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既有铁路隧道病害检测技术现状与展望
日期:2017-9-6 9:14:04 作者:佚名 来源:本站原创
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1 引言

我国是世界上铁路隧道运营里程最长的国家,相关调查研究表明相当数量的隧道存在病害问题,严重影响到我国铁路的行车安全。国内铁路完成六次提速,列车运行对数大大增加,维修养护的 “天窗”时间相对较短,因此缩短病害隧道的检测和整治时间,减小对铁路隧道正常运营的干扰显得尤为迫切。目前,国内隧道一旦出现病害,铁路工务人员通常结合隧道病害的表观特征和隧道所在地区的地质、气候、水文等情况及施工总结资料等信息,根据经验判断隧道病害产生的原因,结合隧道病害类型及病害程度制定出相应的整治措施。或是采用探地雷达等无损检测方法配合钻孔取芯方法进行隧道隐蔽病害的检测,再依据人工经验对检测结果进行判读,人为主观性较强。由于缺乏对隧道病害系统科学的检测,导致对隧道病害产生的原因缺乏准确的判断,致使采取不合理甚至错误的整治方案,可能产生不必要的浪费甚至威胁到施工人员的人身安全。因此积极探索科学、系统、快速有效的隧道病害检测方法,为病害分类、分析病害原因、划分病害等级等提供科学可靠的依据,从而制定出科学合理的病害整治措施是当务之急。

2 既有隧道病害分类及检测技术

2.1 既有隧道病害类型

常见既有铁路隧道病害主要有衬砌裂损、渗漏水、冻害及衬砌材料劣化等几个方面。其中,隧道衬砌裂损表现形式为衬砌变形、衬砌移动、衬砌开裂三种;隧道渗漏水病害表现形式为隧道漏水和涌水(拱部滴水、隧底冒水、孔眼渗水),隧道衬砌背后积水,潜流冲刷及侵蚀性水对衬砌腐蚀等。隧道冻害表现形式主要有挂冰、冰锥、冰塞、冰楔、围岩冻胀、衬砌材料冻融破坏及衬砌冷缩开裂。隧道衬砌材料劣化主要表现为隧道衬砌的腐蚀。也有专家把隧道典型病害分为表面病害和非表面病害两大类,其中表面病害主要包含隧道衬砌裂损、衬砌渗漏水、衬砌拱墙挂冰等;非表面病害则主要指借助仪器才能进行检测的病害,主要包括隧道衬砌背后空洞、衬砌厚度不够、衬砌强度不足等[1][2][3]

2.2 既有隧道病害检测技术

针对既有铁路隧道常见病害类型,检测手段从最初的目测等仅限于隧道表面病害的检测方法发展到后来的以钻孔取芯、后装拔出法等为代表可检测部分隐蔽病害及隧道衬砌结构性能的微破损检测方法,再发展到近年来能全面诊断隧道健康状况的无损检测方法。

1)目测。对于既有隧道病害的检测,最初的检测手段多是根据目测进行判断,受人为因素影响较大[4]。目测虽能较直观的检测隧道表面渗漏水、基底翻浆冒泥、拱顶挂冰、衬砌出现裂缝、错台或者剥落掉块等,方法较为灵活,但这只能观测到隧道表面病害,对于衬砌内部情况、衬砌与围岩接触面及围岩内部情况等隧道隐蔽病害则无能为力,导致隧道病害整治治标不治本,无法彻底根治。

2)微破损检测。国内应用最多的微破损检测方法有钻孔取芯法及拔出法,主要用来检测混凝土衬砌的强度。由于检测时所造成的局部损伤对混凝土结构的整体没有太大影响,不会危害结构的安全,所以广义的理解,也将其计入非破损检测范畴[5]。钻孔取芯法检测结果直观、准确、代表性强。但是其缺点也是明显的,首先钻孔取样耗时多、效率低,其次钻孔检测时容易对隧道防水层造成破坏且影响隧道美观。同时钻孔取芯检测不宜大面积使用,只能选择性的进行,对工人在钻孔位置选择经验方面要求很高,选择不合理容易造成检测结果失准,难以对整条隧道质量进行综合评判与推定。因此钻孔取芯法不宜单独使用,通常用来对回弹法和超声回弹综合法等检测结果进行校正,以提高检测的可靠性[6]

拔出法检测混凝土强度技术是一种通过拔出仪检测实体混凝土中锚固件的拔出力来确定混凝土抗压强度的一种方法。虽然拔出法操作简单,但拔出法必须在浇筑混凝土之前将锚固件布置在预定位置,无法对没有预埋锚固件的混凝土结构进行现场强度检测。针对拔出法的这种缺陷,人们后来在拔出法的基础上发展了后装拨出法,即在混凝土结构硬化后对其表面钻孔、切槽并埋入固定好锚固件,接着拔出锚固件,再根据拔出力推定混凝土强度的一种试验方法。后装拔出法可随时随地对没有预埋锚固件的混凝土结构进行现场强度检测,弥补了拔出法不能对没有预埋锚固件的混凝土结构进行现场强度检测的缺陷。拔出法在我国起步较晚,但其在引入国内后发展较为迅速,自20世纪80年代以来,国内很多研究单位在后装拔出法的研究试验方面进行了卓有成效的工作[7]

3)无损检测技术。无损检测技术近年来广泛应用于隧道施工监控量测和质量控制以及既有隧道病害检测方面。它是一种在不破坏混凝土内部结构和使用性能的情况下利用声、光、热、电、磁和射线方法,测定有关混凝土性能方面的物理量,推定混凝土性能、缺陷等的测试技术。国内外常见的无损检测方法主要有探地雷达(地质雷达)法、声波/超声波法、回弹法、激光扫描法、红外热像法、超声回弹综合法等,本文将对以上无损检测方法予以重点分析。

3 现有无损检测技术分析

3.1采用无损检测技术的必要性

新建铁路隧道验收检测指标日趋完善,传统检测已无法满足检测要求,同时为了更全面地掌握隧道病害信息彻底根治隧道病害,无损检测技术在铁路隧道工程中的应用将是一种趋势。以下从既有铁路隧道病害检测以及新建隧道质量控制两个方面对采用无损检测技术的必要性进行阐述。

1)是缩短既有铁路隧道病害检测时间的重要手段。

随着国民经济的发展,国内完成了既有铁路新一轮大提速以适应繁忙的运输任务,“天窗”时间也将随之相对缩短。适时研究现有隧道健康安全检测方法及隧道病害的整治技术,以提高既有隧道检测和整治效率,减小对既有线繁忙运输的影响是很有必要的。传统落后的沿用眼看尺量的隧道病害检查和检测手段,不仅检测效果差,难于发现隧道隐蔽病害,而且隧道病害检测耗时、费力,且对既有铁路线的正常运营影响较大。

随着运营年限的增加,部分早期修建的老旧隧道已无法适应当前铁路运营要求,亟需进行改造扩建,为保障改造施工质量和施工工期,节省改造费用,需要对老旧隧道进行全面科学的健康诊断,而传统检测方法无论是在检测效果还是在检测效率上都无法满足要求,而无损检测技术具有全面高效等特点,是缩短隧道病害检测时间的上乘之选。

2)是新建铁路隧道质量控制的有力保证。

隧道施工监控不到位是影响铁路隧道质量控制的重要原因之一。以前新建铁路隧道竣工交验时,主要采用观测、尺量、钻孔抽查、查看资料等方法进行。这样的检验方法主要是验收外观质量,对其内在质量缺乏全面的了解,使新建隧道可能留下衬砌背后空洞或衬砌强度不足等隐蔽缺陷。在《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》(TB102232004Z3412004)和铁运(200442 号《铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定》颁布后,无损检测已作为检查隧道衬砌隐蔽缺陷的一种有效而重要手段得到普遍采用,最大限度的从源头防范隧道病害的发生[8]。因此,在新建铁路隧道质量控制和验收中应广泛使用无损检测技术。

3.2 无损检测技术的应用

无损检测技术主要用于在建隧道的施工安全保障和质量控制以及既有隧道健康综合诊断两个方面。

1)在建隧道中无损检测技术的应用

在隧道施工安全保障方面无损检测技术的应用主要有地质超前预报及隧道施工监控量测等,其中地质超前预报主要对掌子面前方岩溶洞穴、管道、暗河等不良地质体的位置,断层破碎带位置、规模及富水状况,煤层、瓦斯、天然气储存状态等进行检测,为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据,并为预防隧道涌水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息,使工程单位提前做好防范准备工作;隧道施工监控量测的主要内容一般包括围岩及支护状态观测,隧道洞口段、浅埋和偏压段地表沉降监测,拱顶下沉及净空变位收敛量测,锚杆抗拔力量测,支护结构的应力状态量测,隧道内分段涌水量和水压、涌水含砂量与含泥量观察、地表水水位观察等。通过施工现场的监控量测,为判断围岩稳定性,支护、衬砌可靠性,二次衬砌合理施作时间,以及修改施工方法、调整围岩级别、变更支护设计参数提供依据,指导日常施工管理,及时预报围岩险情,确保施工安全。

在隧道施工质量控制方面无损检测技术的应用主要有:隧道衬砌强度、隧道衬砌内部钢拱架、钢格栅分布形态、衬砌与围岩结合面质量、衬砌背后裂隙、空洞及回填密实程度、隧道限界等指标的检测。

2)在既有铁路隧道健康诊断中的应用

既有铁路隧道健康诊断中,无损检测内容主要有隧道拱腰及边墙隐蔽病害的检测,主要包括衬砌厚度、衬砌强度、衬砌背后空洞的分布等指标;隧底隐蔽病害的检测,包括底板、仰拱的厚度及强度,底板裂损部位及程度,基床以下软弱夹层病害等[7]。近年来发展起来的新的无损检测方法,如激光扫描、红外热像仪等可用于隧道衬砌表面病害如裂缝分布情况、衬砌表面渗漏水、蜂窝麻面等指标检测,检测效率高且工人劳动强度低。

2.3 现有无损检测方法对比分析

通过上述分析可知,无损检测技术无论是在新建隧道的质量控制、安全保障方面还是在既有铁路隧道病害诊断和维护方面都有着广泛的应用前景。下面将着重介绍几类在既有铁路隧道病害检测方面常见的无损检测方法,每种方法的优缺点分析见表1

1)探地雷达法

探地雷达(简称GPR)采用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标进行扫描,通过发射天线向被探测物发射宽频带短脉冲的高频率电磁波,当该波在介质传播过程中遇到不同介质交界面时,部分电磁波会被反射回来被雷达接收天线接收,通过记录反射波的双程走时、反射波的幅度与波形等信息,研究被探测介质的分布和属性。由于探地雷达具备无损检测,可连续对目标进行扫描,操作简便灵活,探测精度高、速度快、抗干扰能力强等特点,在隧道工程中得到越来越广泛的应用。其在隧道病害检测中的应用主要有:检测隧道衬砌中钢筋布置,衬砌厚度,衬砌内裂缝及背后空洞,衬砌空洞、回填疏松地段及衬砌裂隙积水等[9][10][11]

2)回弹法

回弹法由于其使用的设备简单、操作方便、测试迅速以及检测费用低廉,且不破坏混凝土的正常使用,在国内隧道工程中的应用比较广泛,主要用于混凝土强度的检测。回弹法是借助回弹仪对混凝土表面进行弹击,重锤受到弹力作用后回弹一定距离,通过标尺测出重锤被反弹回来的距离,以回弹值(反弹距离与弹簧初始长度之比)作为与强度相关的指标,来推定混凝土强度。回弹法在国内的使用已经有了几十年的历史了,然而也有学者如清华大学土木工程学院廉慧珍教授对回弹法检测强度提出了质疑,她认为不同材料的强度和硬度之间不能建立相关关系,混凝土碳化层和混凝土本身是不同的材料,混凝土碳化层的硬度和内部混凝土的强度没有关系,再基于碳化层的硬度引进“折减系数”来推算混凝土的强度,在概念上是错误的[12]

3)弹性波(声波/超声波/地震波)法

地震波、声波、超声波的力学本质是相同的,只是频率不同,都属弹性波。弹性波检测比探地雷达复杂得多,工程检测中,一般情况下探测深度大于5 m 的选用地震波法,大于20 cm 的选用声波法。小于20 cm 的选用超声波法[13]。在隧道工程无损检测应用中,超声波通常与回弹法结合,以提高检测精度。声波法检测则包括直达波法和反射波法两种,应根据不同的检测目的选用,其中直达波法用于检测隧道衬砌表层混凝土质量,判定浅部典型病害,而反射波法适用于检测隧道衬砌混凝土厚度、内部缺陷等[14]

4)激光扫描法

激光扫描是近年来首先在欧洲发展起来的新型无损检测技术[4],由于其扫描速度快、检测精度高、检测时能同步获得三维图像等优点,无论在新建隧道竣工验收,还是在既有隧道病害检测中都具有广泛的应用前景。如德国在纽伦堡——茵戈施塔特铁路新线竣工验收时采用了GRP5000激光扫描技术[15]。近年来激光扫描技术作为新型非接触式高精度海量数据收集技术,在虚拟城市建模、林业测量、变形监测以及逆向工程中都有应用[16],目前国内学者对应用激光扫描技术所获取海量数据的处理方法进行了大量的研究,以便激光扫描技术能在更多的领域得到广泛应用。

5)红外线法

红外线法属于非接触性无损检测技术,其使用的红外热像仪检测不受时间、空间的限制,较为灵活[17]。红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上,从而获得红外热像图,这种热像图与物体表面的热分布场相对应。其检测无接触、速度快、结果直观、可进行大面积检测的优点,使得红外线无损检测技术应用前景非常广阔。国内某正在研发的公路隧道病害集成检测车针对隧道渗漏水的检测就使用了红外热像仪,试验时其所检测的隧道衬砌表面渗漏水红外图像经过多指标修正后,与实际所测结果相近。

6)综合检测法

综合无损检测法是指采用两种或两种以上的单一方法,获取多个物理参量,从不同角度综合评定混凝土质量。因此,同单一非破损检测方法相比,综合检测法具有更高的准确性和可靠性。目前已被采用的综合法有超声回弹综合法、超声钻芯综合法、声速衰减综合法等。而在实际工程中应用较为广泛的是超声回弹综合法。超声回弹综合法是超声波法与回弹法检测的综合,利用低频超声波仪和回弹仪对同一测区的混凝土结构或构件进行声速值和回弹值的测试,利用已建立起来的测强曲线,推算该测区混凝土抗压强度的一种方法[6][18][19]

1 既有铁路隧道病害常见无损检测方法优缺点分析

Table 1 Analysis on the advantages and disadvantages of the common non-destructive testing methods for the disease of existing railway tunnel

检测方法 隧道工程 中的用途 不足 优点

地质 雷达法 检测衬砌中钢筋布置、衬砌厚度、衬砌内裂缝及背后空洞等。 初衬和二衬表面位置难以确定,电磁波在非均匀介质中的传播速度不易确认,衬砌空洞位置定位不精准,测量结果判读对人员经验的依赖性较强。 无损伤,检测连续,操作简便灵活,探测精度高、速度快、抗干扰能力强等。

回弹法 一般适用于新建隧道衬砌强度检测。 容易受操作方法、仪器性能、混凝土材料(如水泥种类、用量,外加剂和掺合料的种类、配比等)、施工质量、气候环境、测区选择等的影响。 设备简单、操作方便、测试迅速、检测费用低廉且不破坏混凝土结构。

超声 /声波法 衬砌强度和完整性检测。 声波法检测速度慢,不适用于大面积的隧道病害检测;超声法则对高强度混凝土的反映不够敏感,很难全面反映混凝土整体质量。 检测结果能较好地反映被测混凝土结构的局部质量且检测方法有较好的灵活性[7]

激光 扫描法 衬砌的裂缝、变形、侵限、不平整施工缝等的分布情况。 作为一门新兴技术,设备较贵且缺少相应的规范、规程。 检测时间短,角度广(360°),定位精准,测量的图像数据可作为评定隧道健康状况及运营维护管理信息平台。

红外线 检测法 主要用于衬砌渗漏水的检测。 能较好检测被测物的表面热状态,但很难确定被测物内部的热状态;检测设备更新速度快,购买维护成本较高。 无接触、高灵敏度、高效率,可进行大面积检测。

超声回 弹综合法 隧道衬砌强度检测。 衬砌混凝土碳化深度较大时误差较大,需配合钻孔芯法进行评价或修正。 可弥补单一检测法在较低或较高强度区间检测的不足,能较全面反映混凝土衬砌整体质量情况。

3 既有隧道病害综合检测技术展望

论文主要对现有隧道病害检测方法现状及趋势进行了阐述,总结出现有常见隧道病害无损检测方法优缺点,并针对存在的问题对既有铁路隧道病害综合检测技术从以下四个方面进行展望。

1)继续对现有无损检测技术理论基础及影响因素进行深化研究。如探地雷达的电磁波在混凝土介质中的传播特性及传播影响因素有待全面深入研究。现有混凝土外加剂和配比与多年前相比已经有了很大变化,使用回弹法检测混凝土强度技术已经有了几十年的历史了,为减小检测误差,还需进行进一步试验研究。

2)无损检测方法种类多,涉及学科领域宽广,而随着科技的发展,无损检测技术在加强更新换代的同时,还应积极开拓新的无损检测方法,使得无损检测技术在数据处理上更高效、便捷,检测结果直观、智能,减小检测结果判读依靠人工经验带来的误差等。

3)目前国内尚缺乏既有铁路隧道专用病害综合检测车,有必要开展铁路隧道多功能无损检测车的研发。国内研制的隧道病害检测车大多用于公路隧道上,而且没有得到广泛应用。例如国内大多数在建隧道在使用探地雷达进行衬砌质量检测时,通常借助装载机或者汽车临时搭载雷达天线进行检测,由于无法使得雷达天线密贴衬砌表面且很难保证雷达天线沿测线匀速直线运动,从而严重地影响了检测效果,图1所示为国内某公路隧道现场检测实施图[20],图中可见其借助搭建在装载机上的脚手架进行检测,不仅检测效果差、效率低、劳动强度大,而且工人检测作业安全性很难保障。为了降低检测车的使用成本,所研制的检测车要便于拆卸和安装,通用性强,可用于公路、铁路在建隧道以及既有隧道的病害检测。检测车还应具有检测多种病害的功能,同时具有病害检测自动识别程度、检测精度及检测效率高,数据后处理速度快等特点。


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