隧道衬砌裂缝深度检测中填充物影响的研究

周 杨，李 子

（江西省天驰高速科技发展有限公司，南昌 33000）

隧道衬砌混凝土结构物中的裂缝是结构物承载能力、耐久性及防水性等降低的主要原因，因此对其采取相应的修补和加固措施是十分必要的。在实施具体的修补工作之前首先需要进行裂缝调查，包括裂缝的宽度及深度，推断开裂原因、分析有无修补必要，然后选择修补方法。在修补工程结束之后，应按需要确认修补效果，可用超声波测量修补前后的裂缝深度，以对修补结果的有效性作出评价。由此发现，对修补前后的裂缝，都需应用无损检测技术对深度以及裂缝密实度进行判断，按照我国相关的技术规程（CECS 21—2000）［1］的要求，结构的裂缝部位只有一个可测表面，估计裂缝深度≤50mm时，可采用单面平测法。但此时裂缝中往往会存在对检测结果产生干扰的水、砂、水泥浆及裂缝灌浆树脂等填充物，文章即以德上高速第三方试验检测中心裂缝深度的试验模型及检测数据为基础，研究了裂缝中各种可能的填充物对检测结果的影响，对提高裂缝深度检测的准确性有一定的参考价值［2］。

1 超声单面平测法检测原理

1.1 不跨缝的声时测量

将发射传感器T和接收传感器R置于裂缝附近同一侧，以两个换能器内边缘间距l′i分别等于100，150，200，250mm 时，读取声时值ti，绘制“时－距”坐标图（见图1）或用回归分析的方法求出声时与测距之间的回归直线方程：

每测点超声实际传播的距离应为：

式中 li——第i点的超声实际传播距离；

图1 时－距坐标图

l′i——第i点的R、T换能器内边缘距离；

a——时－距坐标图中l′轴的截距或直线回归方程的常数项。

不跨缝平测的混凝土声速值为：

式中 l′n，l′1——第n点和第1点的测距；

tn，t1——第n点和第1点的读取的声时值；

b——回归系数。

1.2 跨缝的声时测量

如图2所示，将收发传感器分别置于以裂缝为对称的两侧，以T，R内边缘间距l′＝100，150，200，250mm等分别读声时值。

图2 跨缝测试图

1.3 平测法检测裂缝深度计算公式

式中 li——不跨缝平测时第i点的超声波实际传播距离；

hci——第i点计算的裂缝深度值；

mhc——各测点计算裂缝深度的平均值；

n——测点数。

2 裂缝深度检测试验

2.1 试验方案

2.1.1 试验内容

裂缝深度检测试验主要内容如下：

（1）通过对检测原理的深入分析，结合小尺寸仿真模型，探究不同密实度下，水、砂、水泥浆、裂缝灌浆树脂等对超声波单面平测法检测精度的影响。

（2）通过对裂缝修补前后的检测，找出提高检测精度及对裂缝修补后饱满度进行评价的方法。

2.1.2 试验步骤

（1）在裂缝内无任何干扰因素的条件下，对裂缝实际深度分别为15，30，80，100，150mm 的模型进行裂缝深度跨缝检测。

（2）以100mm裂缝深度模型为例，对裂缝中不灌水和灌满水的两种工况进行跨缝测量，以研究水对裂缝深度检测的影响。

（3）以100mm裂缝深度模型为例，分裂缝中不填砂；填砂高度为50mm；填满砂三种工况进行跨缝测量，以研究砂对裂缝深度检测的影响。

（4）以100mm裂缝深度模型为例，分裂缝中不填水泥浆；从顶面向内填水泥浆20，80mm和填满水泥浆四种工况进行跨缝测量，以研究水泥浆对裂缝深度检测的影响，四种工况均在水泥终凝过后进行裂缝深度检测。

（5）以100mm裂缝深度模型为例，分裂缝中不填灌浆树脂；从顶面向内填灌浆树脂30，70mm及填满灌浆树脂四种工况进行跨缝测量，以研究裂缝灌浆树脂对裂缝深度检测的影响。

2.1.3 试验模型

此次探索性试验的仿真模型是根据隧道衬砌常见的裂缝类型来制作，均在施工单位浇注隧道衬砌混凝土时于其拌合站成型。模型为C25混凝土，尺寸为150mm×150mm×600mm，共10余组，试验模型见组图3。

2.2 试验结果

2.2.1 检测精度的验证结果

检测采用BJLF－1型超声混凝土裂缝综合检测仪，该仪器利用脉冲波在上述仿真模型中传播的时间、接收波的振幅、频率和波形等声学参数的相对变化，来判定该混凝土裂缝的深度。试验步骤中的步骤（1）验证结果见表1。

图3 探索性试验模型图

表1 裂缝深度检测精度验证结果汇总表

由检测结果可以知道：在没有其他干扰因素的情况下，采用BJLF－1型超声混凝土裂缝综合检测仪，检测误差为±6.0%，能较好地反映裂缝实际深度状况。

2.2.2 水对裂缝深度检测的影响

试验方案中的步骤（2）检测结果为裂缝不灌水检测平均值为98.0mm，误差为－2.0%；而裂缝灌满水检测平均值为68.1mm，误差为31.9%。

从上发现，跨缝测量裂缝充水情况下，声时值明显小于不充水时的声时值，说明该超声波纵波在裂缝中有水时会直接通过水面传播而不会经过缝底，其检测声时值为不灌水情况下非跨缝测量与跨缝测量裂缝两者的平均值，再将计算得到的声时值进一步求解裂缝深度，可在有水的影响下，估算裂缝的实际深度，且与真实情况基本吻合。

2.2.3 砂对裂缝深度检测的影响

按照试验方案中步骤（3）三种工况的检测平均值均为98.0mm，检测误差为－2.0%。

从检测结果中可以发现，只要填充物为松散物质（例如砂），对检测结果均无太大影响。

2.2.4 水泥浆对裂缝深度检测的影响

在隧道裂缝修补处理过程中，针对裂缝宽度较小（＜0.2mm）的情况，往往采用表面涂抹水泥浆进行封闭和修补。按照试验方案中的步骤（4）结果为裂缝中不填水泥浆检测平均值为98.0mm；裂缝中从顶面向内填水泥浆20mm检测平均值为72.4mm；裂缝中从顶面向内填水泥浆80mm检测平均值为24.5mm；裂缝中填满水泥浆检测平均值为0.8mm。而裂缝的实际深度为100mm。

由此可以发现，当出现裂缝表层用水泥浆修补，而下层未修补的情况时，超声波并非沿着缝底传播，而是会沿着表层密实物质传播并且接收，导致最终检测深度会比实际深度偏小；当裂缝中填满水泥浆并待其终凝后进行检测时，由于超声波在水泥浆中的传播速度略小于C25混凝土的传播速度，检测深度接近于0。因此以检测最终深度值是否约等于0，可以判断裂缝是否密实。

2.2.5 灌浆树脂对裂缝深度检测的影响

在隧道裂缝修补处理过程中，应用较为广泛的修补方法为采用灌浆树脂对裂缝进行封闭。按照试验方案中的步骤（5），试验结果为裂缝中不填灌浆树脂检测平均值为98.0mm；裂缝中从顶面向内填灌浆树脂30mm检测平均值为58.1mm；裂缝中从顶面向内填灌浆树脂70mm检测平均值为21.6mm；裂缝中填满灌浆树脂检测平均值为0.6mm。而裂缝的实际深度为100mm。

由此可以发现，此种情况类似于水泥浆填补情况。同样可以依据检测最终深度值是否约等于0，来判断经灌浆树脂修补后的裂缝是否密实。

3 裂缝深度检测工程实例验证

德上第三方受项目办的委托，在施工单位的配合和现场监理的见证下，对德上高速某隧道进行裂缝深度的初检和用灌浆树脂修补后裂缝饱满度的复检，并结合现场取芯进行验证。结果汇总见表2，4个裂缝的初检和复检结果均与实际情况吻合。

以1号、4号裂缝为例，现场取芯情况见图4，5。

1～3号裂缝取芯时，裂缝贯穿芯样孔，且向内部发育，裂缝压浆饱满，1号裂缝初检深度为16.7cm，复检深度检测值为0.4mm≈0，判定裂缝内压浆饱满，而取芯结果可以发现，修补效果良好，芯样长度15cm，初检与复检结果与实际情况吻合。

表2 裂缝深度初检及复检结果汇总表

4号裂缝初检深度为11.2cm，复检深度检测值为7.8cm，判定裂缝内压浆不饱满，而取芯结果可发现，裂缝贯穿芯样孔，且向内部发育，裂缝未压浆，芯样长度10cm，初检与复检结果与实际情况吻合。

4 总结

德上第三方裂缝深度检测试验，制作了仿真模型10余组，通过对检测数据进行分析，结合工程实例，总结如下：

（1）对裂缝深度进行初检时，在没有其他干扰因素的情况下，采用超声裂缝综合检测仪，检测误差为±6.0%，能较好地反映裂缝实际深度状况。

（2）裂缝中只要填充物为松散物质（例如砂），对检测结果均无太大影响。

（3）跨缝测量充水裂缝时，声时值明显小于不充水时的声时，说明超声波在裂缝中有水时会直接通过水面传播而不经过缝底，也充分证明了该仪器超声波为纵波，其检测声时值为不灌水情况下非跨缝测量与跨缝测量裂缝两者的平均值，再将计算得到的声时值进一步求解裂缝深度，可在有水的影响下，估算裂缝的实际深度，且与真实情况基本吻合。

（4）当出现裂缝时，表层用水泥浆或灌浆树脂修补，而下层未修补时，超声波并非沿着缝底传播，而是会沿着表层密实物质传播并且接收，导致最终检测深度会比实际深度偏小；当裂缝中填满水泥浆或灌浆树脂并待其终凝后检测时，检测深度接近于0，因此在对修补后的裂缝进行复检时，可以根据检测最终深度值是否约等于0判断裂缝是否密实。

［1］CECS 21—2000 超声法检测混凝土缺陷技术规程［S］.

［2］张冬梅，孙彦祥.常见混凝土裂缝产生的原因及修补方法［J］.混凝土，2001，10（144）：59－61.