超聲波法在石拱橋檢測中的應用

陳承申 郝 明

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

我國在20世紀50年代修建了大量的鐵路石拱橋，橋齡大部分為50年左右，這些石拱橋大多還在運營使用中，對這些石拱橋的維修檢測是十分必要的。目前國內對于石拱橋的維修多是原始的技術手段，對橋體進行均勻分布注漿孔，具有盲目性，注漿處理后也不知道處理效果，還可能遺漏一些病害區域。運營中石拱橋檢測是當前工程領域的一項技術難題，鐵三院首次提出利用超聲波技術對石拱橋開展檢測工作。本文引入超聲波技術，開展石拱橋的檢測工作，取得了良好的效果。

1 工程概況

本次要檢測的石拱橋為寶成鐵路既有線在用橋梁，坐落在一個山坡上，為上個世紀50年代修建的石拱橋，年代久遠。通過前期調查，橋梁兩側為石砌結構，橋體內部為填充的片石，有無漿砌不詳，橋拱為砌石，波速在3.5～4.5 km/s之間。

由于年代久遠，橋體內部結構出現浸水情況，導致橋體內部局部結構密實度大大下降，波速在1.5～2.5 km/s之間，存在著較為明顯的波速差異，這種波速的差異存在，為本次使用超聲波法提供了較好的物性條件，且橋體表面比較平整，具備開展超聲波法的地球物理條件［1，2］。

2 超聲波法工作原理

人們所感覺到的聲音頻率范圍為20 Hz～20 kHz，超聲波是頻率大于20 kHz的機械波。目前產生超聲波的方法是利用電脈沖超聲波探頭中的壓電晶片，使其產生機械振動，并將這種振動轉播到與探頭接觸的介質中去，就形成了超聲波［3］。

超聲波法檢測橋身結構完整性的基本原理是:由超聲脈沖發射源向橋體內發射高頻彈性脈沖波，并用高精度的接收系統記錄該脈沖波在橋體內傳播過程中表現的波動特性及走時等相關信息［4，5］。

2.1 超聲波透射波法工作原理

如圖1所以，在橋體一側激發，另一側對應測點上布置接收探頭，得到每個測點的聲波曲線，從曲線中可以讀取初至時間，即聲波的走時，通過計算可以得到該測點的波速值;通過對整個測區的檢測，可以得到每個測點的波速值，通過繪制速度等值線圖可以確定橋體的病害區域。

圖1 透射波法工作示意

2.2 超聲波CT法

通過超聲波透射波法的掃面工作，可以確定重點異常區域，然后在異常區域開展超聲波CT掃描工作。如圖2所示，為超聲波CT法觀測系統示意，激發間距和接收間距均為0.5m，可采取先固定接收探頭的位置，依次在激發一側逐個測點激發，掃面完一個排列后，將接收探頭固定在下一個測點，然后再在激發一側逐個測點激發一遍，以此類推，直至將所有接收測點掃描完，得到相應的聲波曲線，讀取每條CT掃描聲波曲線的初至時間，通過CT反演軟件處理，可得到速度等值線圖［6，7］。

圖2 CT法觀測系統示意

3 應用實例

本次檢測維修的石拱橋結構如圖3所示。本文以左側三角區為例，探討超聲波法在石拱橋檢測中的應用效果(如圖4所示)。將橋體兩側劃分成邊長為0.25m的正方形網格，網格點即為透射波法檢測點，并為點位進行編號，橋體兩側的點位位置必須一一對應，即兩點連線垂直橋面。

圖3 石拱橋結構示意

圖4 透射波法測點布置

3.1 超聲波透射波法解釋

在維修處理前通過超聲波透射波法檢測，得到速度等值線圖(見圖5)。成果圖總體看除了在深度2.0～2.5m及右邊石拱圈外延呈現高速區，相應的石拱石料完整;其他部分基本呈現小于2.8 km/s的中低速區，特別是在圖上明顯的可以看出兩個低速區，黑色矩形框內及其附近波速小于2.6 km/s，初步判斷為橋體內部巖石風化含水，松散不密實，是治理的重點區域。為了探明橋體內部分布情況，擬定在垂向－0.5m 位置布置一個CT剖面，如圖5所示。

圖5 超聲波透射波法注漿前速度等值線

如圖6所示，圖中的黑色小圓圈是注漿的孔位，黑色斜線是建橋的時候鋪設的隔水板。通過注漿處理，通過超聲波透射波法對橋體復檢，得到速度等值線圖整體的速度值有很大提高，從1.4～2.8 km/s，提升到3.0 km/s以上，檢測區域呈現整體性，沒有明顯的低速即不密實的區域。圖5中的兩個低速異常區也得到了很好的處理，波速顯著提升，即相應的密實度得到很大提升。在左側有一個相對低速(2.4～2.8 km/s)的區域，判斷為上排左側第一個注漿孔的注漿量不夠，或者因為比較靠近隔水板，也可能是注漿孔打到了隔水板的上方，導致水泥漿無法滲入到該區域的空隙中。

3.2 超聲波CT法解釋

通過反演可以得到圖5中AA'CT剖面的速度等值線圖(如圖7所示)。可以看到中間區域存在一個大范圍的低速區(1.8～2.2 km/s)，通過詢問現場施工人員及查閱相關資料，推斷中間為原來填充的片石，經過多年的雨水滲漏沖刷及風化，結構變的比較松散，外圍的一圈高速區為比較完整的砌石，反演結果與實際情況相吻合。

圖6 超聲波透射波法注漿后速度等值線

圖8為注漿處理后AA'CT剖面的速度等值線圖，與圖7比較可以看出，中間大范圍的低速區已經得到很好的處理，整體速度值有明顯的提高，說明通過維修處理橋體內部的松散空隙得到填充，整體結構也得到加固，使橋體的強度和穩定性都有很大提升。

3.3 綜合解釋

通過超聲波技術的應用，首先探明了橋體結構內部的速度分布情況，說明了橋體急待維修處理的必要性，通過超聲波透射波法和CT法的聯合應用，為制定維修處理方案提供了有力的技術支持。通過施工人員的反饋，在兩個低速區的注漿量明顯大于其他區域，從而證明了超聲波法檢測的準確性。對注漿處理后的橋體進行復檢，橋體的整體波速值明顯提升，反映了維修治理的效果明顯。

4 結論

石拱橋的病害檢測是一項復雜的技術工作，尤其是運營中的橋梁，工區干擾大，工期緊，現場施工條件非常有限，造成很多物探方法無法開展。超聲波技術抗干擾能力強、精度高、設備簡便、對工作環境要求低，可以在不斷交、不停施工的同時開展工作，為石拱橋的維修治理提供了有力的技術支持。

(1)超聲波透射波法能夠對橋體整體結構進行探測，通過分析處理，可以探明橋體的主要病害區域，但是只能做定性分析，對于定量的分析處理還不成熟。

圖7 注漿前超聲波CT法AA'剖面速度等值線

圖8 注漿后超聲波CT法AA'剖面速度等值線圖

(2)超聲波CT法的引入，彌補了超聲波透射波法無法縱向分析橋體內部結構的缺陷，通過CT掃描可以進一步掌握橋體內部結構信息。

(3)利用超聲波技術對維修處理后的橋體進行復檢，為檢測治理效果提供了一種技術手段，同時也防止一些病害區域的遺漏。

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