍，而且从图1、2可知，锚杆拔抗试验与实际锚杆的受力状态有很大不同，得出锚杆
14、抗拔力与锚杆质量没有必然的相关性，若仅采用抗拔试验，可能导致将不合格锚杆依其抗拔力评定成合格锚杆。所以，对锚杆进行检测时，要采用声频应力波法对锚杆的锚固质量进行无损检测，再配合抗拔力试验进行综合分析，可对锚杆的锚固质量作出较全面的评价。,4 喷混凝土质量检测 喷射混凝土能及时封闭围岩暴露面，有效地隔绝水和空气；部分混凝土浆液渗入张开的裂隙或节理中起胶结和加固围岩的作用；能向围岩提供支护抗力(径向力)，使围岩由二向受力变为三向受力状态，从而提高了围岩强度。评价喷混凝土的质量，主要是指标：喷混凝土强度（包括早期强度和晚期强度）、厚度、密实度及背后缺陷。,喷射混凝土强度在一定范围内离散分布，正常情况
15、其分布规律符合正态分布曲线，喷射混凝土强度检验准则是根据平均强度和变异系数综合控制。因此对喷射混凝土的质量控制不但要控制平均强度，同时还必须控制变异系数。由于湿喷工艺能够对水灰比进行准确控制，因此强度变异系数小，喷层结构可靠性高。而干喷工艺据欧洲规范（EFNARC）7.3表述：“对于干喷工艺难于预设水灰比。实际水灰比一般在0.350.5的范围内波动。经估算，相应强度波动可达15MPa以上”。根据中铁西南院大量试验数据表明：湿喷混凝土强度变异系数可控制在10%左右，达到国标优质标准。,混凝土强度分布规律,喷混凝土强度 根据喷混凝土强度表面特征，宜采用气压射钉枪（见图4-30、31）无损检测方法进
16、行检测。气压射钉枪检测喷混凝土强度是在恒定空气压力下将经过特殊标定的射钉打入喷混凝土内，由其射入深度推算其强度(深度与强度的关系由实验标定)。,图4-30 气压射钉枪,图4-31 气压射钉枪强度测试系统,喷混凝土厚度、密实度及背后缺陷 喷混凝土厚度、密实度及背后衬砌缺陷均可采用地质雷达（见图4-34、35）进行检测。根据喷混凝土厚度，采用地质雷达对喷混凝土进行检测前要解决的问题：天线频率的选择、雷达波在喷混凝土中的波速标定。根据喷混凝土厚度，选用1000MHz或更大频率的天线可以得到效果较好的检测结果；对于波速标定，采用激光断面仪通过断面检测得出喷混凝土厚度来得到。,图4-34,图4-35,喷
17、混凝土强度与射钉贯入深度的关系曲线,强度差值d频数直方图,5 格栅或型钢拱架数量检测 在隧道中所使用格栅或型钢拱架数量，也是隧道初期支护质量控制中所关心的问题。喷混凝土中存在格栅或型钢拱架支撑时，地质雷达剖面图中信号会有变化，可通过这些信号的变化读出隧道施工时所使用的格栅或型钢拱架支撑数量。钢材质量（包括锚杆）及加工质量可于施作前抽检来进行控制。,呈倒W形的格栅拱架,格栅拱架检测图,型钢拱架检测图,（6）二次衬砌检测二次衬砌混凝土强度检测 对二次衬砌混凝土强度检测采用超声回弹综合法结合少量的钻芯取样进行检测。A、超声回弹检测,图4-38-5000型混凝土数显回弹仪,图4-39 乐陵机械回弹仪,
18、图4-40 NM4A型超声波检测仪,图4-41 瑞士产TICO型超声波检测仪,B、钻取芯样检测 钻芯取样为局部检测，主要用于修正超声回弹所得混凝土的强度。芯样钻取位置必须在超声回弹检测的内，在现场采用钻机（如：ZKJ200型金刚石钻机，见图4-42）钻取芯样（芯样直径：100或150）后，在室内进行芯样试件制作并养护后采用压力试验机（NYL60型，见图4-43）对芯样试件进行抗压强度试验，得出衬砌混凝土芯样强度值。,图4-42,图4-43,二次衬砌混凝土厚度、背后空洞及围岩状况检测 对隧道二次衬砌混凝土厚度、背后空洞及衬砌背后围岩状况等检测，采用地质雷达方法进行。测线布置位置为：拱顶、左右边墙
19、、左右拱脚共五条测线（见图4-44、45）。由于高频天线检测精度较高，但测量范围较小；天线检测精度较低，但测量范围较大。对二次衬砌厚度、背后空洞及衬砌背后围岩状况的检测，由二次衬砌混凝土厚度决定，选用500MHz的雷达天线，在现场利用工程检测车以小于5km/h的速度对隧道二次衬砌进行检测（见图4-46）。,图4-44,图4-45,图4-46,层位追踪示意图,层位追踪结果图,衬砌背后的不密实,衬砌背后的空洞,地质雷达分析处理结果图,二次衬砌混凝土裂缝及渗漏水检测 在隧道施工完成后，对隧道纵向全长范围内的二次衬砌表面存在的裂缝、渗漏水位置沿隧道洞身里程采用人工目测分格素描的方法进行检查。检测时，按每100m进行分段，分段进行目测裂纹工作，将所检测到的裂纹在隧道衬砌表面的位置情况标在预先作好隧道纵向分格图上。然后对隧道衬砌上的裂缝采用游标卡尺、超声波检测仪（如：瑞士产TICO型、国产NM4A型）对裂纹宽度及深度进行检测，并将其标示在分格图上相应的裂缝处，最终形成隧道病害分格检测展示图（见图4-52）。,图4-52 隧道病害分格检测展示图,
