公路隧道無損檢測技術應用探討

周家強，陳豐，劉元亮

（1.江西省交通運輸科學研究院有限公司，江西 南昌 330052；2.江西省公路工程檢測中心，江西 上饒 333125）

0 引言

傳統的錨桿質量檢測主要采用千斤頂現場拉拔力試驗，這種檢測方式僅能進行錨固段抗拔力是否符合設計要求的判斷，而無法進行錨桿實際長度及錨固段長度等的檢測，費時費力且對建筑結構具有很大的破壞性，無法進行大范圍檢驗，也難以反映錨桿實際的錨固狀態。公路隧道施工中錨桿發揮著控制結構深層變形破壞的重要作用，錨桿自由段和錨固段的實際長度及錨固段灌漿的飽和度與密實度均關系到施工質量的好壞。

基于此，超聲波錨桿錨固質量檢測技術便應用而生，國內也于20世紀90年代將錨桿無損檢測技術正式納入技術規程，并在公路隧道等錨桿施工質量檢測領域推廣應用開來。

1 錨桿無損檢測技術原理

由發射震源所釋放的彈性波沿錨桿傳播的同時還會向周圍輻射能量，反射回波信號由檢波器檢測后進行存儲、分析，錨桿周圍灌漿狀況直接決定和影響反射信號強度及傳遞速率[1]。根據檢波器對反射回波的分析結果最終確定出錨桿長度、灌漿質量。錨桿結構由鋼筋和混凝土膠結而成，并與周圍巖土之間存在一定的彈性波阻抗差異[2]，所以，將錨桿作為一維彈性桿件，基于一維彈性桿件模型及其應力波運動規律進行錨桿質量檢測分析。一維彈性桿件模型[3]表示如下：

式中：u—錨桿彈性波震動質點的位移值（m）；v—錨桿彈性波震動質點的傳遞速率（m·s-1）；E—錨桿彈性模量值（kN·m-2）；A—錨桿截面面積（m2）；c—錨桿結構彈性阻尼系數值（kN·s/m-1）；K—錨桿結構剛度系數值（kN·m-1）。

震源所發出的彈性波沿錨桿傳遞的過程中因遭遇波阻抗界面而表現出透射、反射等現象，根據動量守恒原理可將透射系數和反射系數列式如下：

式中：t—透射系數；r—反射系數；z1—前界面波阻抗；z1—后界面波阻抗；z=ρvA，ρ表示介質密度，其余參數含義同前。

錨桿桿端激發的彈性波沿錨桿向桿底傳遞的過程中，如果錨固結構砂漿填充密實，則錨桿、巖體和砂漿間的波阻抗差異較小，錨桿桿端檢波器所檢測到的反射回波信號十分微弱；相反，若錨固結構砂漿填充存在空隙、空漿、欠密實、自由段末端等錨固缺陷，密實性差，則在缺陷處截面面積或材料材質發生改變而導致錨桿、巖體和砂漿間的波阻抗差異增大，反射波在截面發生透射和反射，在既有信號波形之上還會疊加反射波信號，導致位于錨桿桿端的檢波器所檢測到的反射回波信號增強。通過處理所接收到的回傳反射波信號，并根據檢測儀所記錄到的反射波到達時間，進行錨桿長度及工程結構砂漿施工質量的綜合判斷，公式如下：

式中：L—錨桿長度（m）；Cm—錨桿波速均值（m·s-1）；Δtc—錨桿桿底反射波傳遞時間（s）。

2 無損檢測技術的應用

2.1 工程概況

XL公路隧道屬于所在高速公路的控制性工程，起訖樁號為K20+165～K21+460，長度1.295km，該隧道按上下行分離式隧道結構設計，并按照100km·h-1的設計行車速度進行上下行向行車道寬度的設計，隧道設計凈寬為3.75m×2+0.50m+1.00m+0.75m+0.75m，凈高5.5m；隧道襯砌結構段按照新奧法進行復合式襯砌，機械通風，高壓鈉燈照明。該隧道橫穿秦嶺山脈，地形地貌復雜，山高溝深，海拔高差大，出口地勢低且坡體較陡。隧道門洞主要采用銷竹式和端墻式設計；隧道圍巖主要為級別Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級的角礫巖、糜棱巖和閃長巖。

2.2 檢測儀器及方法

本公路隧道無損檢測采用的是根據應力波反射原理所研發的JL-MG（B）錨桿無損檢測儀，該儀器由檢測器、主機、激震源、信息處理分析軟件等部分構成，可以根據所接收到的數據構建錨桿錨固模型并進行各項參數分析。該錨桿無損檢測儀操作簡單，其錨固系統所對應的聲波傳輸速率在4200～5100m·s-1范圍內。如果缺少同類型錨桿試驗數據，則應通過標定已知錨桿取得相關數據。檢測開始前，應徹底清除待測錨桿端頭的浮漿和塵土，使其端面保持清潔和平整，此后將錨桿無損檢測儀的檢波器、激振源和桿頭相連進行檢測。

本工程所采用的錨桿無損檢測儀的信息處理分析軟件兼具微積分、小波分析、頻譜分析、濾波、自動提取反射波等功能，并根據所采集到的信號波形進行隧道結構錨固質量的評價：如果信號波形規則，底部不存在或僅存在微弱的反射波則錨固質量優；如果信號波形較規則，底部局部存在反射波較弱的反射波則錨固質量良；如果信號波形欠規則，且底部局部存在較強反射波，則錨固質量合格；如果信號波形不規則，且底部存在較強反射波，則錨固質量不合格。根據錨桿底部和頂部聲幅比α，并考慮圍巖、錨桿類型及錨桿實際長度，進行砂漿飽和程度的判斷，具體見表1。

表1 根據錨桿底部和頂部聲幅比α判斷砂漿飽和度

2.3 檢測結果及分析

本高速公路隧道工程中隧道襯砌支護全部按長度2.5～5.0m、直徑2.2cm和2.5cm的高強度、低松弛普通鋼絞線制作粘結錨桿，桿體為HRB-335鋼，鋼絞線設計強度1860MPa，采用軟塑料管作為錨桿自由段鋼絞線保護層，在自由段和錨固段同步灌注M30水泥砂漿；灌漿體直徑13cm，且灌漿體的水平夾角為20°～30°。本公路隧道自由段和錨固段交接部位反射波和入射波檢測波形相位相反，錨固端反射波和入射波檢測波形相位相同。按照相關規范進行本隧道工程錨桿錨固質量的綜合評價，并通過錨桿檢測儀進行試驗數據的端發端收采集。本文進行了不同工況下所采集信號的分析處理以及所取得波形圖的分析。

工況一：錨桿實際長度3.0m時，彈性波波形規則，波速均值達到4700m/s，微弱的反射信號出現在3.0m位置，所以錨桿長度滿足設計要求，錨桿底部和頂部聲幅比α取0.027，結合表1所給出的評價標準可以判斷出，錨桿質量等級為優等。

工況二：當錨桿實際長度3.5m時，彈性波波速均值仍為4700m·s-1，較弱的反射信號出現在3.5m處，所以錨桿長度滿足設計要求，砂漿飽和度計算值為95%，但彈性波波形在1.85m和3.15m處出現十分明顯的相位突變，所以判定兩處均存在砂漿不密實點，且前者缺陷嚴重，后者輕微，錨桿錨固等級為良。

工況三：檢測錨桿實際長度3.0m，彈性波設計波速均值4700m·s-1，彈性波波形在錨桿長度2.83m和2.95m的位置存在反射信號，前者錨桿底部和頂部聲幅比α為0.437，砂漿飽和度86%，錨桿質量等級為良；后者波形規則，衰減程度較緩慢，衰減頻率低，表明此處錨桿和漿體并為較好粘結，砂漿飽和度僅為76.5%，錨桿錨固等級合格。

3 結語

本文采用應力波反射法進行公路隧道錨桿無損檢測過程中錨固質量的評價，所采用的錨桿檢測儀性能優越、檢測結果精度高，單人便能獨立完成公路隧道工程現場數據的采集，再通過該檢測儀所自帶的信息處理分析軟件便可得出精確度高的分析結果，實用性、經濟性較高。但是對于錨固質量要求較高的公路隧道工程，錨桿桿底微弱信號的獲取仍存在很大的技術難度，此外，對于錨桿桿體直徑改變或直徑較小的情況下，檢測信號較為復雜，且對錨桿長度和密實度檢測結果的準確性及可靠性存在一定影響，為此，必須進一步深入研究此類問題，以保證錨桿無損檢測技術在公路隧道工程檢測方面的推廣應用。