淺談錨桿無損檢測技術在鐵路工程中的應用

劉增旭 鄧國兵 敬國民

（四川鐵正建設工程質量檢測有限公司 四川成都 610000）

0 引言

在巖土深基坑、邊坡等地面項目和采場、隧道等項目建設過程中常常會運用錨桿支護。通常而言，錨桿支護是使用聚合物件、木件或者金屬件亦或其他物料加工為桿柱，打進地面巖體亦或硐室周邊巖體提前打好的孔內，運用其頭端、桿體的獨特結構與尾端托板，亦或依托黏結性能把圍巖和穩固巖體有效融合而取得補強成效、組合梁成效、懸吊成效，讓其避免周邊巖體形狀發生變化，以實現支護的目標。

錨桿施工是一種隱秘項目作業，一般層面的錨桿施工品質是依托作業過程管控與試驗檢查加以管控。試驗抽檢側重于錨桿物料性能檢驗與錨桿抗拔力檢驗。后者抽樣檢驗頻率通常在5%上下。依據相關探究證明，當錨桿錨固距離與錨桿直徑大很多的情況下，錨桿的握裹力不會跟隨錨桿錨固距離的增遠而增大，當握裹力保持不變之后，實際增加的數據只是錨桿材料本身的材料強度。為此錨桿抗拔試驗不能準確、可靠地體現施工情況，尤其是不能表現錨桿的注漿緊密度狀況。所以在實際工程質量控制中，采用聲頻應力波法檢測錨桿長度和錨固密實度顯得愈加重要。本文結合新建渝萬鐵路項目的實際情況，對錨桿無損檢測技術在鐵路項目的應用進行探討。

1 檢測原理

本項目所涉及的錨桿直徑d一般都在32mm以下，是長度L一般都在300cm以上，即L遠遠大于d，長徑比也遠超42倍經驗值，錨桿支護是依賴于黏結作用將圍巖與穩定巖體結合起來，和周圍巖體有比較顯著的彈性波波阻抗差別，為此錨桿實質上可視為彈性桿件對待。應力波在錨桿中傳播的過程中考量粘滯性阻尼力的彈性波波動公式是：

其中：υ-截面的縱向位移；x，t-空間、時間坐標；γ-錨桿周圍介質的阻尼系數；S-錨桿的截面積；E-錨桿材料的彈性模量；C-錨桿的縱波波速；ρ-錨桿材料的密度。在小阻尼情況下，式（1）的解可近似簡化為：

其中：γ/2sρ-衰減因子，ω-無阻尼狀況下的圓頻率。由上個方程式可以知道，波在傳播時幅值伴隨傳播形成，具有顯著的規律性特點。通過該方程式可以知道，在傳輸時，波伴隨傳播時長的增多依照指數規律逐漸減少；γ值保持不動的情況下，S值或ρ值越小，波幅值伴隨時間衰減的程度越大。

在錨桿支護體系中，錨桿端部發射的聲頻應力波經桿體向四周傳播，在不同介質界面處發生入射、反射和透射。入射波應力為σi，反射波應力σr與透射波應力σt之間的關系分別為：式中：波阻抗Z=ρCA；ρ-介質的密度；C-介質的聲速；A-介質的截面積。

由上面的方程式可知，當錨桿介質或者某個截面的大小產生變動后，入射波會在變動的地方產生透射與反射，入射波這種變化的程度和截面面積變動的大小相關。和變截面桿近似，在錨桿支護架構澆筑勻稱緊密的情況下，應力波的能量大多分散到周圍巖體中，占較小比例的能量進行反射，具有顯著的反射規律特點。當澆筑不勻稱、不緊密的時候，在不緊密之處便會產生程度不等的波阻抗變畫面。體現在已有的信號中讓強度各異的反射信號形成疊加效應，亦或在不應當產生反射波的地方產生反射，依據反射波地點和反射信號的程度，便能夠明確錨桿錨固程度且把其進行等級劃分。

2 檢測方法

檢測方式是運用露出部分的錨桿，在錨桿端部放置接收與發射換能器。由于錨桿介質勻稱，速度保持不變，并且信號較為平穩，有利于提高檢測結果的精準性。按照相關標準，錨桿施工質量的控制指標主要以注漿密實度為控制標準，《錨桿錨固質量無損檢測技術規程》（JGJ/T 182—2009）規定，錨桿錨固密實度達到75%為合格。依據無損檢測結果進行錨桿施工質量的錨固密實程度進行評價，將錨固密實度下述情況分為A、B、C、D四個等級：達90%以上的為A級，80%以上為B級，75%以上為C級，其余為D級。錨桿錨固質量按下述情況可分為四個等級：長度合格且密實度為A、B、C級，可評為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級；密實度為D級，或長度不合格評為Ⅳ級。

3 工程實例分析

3.1 檢測儀器

根據該項目實際需要，采用聲頻應力波反射法對錨桿錨固質量進行無損檢測，使用由聲波發射接收系統、數據采集系統和數據處理系統組成的BS-Ⅰ系列錨桿錨固質量檢測儀。聲波發射采用了新型特殊材料發射換能器，可保證檢測信號的穩定性，且發射功率可調節，能適應測量不同長度錨桿的要求。接收換能器外形精致小巧，可直接吸附在檢測樣品上，靈敏度高，接收頻帶寬。

3.2 不同錨固質量等級測試波形分析

渝萬鐵路全長247km，按照規范標準及設計圖紙要求，對工程范圍內的錨桿進行大批量抽檢，共檢測了5332根工程錨桿，對發現的問題及時處理、補強。路基邊坡框架梁節點處長錨桿采用φ32HRB335螺紋鋼制作，錨桿間距為3.0m，與水平面傾角15°～35°。建設單位至工程質量監督機構多次現場檢查及檢測，認為該項目的錨桿施工質量在無損檢測技術的把控下，對比以往鐵路項目的錨桿施工品質，有了很大程度地提升，下面陳列幾個有代表性的檢測波形剖析，見圖1～圖4。

圖1對應的錨桿實際長度為6.0m，檢測長度為5.99m，飽和度為90.9%，上面波形圖上看不到明顯的底部反射，但從檢測波形可以明顯看出一突變，確定為錨桿底部，波形完整、有規律且波形反射曲線沒有異常缺陷反應，說明該錨桿、砂漿、和周圍巖體三者之間灌注均勻密實，錨桿錨固質量很好。

圖1 錨固質量為Ⅰ級的錨桿檢測數據曲線

圖2對應的錨桿實際長度為5.0m，檢測長度為5.03m，飽和度為81.6%，錨桿底部可見反射波，波形較完整、規律，2.4處有一異常反射信號，反射信號不強，缺陷檢測的位置與實際設置缺陷位置一致。說明該錨桿、砂漿、和周圍巖體三者之間灌注比較均勻密實，該錨桿錨固質量較好。

圖2 錨固質量為Ⅱ級的錨桿檢測數據曲線

圖3對應的錨桿實際長度為4.0m，檢測長度為3.99m，飽和度為75.6%，錨桿底部有明顯反射，波形無規律，2.9m處有一異常反射信號，缺陷反射信號強，缺陷檢測位置與實際設置缺陷位置一致。說明該錨桿、砂漿、和周圍巖體三者之間灌注不均勻、不密實，存在空穴，該錨桿錨固質量一般。

圖3 錨固質量為Ⅲ級的錨桿檢測數據曲線

圖4對應錨桿長度實際為6.0m，測量長度為6.22m，飽和度為62.1%。從上面波形可以看到信號無章，毫無無規律可尋，但從檢測波形可以看到在3.5m往下均信號異常，經開挖驗證，該錨桿注漿效果極差，只有少了的漿液注入了錨桿底部，該錨桿錨固質量極差，不滿足工程使用要求，需采取加固處理措施。

現場檢測的每根錨桿的檢測結果均采用原始波形圖、數據處理系統處理后波形圖、現場施工情況及相關設計、勘察資料相結合來判斷的。從上述圖中可以看出，當波形完整且成一定規律性時，我們可以判定該部位的錨桿、砂漿、和周圍巖體三者之間灌注均勻密實，即錨桿的錨固質量是可靠的。當波形出現不規律的情況，上下波動且反射信號強度不同，連續的波峰或者波谷，則砂漿灌注不均勻，注漿不密實，錨桿的錨固質量差的可能性較大。

圖4 錨固質量為Ⅳ級的錨桿檢測數據曲線

4 結語

經多次現場開挖和拉拔試驗驗證，檢測結果與實際情況大致相同，與預計成效相同。證明聲頻應力波無損檢測法檢測錨桿錨固距離與注漿飽和度有比較顯著的應用意義，然而因為現實錨固狀況較為繁雜，存在諸多影響要素，所以應當注重下述幾個方面：

（1）檢測之前應當對錨桿端進行有效清除，發射換能器和接收換能器距離合理盡量減少環境干擾，錨桿端部必須打磨平整、銹跡清除干凈；調整外露桿體位置，外露桿體應與內錨桿桿體在一條直線上，發射換能器和接收換能器要間隔一定距離，不能直接接觸；

（2）采集信號前，收集相關施工、設計和地勘資料，預估錨桿長度，設置合理的采樣參數，合理的采樣參數有助于采集較真實的數據，對后期進行數據處理分析有一定的幫助；

（3）錨桿支護體系內部不密實、空洞、少漿等缺陷較多的情況下應綜合利用現有的數據處理手段進行系統的分析、判識，對缺陷的地點與類別進行更加準確的判斷，進而對錨桿的作業品質進行契合現實狀況的評判。

伴隨錨桿支護技術在鐵路項目中的大范圍運用，其檢測項目工作量逐漸增大。錨桿無損檢測技術有顯著的運用簡便、人員所需數量少、工作效率高、檢測進度快、檢測成本低、檢測數據準確等優點，在鐵路建設中值得大力推廣。