沖擊彈性波法在遼寧長大隧道二襯質檢的應用

劉政金

(遼寧省水資源管理集團有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

大量的理論研究與工程實踐表明，水工隧道二襯脫空問題對隧道的永久運行埋下了巨大安全隱患。初期支護在隧道施工期間只是起到臨時支護作用，隧道二襯則是工程運行的永久結構，承載著周圍巖體的松散壓力[1- 3]。二次襯砌能否結合固結灌漿、回填灌漿與周圍巖體形成整體，至關重要。因此，二次襯砌背后的脫空檢測是必須開展的[4]。目前，常用的檢測方法分為有損檢測與無損檢測2大類。有損檢測如通過在已襯砌部位鉆芯，特點是效率低、代表性差、取后需修補，破壞其整體性；無損檢測如沖擊彈性波法、地質雷達法等，特點是效率高、可多組檢測、分辨率高、不必破壞已襯砌結構[5- 6]。2類方法各有優缺點，有損檢測雖檢測結果直觀、可靠，但其檢測效率低下，且破壞了襯砌結構整體性，無損檢測雖檢測效率高、但其檢測結果的準確性不如有損檢測高，有時候需要依賴工程人員的工程經驗，2種方法應辯證使用[7]。

1 二襯脫空危害及防治措施

1.1 二襯脫空危害

導致隧道二次襯砌脫空的原因可能有很多種，如緊前工序的初期支護面不平、型鋼鋼架背后噴射混凝土不密實、拱部預埋管不到位、補注漿不到位、液壓鋼模襯砌臺車撐靴支撐不牢固、泵送口角度不合理、地泵壓力不足、振搗不密實等。無論何種原因造成的隧道二襯脫空結果，都將會對隧道的安全運行產生極大的隱患[8]。

常規拱部設計不配置鋼筋，一方面二襯頂拱脫空時，拱部可視為彎矩部位，由于脫空受拉，可導致開裂、滲水、鋼筋腐蝕等現象，進而導致永久結構的破壞。另一方面襯砌混凝土的脫空，使得圍巖失去應有的支撐，可增大徐變，造成巖體松弛，對洞室穩定極為不利。因此，需要對已完隧道二襯部位及早進行混凝土缺陷及脫空檢測，及時發現問題、解決問題，只有這樣才能使隧道長期、安全發揮正常使用功能[9]。

1.2 二襯脫空防治措施

隧道的很多部位屬于隱蔽工程，工程完工后，短時期內很難通過外觀發現質量問題，這樣就需要建設者在施工過程中嚴格控制質量，才能滿足設計對使用功能的要求。

(1)開挖階段采用鉆爆法施工時，需要根據不同圍巖地質條件，科學合理設計爆破參數并結合爆破效果不斷優化爆破參數，保證開挖斷面符合設計質量要求。

(2)嚴格執行技術交底制度，在初期支護時設置好噴射混凝土厚度，施工過程中，嚴格控制初期支護厚度及噴射混凝土表面平整度。

(3)防水板安裝時應保證松緊有度，嚴格按照設計要求布置固定點、相互間搭接長度，并施工到位。

(5)嚴格按照混凝土施工規范開展施工，嚴控澆筑工序、振搗質量等關鍵工序。

鑒于二襯脫空的危害性，在加強施工過程質量控制的同時，需要及時跟進質量檢測，尤其是對結構不產生破壞的沖擊彈性波無損檢測方法的應用，隧道的質量控制顯得尤為重要。

2 沖擊彈性波法

2.1 彈性波的反射特性

彈性波在不同介質邊界發生反射現象，這是隧道二次襯砌混凝土脫空檢測所需要的。當彈性波遇結構材質變化或截面變化時，一般反映為機械阻抗變化：

z=ρ·c·A

(1)

式中，z—機械阻抗；ρ—結構材料質密度；c—彈性波傳播速度；A—斷面橫截面積。

在機械阻抗發生變化的界面上，傳播的彈性波將產生反射和透射現象[11- 12]。如圖1所示。

圖1 機械阻抗面變化時的反射和透過示意圖

界面上，物體內部彈性波產生壓力和粒子速度保持連續，則有：

P1+P3=P2

(2)

v1+v3=v2

(3)

若僅考慮一維情況，壓力P可表示為：

基于OCS調制的可調諧多倍頻毫米波信號發生器的結構如圖1.方案中使用光場為 Ecexp(jωct)的可調諧激光器 (Tunable Laser, TL) 作為光源，射頻(Radio Frequency, RF)信號通過一個雙驅動馬赫增德爾調制器(Dual-driving Mach-Zehnder modulator, DD-MZM)調制到光載波上.調節DD-MZM參數，使其工作在最小偏置點且兩臂的相位差為π，以實現OCS調制.DD-MZM的輸出信號的光場Eout表示為

P=EAε

(4)

由P=-ρ·c·A·v=-z·v，可得：

反射波：

(5)

透過波：

(6)

如果將反射波和透過波用振幅率表示，則有：

振幅反射率：

(7)

振幅透過率：

(8)

典型材料阻抗值見表1。由表1可見，就算媒介材料不同，而機械阻抗相同(z1=z2)，也不會產生波動；2種介質機械阻抗差別越大，反射率也越大。

表1 典型材料阻抗值表 單位：106kg/(m2·s)

2.2 同一媒介中有不同夾層情況

一種媒介中夾有其他材料時，在媒介1(z1=ρ1v1A1)和媒介2(z2=ρ2v2A2)交界處會產生透過和反射情況。有夾層時彈性波的反射示意圖如圖2所示。

圖2 有夾層時彈性波的反射示意圖

振幅的透過率T為：

(9)

式中，T—振幅的透過率(絕對值)；k2—媒介2的波數；L—媒介2的長度。

同樣可以得到振幅反射率的絕對值R：

(10)

可見，在有不同媒介介入的場合下，反射(通過)率與頻率有關，高頻波容易反射；在特定的頻率下，反射波消失。

當混凝土襯砌結構中存在厚度為D的脫空時，可視其為夾層。利用式(9)和式(10)，可以計算得到彈性波的反射率。因為空氣密度很小、波速很低，其機械阻抗接近零，彈性波對空氣夾層很敏感[3- 5]。

圖3 脫空檢測示意圖

3 工程應用

3.1 概述

遼寧省重點輸供水工程3段隧洞施工一標2#洞進口襯砌段，Ⅳ類圍巖設計初期支護采用C30噴射混凝土設計厚度15cm，然后澆筑40cm厚的C35襯砌混凝土。由于施工過程中樁號C0+020—C0+032段抗浮穩定撐靴移動，為確定是否因為抗浮設施移動造成剝離缺陷，采用沖擊彈性波法進行無損檢測。如圖3所示。

3.2 測試結果

分別選取受抗浮撐靴移動影響和未受任何影響的澆筑塊各1個，每個澆筑塊設置測點200個，沿隧道徑向分20列，每列10個點，對測試數據分別進行IE分析和誘導振動分析。以頂拱為例，其脫空指數等值線云圖如圖4所示。

圖4 混凝土脫空缺陷檢測云圖

可以看出，沿x軸方向脫空位置位于0.59～0.98m，沿y軸方向脫空位置位于0.22～0.68m，反射線路延長，說明該位置有脫空的可能性，其平面位置與脫空云圖一致。

4 結論

(1)混凝土無損檢測常用的沖擊彈性波法具有能量大、測試距離遠且適用于頻譜分析等特點，可較為準確地檢測混凝土結構內部缺陷。

(2)沖擊彈性波法測試范圍寬，從數厘米到數米，并可單面測試。波速易標定，受鋼筋影響小，測試精度高。

(3)混凝土無損檢測技術優點主要體現在不損害結構構件、方便、快捷，缺點是與標準方法(試塊)做比較時，有一定誤差，需要一定的人為施工經驗。

(4)沖擊彈性波有更廣泛的適用范圍，能夠準確判定脫空位置及脫空面積，實現由線到面的檢測評價，相對于其他無損檢測方法更直觀。對同類工程有一定的指導意義。