钻芯法与回弹法在隧道衬砌强度检测中的应用分析

张 智

(中国铁路总公司工程质量安全监督总站，北京 100038)

混凝土是隧道工程建设使用最为广泛的建筑材料，混凝土质量的优劣影响到隧道衬砌结构的适用性、安全性和耐久性，并直接制约着隧道工程经济和社会效益的发挥。混凝土衬砌质量的检控中，保证强度是基本要求。混凝土实体结构强度检测分为同条件养护预留试件检验、无损检测和微破损检测，其中常见的无损检测和微破损检测方法有钻芯法、回弹法、超声法、超声回弹综合法、后装拔出法。钻芯法、回弹法应用最为广泛，常用于隧道衬砌混凝土强度检测。

本文对目前在隧道衬砌混凝土强度检测中常用的钻芯法与回弹法的技术要点及检测影响因素进行分析，并结合工程实例对两种检测方法的数据进行对比，分析其相关性及工程应用的适用性，为工程应用提供借鉴。

1 钻芯法与回弹法检测方法

1.1 方法简介

1)回弹法是基于混凝土的抗压强度与其表面硬度之间存在的相关关系。当回弹仪的弹击锤以一定的弹力打击在混凝土表面上，其回弹值与混凝土表面硬度呈一定的比例关系，根据表面硬度可推求混凝土的抗压强度。回弹法检测混凝土强度具有设备简单、操作方便、检测迅速，且混凝土不会破损等优点，适合用作混凝土强度普查。该方法影响因素较多，容易产生较大误差，应掌握正确的使用方法，注意回弹仪的保养和维护，以减少测量误差。

2)钻芯法是利用专用钻机直接从结构上钻取圆柱体混凝土芯样，并根据芯样的抗压强度评定结构混凝土质量的一种直观、可靠、准确的微破损检测方法，可作为混凝土质量抽查及无损检测结果验证。钻芯法直接在混凝土实体上钻取样品进行抗压试验，会对混凝土构件造成一定破坏，不适于用作混凝土强度普查。

1.2 两种检测方法的互补性

钻芯法具有直观、准确等特点，常被用于无损检测结果的对比验证、争议处理与仲裁、质量问题调查。但因其属于局部破损检测，一般不宜大量取芯，也不宜采用钻芯法按批检测与评定。此外，同一结构构件虽然强度等级相同，但是实际强度并非恒定值，不同部位的强度亦有一定的离散性，因此，用局部的小孔芯样反映整个构件的混凝土强度，尚存在随机性。

回弹法具有检测速度快、费用低、测区多、检测全面等特点，在工程中被广泛应用，近年来被应用于隧道衬砌强度检验与普查，但该方法影响测试结果的因素多，检测误差大，其准确度有时难以保证。

为充分利用回弹法与钻芯法的优点，取长补短，科学、合理、有效评价隧道衬砌混凝土强度，应采用回弹法与钻芯法相结合的综合检测方法。同时，研究两者的相关关系，避免盲目应用，提高检测精度，保证隧道运营安全。

2 提高检测精度的措施

2.1 回弹法

1)回弹仪的工作状态。须满足钢砧率定值80±2，维护保养应及时，数显回弹仪的示值须一致，这些是根本保障，容易被忽略。

2)测区的布置。对于隧道衬砌施工在混凝土表面形成浮浆过厚、粗糙、局部不密实的现象，若不能合理避开，必然会产生内外质量差异大的现象，回弹不能准确反映混凝土内部强度。

3)检测面的选择。若非对质量有怀疑或争议，检测部位应尽量布置于竖直边墙处，方便操作且回弹数据不需要角度修正，准确度高。

4)表面状态记录。要详尽、准确，清楚记录测试部位的表面潮湿程度，一般情况下在建隧道衬砌常会出现表面泛潮甚至表面泛水，会影响测试结果，导致测试回弹值偏低、数据离散。

5)测区表面清理。隧道衬砌施工后，通常由于开挖、掘进、出渣、初支混凝土喷射，粉尘较大、表面积灰较厚，若不能清理干净必然会影响测试结果。同时应避免过度清理，有些检测人员为防止表面积灰及表面浮浆对测试结果产生影响，采用磨光机磨出深约3～5 mm深的测试面，然而测试结果并不理想，其回弹推定强度偏低，而实际上钻芯取样强度合格，分析其原因，可能是打磨过深时导致表面不平整，从而使回弹仪探杆不能充分接触混凝土面，测试回弹值偏低。可见表面清理要合理、适度，以干净、平整为宜。

6)测试操作的规范性。应严格按照规范操作要求，垂直接触后静压，避免在测区内小范围或一个点附近反复弹击，防止倾斜冲击等现象。

7)碳化深度测量。影响碳化深度测试结果准确度的因素较多，微小局部不密实处混凝土与空气中二氧化碳接触面较大较深，其碳化较深，混凝土致密处碳化较浅，因此碳化深度测试部位的选择要有代表性，碳化深度测试要规范。

2.2 钻芯法

1)芯样钻取及运输。钻芯、运输过程中，如果操作不当，也会引起强度折减，应引起充分重视，尽量避免。在钻芯取样过程中，钻芯机应具有足够的刚度、操作灵活、固定和移动方便，并应有水冷却系统。钻头应无缺损，避免钻取过程中钻机颤抖及卡钻，造成芯样圆柱面出现波纹状或混凝土微损伤，避开钢筋特别是主钢筋。芯样运输前应进行包装固定，避免局部悬空、碰撞，搬运时轻拿轻放，避免磕碰受损。

2)芯样加工和试验。加工过程中应剔除有缺陷的、尺寸偏差不符合要求及内含钢筋不符合要求的试件。芯样切割端面应平整，与芯样轴向要垂直。严格按照规范进行端面磨平或补平，芯样高径比尽量为1或略大。芯样在抗压试验过程中，严格控制试验机的加载速度，避免冲击式加载。

3)湿度条件的控制。隧道在建设过程中尤其是斜井通风条件不畅时，水汽较大，混凝土表面潮湿。一般在隧道贯通后正常运营过程中表面处于干燥状态，故在抗压强度试验时宜按干燥条件考虑。

3 隧道衬砌强度检测的要点

3.1 构件选取

与房屋建筑、桥梁结构物不同，隧道衬砌具有整体连续性。一般情况下，每板混凝土具备相同龄期及设计参数，因此可将每一板混凝土衬砌作为一个独立构件进行评定。隧道施工安全要求隧道开挖后立即进行初期支护及衬砌施工。隧道围岩变化较大，使得每板混凝土之间设计参数、龄期不同，因此，隧道衬砌实体混凝土强度检测一般不具备批次检测与评定条件，通常以一板混凝土作为一个构件进行强度检测。

对于隧道衬砌混凝土强度抽检与验收评定，一般情况下隧道衬砌混凝土龄期宜＞56 d，冬季施工时，应满足1 200℃·d的要求，随机抽取构件或对质量可能存在问题的构件进行检测。

3.2 检测部位

考虑到钻孔后的修补问题，以及列车运营安全，一般情况下检测部位宜选择在左右边墙部位，钻芯取样前宜采用钢筋扫描设备进行定位以避开钢筋。

3.3 检测数量

钻芯法属于微破损检测，通常用于无损检测结果验证及隧道混凝土强度监督抽查，钻芯量不宜太大。一般情况下，每个构件(每板衬砌混凝土)钻取1组3个芯样，进行抗压强度试验。回弹法每个构件布置不少于10个测区，测区在两侧边墙上均匀布置。

4 工程实例分析

针对某工程隧道的衬砌混凝土强度进行钻芯法与回弹法对比试验，共选取10座隧道，属于在建隧道，均未贯通，大部分构件龄期为60～180 d，混凝土表面碳化程度较轻，碳化深度0～1 mm。共对37板衬砌进行对比试验，其中29板混凝土表面状态为干燥，8板混凝土表面状态为潮湿。每板衬砌(每个构件)回弹10个测区，测区尺寸200 mm×200 mm，每个测区布置16个测点，测区大致等间距布置于隧道边墙，每板混凝土钻取1组3个试件，芯样直径100 mm，钻芯孔位于回弹测区内，先进行回弹测试后进行钻芯取样，回弹强度采用统一测强曲线进行计算。为研究钻芯法与回弹法结果的相关性及回弹法在隧道衬砌检测的适用性，本文将干燥与潮湿构件的测试数据分别统计，并绘制钻芯强度与回弹强度关系曲线，见图1。

图1 混凝土芯样强度与回弹强度的关系

图1(a)中，29板干燥混凝土衬砌回弹强度与钻芯强度相关系数R为0.76，回弹强度随钻芯强度的增长而增长，二者有较好的相关性。图1(b)中8板潮湿混凝土的回弹强度与钻芯强度没有明显相关性，其线性趋近线表现为回弹强度随芯样强度的增加而减少，显然是不合理的。对37板混凝土衬砌的回弹数据进行分析，当混凝土表面潮湿时，8板混凝土中有6板混凝土回弹测试的强度标准差δ＞5 MPa，占75%，而29板干燥构件δ＞5 MPa的只有2组，仅占6.9%。可见，对于潮湿隧道衬砌，采用回弹法检测混凝土强度时，离散性大，与钻芯芯样强度的相关性差，不宜采用回弹法进行隧道衬砌混凝土的强度评定。

为便于分析，当回弹或钻芯强度推定值低于该构件设计强度标准值时视为不合格。回弹法采用统一测强曲线并按照文献［1］的规定进行强度推定，钻芯法取构件3个芯样强度的最小值作为构件强度推定值。29板混凝土中，回弹强度不合格的有10板混凝土，其中9板混凝土钻芯结果亦不合格，占回弹不合格总数的90%。钻芯结果合格的1板混凝土设计强度等级C35，回弹强度 29.2 MPa，钻芯强度值35.9 MPa，略高于设计值。由此可见，对于碳化深度较浅、龄期较短的干燥混凝土衬砌，采用回弹法检测时与钻芯法检测的结果一致性较好。

本次对比试验中，回弹强度标准差δ＞5 MPa的全部8板隧道衬砌中，有6板回弹推定强度不合格，但采用钻芯对比验证仅有2板强度不合格。可见，当回弹测试结果离散时，其强度标准差δ偏大，若δ＞5 MPa时，构件回弹推定强度易出现不合格现象，应分析原因并辅以适当验证，以免造成误判。

5 结论与建议

本文简要阐述了钻芯法与回弹法的特点、影响测试精度的因素，以及隧道衬砌强度检测的技术要点，并结合某工程10座隧道的钻芯法与回弹检测数据进行对比分析，结果表明:

1)对于潮湿混凝土衬砌，当采用回弹法检测时，检测数据离散，与钻芯结果一致性差，应采用钻芯法或其他方法进行检测。

2)对于碳化深度较浅的干燥混凝土衬砌，采用回弹法检测时，回弹强度与芯样强度相关性较好，回弹推定结果与钻芯法一致性较好，适合于隧道衬砌检测。当对回弹结果有怀疑时，宜采用钻芯法对比验证。

3)采用回弹法进行隧道衬砌强度检测，当回弹强度标准差＞5 MPa时，易出现回弹不合格现象，应综合分析，适当验证，减少误判。

4)采用钻芯法与回弹法相结合检测衬砌混凝土强度时，应严格按照规范要求进行仪器保养、检定，并严格控制不同方法的应用条件，规范检测程序，减少检测误差，提高精度和可靠性。

［1］中华人民共和国铁道部.TB 10426—2004 铁路工程结构混凝土强度检测规程［S］.北京:中国铁道出版社，2004.

［2］中国工程建设标准化协会.CECS03:2007 钻芯法检测混凝土强度技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［3］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ/T 23—2011 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［4］胡在良，李晋平，张佰战.混凝土强度钻芯法检测与评定的若干问题分析［J］.铁道建筑，2012(11):131-134.

［5］邓涛，杨林德，李雷.公路隧道混凝土衬砌强度的无损检测方法研究［J］.河北建筑科技学院学报，2004(3):70-73.