錨桿無損檢測在高速公路隧道中的分析與應(yīng)用

陳斌強(qiáng)

摘 要：錨桿支護(hù)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(zhì)量檢測的方法，其操作簡單方便，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。文章結(jié)合工程實(shí)例，分析在高速公路隧道中的應(yīng)用切實(shí)可行，值得大力推廣。

關(guān)鍵詞：隧道；錨桿；無損檢測

1 引言

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

2 檢測基本原理

2.1 錨桿無損檢測研究發(fā)展

錨桿施工質(zhì)量檢測的研究很早就開始了，上個(gè)世紀(jì)八十年代初，瑞典的相關(guān)研究人員已經(jīng)開始開發(fā)了錨桿錨固質(zhì)量無損檢測儀器Boltometer。儀器原理是從錨桿外露端頭激發(fā)一次超聲波，同時(shí)在此端頭用一個(gè)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(shí)度是根據(jù)從錨桿底部端頭反射回波的幅值評價(jià)。上世紀(jì)八十年代，我國鐵道科學(xué)院曾在效仿瑞典Boltometer檢測儀的基礎(chǔ)上，采用能量相對穩(wěn)定的激振，改進(jìn)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(shù)規(guī)程，標(biāo)志著錨桿無損檢測技術(shù)正式步入成熟階段。

2.2 工作原理

當(dāng)工程的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸為圓柱體且其直徑d遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其長度L時(shí)，即L>>d，則此構(gòu)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(jié)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(yīng)用彈性波理論對錨桿進(jìn)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(zhì)量，即鋼筋與錨固材料的膠結(jié)質(zhì)量、錨固材料與圍巖（土）的膠結(jié)質(zhì)量（也就是錨桿的密實(shí)度）及錨桿的長度。當(dāng)錨桿錨固體系存在波阻抗（Z=PVA）差異的界面時(shí)（如空漿、欠密實(shí)、欠長度等），彈性波在該界面將發(fā)生反射。根據(jù)檢測到的反射信號的頻率、幅值及反射波的時(shí)間等特征，可以確定錨桿的錨固狀態(tài)及施工缺陷。

2.3 彈性波傳播機(jī)理與桿系波速

彈性波在工程錨桿中傳播時(shí)，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(jīng)桿底或缺陷反射到傳感器，被接收的是經(jīng)錨桿和錨固體傳播的混合波，混合波的速度高于錨固介質(zhì)，低于錨桿。按照彈性波在粘滯彈性介質(zhì)中傳播的理論，傳播速度不僅取決于材料的力學(xué)性質(zhì)，還與彈性波的頻率有關(guān)。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(yīng)等有關(guān)。因此錨桿長度計(jì)算時(shí)采用的波速平均值應(yīng)考慮密實(shí)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(zhǔn)確地確定與密實(shí)度的關(guān)系，但在實(shí)際檢測工作中應(yīng)考慮桿長檢測精度與密實(shí)度有關(guān)。

3 錨桿錨固質(zhì)量評價(jià)

3.1 錨桿長度

錨桿桿體長度不小于設(shè)計(jì)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(shí)度評價(jià)

當(dāng)錨固體存在嚴(yán)重的空漿段時(shí)，可通過空漿段的長度計(jì)算其錨固密實(shí)度，否則通過反射波與入射波的能量對比進(jìn)行錨固密實(shí)度的計(jì)算。

4 工程實(shí)例分析

廣東韶關(guān)某高速公路隧道工程按新奧法原理進(jìn)行洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼架組成初期支護(hù)與二次模筑混凝土相結(jié)合的復(fù)合襯砌形式。在Ⅲ圍巖區(qū)域，初期支護(hù)采用3m長，Φ22藥卷錨桿；Ⅳ圍巖區(qū)域初期支護(hù)采用4m長，Φ25中空注漿錨桿。下面結(jié)合典型波形圖進(jìn)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(nèi)，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(tài)下進(jìn)行了測試，實(shí)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(yàn)證了一維彈性理論中兩端自由時(shí)的理論。且在后續(xù)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(zhì)量好的錨桿

錨桿施工后，錨固質(zhì)量好表現(xiàn)為桿體與漿液膠結(jié)較好且均勻，無空漿現(xiàn)象，注漿密實(shí)達(dá)90%以上。實(shí)測波形特點(diǎn)為入射波能量衰減快，幾乎呈指數(shù)衰減態(tài)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(zhì)量好的錨桿波形圖 圖4 錨固欠密實(shí)的錨桿波形圖

4.3 錨固欠密實(shí)的錨桿

錨桿施工后，由于漿液不達(dá)標(biāo)造成錨固強(qiáng)度低，但無空漿現(xiàn)象，注漿密實(shí)度，一般為75%～90%之間。實(shí)測波行特點(diǎn)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(shí)出現(xiàn)漏漿、空漿等情況，造成錨桿的錨固局部不密實(shí)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(xiàn)反射波，在時(shí)間域信號上表現(xiàn)為相位變化，波幅疊加，而缺陷的嚴(yán)重程度與反射波的幅值相關(guān)。典型波形如圖5所示。

5 錨桿無損檢測中注意事項(xiàng)

（1）在錨桿測試前應(yīng)盡量多收集資料，了解隧道地質(zhì)情況、錨桿類型，施工工藝等。（2）測試前先測試自由狀態(tài)下的錨桿，了解應(yīng)力波在該種材質(zhì)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(jié)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(yīng)毛刺，避免高頻振蕩，并且一致性好。（5）對實(shí)測信號進(jìn)行分析時(shí)，充分考慮到錨固密實(shí)程度對波速的影響。并結(jié)合聲時(shí)、幅值、波形衰減的形態(tài)特征、頻譜等綜合分析，使得解譯的結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。

6 結(jié)束語

隨著高速公路的大量建設(shè)，隧道錨桿無損檢測解決了傳統(tǒng)錨桿檢測方法單一的局面。以面的方式檢測隧道成環(huán)狀的錨桿錨固質(zhì)量，可以和錨桿拉拔試驗(yàn)互為補(bǔ)充，無損檢測為面，拉拔試驗(yàn)為點(diǎn)，為支護(hù)工程施工質(zhì)量建立起有力的保障，值得大力推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]尹程.隧道錨桿無損檢測技術(shù)在長基嶺隧道的應(yīng)用研究[Z].

[2]黃華林，等.錨桿錨固質(zhì)量無損檢測技術(shù)研究[Z].