浅谈公路隧道施工质量的检测方法

桂允成

辽宁省高速公路运营管理有限责任公司 辽宁 沈阳 110001

引言

截至2020年底，全国公路隧道共有19067处，累计长度为1896.66万米，与19年相比增加1329处，长度为173.05万米，其中特长隧道有1175处，累计长度为521.75万米，长隧道有4784处，累计长度为826.31万米。

我国山岭重丘区占国土面积的70%以上，随着公路网的建设与城市地下道路交通的发展，穿越崇山峻岭，连接江河两岸，隧道已成为重要的方式之一[1]，我国正进入公路隧道建设的黄金时期，大量公路隧道工程正在建设或者即将开始建设。公路隧道施工质量控制是目前工程建设关注的热点问题之一，隧道的施工质量越来越受到人们的重视，而在具体工程施工质量检测中，检测方法的选用以及如何准确进行操作非常关键。随着公路隧道里程的不断增加，养护需求日趋迫切，提高养护水平，确保畅通，也是十分突出的问题。无论是新建，还是运营的隧道，为保证工程质量，降低运营风险，都离不开隧道的检测与监测工作。

公路隧道的建造是百年大计，保证工程质量是业主的基本要求。检测技术作为质量管理的重要手段越来越为人们所重视，公路隧道检测技术涉及面广，内容较多。隧道检测的内容分类如下：

材料检测

防排水材料检测：包含注浆材料、防水材料、防水管材。

支护材料检测：锚杆材质、喷射混凝土材料、钢构件。

衬砌材料：混凝土材料、钢筋材料。

施工检测

施工质量检测：开挖质量、支护质量、防排水、衬砌质量。

施工监控量测：围岩变形、支护受力、衬砌受力。

环境检测

施工环境检测：粉尘、有害气体。

运营环境检测：通风、照明、噪声。

本文主要介绍各种公路隧道工程施工过程中，一些较为常见的质量检测方法，重点评价其实用性。研究过程中参考了国家或行业的相关标准规范。

1 常见质量问题和主要病害现象

我国的地域较大，自然条件跨度大，水文地质条件和工程地质条件复杂多变，受到设计和施工等技术条件的限制，已运营隧道存在不同程度的质量问题和病害现象，常见的存在几个方面。

1.1 隧道渗漏水[2]

公路隧道在施工期间和建成通车后，因破坏了原山体的排水体系，地下水在隧道结构薄弱环境通过一定的通道渗入到隧道内部，出现衬砌表面渗水、淌水、滴水，甚至出现股状喷水、涌水等现象。路面返水、边墙渗漏水，滴落至路面，造成路面积水或积冰，影响隧道运营安全。

1.2 衬砌开裂

隧道衬砌为混凝土结构，结构开裂比较普遍，其形态主要有纵向裂缝、斜向裂缝、环向裂缝、网状裂缝等，有单一类型裂缝出现，也有多种裂缝并存。

1.3 衬砌厚度不足

混凝土衬砌属于隐蔽工程，在施工过程中由于多种因素影响，衬砌厚度在拱顶、边墙或仰拱处出现厚度不足情况。

1.4 衬砌背后空洞及不密实现象

按照规范要求，初期支护要求紧贴围岩，与围岩共同工作，初期支护背后空洞和不密实都属很严重的质量问题，在隧道拱部、边墙都发现有空洞现象。二衬衬砌混凝土空洞主要出现在拱部。

1.5 混凝土劣化、强度不足

主要有喷混凝土强度不足，模筑混凝土强度不足，混凝土在腐蚀性环境作用下产生劣化。

1.6 路面隆起、下沉、开裂

隧道运营一段时间后，有些隧道出现路面开裂、底鼓、下沉变形现象，通畅伴随电缆沟盖板翘起，路缘石、边沟破坏。

2 目测法

公路隧道工程中采用的目测法是指不借用任何仪器只通过目测的手段，对工程的施工过程，表观缺陷是否符合相应规范要求进行检测。检查确定其外观质量是否合格。特别是在隧道施工过程中，工程外观质量检查是工程合格评定的基本要求之一。目前，国内在公路隧道施工过程的检测仍然主要采用目测法进行检测评定。

目测法的优点具有直观方便，无须特殊检测仪器特点。缺点是难以定量评估，且不能检测内部缺陷。

目测法在工程检测中已经应用多年，总结各方经验，其基本操作要领可通过“看”“摸”“敲”“照”四种手段来进行概括。

3 量测法

量测法是指利用量测工具或计量仪表，通过实际量测结果与规定的质量标准或规范的要求相对照，从而判断质量是否符合要求。

量测法具有操作相对容易，实用性较强，部分工程仅需采用最基本、最传统的量测手段，便能有效地控制工程质量。实际操作过程中，量测值和设计值之间必然存在差异，这就是误差理论，误差是多方面因素引起的，主要可以分为仪器误差和人为误差。任何量测都不可避免地存在误差，如何最大限度地减小误差，避免误差对检测结果产生影响，是目前误差研究的主要方向之一。我们在量测的过程中，必须严格按照规范操作，避免人为误差，尽量降低仪器误差，以保证数据高精确度高质量，确保质量检测数据的正确。

结合实践经验，隧道工程施工质量检测中采用的量测法基本操作要领主也可归纳为“靠”“吊”“量”“套”四种基本手段。

4 冲击回波法

冲击回波法是基于应力波的一种检测结构厚度、缺陷的无损检测方法。在20世纪80年代，国外的一些专家就对该方法进行了研究。冲击回波技术发展非常迅速，目前已有IES扫描式冲击回波系统、带表面波的冲击回波系统、超薄冲击回波检测系统等多种类型，可根据工程需要进行选择。IES是IE技术发展的一大突破，不仅可以快速连续检测，而且增加了检测项目如预应力管灌浆情况等，此外还可对结构厚度、缺陷进行三维成像。表面波型冲击回波系统无须取芯标定，就可准确检测混凝土的厚度。超薄型冲击回波系统可检测最小厚度约5cm的板状结构，拓宽了冲击回波方法的厚度检测范围。目前应用比较广泛的冲击回波法是IES扫描式冲击回波系统。

冲击回波法适合于单面结构，对于隧道结构检测，具有非常有利的优势。如路面、仰拱、隧道衬砌等结构的检测。用钢球产生的超声波和音速范围内的机械应力脉冲检测结构时，用传感器可记录观察到多次反射波，通过对其进行频率分析，能够获得有关衬砌厚度的数据及特殊反射体的重叠。目前，冲击回波法已经能成功地应用于检测60cm厚的理想隧道的厚度。

冲击回波法在工程检测应用中也存在缺点，其能达到的检测深度对要检测的材料结构、强度以及应力脉冲的频率依赖性较大，而材料结构、强度以及应力脉冲的频率会受到所选球尺寸的影响。另外，冲击回波法还极大地依赖回波响应、频谱分析等应力波理论，解释较为困难，而且对混凝土表面的光洁度、耦合剂层厚要求较高。

5 声波反射法

该方法和地震波探测原理基本相同，其原理是建立在弹性波理论的基础上，传播过程遵循惠更斯-菲涅尔原理和费马原理，本方法探测的物理前提是岩体间或不同地质体间明显的声学特性差异。

声波反射法主要采用波形对比分析和频谱分析两种基本方法，在实际检测中通过频谱特征及波形来确定衬砌混凝土的健康状态，从而可判定混凝土内部缺陷范围、衬砌体和围岩结合情况及衬砌厚度。声波传播特性是其检测施工质量缺陷的物理基础。当声波垂直入射到两种介质的界面时，一部分能量透过界面成为透射波，波的传播方向不变；另一部分能量则被界面反射回来成为反射波。常见的声波法检测衬砌混凝土质量主要有透射波法和反射波法。

透射波法原理与CT扫描方法相似，是根据超声脉冲穿过混凝土内部时，在缺陷区的声时、波形、波幅和频率等参数所发生的变化来判断缺陷的，要求被测结构物有一对相互平行的测试面。这种方法的缺点是其无法确定缺陷的准确位置，即它只能确定缺陷在平面上的投影位置，对于处于什么深度无法判断。

目前，声波反射法主要应用于检测锚杆锚固质量、衬砌混凝土内部缺陷、衬砌厚度和衬砌混凝土与围岩结合情况。

6 超声一回弹综合法[3]

“回弹－超声”综合法是应用回弹仪和超声波检测仪综合测定混凝土的强度。这种方法是建立在混凝土回弹值与混凝土波速与混凝土的抗压强度之间的相互联系的基础之上，即用回弹值和声波的产波速度综合反映混凝土的抗压强度，与单一法相比，精确度高，适用范围较广，且对混凝土无任何损伤，为无损检测类方法。

回弹法测混凝土强度是基于强度与混凝土的表面硬度有相关性，而表面硬度可由回弹值反映。因此，混凝土强度与回弹值之间也有相关性。超声一回弹综合法，是综合超声法检测和回弹仪测量，对隧道衬砌超声声速（V）和回弹值（R）进行检测，然后把强度值与声速和回弹值进行二元回归，参考《超声一回弹综合法检测混凝土抗压强度技术规程》。

回弹值反映衬砌混凝土的表面强度，超声波声速则可以反映衬砌的内部强度信息，两者结合对衬砌混凝土强度进行检测，既可内外结合，又能相互弥补各自的不足，能够较全面地反映结果混凝土的实际质量。

7 地质雷达法

探地雷达是一种宽带高频电磁波信号探测方法，它是利用电磁波信号在物体内部传播时电磁波的运动特点进行探测的。利用电磁波在介质中的反射速度和反射情况，确定目的物的位置及形状，从而对工程质量进行有效判断。我国从1992年起，开始利用地质雷达法检测隧道工程质量，主要用于隧道地质超前预报、隧道衬砌质量检测、仰拱施工质量检测等方面。地质雷达用于隧道衬砌质量和仰拱施工质量检测，是基于隧道衬砌混凝土与衬砌背后基岩，空洞与密实的衬砌混凝土及衬砌背后基岩、衬砌混凝土与钢格栅、钢拱架，衬砌背后超挖回填空隙之间的介电常数和电阻率都有一定的差异；同样，隧底与混凝土铺底，铺底、回填层与仰拱层、仰拱层与基岩之间的介电常数和电阻率也有一定差异。地质雷达法利用这些差异，将地质雷达的发射和接收天线密帖在衬砌表面，电磁波通过天线进入混凝土衬砌层或者隧道底，遇到钢筋、钢拱架、材质差别较大的混凝土、混凝土中的裂隙、混凝土与岩石界面、混凝土与空气的界面、岩石中的裂隙面等时，均会产生反射，并传递到反射天线，此时，可测出反射波的入射、反射双走向，并计算出反射波走过的路程长度，根据反射信号的特征判断衬砌背后空隙、密实情况、空洞、钢筋、钢拱架，隧道底部仰拱、铺底层以下的填充层等的存在及其健康状态，同时可计算出其埋深及衬砌的厚度、缺陷的位置等。

由于地质雷达检测技术采用了先进的连续扫描无损探伤技术，探测精度比传统检测方法高，而且是连续扫描，可获得隧道探测的连续结果，能全面地对隧道衬砌的实际情况进行检测，是一种快速、高效、经济、简便的无损检测高新技术，现已被广泛地应用到衬砌病害无损检测中。

8 结束语

工程技术人员要在施工的过程中熟练掌握和运用好上述列举的检测方法，使隧道的质量在“事前”“事中”“事后”中都能得到非常有效地控制。