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(nèi)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(qū)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(diào)查，橋梁兩側為石砌結構，橋體內(nèi)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(nèi)部結構出現(xiàn)浸水情況，導致橋體內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)生機械振動，并將這種振動轉播到與探頭接觸的介質(zhì)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(fā)射源向橋體內(nèi)發(fā)射高頻彈性脈沖波，并用高精度的接收系統(tǒng)記錄該脈沖波在橋體內(nèi)傳播過程中表現(xiàn)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(fā)，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(qū)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(qū)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(qū)域，然后在異常區(qū)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(tǒng)示意，激發(fā)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(fā)一側逐個測點激發(fā)，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(fā)一側逐個測點激發(fā)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(tǒng)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(qū)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(wǎng)格，網(wǎng)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(xiàn)高速區(qū)，相應的石拱石料完整;其他部分基本呈現(xiàn)小于2.8 km/s的中低速區(qū)，特別是在圖上明顯的可以看出兩個低速區(qū)，黑色矩形框內(nèi)及其附近波速小于2.6 km/s，初步判斷為橋體內(nèi)部巖石風化含水，松散不密實，是治理的重點區(qū)域。為了探明橋體內(nèi)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(qū)域呈現(xiàn)整體性，沒有明顯的低速即不密實的區(qū)域。圖5中的兩個低速異常區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)域存在一個大范圍的低速區(qū)(1.8～2.2 km/s)，通過詢問現(xiàn)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(jīng)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(qū)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(qū)已經(jīng)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(nèi)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(wěn)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(nèi)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(lián)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(qū)的注漿量明顯大于其他區(qū)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(qū)干擾大，工期緊，現(xiàn)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(huán)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(qū)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(nèi)部結構的缺陷，通過CT掃描可以進一步掌握橋體內(nèi)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(qū)域的遺漏。

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