基于應力波的無損檢測方法進行隧道襯砌評估研究

汪 徐

(維尼檢測科技有限公司,安徽 合肥 230031)

隧道為高流量交通服務，并且在惡劣環境中運行[1]。隨著時間的推移，許多隧道正在老化并開始出現惡化跡象。混凝土的滲透性和表面裂縫加速了鋼筋的腐蝕，從而導致混凝土的分層和剝落[2-3]。定期檢查隧道是為了評估結構狀況和檢測問題，是確保使用者安全的關鍵。

已有研究項目表明，目視檢查結果存在很大差異，可能無法捕捉到隱藏的劣化或損壞，在某些情況下是不可靠的。雖然破壞性測試通常提供可靠的隧道結構評估，但所需的時間和精力使其不符合實際。此外，假設材料的其余部分將具有與測試部分相同的條件、特性和厚度也是不合理的。目前除了對現有隧道進行性能監測外，還可采用無損檢測方法評估新隧道結構的施工質量，檢查修復項目的有效性和維護部分的狀況。研究者廣泛討論了用于隧道襯砌評估的無損檢測方法，包括探地雷達[4]、聲波地震、脈沖響應、超聲波、熱成像、電阻率、電介質探針[5]、數字攝影測量和測深[6]，發現在這些方法中，地震方法是隧道襯砌施工過程中的質量管理和后續定期檢查最可行的方法。

采用便攜式地震特性分析儀(PSPA)對隧道襯砌和巷道壁進行了狀況調查。PSPA可同時執行兩種地震無損檢測方法：超聲表面波(USW)和沖擊回波(IE)。研究的主要目的是比較和評估每種方法在檢測隧道襯砌內部缺陷，估算隧道襯砌厚度和裂縫深度方面的優缺點，以及評估IE-USW組合方法在評估隧道襯砌方面的適用性和準確性。

1 測試方法

1.1 超聲表面波法

超聲表面波法(USW)用于估算表面波在介質中的平均傳播速度VR。VR通常是通過兩個接收器之間的距離Δx來確定，Δx根據特定波到達時間差Δt來確定的。已知波速VR，模量E可以根據剪切波速Vs、密度ρ和泊松比υ確定，如式(1)：

(1)

在USW方法中，通過測量速度(VR)隨波長的變化來生成色散曲線。對于均勻或完整的混凝土襯砌，色散曲線在波長小于襯砌厚度的范圍內或多或少顯示出恒定速度。當混凝土襯砌中存在分層，空隙或混凝土劣化時，由于缺陷引起的干擾，平均表面波速度(或模量)變得小于完整混凝土的平均表面波速度(或模量)。在這種情況下，獲得的速度或模量可稱為表觀速度或模量。

1.2 沖擊回波法

IE法是檢測混凝土分層最常用的無損檢測方法之一。該方法是一種基于應力波的方法，利用機械能將聲波傳輸到混凝土中。基本原理是用沖擊器沖擊物體表面，沖擊器產生頻率高達20～30 kHz的應力波，然后通過接收器測量響應，再通過快速傅立葉變換(FFT)分析，將記錄的時域信號轉換為頻域函數(振幅譜)，并監測峰值頻率。然后根據壓縮波速Vp和厚度頻率f確定試件上完整點的厚度h如式(2)：

(2)

式中：α為修正系數，混凝土板的α約為0.96;Vp為彈性模量E、泊松比υ和密度ρ的函數，由式(3)給出：

(3)

對于較深且分層不太嚴重的位置，一部分彈性波能量將從分層反射回頂面，另一部分能量仍會從甲板底部反射。因此，除了厚度頻率之外，頻譜還將顯示一些更高的頻率峰值，對應于分層反射的返回頻率。淺層廣泛的分層區域通常表現為低峰值頻率，表明很少或沒有能量向橋面底部傳播，彎曲模式主導頻率響應。在這種情況下，式(3)不適用于測量分層深度。

1.3 數據收集

測試所用隧道長約1.6 km，襯砌厚度為60.96 cm，道路寬度為7.32 m加上一側0.76 m的人行道，隧道高度為4.11 m。并涉及一段約800 m 的通風室和60 m的巷道壁。隧道結構由預制復合結構鋼和鋼筋混凝土管段(直徑為12 m，長度為100 m)組成，沉入準備好的溝槽中，并覆蓋至少3 m的回填材料。

采用IE法和USW法對隧道的通風室和巷道壁進行了評價。本研究中的所有測試均在選定區域內的若干點進行。初步測試是目視檢查，同時使用其他無損檢測方法進行表面介電測量，作為嚴重開裂或分層區域的指標。測量介電常數高的區域(大于15，典型干混凝土為4.5)和可見的表面裂縫(含水滴)用PSPA標記，以便進行更詳細的調查。隧道通風天花板上的選定區域進行更詳細的評估，包括相對完整區域中的三個點和十個選定的視覺缺陷區域。因此，在本研究中，評估了通風室天花板上13個區域內的84個點和巷道壁上的14個點。

2 測試結果

2.1 通風室天花板

本研究中使用的USW和IE方法是點檢法，結果是可視化的平面等高線圖，而不是單獨評估。本文的IE和USW結果顯示在行掃描(B掃描)中。超聲波的B掃描表現為模量隨波長的變化，可以定性地將其視為模量隨深度的標度變化。IE結果的頻譜B掃描呈歸一化振幅隨頻率變化的形式。所有圖形中的橫軸為測試點。圖1顯示了IE和USW法對從約6 m距離內的3個點收集的數據的分析結果。這些測試點具有相似的特征，并指示完整的區域；也就是說，沒有觀察到裂紋或其他表面損傷，并且在這些點處測量到低介電常數。如圖1(a)所示，約3 kHz的清晰且恒定的頻率峰值支配著混凝土襯砌的振幅響應。根據式(2)和式(3)，彈性模量為31 GPa，計算出的平均壓縮波速為3800 m/s，該頻率導致混凝土襯砌厚度約為60.96 cm。圖1(b)表明，這些點處的混凝土襯砌非常均勻，混凝土襯砌的平均模量為31 GPa深度可達30.48 cm。很高的模量值(圖1(b)中的深色)可以反映高速表面條件。IE和USW結果的結合證實了這3個點是完整的。

圖2～圖8所示為通風室天花板上選定的視覺缺陷區域的PSPA試驗結果。一般而言，在缺陷區域或斑點處，與完整截面相比，IE方法顯示出比預期厚度頻率更高或更低的頻率峰值，而USW方法顯示出比完整混凝土截面更低的模量。例如，在區域474+27、496+25和477+60中，比厚度頻率更高的頻率峰值在圖2(a)中的 IE B掃描中的幾個點處支配響應。這個頻率叫作返回頻率，返回頻率峰值對應于缺陷區反射波的頻率。根據振幅譜特征，缺陷區域近似為擴展的深度分層，分層是由隧道襯砌內鋼筋腐蝕引起的。分層區域的深度可使用式(3)根據返回頻率和壓縮波速計算，范圍為0.30～0.38 m。IE結果中每個分層區域的大小與圖2(b)中USW B掃描的結果一致。這些互補的結果建立了對缺陷區域解釋的信心，并且具有額外的優勢，即與單獨收集一種或另一種數據類型相比，不需要額外的時間來收集組合的現場數據。在圖3(a)的區域496+25中，有些點在 IE B掃描中顯示多個頻率峰值，這意味著能量將在襯砌中分配；也就是說，一部分能量從分層反射回來，另一部分能量仍從隧道襯砌的后壁反射回來。振幅譜表征將缺陷區域近似為深度分層，但不是擴展分層。

圖1 隧道通風室天花板上完整區域的IE和USW行掃描圖

圖2 隧道通風室天花板474+27區域的IE和USW行掃描

圖3 隧道通風室天花板496+25區域IE和USW行掃描

在圖4(a)中的486+81區域，第4至8行之間的高頻峰值證實了隧道襯砌內存在深度分層或空隙。分層區域或空隙的深度約為0.3 m。IE結果中分層區域的延伸與圖4b中低模量USW B掃描中區域的大小一致。

圖4 隧道通風室天花板上486+81區域的IE和USW行掃描

在圖5(a)的478+85區域中，比預期厚度頻率低的頻率峰值主導了第2和3行之間區域的響應。該低頻峰值表明隧道襯砌內可能存在淺層分層或空洞，襯砌頂部的移動類似于板的彎曲模式。在USW B掃描中，淺層分層也可通過淺層的較低模量檢測到(圖5(b))。

圖5 隧道通風室天花板478+85區域的IE和USW行掃描

圖6和圖7中第2行的473+56區域和第3行的491+25區域的IE和USW結果不一致。這可以歸因于附近裂紋的邊緣效應和PSPA傳感器單元相對于裂紋的放置。當裂紋位于震源和第一個接收器之間時，IE B掃描顯示多個頻率峰值，USW模量通常大于正常值，是因為當裂紋位于震源和第一接收點之間時，裂紋起到了邊界的作用，散射了地震波。在厚度頻率以外的頻率(圖6(a)和圖7(a))，平板內部的波散射被高振幅能量包反射。與從第一個接收器到第二個接收器的傳播時間相比，地震波從震源傳播到第一個接收器需要更長的時間。因此，在圖6(b)和圖7(b)的USW B掃描中模量變得非常高。但是，當裂紋位于兩個傳感器之間時，由于波的傳播路徑，厚度頻率在IE響應中占主導地位，并且報告的USW 模量低于正常值。對裂紋存在的解釋與目視檢查期間記錄的實際情況非常吻合。

在圖8(a)的477+60區域，第4行和第7行的IE B掃描中有多個頻率峰值。USW B掃描中的相同區域顯示出非常低的模量(圖8(b))。基于組合的IE-USW的結果，可以得出結論，在震源和第一接收器之間以及第一和第二接收器之間存在裂紋。

圖6 隧道通風室天花板473+56區域的IE和USW行掃描

圖7 隧道通風室天花板491+25區域的IE和USW行掃描

圖8 隧道通風室天花板477+60區域的IE和USW行掃描

圖9 隧道巷道壁IE和USW行掃描

2.2 巷道壁

在道路墻壁上使用PSPA進行的測試覆蓋了從485+6號站到486+54號站約45 m的距離，間隔不均勻，IE和USW方法的結果如圖9所示。僅限于測試點1至測試點8的區域在IE B掃描中顯示多個頻率峰值，在USW B掃描中顯示高模量，這意味著襯砌內可能廣泛存在裂紋。測試點9到測試點12實際上被限制在大約0.6 m×0.6 m的非常小的區域內。與完整襯砌的厚度頻率相比，該小區域具有極低的模量和高頻峰值，表明巷道壁內存在嚴重分層或空隙。

3 結 論

采用IE法和USW法對隧道的通風室和巷道壁進行了評價。根據其他無損檢測方法測得高介電常數和可見表面裂紋的存在，對選擇試驗區域進行深入評估。得出：

(1)完整區域具有恒定的厚度頻率峰值和均勻的模量。

(2)在IE B掃描中可以清楚地看到隧道襯砌的后壁，襯砌的厚度估計為0.6 m。

(3)缺陷區域表現為模量較低的區域，頻率峰值與預期厚度頻率不同。

(4)IE B掃描的返回頻率峰值高于預期的厚度頻率，表明存在擴展的深層分層。

(5)通過低彎曲頻率峰值觀察到存在淺層分層區域。

IE和USW的結果提供了互補的缺陷圖，證明了其在估計襯砌厚度以及定位和表征隧道襯砌內缺陷區域方面的可靠性，尤其是在對結果進行綜合評估時。