基于混凝土衬砌脱空标准体的联合检测方法与流程

1.本发明涉及混凝土无损检测的相关领域，具体为一种在施工期间检测隧洞预应力混凝土衬砌脱空缺陷的全无损联合检测方法。


背景技术：

2.水力发电和输调水工程中，为满足有压隧洞不断增加的水头和直径，预应力混凝土衬砌结构型式被逐渐应用。该结构型式通过张拉混凝土衬砌内的预应力钢筋，使衬砌产生预压应力，能够充分利用混凝土抗压强度高的特点，可节省材料，减少衬砌结构裂缝发生。若该结构型式的衬砌与初支间存在脱空缺陷，不仅会使围岩-初支体系施加于衬砌的荷载不连续，减弱支护抵抗外荷载能力，还可能在施加预应力后，由于混凝土内压应力分布不均，造成混凝土衬砌损伤，成为整体结构的薄弱部位，导致有压运营时出险。因而，在施工期间准确检测出预应力混凝土衬砌脱空是确保工程安全运营的重要前提。
3.现行的脱空病害模型和检测方法用于检测施工期内的预应力混凝土衬砌，存在以下不足：第一，当前脱空物理模型多采用塑料桶、木板等嵌入与混凝土性质相异的材料模拟脱空缺陷，不能还原真实工况下混凝土-脱空腔体交界的物理状态，致使室内试验与现场检测结果有偏差；第二，采用无损检测方法或设备检测，受物理机制和人员经验限制，易误判和漏检，难以满足准确性要求。第三，无损检测方法常结合钻孔法进行缺陷验证，钻孔会对衬砌结构造成损坏，成为结构的薄弱部位，且检测效率低。这些不足的原因在于，存在以下技术难点：1)室内含脱空病害模型制作时，无可靠适用的倒模方法。2)现场检测时，单一的无损检测结果存在多解性，无特定工况下标准检测图谱、结果，检测人员无采信准则可依。3)预应力混凝土配筋密集，布筋多达6层，且施工期间预应力混凝土龄期短，含水率较高，影响波的传播，易引起漏判；4)施工期间，外部环境干扰较多，对弹性波法检测结果干扰较大。5)超声波法检测效率普遍低，不适用现场工程大范围检测。


技术实现要素：

4.针对现有技术不足，完善施工期间的水工隧洞预应力混凝土衬砌脱空检测手段，本发明提出混凝土衬砌脱空标准体制作步骤、检测基准数据库构建方法和现场检测采信准则，使脱空病害检测有据可依，检测结果全面可靠。
5.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种隧洞预应力混凝土衬砌脱空缺陷的联合检测方法，所述方法用于施工期间，包括：
7.s100制作混凝土衬砌脱空标准体，基于所述标准体构建检测基准数据库；
8.s200基于检测基准数据库形成混凝土衬砌脱空现场检测采信准则，包括：
9.s210对拟测隧洞工程沿拱顶布置若干纵向测线，测线间距5～10cm，测线中有任一条检测结果存在脱空即标记其里程区间；
10.s220测定衬砌段混凝土龄期、强度和电导率；
11.s230使用电磁波法沿测线对混凝土衬砌全面检测，检测过程中每到衬砌分缝处重新校正检测位置，依据标准数据库中典型检测结果，初步确定无脱空区a、疑似脱空区b和确定脱空区c，并采信确定脱空区c；
12.s240使用弹性波法对无脱空区a和疑似脱空区b进行复检，确定弹性波法的无异常区d和异常区e；
13.s250对于电磁波的疑似脱空区和弹性波法的异常区取并集，作为疑似脱空区b∪e；采信两方法的无脱空区和无异常区的交集a∩d，判定为无脱空区；
14.s260使用超声法对疑似脱空区b∪e进行验证，通过验证结果判定无脱空区x和有脱空区z；
15.s270综上确定隧洞预应力衬砌沿纵向的脱空区为c∪z；
16.s280垂直纵向脱空区布置环向测线，重复步骤s210～s260，确定脱空区的环向范围；
17.s300基于采信准则确定的流程进行隧洞预应力混凝土衬砌脱空缺陷的联合检测。
18.作为本发明的进一步改进，所述s100中，混凝土衬砌脱空标准体的制备方法包括：
19.s110裁剪高密度(密度≥15kg/m3)泡沫材料用于制作脱空病害模型，其尺寸与拟设置的病害相同；
20.s111制作混凝土衬砌脱空标准体模具，在模具底板上拟定病害位置固定所述泡沫材料；
21.s112搜集工程所用混凝土配比、钢筋配置及养护过程资料，按照实际工程设计放置钢筋，预留预应力管道，浇筑、振捣混凝土；
22.s113混凝土终凝后拆除模具，将制作的混凝土模型翻转，使底部脱空病害模型露出；剔除泡沫材料形成缺陷腔体，然后清洗缺陷腔体直至洗净残留泡沫材料，最后用热吹风吹干残留汽油，形成混凝土衬砌脱空标准体；
23.s114翻转混凝土衬砌脱空标准体，使无缺陷一面作为表面。
24.进一步的，所述s111中，选用硅橡胶将泡沫材料粘贴于模具底板。
25.进一步的，所述s113中，采用汽油冲洗缺陷腔体直至洗净残留泡沫材料。由于混凝土和泡沫交界面具有一定的粘结作用，且存在清理死角，难以去除残余泡沫。利用泡沫和汽油相似相溶原理，用汽油溶解、冲洗残留泡沫；汽油属于易挥发气体，使用热吹风可加速挥发。本发明采用泡沫倒模的方法制作的脱空标准体，不含残留物质，使脱空病害和混凝土交界面与真实工况下一致。
26.作为本发明的进一步改进，所述s100中，基于所述标准体构建检测基准数据库的方法包括：
27.s120在混凝土衬砌脱空标准体表面布置纵向测线和环向测线；
28.s121每次检测前测定混凝土电导率和强度，记录混凝土龄期和表面干湿状态；
29.s122使用电磁波法、弹性波法和超声波法对标准体进行重复性检测，获得各方法在有/无脱空位置的典型检测结果；
30.s123将典型检测结果分级形成检测基准数据库。
31.进一步的，所述s121中，采用四电极法测定混凝土电阻率，反算电导率；混凝土强度采用回弹法或超声回弹法测定；混凝土龄期以浇筑完成当天起算，精确至天，表面干湿状
态分为干燥和湿润两种状态。
32.进一步的，所述s123中，在检测基准数据库中，对检测结果以龄期/电导率/强度分别为第一基准进行一级分类；
33.以表面干湿状态为第二基准进行二级分类；
34.以有无预应力钢筋为第三基准进行三级分类；
35.以测线方向为第四基准进行四级分类；
36.以不同检测手段为第五基准进行五级分类。
37.进一步的，所述s230中，使用电磁波法检测，先在以龄期作为一级分类的数据库中进行典型检测结果检索；在龄期相同，电导率相差超过20％的工况下，则选择电导率作为一级分类的数据库进行典型检测结果检索；然后依据表面干湿状态、有无预应力钢筋、测线方向逐级查找典型检测结果作为与实测图谱的判别依据。
38.进一步的，所述s240中，使用弹性波法检测，先在以龄期作为一级分类的数据库中进行典型检测结果检索；在龄期相同，强度相差超过5mpa的工况下，则选择强度作为一级分类的检测数据库进行典型检测结果检索；然后逐级依据表面干湿状态、有无预应力钢筋、测线方向进逐级查找典型检测结果作为与实测图谱的判别依据。
39.进一步的，所述s260中，使用超声波法检测，先在以龄期作为一级分类的数据库中进行典型检测结果检索；在龄期相同，强度相差超过5mpa的工况下，则选择强度作为一级分类的检测数据库进行典型检测结果检索；然后逐级依据表面干湿状态、有无预应力钢筋、测线方向进逐级查找典型检测结果作为与实测图谱的判别依据。
40.进一步的，所述s260中，使用超声法对疑似脱空区进行验证时，首先选取疑似脱空区内边界进行验证，若结果为脱空，则采信整个疑似区为脱空区；若存在无脱空检查结果，则进一步缩小边界，沿边界内缘继续检测。
41.本发明的有益效果在于：
①
利用倒模方法、相似相溶原理和易挥发液体特性，形成了脱空缺陷与混凝土交界面和真实工况下一致的混凝土衬砌脱空标准体制作方法；
②
依托衬砌脱空标准体，选择龄期/电导率/强度做为初级基准，干湿状态、有无预应力钢筋、测线方向及不同检测手段作为层级递进分级基准，形成了检测基准数据库构建方法；
③
基于检测基准数据库，确定了电磁波法、弹性波法和超声波法对有、无及疑似区域的采信准则。本发明层层递进，为精确判定混凝土衬砌脱空缺陷提供了有力支撑。
附图说明
42.图1为制作完成的混凝土衬砌脱空标准体。
43.图2为电磁波法检测图像。
44.图3为弹性波法检测图像。
45.图4和图5为超声法检测图像。
46.图6为采信标准判定的流程图。
具体实施方式
47.本实施例说明混凝土衬砌脱空标准体制作方法：
48.(1)某工程混凝土浇筑配合比如表1，按照该配合比配置标准体混凝土。
49.表1混凝土配合比
[0050][0051]
(2)裁剪高密度泡沫材料用于制作脱空病害模型，泡沫材料形状可为长方体、圆柱体和三棱柱，高度为2cm～20cm，水平向尺寸为5～20cm，模拟不同程度脱空。混凝土衬砌脱空标准体宽度≥5倍拟设置病害宽度，脱空标准体长度≥2m。限制标准体宽度和长度可以去除检测时的边界效应，避免干扰结果。
[0052]
本实施例中采用密度为25kg/m3聚苯乙烯泡沫板作为脱空缺陷模型，裁剪尺寸分别为5cm
×
10cm
×
10cm、10cm
×
10cm
×
10cm、15cm
×
15cm
×
15cm、15cm
×
20cm
×
20cm、20cm
×
20cm
×
20cm大小的矩形泡沫。
[0053]
(3)使用钢板作为浇筑底板以保证底面平整度，尺寸为2m
×
3m，四周以木板作为支挡模板，高度为0.55m，形成尺寸为2m
×
3m
×
0.55m的浇筑模具。木板与钢板间用填缝剂填补，在模具底板上拟定病害位置使用硅橡胶粘贴泡沫。
[0054]
(4)放置钢筋，预留预应力管道，浇筑、振捣混凝土。
[0055]
(5)混凝土终凝后拆除四周木板模具，将混凝土衬砌脱空标准体吊起，在底部钢板重力作用下，钢板和使底部脱开。将混凝土，泡沫露出，用小刀等工具将大部分泡沫去除形成缺陷腔体，然后用汽油冲洗缺陷腔体，直至洗净残留泡沫，最后用热吹风吹干残留汽油。
[0056]
(6)再次翻转脱空标准体，使无缺陷一面作为表面，成型混凝土衬砌脱空标准体如图1。
[0057]
实施例2
[0058]
本实施例说明检测基准数据库的构建方法。
[0059]
(1)在混凝土衬砌脱空标准体表面布置纵向测线和环向测线，测线包含无脱空病害的区域；
[0060]
(2)每次检测前测定混凝土电阻率和强度，记录混凝土龄期和表面干湿状态；采用四电极法测定混凝土电阻率，反算电导率；混凝土强度采用回弹法或超声回弹法测定；混凝土龄期以浇筑完成当天起算，精确至天，表面干湿状态分为干燥和湿润两种状态。
[0061]
(3)使用电磁波法、弹性波法和超声波法对标准体进行重复性检测，获得各方法的在有/无脱空位置的典型检测结果；重复性检测为不同龄期时的检测；典型结果包括有、无脱空时的典型检测结果。
[0062]
(4)将典型检测结果分级形成检测基准数据库。该数据库中的检测结果以龄期/电导率/强度分别为第一基准进行初级分类；以表面干湿状态为第二基准进行二级分类；以有无预应力钢筋第三基准进行三级分类；以测线方向为第四基准进行四级分类；以不同检测手段为第五基准进行五级分类。
[0063]
实施例3
[0064]
本实施例说明采信准则现场应用步骤：
[0065]
对某工程预应力混凝土衬砌进行检测，检测试件节点为混凝土浇筑后28d，预应力
钢绞线尚未张拉。对被检测区域进行纵向和环线测线布置，现以一测线检测结果进行说明本方法实施方式。
[0066]
使用探地雷达(电磁波法)进行扫测，获得相应雷达图像如图2，根据结果判别0～0.8m为确定脱空区c；0.8m～1.2m和2.4m～3.2m为疑似脱空区b；1.2m～2.4m为无脱空区a。并采信确定脱空区(0～0.8m)。
[0067]
使用冲击回波法(弹性波法)对疑似脱空区b(0.8m～1.2m、2.4m～3.2m)和无脱空区a(1.2m～2.4m)进行复测，获得相应图像如图3。这里需要说明的是，弹性波图中0m对应雷达图像中的0.8m，为便于描述检测结果，仍以雷达图像标记为准。1.2m～1.4m和2.3m～2.5m为异常区e；0.8m～1.2m、1.4m～2.3m、2.5m～3.2m为无异常区d。采信无异常区d(0.8m～1.2m、1.4m～2.3m、2.5m～3.2m)。
[0068]
对异常区e(1.2m～1.4m和2.3m～2.5m)进行超声波法(三维成像)验证，1.2m～1.4m如图4，结果为无脱空；2.3m～2.5m检测结果如图5，结果为有脱空。并采信两结果。
[0069]
综上，本次检测结果为存在脱空，脱空范围为测线0～0.8m和2.3m～2.5m；经钻孔验证，脱空位置及范围与检测结果完全吻合，说明本发明的检测方法有相当高的精确性。