面波檢測技術在海河隧道沉管基礎處理中的應用

程志強

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,天津 300459)

1 工程概況

中央大道海河隧道工程位于濱海新區,工程線路全長4.2 km,穿越海河255 m采用沉管法工藝,是華北地區第一條沉管隧道。由于天津市屬于高震區,隧道工程按照八度設防。沉管基礎設計為60 cm厚碎石層和40 cm厚膨潤土砂漿,管段沉放對接后在管內進行注漿。管段基礎處理如圖1所示。

圖1 管段基礎注漿處理示意

按設計要求,該工程基礎處理要求注入的水泥膨潤土混合砂漿應充分填充碎石層面至隧道底的空隙部位,保證注漿壓力適當,保證砂漿能夠順利擴散。通過采用面波檢測技術,為管段的基礎注漿提供檢測數據,及時掌握注漿的擴散程度、充盈度等情況,為停止注漿提供參考依據。

2 面波檢測原理

面波最常見的有瑞雷面波和勒夫面波。其中瑞雷面波的介質質點的振動軌跡為一橢圓,而勒夫面波的介質質點的振動與傳播方向垂直且平行于介質表面。面波不但能量強,而且衰減比體波慢。這是利用面波進行無損檢測和勘探的有利之處。

根據波動方程理論,在均勻介質中,縱波速度Vp和橫波速度Vs的表達式分別為

式中：Vp為縱波速度；Vs為橫波速度；μ為剪切模量；ρ為質量密度；σ為泊松比；E為彈性模量。

由介質彈性模量和泊松比關系,可得出縱波與橫波的速度比

(1)

將(1)代入含有面波速度的瑞雷方程,可得到

(2)

對式(2)進行求解,可得出瑞雷波速度與橫波速度的關系式為

上式可寫為

VR=k1·Vs

k1稱為校正系數,它依賴于泊松比,當泊松比為0.25,0.33,0.40,0.50時,k1值分別為0.92,0.933,0.943,0.956。一般混凝土的泊松比在0.20～0.30,因此對混凝土而言,橫波的速度與瑞雷面波的速度可基本認為相等,從該點出發,進行混凝土檢測可由瑞雷面波速度得到橫波速度。

不同部位的波速和頻率變化體現出介質的變化,注漿過程中砂漿逐步填充空隙,從而影響到波速和頻率,基于此原理,可用面波法檢測注漿填充情況。

3 面波檢測方法

3.1 儀器規格和采集參數的設定

(1)儀器規格

地震儀：日本應用地質株式會社McSeis-170f改進型數字地震儀(記錄通道：24道；模數轉換：16 bit；高截頻：4 000 Hz；低截頻：30 Hz)。

檢波器：美國Geospace動圈式垂直成分速度型檢波器(固有頻率：100 Hz)。

激發：使用小錘(約500 g)用力敲擊鋼板作為震源。

(2)采集參數

檢波器間距：0.2 m；排列長：0.6 m；震源偏移距：0.4 m；激發方式：重錘敲擊。

道數：4道；采樣間隔：25 μs,記錄長度：0.051 2 s。

檢測點密度：0.20 m。

(3)面波測線的設置

表面波探測測線布置如圖2所示,在管段底板上根據灌漿孔的布置分區進行試驗,每個區沿灌漿孔發散方向各等間距地布置8條測線,對測線進行面波測試。

面波數據采集排列采用4道檢波器,檢波器間距0.2 m,即一次檢測長度0.6 m。

圖2 面波檢測測線布置(單位：m)

3.2 面波檢測現場探測施工方法與檢測時間

檢波器設置：為保證檢測速度,制作φ10 cm塑料管,管內用石膏固定檢波器。盡量平穩安放檢波器于接觸面，以保證檢波器與接觸面的有效耦合,從而保證數據的質量。

總觀測線為10 m/條×2條×3區×2次=120 m。檢測工作包括：探地雷達測線：10 m/條×8條×3區×2次=480 m；面波測線：10 m/條×2條×3區×2次=120 m；超聲波測線：10 m/條×2條×3區×2次=120 m。測線布置如圖3所示,在隧洞底板上根據灌漿孔的布置分3個區(A區、B區、C區)進行試驗,每個區沿灌漿孔發散方向各等間距地布置8條測線,各條測線進行探地雷達探測,對A2、A7,B2、B7,C2、C7測線進行面波測試及超聲波測試。

圖3 測線布置(單位：m)

操作需人員2人,一人移動接收器收集數據,另一人操作收錄器進行記錄,由于收錄器記錄數據需要時間,移動接收器也需要時間,這兩點限制了檢測速度。現場檢測分前后兩種情況分別進行了5次測試,第1次時間為尚未注漿前,主要是為了采集原始數據,作為注漿后結果的對比依據。第2次時間為對注漿孔A區進行注漿,在注漿的同時進行監測,觀察漿液的充填對結果的影響。第3次時間為注漿孔A區中已注入的漿液已經初步凝固,各種介質的界面已經穩定,采集得到的結果和結論將與最后實際觀察結果進行比較和驗證,驗證該方法的可靠性。第4次為對注漿孔B區和注漿孔C區同時注漿,在注漿的同時進行監測。第5次注漿孔中的漿液已經初步凝固,界面形狀已經穩定,采集得到的結果和結論將與最后撤去平臺后的實際觀察結果進行比較和驗證。

3.3 記錄波形

圖4 面波檢測記錄(波形)

檢測記錄的波形如圖4所示,橫坐標為測點距離,縱坐標為時間。從圖4中可以看出,波形記錄清晰,無明顯噪聲,質量高。圖5是由該波形數據求取的頻譜曲線,橫坐標為測點距離,縱坐標為頻率。由圖5中可看出,頻譜曲線連續性好,平滑,噪聲少,譜能量集中,頻譜曲線的精度高。

注漿前后的面波波形記錄如圖6所示,橫坐標為測點距離,縱坐標為時間。在注漿前,不同部位間歇的任意性導致出現不同的波形,注漿過程的波形以此波形為基礎進行比較判斷；在注漿過程中,初始波形隨著漿液的擴散填充而出現即時的變化,當出現漿液擴散不均或充盈不實時可適時調整注漿壓力等參數；注漿完成后,波形整體趨同,顯示漿液已基本填充完畢。

圖5 所示波形所對應的頻譜曲線

圖6 注漿前后面波檢測記錄

3.4 數據分析的方法與流程

面波數據分析流程如圖7所示。面波數據分析可分為預處理、波形處理、頻譜分析3個部分。

圖7 面波數據分析流程

預處理：預處理就是為正式的數據分析做準備。主要內容包括數據格式變換和加入位置信息。

波形處理：波形處理主要目的就是找出各種噪聲的特點,并找出有效地除去噪聲的方法,進而對數據進行除噪聲處理。

頻譜分析：頻譜分析就是從現場數據(面波波形數據)進行FFT分析,主要使用富里葉快速變換(FFT)方法,是面波無損檢測的關鍵步驟之一。

檢測時,每條測線各有2個結果圖,即,時間斷面,頻譜斷面。其中,時間斷面是把波形數據展開在了測線上,頻譜斷面是把頻譜分析結果數據展開在了測線上。從波形分布圖的散亂情況判斷介質的突變等狀況,初始波形圖上時間區間在0～0.45 s,不同部位時間長度差異明顯,注漿完成后,波形圖上時間基本均到0.1 s為止,顯示注漿的均勻性與密實性較好。

4 結語

運用面波法對注漿過程中漿液的擴散方向與不同部位的充盈程度做到了實時監測,并對最終注漿填充情況進行了檢驗,對指導沉管管段基礎注漿施工起到了良好效果。

對于介質的檢測方法有很多，結合工程特點,在中央大道海河隧道沉管基礎注漿試驗過程中,采用了面波檢測技術,通過與超聲波、雷達等其他檢測方法對比,具有操作方便、穿透力強、數據分析快捷等特點,檢測結果較好的反映了施工實際情況,從而有效地指導施工,保證工程質量,對類似工程具有借鑒意義。

[1]上海市建設和管理委員會科學技術委員會.外環沉管隧道工程[M].上海科學技術出版社,2005．

[2]李 晶，張海燕，唐湘蓉.利用瞬態瑞雷波法調查表層結構的可行性探討[C]∥中國地球物理學會第22屆年會論文集，2006.

[3]祁生文,孫進忠,何 華.瑞雷波勘探的研究現狀及展望[J].地球物理學進展,2002(4).

[4]郭新毅,馬 力，吳國清.淺海沉積層中界面波的傳播以及掩埋目標的回波[C]∥中國聲學學會2007年青年學術會議論文集,2007.