PST和CT檢測技術在青東5塊透空式進海路工程中的應用

姜則才

摘要：青東5塊產能建設工程透空式進海路，在施工過程中，部分蓋梁受到了船舶的撞擊，造成不同程度的損傷。為確保橋梁結構質量，需要對損傷橋樁及蓋梁進行檢測以確定其損傷程度，并決定如何處理。而常規(guī)橋梁檢測中的外觀檢查、回彈儀檢測和小應變檢測等方法均無法實現(xiàn)檢測目的，采用PST成橋樁病害檢測和CT檢測等無損檢測技術，對損傷橋樁及蓋梁進行檢測分析并提出合理的處理意見，實施后保證了橋梁結構質量安全。

關鍵詞：PST、CT檢測技術；青東5塊；透空式進海路；應用

1 前言

青東 5 塊新區(qū)產能建設地面工程擬建灘涂道路、透空式進海路及灘海陸岸平臺一座。項目地處山東東營萊州灣西部極淺海海域，透空式進海路起點為青東5深水段實體進海路樁號K6+180處，終點與青東5灘海陸岸平臺相接，樁號K8+472.95，全長2.29km。其中K6+180～K8+370 段采用跨度10m 的管樁橋涵式結構進海路。

在施工過程中有三架蓋梁曾遭受船舶撞擊，受到不同程度的損傷。為確保橋梁結構安全，需要對損傷橋樁及蓋梁進行檢測以確定其損傷程度并決定如何處理。常規(guī)橋梁檢測中的外觀檢查、回彈儀檢測和小應變檢測等手段均無法實現(xiàn)檢測目的，因此采用了PST成橋樁病害檢測和CT檢測等無損檢測技術對損傷橋樁與蓋梁進行檢測。

根據(jù)現(xiàn)場損壞程度，我們選擇了第58、第59及第210排三個蓋梁和第210排的左、中、右三根樁進行檢測試驗。蓋梁長9m，寬1.8m，高1.3m，混凝土強度等級為C50。橋樁為高強度預應力混凝土管樁，管樁直徑1.2m，管樁壁厚12.5cm，混凝土強度等級為C80，管樁在蓋梁施工前就已進行填芯混凝土的澆筑。蓋梁與橋樁的損傷情況如下圖1～圖4。

2 檢測方法及其技術特點

此次檢測主要針對被撞混凝土蓋梁和橋樁的混凝土強度和撞擊影響范圍。蓋梁檢測采用混凝土CT技術，橋樁檢測采用PST成橋樁檢測技術，對第210排的中樁截面同時也進行CT檢測。

2.1 橋梁混凝土CT檢測

CT檢測是以二維截面為單位，將三維結構分解成二維的組合，再將二維的結果合成為三維的結構。CT技術通過對混凝土彈性波速成像，可以了解混凝土的結構完整性、密實性和強度分布，用于混凝土的質量和損傷影響評價。該方法分辨率高、可靠性好、圖像直觀，可有效解決工程病害評價問題。

混凝土CT檢測技術的技術特點是以混凝土的波速作為質量評價的定量指標，波速與彈性模量、強度、密實性正相關，低波速異常與疏松、缺陷、損傷有關。它的突出特點是能檢測出混凝土結構內部的缺陷和損傷。

2.2 PST成橋樁病害檢測

PST是基于聲波散射的成橋樁檢測技術，專為具有上部結構的橋樁無損檢測開發(fā)的，它能有效區(qū)分上部結構的反射波與樁身缺陷的反射波，實現(xiàn)對樁體結構、缺陷與基礎結構成像，用于評價樁體損傷的部位和程度，適用于聲速管和小應變不能勝任的工況。

PST檢測方式沿樁側面布置多道檢波器，根據(jù)記錄波場中上行波、下行波，進行波場分離，分別進行偏移成像。

橋樁損傷檢測將PST技術與CT技術相結合，用于各類橋樁損傷部位與損傷程度的檢測，它具有如下獨到的特點。

· PST技術通過使用16通道的接收電纜，記錄樁體中上行波、下行波傳播的時間-空間特征；

· PST技術有效地區(qū)分和分離出上行波與下行波場，分別對上部結構與下部結構及其損傷部位成像；

· PST技術可檢測樁體混凝土強度、變截面、損傷部位、樁長以及基礎地質結構；

· PST設備可對樁體截面進行CT成像，通過圖像提取展現(xiàn)樁體中的宏觀與微觀損傷裂隙分布，精細地判斷樁體的損傷程度。

3 檢測儀器和觀測布置

混凝土CT和橋樁PST檢測均采用北京同度工程物探技術公司開發(fā)的PST成橋樁檢測儀，PST 儀器配置16通道，配有檢波電纜，電纜內檢波器間距25cm。

3.1 檢測儀器

儀器及配套見下表1中PST檢測儀器。

3.2 觀測布置

蓋梁CT 的檢測布置是將檢波電纜布置在蓋梁上邊緣，敲擊點布置在下邊緣與兩端。檢波器間距25cm，敲擊點間距也是25cm。為保證射線的正交性，在兩端補布檢波器，在下邊緣補充敲擊點。觀測布置點如下圖6～圖8。

第210 排中間樁體截面的CT檢測，檢波電纜圍繞樁身一圈，在電纜檢波之間敲擊。完成一圈后，將檢波器電纜與敲擊點一起移動12.5cm，重復敲擊，達到加密檢測的目的。檢測布置點如下圖9。

橋樁檢測的布置是檢波器電纜緊貼橋樁垂入海水中，電纜底端配有重物，上部固定，使檢波電纜靠近樁身。敲擊點在檢波器電纜上方，距電纜第1 個檢波器距離25cm。敲擊點距蓋梁下界面65cm。檢測布置點如下圖10、圖11。

4 檢測結果及數(shù)據(jù)分析

試驗檢測共完成三架蓋梁的CT成像，一個橋樁的橫截面CT成像和三根橋樁的PST 成像。現(xiàn)分類對檢測結果做以分析。

4.1 蓋梁的檢測結果

本次檢測三架蓋梁，分別為第58、第59和第210排。按照外觀受損的嚴重程度排序，第210排被船舶撞擊最嚴重，第59排被船舶撞擊次嚴重，兩者目視均有可見破損、缺失、裂縫，第58排外觀無明顯損壞。三架蓋梁的波速CT圖像依次如下圖12中，其中第59排因外觀破損少檢測了1m。

混凝土CT的工程解釋遵循下列原則：圖像中紅色為高波速區(qū)，波速4300m/s以上，黃色為中高波速區(qū)，波速在4000m/s-4300m/s之間，這兩種顏色的區(qū)域混凝土密實完整，混凝土強度達到C50標準，未受撞擊影響。綠色區(qū)為中等波速區(qū)，波速在3400m/s-4000m/s之間，混凝土強度達到C40 標準，未受撞擊影響；天藍色區(qū)域為低波速區(qū)，波速在2000-3400m/s之間，混凝土強度低于C20-C30，屬于低強度區(qū)，澆筑質量偏低；藍色與深藍色區(qū)域為松散混凝土區(qū)，波速低于2000m/s，為裂縫與微裂隙發(fā)育區(qū)。其中波速在1000-2000m/s的區(qū)域為微裂隙發(fā)育區(qū)，外觀看不到宏觀裂縫，但波速明顯偏低；波速低于1000m/s的區(qū)域為裂縫發(fā)育區(qū)，肉眼可現(xiàn)明顯的宏觀裂縫。根據(jù)上述判別原則，對3 架蓋梁的CT檢測結果做出如下解釋判斷。

4.1.1 第58 排蓋梁：

第58 排蓋梁CT圖像長9m，高1.3m。圖中90%以上的區(qū)域都是紅黃色區(qū)，少量綠色區(qū)，未見天藍和深藍色區(qū)。該蓋梁混凝土基本密實完整，混凝土強度達到C50標準，沒有損傷痕跡。

4.1.2 第59 排蓋梁：

第59 排蓋梁的CT 圖像長8m，高1.3m，右端由于外觀破損少檢測了1m。梁體中部混凝土強度較高，完整性好，波速4000m/s以上，混凝土強度達到C50 標準；梁體兩端的面積都是綠色區(qū)域，波速在3400-4000m/s 范圍，混凝土僅達到C40標準，強度稍低，但混凝土較均勻，檢測部分未見損傷痕跡。該蓋梁的樁體支撐部位未見低速區(qū)，外觀破損不影響承載力。

4.1.3 第 210 排蓋梁：

第210排蓋梁的CT 圖像長9m，高1.3m。圖像反映混凝土結構極不均勻。梁體左部5.5m范圍內，混凝土強度較高，完整性好，波速4000m/s 以上，沒有損傷痕跡；梁體右端3.5m范圍內，波速低于2000m/s，說明混凝土內部有微裂隙發(fā)育，混凝土結構松散，特別是右下角1.5m范圍內，波速低于1000m/s，外觀有宏觀裂縫。第210排蓋梁右端3.5m的范圍為撞擊損傷影響區(qū)，梁體右角明顯撞擊開裂。梁體損傷影響區(qū)約占梁體長度的40%，建議對該蓋梁進行更換。

4.2 截面 CT檢測結果

對第210 排中間位置的樁體進行了一個截面的CT 檢測試驗。截面位置在蓋梁下方0.55m處。截面CT 圖像如下圖13。從該圖像中可以清楚地看到，樁體中心區(qū)的波速比邊緣低。邊緣混凝土的波速，在4000m/s 以上，達到了C80標準。中心區(qū)的波速在2800-3500m/s 范圍。在樁體正北方和東南方向存在低速區(qū)，波速低于2800m/s，表明樁體的外殼已遭到損傷，與PST 檢測發(fā)現(xiàn)有損傷的是同一根樁。

4.3 PST成橋樁檢測結果

本次檢測第210排蓋梁下的三根樁，按位置命名為右、中、左樁。樁體地上高度6～7m，直徑1.2m，為空心樁，樁內已用混凝土填充。三根樁的偏移圖像與上行波數(shù)據(jù)分別如下圖14～圖16。

三根樁的結果對比如下圖17，橋樁檢測結果解釋原理如下：PST 檢測提供的是樁體結構的偏移圖像，圖像的原點是蓋梁和樁的交界面。縱坐標是從交界面算起的深度。不同深度上的橫向線條表示反射界面的位置，線條橫向的長度表示界面反射強度的大小。線條長表示反射強，界面兩側差異大。線條紅色表示介質波阻抗變大、剛度上升的界面，藍色表示波阻抗變小、剛度下降的界面。偏移圖像中波阻抗變化的界面包含多種物理對象，結構缺陷、裂縫、樁身截面積變化、樁體周圍地層界面等都在偏移圖像中有所反映。根據(jù)PST 圖像進行結構缺陷解釋時，首先根據(jù)設計資料排除樁體結構變化界面，再根據(jù)地質資料排除地層界面，除去這些反射界面之后，余下的基本都是結構損傷界面。本次檢測的樁身結構比較簡單，都是預制壓入的單樁，樁之間沒有系梁，下部結構的正常反射只有樁底。雖然樁周圍的地質資料不清，但因為樁位接近，可以將3根樁的偏移圖像放在一起進行分析比較，確定地層反射界面的位置。

根據(jù)上述解釋原則，對圖17中的3根樁的偏移圖像進行分析和比對可以發(fā)現(xiàn)一些共同的特點。

4.3.1 上圖17中3 幅偏移圖像中最上部的藍色反射界面在2m處，為水面的位置；

4.3.2 上圖17中3 幅圖中最強的反射界面位于6.5m處，是海底界面的反射；

4.3.3 上圖17中海底界面以下，還存在9組反射界面，這些界面在3 根樁的圖像中位置是一致的，推斷為地層界面；

4.3.4 樁底界面的反射在24m左右，其中左側和中間的兩根樁底界面很清楚，右側的樁底界面不清楚。

上述分析比較確定了結構與地層的反射界面位置，剔除這些共同的反射界面后可以發(fā)現(xiàn)，中樁在3.0m的位置還存在一個較強的反射面，其它兩根樁在這個位置上無反射。該反射面具有先藍后紅的特點，推斷該處存在損傷面。檢測時損傷面在水下1m 位置，即距離蓋梁和樁的交界面3m處。

5 檢測分析結論和建議

綜合蓋梁CT檢測、PST 橋樁檢測和橋樁截面CT 檢測的結果，可以得出如下結論：

（1）第210排蓋梁右段3.5m長度內遭受了撞擊損傷，混凝土波速低于2000m/s，存在微裂隙與宏觀裂縫，混凝土遭受了破壞；

（2）第210排中間位置的樁體，在距蓋梁3.0m 的位置存在損傷，截面CT 的檢測結果也證明該樁體外殼遭受損傷；

綜上所述，建議對第210排蓋梁進行更換，對中樁進行加固、修補處理。

6 結束語

按檢測意見，對第210排蓋梁拆除后重新進行了澆筑，并對第210排中間樁基進行了加固處理，處理后經過檢測達到了合格標準，確保了橋梁結構安全，取得了成功應用。

綜上所述，PST成橋樁病害檢測以及混凝土橋梁CT檢測技術應用到橋梁施工質量控制、運營橋梁的運維保診斷及病害治理效果評價等各個環(huán)節(jié)，都將發(fā)揮特殊的作用，具有獨特的技術優(yōu)勢。

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