郭得令

(中铁济南工程技术有限公司，山东济南　250022)

隧道为隐蔽性工程，如果施工管理不到位，容易产生衬砌混凝土厚度不足、衬砌与围岩不密贴、混凝土不密实等质量通病[1]。峰福线某段铁路运营长度251.713 km，沿线隧道混凝土衬砌大都有不同程度的渗漏水和裂损病害现象，影响行车安全，制约着铁路电气化改造。在病害调查的基础上，采用综合检测方法，对沿线59座隧道的衬砌厚度、背后空洞规模和范围、衬砌密实情况以及衬砌混凝土强度进行全面检测，并对各隧道衬砌进行安全等级评定。

1　检测方法介绍

本工程中，采用地质雷达法对隧道衬砌的厚度、衬砌内部及背后缺陷进行探测[2]，采用超声回弹综合法结合钻芯法对衬砌混凝土强度进行检测。

地质雷达以其高分辨率、无损性、高效率和强抗干扰能力等优点，已成为隧道工程无损检测的一个主要手段[3]。地质雷达依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作，电磁波脉冲在介质中的传播路径——波形随所通过介质的介电性质、几何形态而变化，根据接收到反射波的旅行时间、幅值、频率、波形变化资料，可推断隧道衬砌的内部结构和几何形态。在隧道衬砌结构混凝土中，空洞、裂缝、钢筋、素混凝土、围岩介电常数有明显的差异，它们之间能形成良好的电磁波反射界面，满足地质雷达检测的地球物理条件。本次地质雷达检测，采用美国SIR-3000型地质雷达及400 MHz屏蔽天线和瑞典RAMAC型地质雷达及500 MHz屏蔽天线两套设备，分别在边墙、拱腰和拱顶位置，沿纵向布置5条测线，在每条测线上进行连续检测。

声波法是由发射换能器向介质中发射一定频率的高频声波或超声波，当声波到达接收换能器时被其接收，并将波形及到达时间显示在声波仪上。声波在介质中的传播时间、频率的变化和波幅的衰减，与介质的强度、密实度及内部结构有着十分密切的关系。当隧道衬砌混凝土密实度越大、强度越高时，声波传播速度越快，利用声波可间接反映隧道衬砌强度。混凝土回弹仪是用一弹簧驱动弹击锤并通过弹击杆弹击混凝土表面产生瞬时弹性变形恢复力，使弹击锤带动指针弹回并指示出弹回的距离，以回弹值作为混凝土抗压强度相关的指标之一，来推定混凝土的抗压强度。超声回弹综合法综合了声波法和回弹法的优点，根据在同一测区测得的声时及回弹值，利用测强公式，推算混凝土强度值[4]，可同时反映混凝土表面硬度、内部密实度和匀质性[5]。采用RSM-SY5型智能声波检测仪进行表面直达波超声测试，以回弹测试测区为中心，安装发射换能器和接收传感器。回弹测试采用ZC3-A型混凝土回弹仪。声波回弹综合法测区沿隧道全长在两侧边墙等间距布置，间距为20 m，并保证每个隧道测区数不少于10个。

钻芯法是利用专用钻机和空心薄壁钻头，从结构混凝土中钻取芯样以检测混凝土强度和检查混凝土内部缺陷[4]，是一种直观、可靠和准确的方法，但由于检测对结构混凝土会造成局部损伤，大量采用受到限制。本工程中仅选择具有代表性地段钻取芯样，利用芯样抗压强度试验结果验证超声回弹综合法确定的混凝土强度值。

2　检测结果

病害调查发现，大部分隧道混凝土衬砌均有不同程度的渗漏水、裂损病害现象，部分隧道渗漏水、裂损严重，个别隧道衬砌局部存在腐蚀冒浆病害现象。

根据地质雷达检测结果，大部分隧道衬砌背后及衬砌内部存在不同程度的空洞或不密实缺陷，拱部更为严重，其中拱顶衬砌缺陷以空洞和不密实为主，拱腰衬砌缺陷以不密实为主，边墙衬砌缺陷相对较少，以不密实为主；大部分隧道存在衬砌厚度达不到原设计厚度的情况。根据超声回弹综合法及钻芯法检测结果，各隧道大都存在不同程度的衬砌混凝土强度弱化现象，个别隧道衬砌混凝土强度明显不足，衬砌材料劣化现象较重。

3　安全等级评定

3.1　评定方法和步骤

为科学地评价隧道衬砌状况和提出适当的整治方案，需要对隧道检测结果进行综合分析，对隧道病害和缺陷程度进行恰当的量化和分级。

本次检测工程中，隧道衬砌安全等级的评定按以下方法和步骤进行[6]：

①详细研究分析所搜集的隧道修建、运营资料，衬砌病害调查与观测资料，衬砌状态检测资料。

②根据隧道衬砌缺陷及病害的分布情况，对照隧道衬砌缺陷及衬砌病害的量化指标，分段评定隧道衬砌缺陷及隧道衬砌病害等级，划分为轻微(1)、较严重(2)、严重(3)、极严重(4)4级。当同一地段有多项缺陷或病害项目时，按严重程度最高的项目判定其等级。隧道衬砌安全等级分段评定时，其每段长度不宜小于隧道内净空最大宽度，否则，应视为相邻段病害等级中高等级地段。

③依据分段评定的衬砌病害及衬砌缺陷等级，结合隧道工程地质、水文地质及对行车安全的影响情况，按评定标准(见表1)综合评定该段隧道衬砌的安全等级，划分为完好(D)、轻微(C)、较严重(B)、严重(A1)、极严重(AA)五个等级。

④整座隧道衬砌的安全等级，在分段评定的基础上，按各段中病害最严重地段的安全等级确定。

表1　隧道衬砌安全等级评定标准

注：表中当衬砌缺陷等级为注有“*”者的等级时，该段衬砌安全等级应通过综合判释确定。

3.2　安全性评定实例

以其中一座隧道为例，评定隧道衬砌的安全等级[7]。

(1)调查和检测结果

该隧道全长140 m，通过对衬砌表面病害调查发现，该隧道混凝土衬砌局部存在较严重或轻微的病害现象，以渗漏水病害为主，右边墙局部存在腐蚀冒浆的病害现象(见表2)。根据衬砌检测结果，该隧道拱顶、两侧边墙和拱腰局部均存在程度不等的衬砌厚度不足的缺陷(见表3)；该隧道衬砌混凝土局部存在较严重的强度弱化现象(见表4)；该隧道拱顶较大范围内存在极严重的空洞缺陷，局部存在严重的不密实缺陷(见表5)。

(2)衬砌病害量化评定

衬砌病害量化评定见表2。

(3)衬砌缺陷量化评定

表2　衬砌病害评定

衬砌厚度、混凝土强度、衬砌空洞或不密实缺陷量化评定见表3～表6。

表3　衬砌厚度缺陷评定

表4　混凝土强度缺陷评定

表5　衬砌空洞或不密实缺陷评定

表6　隧道衬砌安全等级评定

(4)隧道衬砌安全等级评定

依据分段评定的衬砌病害及衬砌缺陷等级，结合隧道工程地质、水文地质以及对行车安全的影响情况，综合评定各段隧道衬砌的安全等级，按各段中病害最严重地段的安全等级确定整座隧道衬砌的安全等级(见表6)。

4　治理措施意见

根据病害调查和检测结果，对各病害类型提出了具有针对性的治理措施建议。

对拱部渗水部位处理方式以封堵为主，在引排的基础上可采用水泥注浆或化学注浆进行充填封堵。边墙渗水部位可视其水量和集中情况酌情处理，处理方式以引排为主。裂纹、裂缝宜与衬砌渗漏水一起综合治理。对病害较轻的裂纹可用水泥浆嵌补，或凿槽后用水泥砂浆或环氧树脂砂浆涂抹；裂损较重的，可采用素喷或网喷混凝土整治；对裂损严重、裂缝集中的，可采用锚网喷或喷射早强钢纤维混凝土进行整治。对腐蚀冒浆较重部位，在加强腐蚀性水的引排工作前提下，可采取向衬砌背后压注防蚀浆液的措施进行整治。

空洞部位应进行处理，可实施注浆、回填进行整治。为防止拱顶坍塌，应采取分次压入、控制注浆压力、施做临时支撑等措施。位于拱顶的不密实部位应进行处理，拱腰不密实部位可以结合接触网悬挂位置进行处理，处理方法可采用注浆法。对不满足悬挂接触网要求的，可凿除欠挖部分围岩，用同级混凝土回填密实。

对衬砌厚度不满足悬挂接触网要求的，宜予以处理，处理措施可采用凿除欠挖部分围岩，用同级混凝土回填密实。

结构强度明显不足、衬砌材料劣化较重地段，可采取凿除表面劣化混凝土然后挂网锚喷钢纤维混凝土的措施进行加固。

[1]喻军，刘松玉，童立元.地质雷达在隧道初衬质量检测中的应用研究[J].岩土力学，2008，29(增)：303-306

[2]吴波鸿，白雪冰，孔祥春.探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用[J].物探与化探，2008，32(2):229-231

[3]李二兵，谭跃虎，段建立.地质雷达在隧道工程检测中的应用[J].地下空间与工程学报，2006，2(2)：267-270

[4]张科强，杨波.混凝土的无损检测方法及其新发展[J].混凝土，2007(5):99-101

[5]张竞男，王浩，乔建东.超声-回弹-钻芯综合法测强初探[J].材料科学与工程学报，2003，21(6)：886-889

[6]铁运函[2004]174号铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定[S]

[7]中铁工程设计咨询集团有限公司.改建铁路峰福线横峰至南平南段电气化改造工程隧道衬砌质量检测报告[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2008