沖擊回波法識(shí)別盾構(gòu)中注漿層質(zhì)量的試驗(yàn)研究

姚 菲 蘇建洪

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

·橋梁·隧道·

沖擊回波法識(shí)別盾構(gòu)中注漿層質(zhì)量的試驗(yàn)研究

姚 菲 蘇建洪

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

介紹了沖擊回波法的原理，通過(guò)設(shè)計(jì)帶缺陷和不帶缺陷的S—G(管片—注漿)試件模型，模擬了盾構(gòu)中使用沖擊回波法檢測(cè)注漿層質(zhì)量問(wèn)題的方法，分析探討了在不同注漿情況下的沖擊回波頻譜特征，得出了一些有意義的結(jié)論。

S—G模型，沖擊回波法，盾構(gòu)，注漿層

盾構(gòu)法具有安全快速、適用范圍廣以及對(duì)周圍地層擾動(dòng)小等特點(diǎn)，在地下隧道建設(shè)中具有很大優(yōu)勢(shì)。在盾構(gòu)中施工擾動(dòng)和爆破開(kāi)挖等情況下，連同超挖造成地層變形和土體的再固結(jié)，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖之間產(chǎn)生分離，使圍巖產(chǎn)生松弛，進(jìn)而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力降低，威脅隧道的安全。壁后注漿通常被用于解決這一問(wèn)題，通過(guò)注漿充填盾構(gòu)中的超挖空隙，使其能夠防止圍巖的松動(dòng)、管片漏水、減少地面沉降等現(xiàn)象。然而，注漿層會(huì)由于注漿不密實(shí)、配合比和尚未固結(jié)等原因，導(dǎo)致注漿層剛度受到影響而降低，繼而產(chǎn)生地層沉降和巖體坍塌等一系列安全問(wèn)題。

本文通過(guò)沖擊回波試驗(yàn)，分析對(duì)S—G試件施加瞬態(tài)沖擊后的響應(yīng)，驗(yàn)證了采用沖擊法識(shí)別不同剛度盾構(gòu)注漿層缺陷的可行性，并總結(jié)了識(shí)別規(guī)律。

1 沖擊識(shí)別原理

沖擊回波法原理如圖1所示。即利用激振器沖擊混凝土表面，使其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波，其中縱波(P波)在介質(zhì)中的傳播速度CP由式(1)計(jì)算：

(1)

式中：E——楊氏彈性模量;

ρ——介質(zhì)密度;

v——泊松比。

沖擊回波檢測(cè)過(guò)程中，如何確定可檢測(cè)的最小缺陷是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。隨著缺陷深度的加大，最小可檢測(cè)缺陷的大小也隨之加大。如圖2所示，該缺陷的沖擊回波數(shù)據(jù)經(jīng)傅里葉變換后的頻域圖中將產(chǎn)生兩個(gè)峰值頻率：

1)板厚峰值頻率；

2)缺陷深度峰值頻率。根據(jù)文獻(xiàn)資料及試驗(yàn)分析得知，當(dāng)缺陷的深度T與橫向尺寸d之比小于3時(shí)，就能比較準(zhǔn)確地檢測(cè)到缺陷的深度；當(dāng)1.5T

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)中管片與圍巖之間注漿層的剛度受缺陷、配合比和固結(jié)等因素影響而不同，試驗(yàn)管片為來(lái)自南京力高管片有限公司制造的C50強(qiáng)度預(yù)制封頂管片，尺寸約為1 200 mm×1 200 mm?？紤]到注漿層剛度受缺陷影響，在試件中埋置泡沫缺陷來(lái)模擬空洞情況。因此試件進(jìn)行分類標(biāo)號(hào)為SG-DE(detect)和SG-ND(no detect)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 試件的參數(shù)特性

擬在試件左側(cè)埋置泡沫板缺陷，右側(cè)為無(wú)缺陷工況。由上節(jié)內(nèi)容可知，混凝土管片厚度h=350 mm，為了能使埋置的泡沫板缺陷可以被檢測(cè)到，設(shè)置泡沫板寬度d=150 mm>h/3≈116.7 mm。泡沫板厚取為20 mm，埋置在離管片—注漿層界面30 mm處，如圖3所示。

3 相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

應(yīng)力波波速與頻率及厚度之間的關(guān)系如式(2)所示：

(2)

式中：fT——傳感器采集到動(dòng)力時(shí)程曲線經(jīng)FFT(快速傅里葉變換)之后得到的峰值頻率；

β——形狀系數(shù)，對(duì)于板取0.96；

Cp——應(yīng)力波在該介質(zhì)中的波速；

T——所測(cè)量試件的厚度。

當(dāng)構(gòu)件由兩種不同材料所組成時(shí)，底層底面到頂層表面的厚度頻率如式(3)所示：

(3)

式中：h1，h2——材料一與材料二的厚度；

Cp1，Cp2——材料一與材料二中的應(yīng)力波波速。

利用式(2)及4節(jié)中IES沖擊回波儀測(cè)得管片密度，彈模等參數(shù)，管片中應(yīng)力波波速為4 390 m/s。再由式(1)計(jì)算得注漿層波速，為1 354 m/s。根據(jù)上述理論，管片—注漿層界面相對(duì)應(yīng)的厚度頻率f1根據(jù)式(4)計(jì)算：

(4)

注漿層—圍巖界面相對(duì)應(yīng)的厚度頻率f2根據(jù)式(5)計(jì)算：

(5)

式中：T1，T2——混凝土管片與注漿層的厚度；

Cp1，Cp2——混凝土管片與注漿層中的應(yīng)力波波速。

同樣，缺陷處厚度頻率f2′可根據(jù)式(6)求得:

(6)

式中：T1′,T2′——混凝土管片與管片—注漿層界面到缺陷表面的厚度;

Cp1′,Cp2′——混凝土管片與注漿層中的應(yīng)力波波速。

4 試驗(yàn)研究

儀器使用的是美國(guó)Olson公司制造的IES沖擊回波儀，如圖4所示，儀器包括主機(jī)，連接線以及激振器和信號(hào)接收傳感器集成在一起的滾動(dòng)傳感器。設(shè)置儀器采樣頻率為2 048 Hz，每10 μs采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。沖擊回波數(shù)據(jù)采用Butterworth濾波器和Bass Pass帶通濾波，并且設(shè)置Order階數(shù)為4階。S—G試件圖見(jiàn)圖5。

在厚度頻率有效區(qū)域范圍(由計(jì)算確定，本文中處于2 000 Hz～8 000 Hz之間)之內(nèi)出現(xiàn)了明顯的峰值，在有效區(qū)域外的低頻區(qū)域也可能出現(xiàn)峰值，這些峰值是由于表面波或者其他噪聲干擾波引起，因此進(jìn)行了以2 kHz左右為截止頻率的高通濾波，用于消除這些強(qiáng)烈的低頻信號(hào)。

對(duì)試件進(jìn)行沖擊回波試驗(yàn)后，對(duì)回波時(shí)程曲線進(jìn)行FFT(快速傅里葉變換)后得出的頻域圖如圖6所示。

將圖6中峰值頻率列于表2。

表2 不同試件的峰值頻率 Hz

從表3中可以看出，理論值與試驗(yàn)值吻合較好。對(duì)于SG-DE試件，注漿層底界面厚度頻率不明顯，是由于波在缺陷處反射所致。有缺陷試件與無(wú)缺陷試件頻域圖第一峰值存在差別。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)設(shè)計(jì)帶缺陷和不帶缺陷的S—G(管片—注漿)試件模型，來(lái)模擬盾構(gòu)中使用沖擊回波法檢測(cè)注漿層質(zhì)量問(wèn)題的方法應(yīng)用，分析了在不同注漿情況下的沖擊回波頻譜特征，得出如下結(jié)論：

1)盾構(gòu)管片后的注漿層中的空洞空隙等缺陷的檢測(cè)受到最小尺寸限制，對(duì)于本文中試件尺寸，注漿層中的缺陷寬度需大于116.7 mm才能被沖擊回波法所檢測(cè)。

2)理論值與試驗(yàn)值吻合較好。對(duì)于SG-DE試件，注漿層底界面厚度頻率不明顯，是由于波在缺陷處反射所致。有缺陷試件與無(wú)缺陷試件頻域圖第一峰值存在差別。

[1] 王凈偉,楊信之,阮 波.盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有建筑物基樁影響的數(shù)值模擬[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,11(4):73-79.

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The test research on impact-echo method identification of the grouting layer quality in shield

Yao Fei Su Jianhong

(CivilandTransportationCollege,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Introduces the principle of impact-echo method,impact-echo method is used to simulate detecting quality problems in grouting layer of shield tunnel by designing the defective and non-defective S—G(Segment-Grouting) specimen model. Spectral characteristics of the impact-echo method in different grouting situation are analyzed in this paper,some meaningful conclusions are drawn.

S—G model， impact-echo method,shield,grouting layer

2015-10-08

姚 菲(1983- )，女，博士，講師；蘇建洪(1991- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)36-0166-02

U455.43 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

A