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【摘 要】随着水利工程的建设，其面临的施工环境也日益复杂。在水利工程的施工中，经常会遇到隧洞衬砌结构，如果隧洞衬砌结构出现缺陷就会对工程的整体造成影响。基于此，文章对水工隧洞衬砌结构的缺陷检测及稳定性进行分析，以期能够提供一个借鉴。
【关键词】水工隧洞衬砌结构；缺陷检测；稳定性
1.水工隧洞衬砌结的型式的选择：
衬砌型式的选择与围岩条件紧密相关，当水工隧洞的内水外渗会引起一些严重危害（如围岩失稳、边坡失稳、周围建筑物失稳等等）时，防渗常常是一个重要因素。另外，隧洞的运行条件、施工方法等也都是衬砌型式选择要考虑的方面。例如，不衬砌及喷锚衬砌的糙率大，运行中产生的水头损失也大，只适用于流速较小的隧洞。当隧洞采用双护盾掘进机施工时，这种施工方法决定了衬砌型式只能采用预制钢筋混凝土管片的装配式衬砌。以围岩条件、隧洞运行条件、防渗要求来选择衬砌型式的通常程序如图1所示，有时还需进行经济比较后再确定衬砌型式。
2.水利工程隧洞衬砌结构缺陷检测常用方法
2.1构件裂缝检测。在施工阶段和使用阶段，由于受到材料、荷载、环境等主客观因素的影响，水利工程混凝土结构容易产生受力裂缝和非受力裂缝，在对构件的裂缝进行检查时，可以借用放大镜、钢尺、超声脉冲波等工具，对裂缝的宽度、长度、走向、深度、类型等进行重点检查，以此来对裂缝的性质与成因进行判断，并且采用分布图的形式把裂缝的形式绘制出来，并且在图纸上进行详细的标注。
2.2混凝土腐蝕检测。在水工隧洞衬砌结构中，由于混凝土受到腐蚀，其原因主要有化学腐蚀、碳化、以及碱骨料反应等，对于不同的腐蚀情况，可以采用电学分析、化学分析、电镜分析、差热分析、微波分析等几种检测方法，对混凝土材料的化学成分进行分析，以及渗透性、含水量等和腐蚀性相关的物理参数，然后依据一定的参数来分析，从而方便后期采取措施对其进行整治。
2.3钢筋锈蚀检测。在水工隧洞衬砌结构中，会出现钢筋锈蚀的现象，一般情况下可以分为化学腐蚀。电化学腐蚀、应力腐蚀等几种，在水工隧洞的衬砌结构中，最常见的是电化学腐蚀现象。因此，要采取措施对其缺陷进行检测，主要的检测方法有裂缝分析法、电阻法、电位法、红外线扫描技术等，对钢筋锈蚀的程度和原因进行分析，从而找到防止的方法。
3.以探地雷达缺陷检测方法为例进行分析
3.1工程概况。该电站设计引用流量为103.Sm3/s，总装机容量设计为18万千瓦，多年平均发电量84968万kW·h。长为17.86km的引水隧洞在引线平面上设置了8个转弯点，整条线的截面形式被设计为两种：50+04254+500段为马蹄形截面；S4+SOO}S17+862段为圆形截面。隧洞开挖面积依据围岩类别设计，圆形截面段在衬砌成型后洞径为Ф=6.Om，纵向底板坡比为i=0.00365，引水隧洞的洞头和洞尾的水头高达66米，在运营引水发电时整个隧洞断面充水，为有压隧洞。
3.2检测方案及工作流程
（1）现场检测方案。需要检测什么样的缺陷，就得按照这个要求来设置各种探测参数。如分辨率越高，探测深度越短；而分辨率越低，对于可识别的目标体的尺寸要求越大。通过计算，得出，SIR-3000系列探地雷达天线在混凝土衬砌缺陷检测中的最小纵向分辨率，如表1所示。
表1各中心频率的天线纵向分辨率表
对于衬砌厚度的检测，要求的纵向探测分辨率较高，中心频率在400MHz及以上的天线即可满足，但是随着天线中心频率的提高，其探测时电磁波衰减加剧，高的中心频率受非目标体的干扰强度加大，满足纵向分辨率的同时尽量选择中心频率较低的天线，结合表1，可知在衬砌厚度检测中适用于900MHz天线。对于衬砌背后的空洞探测，可以结合400MHz和900MHz的天线一起配合使用。由于隨洞衬砲的缺陷检测的工作环境往往是很复杂的，受多种外界因素影响的，因此在检测前，必须考虑險洞衬砲的设计形式，结合險洞的施工工艺、工法及考虑作业条件。如果不具备检测条件，如作业面杂乱无章、衬砲表明不规整、照明电线沿测线交叉穿过、存在金属体，險洞内其他工作正在进行（如前方掌子面幵挖和支护施工所产生的噪声过大）等等，对衬砲检测容易产生干扰，使得采集的数据不可靠而易造成误判。同时，在检测工作前，积极场采集施工现场衬砲表面所传递的信息（如衬砌施工缝处的裂缝大小、发展方向，渗水情况和水质等）来分析險洞最有可能出现缺陷的位置，以点成线，合理的选择检测区间和布置测线方向，采取时间和空间上连续的对衬砲进行缺陷检测。在与业主签订的技术支持合同书中，测线沿險道纵向灵活布置，对于单个断面，每断面上布三条测线，分别是拱顶、左拱腰和右拱腰，如图1所示。
图1缺陷检测的隧洞测线布置示意图
（2）检测结果分析。该线的水文地质条件显示，有的桩号段地下水发育，而有的桩号段则显得比较干燥，由于水工險洞的衬砲和初支之间不设置防水板，因此在地下水丰富段衬砲比较潮湿，而衬砌处于潮湿和干燥状态下的电磁参数是不一样的，电磁波在其中的传播速度亦不一样。故在有条件情况下，现场直接量测衬砌厚度和实施波速提取。检测结果表明，缺陷率较低，整体而言，检测里程内的衬砌施作厚度达到合格标准。但是个别桩号位置存在衬砌厚度不足现象。衬砌拱顶脱空在回填灌楽施工之后得到很好的控制，在累积的2394m的检测中，共发现的脱空段累积长度为3.4m。而初支外拱顶和拱腰空洞的缺陷率较高，累积长度达12.3m，占总检测长度的0.42%。可见灌浆质量总的来说满足施工工艺要求，但是个别桩号段仍需进一步采取处理措施。结合施工日志，发现施工难点段的开挖面要不就是超挖过大，要么发生大变形，检测结果亦显示，这些桩号区间的衬砌欠厚和初支外空洞发现率较高。
4.衬砌结构的稳定性分析
作为水电站引水发电的重要组成部分，如果衬砌结构在建成后存在缺陷（衬砌厚度不足、受力筋布置达不到设计要求、衬砌背后出现不密实、甚至空腔或者空腔群等）时，将恶化衬砌结构的承载条件，相互作用下又引起围岩不稳定，从而导致围岩松动荷载增大。如此以往，衬砌结构的安全性必然降低，甚至影响衬砌结构的稳定性，降低隨洞的预期使用寿命，运营后的维修成本也就大大的提高了。随着隧道支护结构设计方法的不断推陈出新，隧道设计思想亦有了重大的转变，从过去的单纯依靠衬砌承载的观点，向主要依靠围岩，充分利用围岩自身的承载能力方面转变。在衬棚结构上，从过去的单一砖混、钢混结构逐步发展到以喷描为初期支护，与二衬组成复合式的支护体系。因此，如何保护好围岩，同如何保证衬砌的稳定性一样重要。通过对隧洞毛洞状态下的稳定性进行分析，得出围岩的自稳能力差、相对变形量大等特点。因此在这个前提下，就不得不实施快支护，以控制围岩变形，改善其受力条件。
参考文献：
[1]刘建强.水工隧洞衬砌结构限裂计算分析[D].大连理工大学，2009.
[2]麻林.黄土地层中水工隧洞衬砌结构计算研究[D].甘肃农业大学，2009.
[3]赵精让.低压深埋水工隧洞衬砌结构分析[D].西安理工大学，2007.
【关键词】水工隧洞衬砌结构；缺陷检测；稳定性
1.水工隧洞衬砌结的型式的选择：
衬砌型式的选择与围岩条件紧密相关，当水工隧洞的内水外渗会引起一些严重危害（如围岩失稳、边坡失稳、周围建筑物失稳等等）时，防渗常常是一个重要因素。另外，隧洞的运行条件、施工方法等也都是衬砌型式选择要考虑的方面。例如，不衬砌及喷锚衬砌的糙率大，运行中产生的水头损失也大，只适用于流速较小的隧洞。当隧洞采用双护盾掘进机施工时，这种施工方法决定了衬砌型式只能采用预制钢筋混凝土管片的装配式衬砌。以围岩条件、隧洞运行条件、防渗要求来选择衬砌型式的通常程序如图1所示，有时还需进行经济比较后再确定衬砌型式。
2.水利工程隧洞衬砌结构缺陷检测常用方法
2.1构件裂缝检测。在施工阶段和使用阶段，由于受到材料、荷载、环境等主客观因素的影响，水利工程混凝土结构容易产生受力裂缝和非受力裂缝，在对构件的裂缝进行检查时，可以借用放大镜、钢尺、超声脉冲波等工具，对裂缝的宽度、长度、走向、深度、类型等进行重点检查，以此来对裂缝的性质与成因进行判断，并且采用分布图的形式把裂缝的形式绘制出来，并且在图纸上进行详细的标注。
2.2混凝土腐蝕检测。在水工隧洞衬砌结构中，由于混凝土受到腐蚀，其原因主要有化学腐蚀、碳化、以及碱骨料反应等，对于不同的腐蚀情况，可以采用电学分析、化学分析、电镜分析、差热分析、微波分析等几种检测方法，对混凝土材料的化学成分进行分析，以及渗透性、含水量等和腐蚀性相关的物理参数，然后依据一定的参数来分析，从而方便后期采取措施对其进行整治。
2.3钢筋锈蚀检测。在水工隧洞衬砌结构中，会出现钢筋锈蚀的现象，一般情况下可以分为化学腐蚀。电化学腐蚀、应力腐蚀等几种，在水工隧洞的衬砌结构中，最常见的是电化学腐蚀现象。因此，要采取措施对其缺陷进行检测，主要的检测方法有裂缝分析法、电阻法、电位法、红外线扫描技术等，对钢筋锈蚀的程度和原因进行分析，从而找到防止的方法。
3.以探地雷达缺陷检测方法为例进行分析
3.1工程概况。该电站设计引用流量为103.Sm3/s，总装机容量设计为18万千瓦，多年平均发电量84968万kW·h。长为17.86km的引水隧洞在引线平面上设置了8个转弯点，整条线的截面形式被设计为两种：50+04254+500段为马蹄形截面；S4+SOO}S17+862段为圆形截面。隧洞开挖面积依据围岩类别设计，圆形截面段在衬砌成型后洞径为Ф=6.Om，纵向底板坡比为i=0.00365，引水隧洞的洞头和洞尾的水头高达66米，在运营引水发电时整个隧洞断面充水，为有压隧洞。
3.2检测方案及工作流程
（1）现场检测方案。需要检测什么样的缺陷，就得按照这个要求来设置各种探测参数。如分辨率越高，探测深度越短；而分辨率越低，对于可识别的目标体的尺寸要求越大。通过计算，得出，SIR-3000系列探地雷达天线在混凝土衬砌缺陷检测中的最小纵向分辨率，如表1所示。
表1各中心频率的天线纵向分辨率表
对于衬砌厚度的检测，要求的纵向探测分辨率较高，中心频率在400MHz及以上的天线即可满足，但是随着天线中心频率的提高，其探测时电磁波衰减加剧，高的中心频率受非目标体的干扰强度加大，满足纵向分辨率的同时尽量选择中心频率较低的天线，结合表1，可知在衬砌厚度检测中适用于900MHz天线。对于衬砌背后的空洞探测，可以结合400MHz和900MHz的天线一起配合使用。由于隨洞衬砲的缺陷检测的工作环境往往是很复杂的，受多种外界因素影响的，因此在检测前，必须考虑險洞衬砲的设计形式，结合險洞的施工工艺、工法及考虑作业条件。如果不具备检测条件，如作业面杂乱无章、衬砲表明不规整、照明电线沿测线交叉穿过、存在金属体，險洞内其他工作正在进行（如前方掌子面幵挖和支护施工所产生的噪声过大）等等，对衬砲检测容易产生干扰，使得采集的数据不可靠而易造成误判。同时，在检测工作前，积极场采集施工现场衬砲表面所传递的信息（如衬砌施工缝处的裂缝大小、发展方向，渗水情况和水质等）来分析險洞最有可能出现缺陷的位置，以点成线，合理的选择检测区间和布置测线方向，采取时间和空间上连续的对衬砲进行缺陷检测。在与业主签订的技术支持合同书中，测线沿險道纵向灵活布置，对于单个断面，每断面上布三条测线，分别是拱顶、左拱腰和右拱腰，如图1所示。
图1缺陷检测的隧洞测线布置示意图
（2）检测结果分析。该线的水文地质条件显示，有的桩号段地下水发育，而有的桩号段则显得比较干燥，由于水工險洞的衬砲和初支之间不设置防水板，因此在地下水丰富段衬砲比较潮湿，而衬砌处于潮湿和干燥状态下的电磁参数是不一样的，电磁波在其中的传播速度亦不一样。故在有条件情况下，现场直接量测衬砌厚度和实施波速提取。检测结果表明，缺陷率较低，整体而言，检测里程内的衬砌施作厚度达到合格标准。但是个别桩号位置存在衬砌厚度不足现象。衬砌拱顶脱空在回填灌楽施工之后得到很好的控制，在累积的2394m的检测中，共发现的脱空段累积长度为3.4m。而初支外拱顶和拱腰空洞的缺陷率较高，累积长度达12.3m，占总检测长度的0.42%。可见灌浆质量总的来说满足施工工艺要求，但是个别桩号段仍需进一步采取处理措施。结合施工日志，发现施工难点段的开挖面要不就是超挖过大，要么发生大变形，检测结果亦显示，这些桩号区间的衬砌欠厚和初支外空洞发现率较高。
4.衬砌结构的稳定性分析
作为水电站引水发电的重要组成部分，如果衬砌结构在建成后存在缺陷（衬砌厚度不足、受力筋布置达不到设计要求、衬砌背后出现不密实、甚至空腔或者空腔群等）时，将恶化衬砌结构的承载条件，相互作用下又引起围岩不稳定，从而导致围岩松动荷载增大。如此以往，衬砌结构的安全性必然降低，甚至影响衬砌结构的稳定性，降低隨洞的预期使用寿命，运营后的维修成本也就大大的提高了。随着隧道支护结构设计方法的不断推陈出新，隧道设计思想亦有了重大的转变，从过去的单纯依靠衬砌承载的观点，向主要依靠围岩，充分利用围岩自身的承载能力方面转变。在衬棚结构上，从过去的单一砖混、钢混结构逐步发展到以喷描为初期支护，与二衬组成复合式的支护体系。因此，如何保护好围岩，同如何保证衬砌的稳定性一样重要。通过对隧洞毛洞状态下的稳定性进行分析，得出围岩的自稳能力差、相对变形量大等特点。因此在这个前提下，就不得不实施快支护，以控制围岩变形，改善其受力条件。
参考文献：
[1]刘建强.水工隧洞衬砌结构限裂计算分析[D].大连理工大学，2009.
[2]麻林.黄土地层中水工隧洞衬砌结构计算研究[D].甘肃农业大学，2009.
[3]赵精让.低压深埋水工隧洞衬砌结构分析[D].西安理工大学，2007.