應用無損檢測方法對隧道噴射混凝土襯砌進行健康監測

強光鵬

(安徽維尼檢測科技有限公司,安徽 合肥 230000 )

噴射混凝土凝結硬化時間短，噴射過程無須模板支撐即可達到成型效果，操作簡便，加固效果良好[1]。隧道初期支護噴射混凝土，但隨著隧道修建規模和復雜性的增加，隧道施工中遇到的問題也越來越嚴峻[2-3]。因此噴射混凝土作為隧道系統的主要支護，需對其進行健康監測和施工管理，以保證施工安全和后期的有效維護。

為了評估噴射混凝土的質量，經常在現場鉆孔取樣。但鉆孔的過程會導致結構損壞，修復鉆孔將增加成本，且隧洞工作面或臺階處爆破產生的應力波會影響隧洞工作面后的噴射混凝土。噴射混凝土從巖石表面脫離，并在噴射混凝土后面形成空隙，從而導致腐蝕、彎曲、斷裂等問題。再考慮到噴射混凝土存在超挖、欠挖或明顯回彈等現象，厚度不規律。因此，對噴射混凝土黏結狀態及其厚度進行一種經濟、快捷的無損檢測是非常必要的。

目前已有學者[4-5]通過沖擊回波法、傅里葉變換法對噴射混凝土進行了相關研究。且有學者應用沖擊回波法結合短時傅里葉變換(IE-STFT)法來評價噴射混凝土在平面堅硬巖石上的黏結狀態，并證明了該方法可應用于特定條件。因此，本文基于探地雷達(GPR)進行調查，并將其結果與先前基于短時傅里葉變換的試驗研究進行比較，并通過現場試驗來驗證該方法的實用性。

1 無損檢測方法

1.1 沖擊回波法

沖擊回波(IE)法是一種基于應力波傳播的混凝土結構缺陷無損檢測技術，其原理如圖1所示。通過對系統振動的相位和頻率進行分析，應力波的傳播特性可以評估質量、估計厚度，并發現裂縫和空隙。

圖1 沖擊回波法

1.2 探地雷達

探地雷達(GPR)是一種較常見、可探索地下目標的無損檢測方法。本文試驗使用探地雷達系統的中心頻率為1000 MHz，該系統是專門為混凝土成像而設計的。

從本文試驗研究中獲得了1024個離散時間信號數據點(即加速度信號)，并對其進行時頻域分析。將其最大振幅歸一化后，時頻信息以0.25間隔顯示在等高線圖中。諧振持續時間(TR)，即等高線在時間軸上的直徑距離為0.25。

2 試驗研究

2.1 試驗模型

根據圖2所示黏結狀態制備IE試驗測試樣品。巖樣為新鮮花崗巖，表面天然、有起伏，其縱波速度為4000 m/s，寬1.5 m，長1.0 m，厚0.5 m。噴射混凝土由19.6%的硅酸鹽水泥、71.8%的砂和8.6%的水組成。將噴射混凝土應用于不同黏結狀態的巖石上。(a)段包含噴射混凝土和巖石間的空隙：通過在噴射混凝土和巖石層間放置一塊聚苯乙烯泡沫塑料來模擬該空隙，噴射混凝土試樣分別澆注T=13 cm和T=18 cm兩種厚度。(b)段屬于脫黏狀態：這種情況是通過在噴射混凝土和巖石層間放置一層薄塑料膜進行模擬。(c)段為完全黏結狀態：該狀態直接將噴射混凝土澆筑到巖石表面進行模擬。每個測試截面寬0.5 m，長1.0 m，高0.73 m。養護28 d后，噴射混凝土的縱波速度為4088 m/s。

圖2 噴射混凝土襯砌健康監測試驗裝置(單位：m)

IE測試系統由加速度計、信號調節器/放大器、示波器和計算機組成。采用直徑為9.5 mm的鋼球作為沖擊源產生應力，源被應用到每個部分的中心處。將加速度計放置在距離震源2 cm處作為接收器，測量應力波傳播5 ms的垂直響應。信號調節器/放大器將測量信號放大10倍，通過示波器和計算機將放大后的信號進行數字化存儲。探地雷達試驗在整個固化過程中持續進行，7 d后無明顯變化。

2.2 IE測試結果

圖3為等高線圖中的時頻分析結果。在完全黏結狀態下(圖3(a))，輪廓線是非對稱的，并具有平行于頻率軸的相對較長的尾部。主諧振持續時間為1.0 ms，主頻率分量達到30 kHz；高于30 kHz 的頻率分量包含在此尾部。在脫黏狀態下(圖3(b))，輪廓線在時間軸和頻率軸上都形成了一個帶有小尾巴的圓形(對稱)形狀。諧振持續時間比完全黏結狀態長1.3 ms，主頻率分量比完全黏結狀態小20 kHz。在空隙條件下(圖3(c)和圖3(d))，輪廓線是非對稱的；與頻率軸相比，時間軸上的尾部相對較長。兩種情況顯示了相同的模式：諧振持續時間比完全黏結和脫黏狀態下的時間長1.5 ms(圖3(c))和2.0 ms(圖3(d))，主頻率分量比脫黏狀態下小15 kHz。

圖3 時頻域分析結果

總之，隨著噴射混凝土厚度的減小，等高線圖中沿時間軸的尾部長度逐漸加長。即隨著噴射混凝土厚度減小，能量損失減少，導致能量水平降低較少，因此對應于諧振頻率的主能量諧振持續時間變長。由此可知，本文試驗結果與數值模擬結果一致，表明IE法結合STFT分析可以估計隧道噴射混凝土的黏結狀態。

2.3 探地雷達圖像結果

圖4為固化28 d后的探地雷達圖像，圖中單位為m。從圖4為探地雷達三維圖像，可以清楚地探測到噴射混凝土和巖層之間的界面。圖5(a)為探地雷達平面圖，在距離噴射混凝土表面0.150～0.175 m處存在空隙，但不能明確區分無黏結和完全黏結的條件。圖5(b)和5(c)顯示了探地雷達的側視圖和正視圖圖像：從側面看，在距參考點0.4 m、距噴射混凝土表面0.13 m處檢測到一個空隙，無法區分完全黏結和脫黏狀態，但在距離噴射混凝土表面0.23 m處發現噴射混凝土和巖層之間的界面；從正面看，可以發現兩個不同的空隙，一個在左側深度為0.18 m處，另一個在右側深度為0.13 m處。

圖4 探地雷達三維圖像

圖5 探地雷達圖像(單位：m)

因此IE和探地雷達測試均可用于空隙檢測，但探地雷達不能評估黏結條件。當噴射混凝土完全黏結在開挖面上時，可用探地雷達評估噴射混凝土厚度，用IE區分黏結狀態。因此，IE可用于評價和監測噴射混凝土的質量。

2.4 現場試驗

在安徽東部駟馬山進行現場試驗，隧道采用鉆爆法開挖，因此噴射混凝土的黏結狀態可能會受到爆破影響。在連接主隧道和服務隧道的交叉隧道附近選擇三個IE測試地點(即位置D、E和F)，如圖6所示。主隧道(位置D)和服務隧道(位置E、F)的噴射混凝土厚度分別為10 cm和5 cm。

圖6 三個IE測試地點

基于有限元方法的數值模擬結果可知，已有學者提出了考慮地面類型、噴射混凝土厚度、表面起伏和沖擊源對IE-信號特征影響的噴射混凝土質量控制評價圖。系統的主頻、阻尼比和諧振持續時間是主要參數。對現場實測信號進行時域和頻域分析，結果如圖7(a)、7(b)和7(c)所示。根據評價圖對噴射混凝土襯砌狀態進行分析。

從位置D(圖7(a))獲得的信號顯示其諧振頻率(fn)為9.6 kHz，系統阻尼比(DG)約為34%，諧振持續時間(TR)為0.85 ms，其等高線圖呈現出平行于頻率軸的較長尾。由此可以得出：位置D處的噴射混凝土與堅硬巖石完全黏結，堅硬巖石比噴射混凝土更堅硬，噴射混凝土厚度估計在10 cm 左右。

在位置E時(圖7(b))，分析的信號顯示平行于時間軸的相對較長的尾部。具體信號特征如下：振動的諧振頻率(fn)為18.8 kHz，系統的阻尼比(DG)為23.9%，諧振持續時間(TR)為0.95 ms。參考評估圖，估算噴射混凝土厚度為6 cm，地面阻抗小于噴射混凝土。此外，噴射混凝土的黏結狀態為完全黏結狀態。因此，可以得出E位置的噴射混凝土已完全黏結在軟巖上。

圖7 現場試驗

在位置F時(圖7(c))，考慮到噴射混凝土的諧振頻率和系統阻尼比分別為17.4 kHz和大約17%。噴射混凝土的黏結狀態估計為硬巖石上的部分空隙狀態，其厚度估計約為8.7 cm，并且等高線圖在時域和頻域軸處有一個圓形的小尾巴。

總而言之，實測現場條件與估計的噴射混凝土狀態較吻合。因此，現場試驗結果證實了IE-STFT方法可用于評估噴射混凝土黏結狀態。然而在實際應用時，建議進一步研究評價噴射混凝土特性(如骨料或纖維含量、養護時間)、地面與噴射混凝土間的黏結強度對IE-STFT信號的影響。

3 結 論

為了評估噴射混凝土的質量，本文聯合無損檢測方法、時頻域分析和試驗研究了一種隧道噴射混凝土襯砌開挖面的健康監測技術，并得出以下結論：

(1)與探地雷達相比，IE-STFT法在監測噴射混凝土健康方面呈現出更好的性能。

(2)現場試驗表明IE-STFT方法監測噴射混凝土襯砌健康是有效的。

(3)通過IE-STFT信號的主頻、阻尼比和諧振持續時間，可以估計隧道噴射混凝土(或黏結)狀態、地基條件和噴射混凝土厚度。