聲波檢測法在鄭濟高鐵樁基檢測中的應用

王鴻志

（中國建筑土木建設有限公司，山東 臨沂 273400）

0 引言

如今的中國已經邁入高速化階段，大量的高速鐵路正在建設中，工程中的樁基質量是重點，而聲波透射法是樁基質量檢測中最常用的方式。本文首先介紹了聲波透射法的定義及原理，其次介紹了聲波透射法在現實中遇到的問題及其處理方法，最后采用鄭濟高鐵 3 個典型的樁基為例，對其樁基質量進行判斷分析，為樁基質量的判定提供參考。

1 聲波檢測法

1.1 聲波檢測法的定義

1.2 聲波檢測法的優勢

在鄭濟鐵路 2 標段中，在聊城市東昌府區境內的正線線路長度為 46 km。短短的 46 km 有 7 000 多個樁基。數量如此龐大的樁基需要檢測，聲波檢測法的優勢非常明顯。

首先聲波檢測法極為高效，是當前所有樁基檢測方法中效率最高速度最快的檢測方法，檢測環境在施工灌注時就已經具備，樁基數量如此驚人，檢測的速度和效率尤為重要。其次，聲波檢測法不會破壞樁基的物理和化學結構，檢測完成后不會影響樁基質量，不會影響到高鐵的運行穩定性。加上目前我國高鐵的樁基建設采用的是鉆孔澆筑的方法，而聲波檢測法剛好需要預留檢測孔，所以使用該方法進行檢測具有先天性優勢。

1.3 聲波檢測法的原理和方法

高鐵鐵路樁基的材質為鋼筋混凝土，聲波檢測法利用了超聲波穿透能力強的特點，利用超聲波在穿透高鐵樁基的過程中遇到了缺陷時會產生波形、主頻和振幅變化的特點，從而分析高鐵樁基在灌注的過程中是否出現了斷樁、截面局部夾泥或縮頸、混凝土離析、分散性泥團及蜂窩狀缺陷、集中性氣孔、樁底沉渣和樁頭強度偏低等影響樁基質量和承載能力的問題。通常情況下，在高鐵鐵路樁基施工灌注之前，會在樁內預埋若干條聲測管，作為超聲波接受和發射換能器的通道。

利用聲波檢測法檢測時，在每個檢測管內放入接收超聲波的探頭，探頭由底部向上同步上升，儀器記錄探頭所在的檢測管之間的樁基切面的超聲波聲學特征，根據聲波的到達時間、振幅以及頻率的變化，從而分析判定被檢測的高鐵樁基的鋼筋混凝土結構是否存在一系列的質量問題。

1.4 聲波檢測方法與判定依據

目前，國家還沒有相關高鐵樁基聲波檢測的質量判定硬性要求，在日常監測中通常是根據經驗來判斷合格與否，可以參照 TB 10218－2019《鐵路工程基樁檢測技術規程》中各聲學臨界值，判斷依據為聲速、振幅以及頻率 3 個主要參數。

1.4.1 聲速分析判定

1.4.2 振幅分析判定

振幅分析運用了聲波在介質中透傳傳播時，能量會不斷衰減，聲波振幅會隨著透傳的樁基鋼筋混凝土的厚度變大而規律性變小。當聲波通過問題區域時，振幅變化將失去規律，波能比例衰減的規律會被打破，故而發現樁基的質量隱患。利用振幅變小的規律性作為參照，比利用聲速判定更加靈敏，對樁基問題的反應更為準確。

1.4.3 波形判定

波形判定的方式較為通俗易懂，利用了超聲波穿透均勻介質時，波形會呈現中間大兩頭小的形狀，且頻率同等。若聲波波形變化不大，則說明被檢測高鐵樁基沒有問題或問題不大；若波形變化明顯則說明問題比較嚴重。

1.4.4 PSD 判定

PSD 是一種輔助判定方式，主要檢測高鐵樁基中的疑似問題區域，通常作為問題區域的具體定位或參照判定標準。PSD 判定法沒有規定臨界值，具體方法為測定相鄰兩個點的聲波穿透時間Tx和Tx-1，同時測定這兩個相鄰點在樁基中的深度Zx和Zx-1，PSD=（Tx-Tx-1）2/（Zx-Zx-1），當隨著被測試點X變化時 PSD 數值變化開始明顯，則說明該相鄰兩個點之間可能存在問題。

聲波檢測法的 4 種判定方法單獨使用，都存在不足和不精確的問題，多方法配合檢測的可靠性還是很高的。

2 實際檢測中的問題和對策

在數量龐大的高鐵樁基檢測日常作業中，往往會遇到很多的問題，檢測人員在日常檢測中通過經驗的積累，遇到問題能及時解決問題，能很大程度提高檢測效率，避免檢測過程中出現停滯的現象。以下羅列了幾個日常作業中常見的問題，并說明高效簡單的解決方法。

2.1 放線與放線平衡的問題

在日常監測作業中，兩個檢測管里的聲波發生器和聲波接收器需要同時放下，并且需要一直保持在同一高度，也就是在高鐵樁基中處于同一深度。如果在放線下探頭的過程中出現不平衡的情況，那么聲波穿透的距離會變長，并且會隨著放線的進行出現變化，從而直接改變測量結果，波速和振幅嚴重變小，影響對樁基質量的判定。

如果采用機器放線，即用電機等機器，勻速將綁著3 個探頭的線同時放下，則會出現新的問題。首先，機器運轉過程中會有震動，從而引發高鐵樁基的鋼筋混凝土共振，直接影響聲波，使測量到的聲波數據嚴重偏差，甚至直接測量不到數據；其次，探頭在下放的過程中有可能會出現卡頓的情況，一旦任一探頭出現卡頓，那么測量出來的結果將毫無意義。

結合該問題，作業人員采用了人工加滑輪輔助的方法，大致俯視圖如圖 1 所示。

圖1 樁基檢測滑輪放置示意圖

3 個小滑輪大致高出高鐵樁基 10～15 cm，且兩邊一致，3 個檢測孔分別放線下放發生器和接收器，3 根線再連接到大滑輪，同時手握著 3 根線同時下放，這樣可以保證三邊放線的速度一致，探頭所處的樁基深度一致。如果出現了探頭卡在檢測孔的情況，則對應的線將出現松動，作業人員可以在第一時間發現。

2.2 檢測孔的清洗

在日常高鐵樁基的施工中，雖然檢測孔為預留，但是難免混入雜質，較為常見的是泥沙雨水附著在檢測孔內壁，或小的混凝土塊沾染在檢測孔內壁，影響聲波透傳的距離和密度，從而直接影響測量和判定結果。所以，在進行樁基聲波檢測作業之前，務必將檢測孔內壁進行清洗。

清洗一般使用高壓水槍或者空壓機產生的高壓氣體，對內壁進行高壓沖洗。在采用高壓水槍沖洗的時候，必須使用清水，不含任何雜質和泥沙，以免新的雜質進入內壁影響測量判定結果。在清洗完成后，將檢測管內部灌滿清水，使用木塞或者布遮住檢測孔，防止清洗后的檢測孔被新的雜質污染，從而造成測量判定不準確或無價值的返工。

2.3 卡探頭的處理

探頭卡在檢測孔管內上下不能動是非常棘手的情況，并且造成卡探頭的因素有多種。首先，部分樁基幾十米長，聲測管是多根空心鋼管焊接而成，如果在焊接的過程中接口處處理不當，則非常容易造成卡探頭的情況。通常情況下，先采用破舊探頭采用試探頭的方式，提前排除隱患，可以采用專業聲測管鉆機對問題聲測管進行處理［1-2］。

如果是混凝土或其他雜質附著在檢測孔內壁，通常采用輕輕上下抖動提拉探頭連接線的方法，釋放提拉，將探頭取出并重新清洗內壁。如果該方法失效，探頭仍然不能取出，可以在連接線上套一個與探頭直徑一樣的金屬環，放下探頭，然后再往上拉，利用金屬環為探頭清除上升障礙，從而在不損壞探頭的情況下取出探頭。

也可以將另一個探頭伸入這個檢測管當中，適當的上下碰撞卡住的探頭，如果在卡的不嚴重的情況下，很容易將其處理，但是這個方法應適當使用，因為此法可能會損壞兩個探頭。

還可以將水管通入聲測管當中，然后用高壓氣槍或高壓水槍的壓力沖擊探頭，清洗聲測管內壁，清洗完成后順著水管或者氣管取出探頭。

由于實際作業中卡探頭的情況非常復雜，造成的原因也有很多，工作人員往往在遇到這種情況時會隨機應變，針對實際問題情況采用最為簡單直接的方法，保證在不損壞探頭的情況下以最快速度取出探頭。

2.4 其他需要注意的問題

由于在清洗的過程中，檢測管內壁被高壓水槍沖洗過，內壁往往會有水殘留，所以整個測量過程中檢測管內是灌滿水的。探頭下放的時候會有水溢出，在提拉到檢測管口的時候，探頭的上部將沒有水，所以在這種情況下需要向檢測孔加水進行耦合，這樣才不會影響到波形波速以及振幅，不會影響測量和判定的結果。

在檢測作業中，環境相對比較惡劣，泥沙和混凝土顆粒比較多，且全程都有水，所以一定要對檢測儀、探頭和滑輪進行清洗，對檢測儀和滑輪的清洗結束后還應該進行干燥處理，從而保證設備運行的穩定性和測量判定的精準性，同時延長設備的使用壽命［3-6］。

3 實際工程檢測案例

本文選取鄭濟鐵路高鐵路段樁基中幾個具有代表性的測量對象，通過檢測數據和結果判定，直觀地展現了聲波檢測法在實際高鐵樁基中的檢測實際數據和判定依據。

本文展現的為 3 個具有代表性的高鐵樁基，分別為：鄭濟高鐵東昌府特大橋內，樁深 31 m，檢測數據有偏差但判定為不影響高鐵安全運行能力和承載能力的樁基，這里命名為樁基 a；同路段東昌府特大橋 64 m 深樁基，檢測數據偏差較大具有很大的安全性和穩定性隱患，命名為樁基 b；東昌府特大橋 62 m 深樁基，檢測數據沒有發現任何異常，命名為樁基 c。

3.1 案例 1

樁基a的測點間距為 0.25 m，測量 3 個剖面的檢測管間距分別為 1.14、0.87 和 0.87 m。其測試得到的深度、振幅隨深度變化曲線及 PSD 曲線如圖 2 所示。

圖 2 樁基 aPSD 曲線圖

為了更加直觀地看到該被檢高鐵樁基的具體異常，如表 1～表 3 所示。

表1 a 樁基 1 號剖面異常點（檢測孔間距 1.14 m）

表2 a 樁基 2 號剖面異常點（檢測孔間距 0.87 m）

表3 a 樁基 3 號剖面異常點（檢測孔間距 0.87 m）

通過樁基 a 地聲波檢測數據可以看出，1 號剖面有 4 個測試點的振幅略低于正常水平，2 號剖面有 6 個測試點的振幅略低于正常水平，3 號剖面有 5 個點振幅略低于正常水平。但是這些振幅偏低的測試點波時和波形均正常，由此可以推斷出在該高鐵樁基中只有少量的細小氣泡，或者只有極小局部的混凝土料較其他正常區域有非常細小的偏差，根據作業人員的判斷，這種細小的偏差不會影響到高鐵樁基的結構完整性，從而不會影響高鐵鐵路的安全運行能力和承載能力。

3.2 案例 2

樁基 b 的測點間距為 0.25 m，測量 3 個剖面的檢測管間距分別為 0.58、0.59 和 0.6 m。其測試得到的深度、振幅隨深度變化曲線及 PSD 曲線如圖 3 所示。

圖3 樁基 b PSD 曲線圖

根據測量得到的數據，工作人員對樁基 b 的測量結果進行了臨界值計算，根據臨界值計算公式，得到的 3 個剖面波速臨界值分別為 1.602、2.864 和 2.649 km/h，3 個剖面的波速臨界值差距較大，明顯不符合正常誤差范圍，主要原因是聲波穿透的鋼筋混凝土密度不同。從測量圖中可以明顯地看出，在樁深 21～42 m 段，波形變形嚴重，大部分曲線顯示的波速低于 3 km/h，波形振幅明顯較低，PSD 數值在樁深 40 m 處偏大很多。由此判斷，樁基 b 在 21～42 m 段有很明顯的缺陷，該段鋼筋混凝土密度明顯大于該樁其他位置，鑒于這種情況，工作人員將對該樁進行抽芯檢查，確定問題后對樁基進行維修。

3.3 案例 3

樁基 c 的測點間距也為 0.25 m，測量 3 個剖面的檢測管間距分別為 0.62、0.61 和 0.62 m。其測試得到的深度、振幅隨深度變化曲線及 PSD 曲線如圖 4 所示。

圖4 樁基 c PSD 曲線圖

從樁基 c 的測量數據中可以看出，3 個剖面的測量結果曲線幾乎一模一樣，且聲波振幅變化不大，趨于穩定的演變曲線。通過數據的計算得到了 3 個剖面的波速臨界值分別為 4.198、4.171 和 4.176 km/h，3 個剖面的波速臨界值相差非常小，處于正常誤差范圍之內，所以檢測作業人員可以判定被檢高鐵樁基 c 的狀態正常，樁基體內不存在明顯氣泡或混凝土位移、密度分布不均勻的情況。

3.4 實際測量中的情況

在實際測量中，作業人員會對每個高鐵樁基在計算機系統中進行編號排序，然后再按照制定好的測量順序挨個對樁基進行單次測量。由于我國高鐵鐵路施工的嚴謹和高品質的特性，通常對于類似樁基 c，會直接判定為質量合格。對于樁基 a，會進行部分抽樣抽芯檢測。對于樁基 b，會進行第二次測試，二次測試認為不合格的樁基再逐一抽芯檢測，一般情況下這種樁基抽芯檢測也會是不合格，檢測人員將按照相關規章制度進行上報，再由專門的人員對質量不合格樁基進行維修。

4 結論

高鐵建設和穩定運營的重要性關乎到基本的基建和民生問題，其樁基質量檢測至關重要。聲波檢測法作為一種高效、客觀的檢測方法，在如今的高鐵樁基質量檢測中得到了廣泛的應用。

高鐵樁基高度比較高，檢測長度較長，常規的檢測方法很難達到檢測要求，且很難滿足檢測的高效率要求。聲波檢測法包含了波速、波形、振幅和 PSD 4 種檢測手段，能非常客觀地檢測出高鐵樁基中存在的缺陷，能做到精準定位并給出相對應的維修整改建議。目前該方法已廣泛運用到我國的高鐵鐵路樁基檢測中，為我國高鐵鐵路樁基建設和高鐵發展做出了不可磨滅的貢獻，該方法應被廣泛推廣和運用到各類基建質量檢測中。Q