超聲橫波成像法在隧道襯砌質量檢測中的應用

謝 琪，付 華

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司， 貴州 貴陽 550081）

0 引言

隧道混凝土襯砌作為施工隧道中的主要承重和承載結構，其質量的優劣關乎隧道的施工和運營安全。對隧道襯砌的檢測目前主要采用破壞性檢測技術和無損檢測技術。

超聲橫波反射成像法是近期應用于工程實體檢測領域的一種無損檢測方法。不同于超聲縱波，超聲橫波的反射系數明顯大于超聲縱波，其反射波幅也大于超聲縱波[2]，當超聲橫波以一定的速度沿著混凝土結構內部傳播時，其遇到混凝土與液體（空氣）的接觸界面時，就會被反射回結構內部。因此，采用超聲橫波對結構內部的缺陷進行探測時比超聲縱波的反射更加的精確與靈敏，因此擬進一步采用超聲橫波反射成像法對隧道二襯進行檢測。

1 檢測原理與設備

1.1 超聲橫波反射法原理

超聲橫波成像技術基于超聲橫波反射法，其原理如圖1 所示，一個換能器發射脈沖，另一個換能器接收反射脈沖，測量從發射脈沖到收到回波的時間間隔，依據波速C 可求出反射界面的深度[3]。對混凝土進行質量檢測時，超聲反射法通過缺陷表面的反射波來定位缺陷位置。

圖1 超聲反射法原理

1.2 儀器設備

超聲橫波三維成像儀采用48 道干式點接觸傳感器“發射-接收”信號，以“合成孔徑聚焦技術”（SAFT）[5]作為信號的主要處理方法。結合無需耦合劑的多觸點干式檢波器及三維層析成像技術，對混凝土內部缺陷的埋深和形態特征精確成像。

工程上常用的儀器為俄羅斯生產的MIRA 型超聲橫波三維成像儀器的數據采集系統，通過4×12 點陣列換能器及一個操控換能器組成[6]。

儀器內的控制單元將一行換能器用作發射器，其他行的換能器用作接收器。圖2 顯示了將第一行換能器用作發射器，將其余行的換能器用作接收器。然后，將下一行換能器用于發射，其余各行的換能器用于接收，這個過程重復進行直到前11 列都被用作過發射器為止，圖3 顯示了和一列換能器有關的所有波束路徑。電腦處理每個回波脈沖的通過時間，生成反射界面位置的三維模型，從而確定反射界面的深度或厚度[4]。

圖2 一列發射的路徑

圖3 所有波束路徑

1.3 影響因素分析

某一C40 混凝土結構面板設計厚度為500mm，其內部設計雙層鋼筋，鋼筋直徑28mm，第一層埋深10cm，第二層25cm。試驗中分別采用波速為2000m/s、2400m/s、3000m/s 對其進行檢測。

首先，采用固定的橫波波速（2000m/s）對上述混凝土構件進行探測，成像圖上由淺到深，100mm 深度位置出現了微弱鋼筋異常反應；在深度250mm 位置左右表現出微弱至明顯的三處紅色圓形反應；而在400mm 深度處，再次出現微弱圓形狀反射異常，但從其所反映出的異常形態的間斷性和連續性分析，難以確定其反射異常是鋼筋還是該混凝土面板底部臨界面。

其次，以固定的橫波波速（2400m/s）（該混凝土表層橫波的實測傳播速度）對同一結構進行無損探測。圖像上深度100mm、250mm 處清晰可見間距90～100mm 的四處圓形狀鋼筋異常反射；成像圖中，深度500mm 位置處出現了一連續的條帶狀強烈異常反應，通過試驗后查閱該混凝土面板設計厚度（500mm）可以明確該處異常即為該結構混凝土底部與基巖的反應界面。

最后，以固定的橫波波速（3000m/s）對該混凝土構件進行無損探測，成像圖中在深度280mm 和550mm 位置分別反射出強烈異常，成像圖上鋼筋和面板底界面異常所反映出的位置均已嚴重偏離了其實際位置，較實際值增大了50mm。此外，由于預設波速嚴重偏離其實測波速，圖像中已無法精確地合成“聚焦”顯示該結構混凝土表層100mm 深度處的鋼筋。

通常，當事先設置的橫波波速值偏離其實測波速20%以外后會對合成“聚焦”反射成像的精準度產生較大影響。因此，在實際工程檢測工作中，測試前需在檢測區域多次測定該混凝土結構完整表面的超聲橫波波速值，并取其平均值作為后續探測工作的橫波波速設定值。超聲橫波三維成像儀的采集器采用24 個接觸式壓力傳感器。實際探測時需要對混凝土表面進行清理，盡量去除混凝土表層附著物，以免對測試結果產生影響。

某一混凝土內埋設鋼筋直徑為25mm，深度200mm，排布間距100mm。通過對混凝土內部埋設鋼筋進行探測，以便分析確定不同的采集頻率會對結構內部鋼筋聚焦成像結果產生什么樣影響，進一步分析其對成像精確度的影響。

圖4 25、30kHz 頻率超聲橫波探測剖面成像

圖4 為探測頻率25kHz 和30kHz 的聚焦成像圖，成像圖中深度200mm 位置存在4 處強烈反應，呈圓形狀，顯示間距為50～90mm，解釋為鋼筋層。分析兩幅成像圖上的異常形狀和異常間距，第三根的鋼筋聚焦圖像形態都呈現為“扁圓”狀，可能為一焊接接頭鋼筋，其聚焦成像寬度約是其余鋼筋的兩倍。

進一步把測試頻率提高到45kHz 和50kHz，反射成像圖的鋼筋尺寸會比25kHz 和30kHz 時顯示得更小，且成像效果會更加的明顯，鋼筋間距更加分明，上圖中的第3 根鋼筋這次也與其兩邊的鋼筋聚焦顯示寬度基本保持一致，從而推翻上述為一焊接接頭鋼筋的猜想。從中可以分析得出，采用較小的頻率對結構進行探測時，便無法準確地探測與聚焦小于其識別尺寸的目標體異常。

最后我們把超聲橫波的探測頻率提高到75kHz 和80kHz，隨著頻率的增大，超聲橫波圖像衰減作用逐漸增大，會聚焦合成呈現越來越變異扭曲的鋼筋圖像。采用75kHz 的頻率進行探測時，聚焦成像圖上已基本不能準確呈現四根鋼筋的位置與形狀，圖形雜亂無章，顯示的鋼筋間距不盡一致；當頻率設置為80Hz 或更高時，聚焦成像圖中200mm 深度處的異常反應顯示已十分微弱，已經分不清其為何物。

綜上所述，采用不同頻率的超聲橫波對結構內部不同位置及不同尺寸的缺陷進行探測時，探測精度及成像效果會產生一定的差異。現場實際工作時，也應根據探測目的通過預先試驗的方式來確定合適的探測頻率，超聲橫波的頻率與探測的深度成反比，且低頻探測對小尺寸缺陷的識別能力較低[7]。

2 工程應用分析

一般隧道襯砌檢測內容包括：混凝土厚度、鋼筋保護層厚度、混凝土缺陷等檢測以及混凝土襯砌與圍巖的膠結脫空情況。在對混凝土襯砌結構進行檢測中，我們需要根據不同的檢測目的探測前設置不同的測試參數。

2.1 混凝土內部缺陷檢測

常規的鋼筋混凝土是由砂石骨料、水泥、鋼筋、孔隙等膠結而成的一種非均勻介質體，如某一混凝土內部存在蜂窩、裂縫、不密實等內部結構缺陷，就會在這種結構缺陷表面形成一層波阻抗發生變化的界面，超聲橫波沿著混凝土這種非均勻介質中傳播時，遇到波阻抗發生變化的界面就會沿著界面產生雜亂無章的散射和反射現象[8]，且反射系數明顯大于散射系數。

2.2 混凝土厚度、鋼筋保護層厚度檢測

超聲橫波在鋼筋混凝土表面上進行探測時，根據波的傳播原理，超聲橫波在鋼筋與混凝土的界面及混凝土與底部圍巖的界面處會發生反射，被傳感器接收而合成聚焦形成反射成像圖。實際工程檢測中，對鋼筋混凝土厚度進行探測，成像圖中鋼筋層位置明顯，成像清晰，間距分明，混凝土底部界線清晰。

2.3 混凝土襯砌脫空檢測

采用超聲橫波對混凝土襯砌后背進行脫空檢測時，當圍巖與襯砌間存在脫空區域時，由于橫波不能穿透該區域，其在混凝土―空氣界面處幾乎全部被反射。混凝土厚度較薄時，甚至在混凝土表面與內部界面間來回形成的多次反射波[9]。我們便無法探測到脫空后初期支護及圍巖情況。

3 結束語

（1）由于不受電磁屏蔽影響且抗干擾能力強，超聲橫波反射成像檢測混凝土內部缺陷和厚度時，探測精度較高，成像分辨率高，底界面反應清晰，探測結果直觀、形象。

（2）采用超聲橫波反射成像法對隧道襯砌進行檢測時，能對混凝土襯砌的脫空區域進行定性識別，但無法定量的去判定混凝土底部與圍巖之間的脫空厚度，即無法穿透脫空區域對脫空后方的初期支護或圍巖情況進行探測。為了對檢測成果進行更精確的分析與解釋，工程應用中，要結合鉆孔取芯，去判定其脫空厚度。

（3）從效果和質量上分析，超聲橫波成像技術在混凝土質量及缺陷檢測中具備明顯的優勢。從時間和效益上分析，其采集效率低下，只能點測，不適合大面積長時間作業。對其數據采集方式進行優化是今后該技術的一個重要研究與發展方向。