沖擊彈性波在襯砌脫空檢測中的應(yīng)用

朱威， 張遠(yuǎn)軍

(1.火箭軍工程大學(xué)士官學(xué)院， 山東青州262500；2.四川升拓檢測技術(shù)股份有限公司， 成都610045)

沖擊彈性波在襯砌脫空檢測中的應(yīng)用

朱威1， 張遠(yuǎn)軍2

(1.火箭軍工程大學(xué)士官學(xué)院， 山東青州262500；2.四川升拓檢測技術(shù)股份有限公司， 成都610045)

隧道作為現(xiàn)代工程典型的結(jié)構(gòu)形式，在交通、水利、國防等領(lǐng)域都發(fā)揮著極其重要的作用。各行業(yè)針對隧道襯砌施工質(zhì)量，尤其對襯砌脫空狀況檢測的需求，顯得日益突出，襯砌背后部是否存在脫空將直接影響隧道的安全性能。在綜合了常用混凝土檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，對電磁波雷達(dá)與沖擊彈性波測試系統(tǒng)的差異進(jìn)行了分析研究，認(rèn)為彈性波在一定條件下用于襯砌脫空檢測更具有優(yōu)越性，因此提出了采用沖擊彈性波的振動特性和反射特性對隧道襯砌脫空進(jìn)行檢測的方法，對振動法和反射法理論進(jìn)行了深入研究，結(jié)合實際工程應(yīng)用實踐，與電磁波雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用對比，其效果顯著，值得推廣。

隧道脫空；振動法；反射法；沖擊彈性波；電磁波

引言

隧道是現(xiàn)代交通工程、水利工程、國防工程等常用到的工程結(jié)構(gòu)形式。隧道往往橫慣于山體之中或縱橫于地下，是典型的地下工程，洞身往往都需要澆筑混凝土襯砌，用以及時的進(jìn)行支護(hù)，控制圍巖的變形和松弛，使圍巖成為支護(hù)體系的組成部分。

一般隧道混凝土襯砌厚度往往遠(yuǎn)小于其他各向尺寸，而在彈性力學(xué)中，兩個平行平面和垂直于它們的柱面所圍成的物體，當(dāng)其高度小于底面尺寸時稱為板[1]，因此隧道襯砌可視為混凝土板結(jié)構(gòu)。田北平等[2]認(rèn)為隧道襯砌常見問題包括材質(zhì)差(強(qiáng)度、模量不足)、結(jié)構(gòu)尺寸(厚度、長度)不足、結(jié)構(gòu)開裂、結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷和結(jié)構(gòu)背后空腔等。其中背后脫空隱蔽性強(qiáng)，受影響因素多，諸如人為因素、技術(shù)因素、混凝土干縮、徐變等都可能導(dǎo)致隧道襯砌背后脫空。而隧道襯砌背后是否存在脫空將直接影響隧道的安全性能。因為若有脫空存在，襯砌將無法在圍巖變形的第一時間起到主動限制變形的作用，李術(shù)才等[3]秉持“先讓再抗后剛”大變形控制思想，即在變形達(dá)到一定程度后被動支承，但前提是要求支護(hù)體系具有相當(dāng)?shù)某惺苣芰Γ駝t會給隧道安全造成巨大隱患。因此，對隧道襯砌背后脫空狀況及早檢測發(fā)現(xiàn)，及早進(jìn)行防治處理，直接關(guān)系到隧道長期穩(wěn)定和使用功能的正常發(fā)揮。

本文在綜合目前常用混凝土檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了采用沖擊彈性波的振動特性和反射特性對隧道襯砌脫空進(jìn)行檢測的方法，在實際工程中應(yīng)用效果顯著，值得推廣。

1混凝土無損檢測技術(shù)

吳佳曄等[4-5]根據(jù)檢測所用的信號媒質(zhì)不同，將混凝土無損檢測技術(shù)分為沖擊彈性波(包括沖擊、彈性波、超聲波、AE)/誘導(dǎo)振動、電磁波/電磁誘導(dǎo)、紅外線譜、放射線等方法。其中沖擊彈性波/誘導(dǎo)振動、電磁波/電磁誘導(dǎo)在工程現(xiàn)場無損檢測中應(yīng)用最廣泛。

沖擊彈性波能夠直接反映材料的力學(xué)特性，是工程檢測中最常用的媒介之一，沖擊彈性波用錘或電磁擊振裝置沖擊產(chǎn)生，具有擊振能量大、操作簡單、便于頻譜分析等特點(diǎn)，是一種非常適合工程無損檢測的媒介[6]。

沖擊彈性波已廣泛應(yīng)用于混凝土無損檢測中，如基礎(chǔ)工程中常用的低應(yīng)變法測樁長；呂小彬等[7]提出的沖擊回波法測試混凝土動態(tài)模量；水工混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測技術(shù)規(guī)程[8]中規(guī)定的面波法測裂縫；郭貴強(qiáng)等[9]采用沖擊回波法檢測水工混凝土板內(nèi)部缺陷等，均采用的是沖擊彈性波，其彈性波有易于產(chǎn)生，且擊振能量大、操作簡單、便于頻譜分析等特點(diǎn)，也適合應(yīng)用于隧道襯砌脫空檢測。

電磁波的能量以脈沖的形式由發(fā)射天線輻射入介質(zhì)內(nèi)部，當(dāng)電磁波在傳播時遇到介電差異界面，就會產(chǎn)生反射、透射和折射，介電常數(shù)差異越大反射的電磁波能量越大，與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收反射信號，并將該信號送入雷達(dá)系統(tǒng)主機(jī)，通過信號數(shù)字化處理，形成全斷面的掃描圖，通過對雷達(dá)圖像的判讀，便可對目標(biāo)物實際結(jié)構(gòu)情況作出準(zhǔn)確判定。

電磁波雷達(dá)是一種無損傷高精度檢測技術(shù)，目前已在工程勘查、水利隱患探測、工程質(zhì)量檢測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[10]。電磁波在隧道初襯與二襯間的空洞缺陷探測中亦有應(yīng)用。但雷達(dá)剖面圖形常以波形或灰度顯示，即雷達(dá)檢測需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖像解釋。由于目標(biāo)介質(zhì)相當(dāng)于一個復(fù)雜的濾波器，介質(zhì)對波不同程度的吸收以及介質(zhì)的不均勻性質(zhì)，使得接收到的脈沖信號波幅減小，甚至波形失真。另外，不同程度的各種隨機(jī)噪聲和干擾，也會影響實測數(shù)據(jù)。

在進(jìn)行定性定量圖像解釋時，應(yīng)認(rèn)清目前雷達(dá)及處理軟件存在的問題，特別是應(yīng)注意定量解釋的精度取決于選取的波速的精度，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)現(xiàn)場實測波速的基礎(chǔ)工作，并應(yīng)考慮天線收-發(fā)距的問題，避免出現(xiàn)不實[11]。

現(xiàn)有大量檢測結(jié)果表明，目前在兩層襯砌間空洞缺陷的定位、尺寸以及形狀的辨別上還有一定的困難，對空洞大小判定的準(zhǔn)確度方面尚顯不足。另外電磁波受鋼筋、水等影響較大。電磁雷達(dá)系統(tǒng)與彈性波系統(tǒng)比較見表1。

表1電磁雷達(dá)系統(tǒng)與彈性波測試系統(tǒng)比較

2沖擊彈性波檢測脫空方法原理

脫空面對測試信號的影響主要體現(xiàn)在：

(1)脫空面由于剛性極低，對彈性波有明顯的隔斷、反射作用。

(2)脫空造成結(jié)構(gòu)的約束減少、自由度增加。

2.1振動法

隧道襯砌或底板脫空檢測，當(dāng)檢測對象結(jié)構(gòu)較薄或脫空范圍較大時，可以采用振動法檢測，通過彈性波的頻率特征進(jìn)行脫空判定。

當(dāng)錘擊混凝土結(jié)構(gòu)表面時，在表面會誘發(fā)振動。該振動還會壓縮/拉伸空氣形成聲波，可以用傳感器直接拾取結(jié)構(gòu)表面的振動信號(稱為“振動法”)，對振動特征信號數(shù)字化處理，形成等值線云圖，即可對脫空情況作出準(zhǔn)確判定。

通常，在產(chǎn)生脫空的部位，振動特性會發(fā)生以下變化(圖1)：

(1)彎曲剛度顯著降低，卓越周期增長。

(2)彈性波能量的逸散變緩，振動的持續(xù)時間變長。

圖1脫空時振動參數(shù)的變化特點(diǎn)

這兩個特性對激振力的大小沒有要求。另一方面，剝離會引起結(jié)構(gòu)抵抗特性的變化，即，剝離使得參與振動的質(zhì)量減少，在同樣的激振力下，產(chǎn)生的加速度會增加。因此，用沖擊錘激振并用激振力歸一化后，加速度幅值也是一個重要的指標(biāo)。

但是，當(dāng)脫空面中填充有碎石渣粉、泥漿等柔性材料時，其對混凝土的振動有較強(qiáng)的衰減作用，反而有可能使得持續(xù)振動時間的縮短，因此，按照上述振動變化特征得到的脫空指數(shù)反而會更低。此時，結(jié)合沖擊回波法就顯得必要。

2.2反射法

隧道襯砌或底板脫空檢測，當(dāng)檢測對象結(jié)構(gòu)太厚(一般指大于50 cm)或脫空范圍較小時，無法采用常規(guī)的振動法檢測時，只能采用沖擊回波法，利用彈性波的反射和透射過程來進(jìn)行脫空判定。

當(dāng)彈性波在結(jié)構(gòu)介質(zhì)中傳播時，遇到截面變化或者材質(zhì)變化時，其反映為機(jī)械阻抗(一般用z來表示材料的機(jī)械阻抗，z=ρCA，這里的A是斷面截面積)的變化。在機(jī)械阻抗發(fā)生變化的界面上，傳播的彈性波會產(chǎn)生波的反射和透過(圖2)。

圖2變化的機(jī)械阻抗面發(fā)生的反射和透過

彈性波的反射和透過具有的性質(zhì)：(1)媒介的機(jī)械阻抗相同(z1=z2)，就算材料不同，也不會產(chǎn)生波動；(2)兩種媒介的機(jī)械阻抗相差越大，反射率也越大。典型材料的阻抗見表2。

表2典型材料的阻抗參數(shù)

根據(jù)上述原理及典型材料的阻抗參數(shù)可知，圍巖等級較高，即巖體與襯砌交界面阻抗差異不太大，將在交界面上發(fā)生反射和透射，當(dāng)襯砌混凝土與高等級巖體接觸好時，透過率大于反射率，大部分信號將繼續(xù)向巖體傳播并在不同巖層產(chǎn)生反射和透過。因此，能量頻譜中不僅能看到襯砌與巖體交界面的反射信號，還能看到后續(xù)的反射信號。若襯砌與巖體接觸不好，即襯砌與巖體中間存在夾層，如空氣，水等阻抗小的材料，激勵的信號將在交界面充分反射回來，能量頻譜將看不到后續(xù)的反射信號。

3脫空檢測應(yīng)用

3.1某國家重點(diǎn)工程隧道襯砌脫空檢測

應(yīng)國家重點(diǎn)工程某監(jiān)管機(jī)構(gòu)邀請，對該工程的隧道襯砌進(jìn)行了脫空檢測，并與地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行了對比。該隧道襯砌斷面為帶仰拱的城門洞型，斷面尺寸4.20 m×5.80 m(寬×高)，洞身段邊墻和頂拱混凝土襯砌厚度50 cm，另有20 cm的初襯。底板混凝土襯砌厚度為60 cm。具有埋深大、地下水位高、土體滲透系數(shù)小的特點(diǎn)，穩(wěn)定性極差。

檢測采用了沖擊彈性波反射法和電磁波雷達(dá)法。兩者檢測結(jié)果對比結(jié)果如圖3、圖4和表3所示。在該檢測段面，發(fā)現(xiàn)隧道襯砌脫空病害兩段，對比可知，無論是脫空位置還是范圍確定，兩種檢測方法具有較高的吻合度。

圖3彈性波發(fā)射法檢測云圖

圖4探地雷達(dá)檢測剖面圖

檢測方法EWR(時域)/m地質(zhì)雷達(dá)/m脫空位置范圍94～114129～15693～106122～135

3.2遼寧東水西調(diào)某隧道底板脫空檢測

遼寧“東水西調(diào)”工程是為緩解渾河、太子河、遼河下游地區(qū)水資源的供需矛盾，推動當(dāng)?shù)厣鐣徒?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展而修建的跨流域引水工程。東水西調(diào)工程是從渾江上桓仁水庫壩下，經(jīng)87.5 km引水洞，將水引至新賓縣境內(nèi)蘇子河后匯入渾河，經(jīng)河上的大伙房水庫反調(diào)節(jié)，再向遼河中下游地區(qū)缺水城市供水的大型跨流域引水工程。本次檢測的隧道段位于桓仁縣境內(nèi)，需要檢測底板與巖體結(jié)合的密實性，底板厚為65 cm～75 cm不等，全段有10 cm左右的積水。電磁波雷達(dá)在此種條件下無法進(jìn)行檢測，擬采用沖擊彈性波反射特性進(jìn)行檢測。

由于排水范圍有限，在一個排水區(qū)域(約0.5 m2)原則上梅花布置5個點(diǎn)(圖5)進(jìn)行測試，每個點(diǎn)采集3次數(shù)據(jù)，采用能量頻譜云圖進(jìn)行脫空判定。

圖5隧道底板脫空檢測布點(diǎn)

由能量頻譜云圖(圖6)可知，激振彈性波信號在底板位置附近完全被隔斷反射，透射信號基本沒有或極弱，即在底板底部存在較大的阻抗差異界面，可判定該測試區(qū)域存在脫空現(xiàn)象，鉆孔驗證如圖7所示。

圖6沖擊彈性波能量頻譜云圖

圖7鉆心取樣驗證結(jié)果

鉆心取樣可見隧道底板與圍巖結(jié)合不緊密，底板與圍巖之間存在碎巖渣粉、水等阻抗極小的雜質(zhì)材料。

3.3渠道襯砌脫空檢測

本次測試渠道段為南水北調(diào)工程某渡槽到引水渠的連接位置，該位置長約40 m，混凝土結(jié)構(gòu)襯砌為漸變結(jié)構(gòu)，漸變區(qū)間為87.3 cm～44.7 cm，需要測試迎水面混凝土結(jié)構(gòu)襯砌與堤防的接觸狀況。測試位置混凝土結(jié)構(gòu)襯砌厚約為50 cm，設(shè)計強(qiáng)度為C30，其形狀隨堤防結(jié)構(gòu)扭曲變化。渠道襯砌是板狀結(jié)構(gòu)，背后為黃土，與混凝土阻抗差異明顯，因此測試方法采用振動法，并用大錘激振，結(jié)構(gòu)現(xiàn)場如圖8所示。

圖8渠道結(jié)構(gòu)

本次測試區(qū)域為180 cm×180 cm，測點(diǎn)間距為30 cm，代表性檢測結(jié)果如圖9所示。

圖9剝離指數(shù)等值線云圖

脫空造成結(jié)構(gòu)的約束減少、自由度增加。當(dāng)在結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行激振時，振動持續(xù)時間長，卓越周期長，等值線云圖中，色彩越暖表示脫空越嚴(yán)重。

4結(jié)論

(1)電磁雷達(dá)是測試脫空的一種非常有效的手段，其通過測試在脫空面的反射信號來判斷脫空的有無，但電磁雷達(dá)波受鋼筋、水等影響較大[12]。沖擊彈性波檢測和電磁雷達(dá)檢測結(jié)果均具有較高的可靠性，并且沖擊彈性波檢測彌補(bǔ)了電磁雷達(dá)受鋼筋、水等影響大的不足。因此沖擊彈性波檢測和電磁雷達(dá)檢測各有所長，可取長補(bǔ)短、分別應(yīng)用[13]。

(2)沖擊彈性波兩種測試方法互補(bǔ)，圍巖等級較高，襯砌厚度較厚(大于50 cm)時，宜采用反射法，圍巖等級較差，襯砌厚度較薄(小于50 cm)，脫空范圍較大時，宜采用振動法。

(3)沖擊彈性波作為無損檢測媒介，具有易于產(chǎn)生，能量強(qiáng)，適用范圍廣等特征，用于隧道襯砌脫空檢測方法簡單、路線方向明確。工程實際應(yīng)用證明沖擊彈性波用于隧道襯砌背后脫空情況檢測，實用可靠，值得推廣。

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The Application of Impact Elastic Wave in Lining Void Detection

ZHUWei1,ZHANGYuanjun2

(1.Rocket Force University of Engineering, Qingzhou 262500, China; 2.Sichuan Central Inspection Technology Inc,Chengdu 610045, China)

As a typical modern engineering structure, tunnel plays an extremely important role in areas such as transportation, water conservancy, and national defense. The quality of tunnel lining construction, especially for the demand of the lining concrete pavement condition detection becomes increasingly prominent. The presence of voids behind the lining will directly affect the safety performance of the tunnel. On the basis of detection technology, the electromagnetic wave radar and the impact of elastic wave test system difference were analyzed. The elastic wave under certain conditions used for lining has more superiority. Therefore, the method for detecting the void of tunnel lining is put forward by using vibration characteristics and reflection characteristics of shock wave. The vibration method and the theory of reflection method were studied. Based on the actual engineering application practice, and compared with electromagnetic wave radar system application, the effect of the method above is remarkable.

tunnel cavity; vibration-based method; reflection method; IEW(Impact elastic wave)；electromagnetic wave

2017-02-23

朱 威(1973-)，男，江蘇徐州人，教授，碩士，主要從事工程施工方面的研究，(E-mail)994201104@qq.com

1673-1549(2017)03-0062-05

10.11863/j.suse.2017.03.13

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