錨桿無損檢測在高速公路隧道中的分析與應用

陳斌強

摘 要：錨桿支護已日益成為巖土工程加固的主要方法之一，基于一維彈性波理論的錨桿無損檢測豐富了錨桿錨固質量檢測的方法，其操作簡單方便，結果準確可靠。文章結合工程實例，分析在高速公路隧道中的應用切實可行，值得大力推廣。

關鍵詞：隧道；錨桿；無損檢測

1 引言

在隧道開挖支護等施工工藝中，錨桿支護成為最常用的支護方式之一。錨桿施工到巖土體內與巖土體形成一個新的復合體，從而使得巖土體自身的承載能力大大加強，故其施工質量對整個隧道的安全有著重大的意義。錨桿檢測傳統的方法是“拉拔法”，但是拉拔屬于破壞性試驗，且操作麻煩，對于隧道拱頂的錨桿拉拔難以實現。而基于一維彈性波理論的錨桿無損檢測，操作方便，隧道內任意位置均可檢測，且方便快捷，不影響施工進度。

2 檢測基本原理

2.1 錨桿無損檢測研究發展

錨桿施工質量檢測的研究很早就開始了，上個世紀八十年代初，瑞典的相關研究人員已經開始開發了錨桿錨固質量無損檢測儀器Boltometer。儀器原理是從錨桿外露端頭激發一次超聲波，同時在此端頭用一個傳感器接收從錨桿另一端頭反射回來的超聲波，而注漿密實度是根據從錨桿底部端頭反射回波的幅值評價。上世紀八十年代，我國鐵道科學院曾在效仿瑞典Boltometer檢測儀的基礎上，采用能量相對穩定的激振，改進研制了M-7錨桿檢測儀。到2009年出臺了兩本錨桿無損檢測技術規程，標志著錨桿無損檢測技術正式步入成熟階段。

2.2 工作原理

當工程的結構構件的尺寸為圓柱體且其直徑d遠遠小于其長度L時，即L>>d，則此構件完全可以作為彈性波中的一維桿件理論分析處理。錨桿是鋼筋與錨固材料膠結在一起，與周圍圍巖（土）存在較大的彈性波波阻抗差異，因此，應用彈性波理論對錨桿進行無損檢測，可以視錨桿為一維彈性桿件，用一維彈性桿件來檢測分析錨桿的質量，即鋼筋與錨固材料的膠結質量、錨固材料與圍巖（土）的膠結質量（也就是錨桿的密實度）及錨桿的長度。當錨桿錨固體系存在波阻抗（Z=PVA）差異的界面時（如空漿、欠密實、欠長度等），彈性波在該界面將發生反射。根據檢測到的反射信號的頻率、幅值及反射波的時間等特征，可以確定錨桿的錨固狀態及施工缺陷。

2.3 彈性波傳播機理與桿系波速

彈性波在工程錨桿中傳播時，彈性波的能量分成了兩部分向前傳播，一部分沿錨桿傳播，其頻率較高，但衰減較快；另一部分沿錨固體傳播，其頻率較低，能量衰減較慢，最后經桿底或缺陷反射到傳感器，被接收的是經錨桿和錨固體傳播的混合波，混合波的速度高于錨固介質，低于錨桿。按照彈性波在粘滯彈性介質中傳播的理論，傳播速度不僅取決于材料的力學性質，還與彈性波的頻率有關。所以，錨桿的桿體波速與桿系波速是不同的，一般桿體波速高于桿系波速，波速差異的因素與聲波波長、錨桿直徑、膠粘物厚度、膠粘物波速及聲波尺度效應等有關。因此錨桿長度計算時采用的波速平均值應考慮密實度的影響。由于桿系平均波速受多方面因素的影響，尚無法準確地確定與密實度的關系，但在實際檢測工作中應考慮桿長檢測精度與密實度有關。

3 錨桿錨固質量評價

3.1 錨桿長度

錨桿桿體長度不小于設計長度的95%，且不足長度不超過0.5m，可評定錨桿長度合格，反之不合格。

3.2 錨固密實度評價

當錨固體存在嚴重的空漿段時，可通過空漿段的長度計算其錨固密實度，否則通過反射波與入射波的能量對比進行錨固密實度的計算。

4 工程實例分析

廣東韶關某高速公路隧道工程按新奧法原理進行洞身結構設計，以系統錨桿、噴射混凝土、鋼筋網、鋼架組成初期支護與二次模筑混凝土相結合的復合襯砌形式。在Ⅲ圍巖區域，初期支護采用3m長，Φ22藥卷錨桿；Ⅳ圍巖區域初期支護采用4m長，Φ25中空注漿錨桿。下面結合典型波形圖進行分析。

4.1 自由錨桿分析

自由錨桿就是置于空氣中的錨桿，由于彈性波振動能量不會向空氣透射，因此彈性波在錨桿頂端和底端之間來回反射，能量衰減較緩慢，底端反射波與入射波相位相同，波形相似。在工地材料倉庫內，對Φ22藥卷錨桿和Φ25中空注漿錨桿這兩種類型的錨桿在自由狀態下進行了測試，實測波形圖如圖1、圖2所示。從圖中看出桿底反射信號非常明顯，幅值大于入射信號，這也驗證了一維彈性理論中兩端自由時的理論。且在后續波形中也很清楚地看到2次、3次的桿底反射信號。

圖1 Φ25中空自由錨桿波形圖 圖2 Φ22藥卷自由錨桿波形圖

4.2 錨固質量好的錨桿

錨桿施工后，錨固質量好表現為桿體與漿液膠結較好且均勻，無空漿現象，注漿密實達90%以上。實測波形特點為入射波能量衰減快，幾乎呈指數衰減態勢，但桿底反射微弱或無反射，波形最后甚至回歸基線，頻譜集中且為單峰。典型波形如圖3所示。

圖3 錨固質量好的錨桿波形圖 圖4 錨固欠密實的錨桿波形圖

4.3 錨固欠密實的錨桿

錨桿施工后，由于漿液不達標造成錨固強度低，但無空漿現象，注漿密實度，一般為75%～90%之間。實測波行特點為入射波能量衰減較快，一般有清晰的底端反射，桿底反射與入射波相似且幅值較大。典型波形如圖4所示。

4.4 存在空漿缺陷的錨桿

錨桿施工過程中，由于注漿時出現漏漿、空漿等情況，造成錨桿的錨固局部不密實或空洞等缺陷段。在缺陷部位截面面積減小，造成波阻抗減小，入射波在此臨界面將出現反射波，在時間域信號上表現為相位變化，波幅疊加，而缺陷的嚴重程度與反射波的幅值相關。典型波形如圖5所示。

5 錨桿無損檢測中注意事項

（1）在錨桿測試前應盡量多收集資料，了解隧道地質情況、錨桿類型，施工工藝等。（2）測試前先測試自由狀態下的錨桿，了解應力波在該種材質的錨桿中的傳播波速。（3）錨桿外露長度不宜過長，確保錨桿頭平整、干凈，傳感器與錨桿頭粘結牢靠，且垂直于錨桿頭。（4）檢測過程中停止施工，避免噪音振動等干擾；采集波形光滑，不應毛刺，避免高頻振蕩，并且一致性好。（5）對實測信號進行分析時，充分考慮到錨固密實程度對波速的影響。并結合聲時、幅值、波形衰減的形態特征、頻譜等綜合分析，使得解譯的結果更為準確可靠。

6 結束語

隨著高速公路的大量建設，隧道錨桿無損檢測解決了傳統錨桿檢測方法單一的局面。以面的方式檢測隧道成環狀的錨桿錨固質量，可以和錨桿拉拔試驗互為補充，無損檢測為面，拉拔試驗為點，為支護工程施工質量建立起有力的保障，值得大力推廣。

參考文獻

[1]尹程.隧道錨桿無損檢測技術在長基嶺隧道的應用研究[Z].

[2]黃華林，等.錨桿錨固質量無損檢測技術研究[Z].