沖擊映像法及其在超長距離頂管施工泥漿套檢測中的應用

林天翔 葉冠林 王祺 馮少孔

摘 要：泥漿減阻是超長距離頂管施工中的一項關鍵技術，泥漿套厚度與工程質量息息相關?；跊_擊映像法的基本原理，提出一種精確掌握頂管施工注漿充盈狀況的快速檢測方法，并通過模型試驗和現場試驗對檢測方法的有效性進行研究。根據模型試驗結果，將歸一化沖擊響應強度作為反映泥漿充盈狀況的評價指標，成功應用于蘇州一大型引水工程中。研究表明：較傳統壓力觀測法，沖擊映像法在檢測泥漿套厚度方面有明顯的優越性，有效提高了檢測效率和高阻力區的識別能力，據此對泥漿薄弱區進行定點補漿，節約了施工成本，可在同類工程中推廣使用。

關鍵詞：沖擊映像法;頂管施工;泥漿套;無損檢測

中圖分類號：TU94 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2022）05-0148-09

收稿日期：2020-08-26

基金項目：國家自然科學基金（51678360、41727802）

作者簡介：林天翔（1996- ），男，主要從事結構健康檢測、原位測試實驗研究，E-mail：lintianxiang@sjtu.edu.cn。

葉冠林（通信作者），男，教授，博士生導師，E-mail：ygl@sjtu.edu.cn。

Received：2020-08-26

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. 51678360， 41727802）

Author brief：LIN Tianxiang （1996- ）， main research interests： structure health monitor， geophysical exploration， E-mail： lintianxiang@sjtu.edu.cn.

YE Guanlin （corresponding author）， professor， doctorial supervisor， E-mail： ygl@sjtu.edu.cn.

Impact image method and its application in the detection of slurry for long-distance pipe jacking construction

LIN Tianxiang， YE Guanlin， WANG Qi， FENG Shaokong

（1. School of Naval Architecture， Ocean & Civil Engineering， Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240， P. R. China; 2. Shanghai Tunnel Engineering Company， Ltd.， Shanghai 200082， P. R. China）

Abstract：Resistance-reducing with slurry is a key technique in the construction of long-distance pipe jacking. The thickness of the slurry is closely related to the engineering quality.Based on the basic principle of impact image method， a rapid detection method for accurately grasping the distribution condition of slurry outside the pipe jacking is proposed in this article， and the validity of the detection method is explored through model test and field test.According to the results of model test， the normalized impact response intensity is taken as the evaluation index to reflect the distribution condition of slurry. Finally， it has been successfully applied to a large-scale water diversion project in Suzhou. The research shows that the impact image method has obvious advantages over the traditional pressure observation method in detecting the thickness of slurry， which effectively improves the efficiency of detection and the identification ability of high resistance zone. At the same time， the construction cost can be greatly saved by replenishing the weak area of slurry precisely. This method can be popularized for similar projects.

Keywords：impact image method; pipe jacking construction; slurry; non-destructive detection

隨著城鎮化進程的快速發展，大量工程建設逐漸向地下轉移。在地下工程施工中，如何減少對周圍環境、地面交通的不利影響成為近年來相關技術人員關注的重點。作為非開挖施工技術之一，頂管法的應用越來越廣泛。在長距離頂管施工時，泥漿減阻是一個必不可少的重要環節。泥漿的注入一方面有效減少了頂管頂進時管外壁與周圍土體的摩擦，達到潤滑、減小頂進推力的目的;另一方面，泥漿填充了管壁和土層之間的空隙，在一定注漿壓力的作用下撐起頂管，能有效防止上部土體坍塌，減小地面沉降。漿液在注漿完成后一般不會立刻與周圍土體固結，更多地是向管節四周土體滲透，形成所謂的流體狀泥漿套。

目前，大多數學者對泥漿減阻的研究主要側重于漿液與管道以及圍土三者的作用機理、泥漿材料和注漿管路設計等方面，希望通過施工工藝和材料性能來改進應用功效。然而，關于檢測泥漿套厚度和分布情況的研究甚少，一般通過觀測頂管頂進推力等指標的變化來判斷泥漿充盈情況，認為頂進推力大，則漿液較少;而推力小，則漿液較多。同時，頂進力指標更多地是反映整個頂進段各管節阻力的總和，其推力值并不能清晰地表達某一管節處泥漿的充盈情況。若判斷不準確，則很有可能造成周圍土體應力狀態的改變，繼而引發土體變形，甚至波及周邊建筑物基礎和管線的安全。對復雜的穿越環境而言，泥漿更難均勻地在管道四周填充，即使利用先進的注漿工藝和漿液材料，得到的減阻效果也可能微乎其微。因此，研究一種判斷泥漿套充盈情況的檢測方法具有重要意義，不僅能提高頂管施工的工作效率、優化施工質量，而且有助于理解泥漿套的形成過程和作用機理。

由于地下工程環境的特殊性，檢測目標隱蔽性很強，在檢測實施過程中往往還要求盡可能降低對原有結構的擾動，所以，利用無損檢測技術輔助施工逐漸被工程界所選擇，其中地質雷達法利用得最多。Zhang等曾利用探地雷達對上海軟土地區盾構隧道襯砌段灌漿厚度進行檢測，成功將無損檢測手段應用于泥漿套的檢測當中;寇磊等和Zhao等則在Zhang等成果的基礎上進一步將地質雷達法拓展到頂管施工領域，并分析比較了頂管法和盾構法的注漿差別。然而，探地雷達法也存在一些局限性：已有研究都是基于混凝土管道進行檢測，由于高頻電磁波的傳播特性，鋼筋、鋼板和富水環境會對其產生較大影響，在干擾較強時，有效波形甚至可能被屏蔽，所以，在鋼頂管施工中地質雷達法適用性較差。無損檢測領域中彈性波檢測法應用也十分廣泛，它不僅可以進行覆蓋層厚度和地下構造或破碎帶檢測，而且在管道埋設脫空檢測和混凝土裂縫探測^]等方面也有著較為完善的理論支撐。Kobayashi等用沖擊彈性波法對鑄鐵水管的老化腐蝕情況進行了評估，可判別到局部1 mm左右的厚度變化，說明彈性波法在水環境中具有極強的探測能力。鑒于此，筆者基于近源彈性波場的傳播機理和長期的工程經驗探索，提出將沖擊映像法應用于超長距離頂管施工泥漿套的檢測中，進行泥漿厚度的探測不僅可以檢測到淺層基底的厚度，而且對層位之間的差異也有著較好的檢測效果。

1 沖擊映像法

1.1 試驗基本原理

頂管施工中，管道與土體間存在一環形空間，用于漿液的填充。當泥漿填充后，整個系統可分成鋼殼層、泥漿層、土層3個部分，圖1為頂管模型的橫截面。沿管道徑向將結構整體視為空心圓柱層狀介質，利用彈性波在多層層狀半無限空間介質模型中的傳播理論，提出沖擊映像檢測方法。

將頂管展開成一平面，則沖擊映像法的原理可近似表達成如圖2所示，在測線上以一定間隔X和偏移距D布設檢波器。

震源在介質表面激發后產生彈性波，彈性波沿地表傳遞至地下，在傳播過程中，若遇到兩種不同介質的界面則會產生反射，反射波振幅可視作子波褶積的結果，通過分析反射波的強弱就可以判斷檢測介質的缺陷情況。當界面兩側介質均勻時，反射波相對較弱;而當界面兩側介質構造相差較大時，如頂管施工中注漿不充分等情況，所反射的彈性波就很強。在保持偏移距D和人工震源大小不變的條件下，將激發接收系統沿測線依次向前移動并重復激發和數據采集。完成整條測線后，從各個測點波形的變化特征即可判斷缺陷的位置。

由于接收到的反射波大小取決于界面反射系數，故通過響應波形的振幅可以推斷介質交界面上波阻抗的變化，從而進一步判斷頂管外的介質差異。為了更直觀、系統地表征響應波持續時間和波形振幅，引入沖擊響應強度指標對泥漿充盈情況進行評價。

考慮到注漿前管道環形空間內泥漿含量較少且分布極度不均勻，管壁大部分區域與周圍土體接觸，所受到的摩擦力也相對較大，故假設注漿前所有測點的沖擊響應強度算術平均值可表征管道與土體處于密實接觸狀態，兩者之間無泥漿且無間隙。同時利用該算術平均值對注漿過程的沖擊響應強度值進行歸一化，再確立歸一化沖擊響應強度和頂管施工泥漿充盈情況間的對應關系，從而形成具備工程應用價值的評價指標和檢測結果。

定義某一測點的沖擊響應強度A為

A=∑s=ns=1|FΔt|（1）

式中：F為波形的振幅;Δt為采樣頻率;i為測點編號，i=1、 2 … N;s為數據點數的編號，s=1、 2 … n。

按照式（1）獲取注漿前所有測點的沖擊響應強度，并計算出算術平均值A。

A=∑i=Ni=1A/N（2）

為區分注漿前測點與其他過程測點編號，對式（2）物理量統一添加角標“0”。

檢測數據量越大時，A的取值將愈發合理，影響沖擊響應強度的各個因素占比也更加穩定。將注漿過程中采集到的沖擊響應強度A與A相比，即可求出歸一化沖擊響應強度I。

I= A A（3）

歸一化沖擊響應強度I的采用一方面在最大程度上消除了沖擊力大小的影響，在處理數據時可將沖擊力與沖擊響應強度間的關系考慮成近似線性關系，方便該方法的應用和推廣;另一方面可放大介質內部軟弱部位對波場的響應特征。

為更好地表達泥漿充盈情況，將歸一化沖擊響應強度定義為泥漿充盈指數，并參照模型試驗結果和注漿前沖擊響應強度算數平均值A進行比對，將檢測區域劃分為漿液充盈區、漿液欠充盈區和無漿液區3個等級，明確地表達管道外環形空間內的漿液充盈狀況。

2 頂管泥漿套模型試驗

為了確定沖擊響應強度與泥漿充盈情況之間的對應關系，并驗證沖擊映像法的有效性，參照頂管施工環境設計了相似的模型試驗，對超長距離頂管施工中泥漿套快速檢測方法進行探索。

2.1 模型試驗方案

試驗模型長4.0 m，寬0.7 m，如圖3所示。模型槽上方覆蓋一塊與頂管等厚（24 mm）的長方形鋼板，作為檢測面代替頂管鋼壁?？紤]到實際工程施工時頂管環形空間內的泥漿厚度通常在30～60 mm左右，故在鋼板下方分別設置30、60、90 mm厚度及漸變厚度4個不同區域的泥漿層，用來模擬環形空間內泥漿可能的分布狀況。泥漿按膨潤土與水的質量比5∶100進行配制。在兩側設置50 mm寬的豎直隔板，以防止泥漿流出。底部墊層取頂管所穿地層土樣，并在填土后進行壓實。鋼板檢測面上沿長度方向共布置7條測線，測線間隔0.1 m。試驗所用儀器主要有Geode-24數據采集儀和100 Hz傳感器，具體技術參數如表1所示。試驗時用沖擊錘（0.2 kg）在傳感器一側敲擊，傳感器與敲擊點間距離為0.1 m，兩次采樣間隔20.833 μs，采集時長0.1 s。數據采集完成后將傳感器和沖擊錘沿測線向前移動，移動步長亦為0.1 m，進行第2次采集。重復上述過程，直至整條測線采集完畢。

2.2 模型試驗分析

沖擊映像法能得到測線上各個測點的沖擊響應波形，界面處的局部變化會造成波形特性的改變和能量的衰減，其強度是對沖擊的綜合響應，與介質內部病害的埋深、尺寸高度相關，由各界面傳遞系數的乘積決定。通過對檢測數據進行頻譜分析、濾波分析及歸一化處理等，可得到沖擊響應強度分布圖。當鋼塊與基層間粘結效果不佳，或存在分層現象時，接收到的信號能量較大，對應沖擊響應強度也較高，所以，對底部不同厚度區的泥漿層進行檢測時，各測點的沖擊響應強度必然會存在較大差異。圖4展示了在模型試驗中同等沖擊力度下各條測線的沖擊響應強度大小。由圖4可知：位于鋼板邊界處的測線1和測線7的沖擊響應強度遠大于其他測線，說明模型試驗存在很強的邊界效應，此處位于兩側隔板與上部鋼板相交位置附近，沖擊響應更多地表現為鋼板之間的相互作用特征，信號能量最大。對于頂管工程，檢測面為閉合圓筒，不會產生邊界效應，故僅對鋼板中部長3.9 m、寬0.6 m的區域進行數據分析，區域內包含測線2～6，測線2～6沖擊響應強度范圍在15～40 mV（儀器采集數據形式為電信號，振幅單位為mV）之間。值得一提的是，測試過程中沖擊錘與鋼板接觸時的沖擊角度難以嚴格把控，故在同等沖擊力度下圖中測線2～6的結果存在一定的波動。經實踐檢驗，認為這個波動誤差應該處在合理范圍。

對各個厚度區綜合分析發現，沖擊響應強度值相差不大，但仍存在一定分布規律。圖4中30 mm厚度區范圍內沖擊響應強度相對較小，均值約為22 mV;60 mm厚度區沖擊響應強度高出15%～20%;而90 mm厚度區最大，均值在33 mV左右。說明隨著底部泥漿厚度增大，沖擊響應強度會有所增強。同時，漸變厚度區的沖擊響應強度也呈現這樣的規律，雖在漸變區中部有少量離散的異常點，但整體上隨著泥漿厚度逐漸變薄，沖擊響應強度有略微降低的趨勢。為更清晰地表達各厚度區之間的差異性，將各測點沖擊響應強度值繪制成云圖，如圖5所示。

3 現場頂管泥漿套的沖擊映像檢測

3.1 工程概況

依托蘇州第二水源陽澄湖引水工程3標段（S227—陽澄西湖）開展，該工程位于蘇州市相城區與工業園區境內，自陽澄湖中湖西側，穿越整個陽澄西湖，沿太陽路北側敷設至227省道與蠡太路交叉口，位置如圖6所示?？蒲性囼灦稳L600 m，為鋼頂管區間，管道內徑為1.972 m。

3.2 現場測試過程

根據現場情況，選取了3個試驗段，分別離洞口12～84 m、84～156 m和156～228 m。每個試驗段涵蓋6個管節，在管道內部沿軸線各平行布置4條測線，測線長72 m，按時鐘對測線位置進行編號，4條測線分別位于管道橫斷面的8點、9點、10點和11點位置，如圖7所示。采樣間隔、采集時長和數據采集方法與模型試驗一致，即在測線端部安置傳感器。沖擊強度大小應根據現場實踐設計，即測試時應盡量在傳感器采集到的信號沒有達到飽和的同時保證強度最大化，從而達到提高測試信噪比的目的。沖擊錘與傳感器間距離為10 cm，沖擊錘敲擊頂管壁進行激發，接收并記錄數據。當一個測點檢測結束后，將整個系統向前移動10 cm，重復以上過程，直至完成整條測線的檢測。

3.3 檢測結果分析

考慮到3個試驗段的結果基于相同的分析原理，并已得到相似的結論，故在文中不逐一贅述，僅選取試驗段2施工過程中注漿前、注漿中某一瞬間以及注漿后的檢測結果進行詳細說明。

經測算，注漿前沖擊響應強度算術平均值在7 mV左右，結合實際工程經驗并參考模型試驗中各厚度區所對應的沖擊響應強度值，設定無漿液區歸一化沖擊響應強度在1.0～1.25之間;漿液充盈區歸一化沖擊響應強度為1.5以上;而漿液欠充盈區則在1.25～1.5之間。數據處理結果由圖8充盈指數分布圖表示，充盈指數分布圖的縱坐標為沿管道壁的圓弧長度，坐標0.00 m為管道腰線，即9點鐘測線位置，方向以向上為正，故縱坐標-0.516 m為8點鐘測線;0.516 m為10點鐘測線;1.032 m為11點鐘測線。橫坐標表示為檢測點到洞口的距離，洞口處坐標為0.00 m。圖9為各個階段泥漿充盈狀態的占比情況。

由圖8和圖9可知，注漿前泥漿整體分布情況不佳，泥漿充盈區域僅31%，而其中無漿液區域占比達到44.1%。管道腰線以下管道與周圍土體之間漿液較多，泥漿充盈情況相對較好，頂管摩擦阻力較小;而管道腰線以上無泥漿或泥漿層很薄，管道與土體接觸密實，頂管頂進時該區域管道壁會受到較大的摩擦阻力。在注漿過程中注漿效果最佳，漿液充盈區分布顯著增大，達到60.9%，而無漿液區僅占10.9%，除了管道頂部11點鐘附近、84～100 m之間以及132～142 m等局部區域以外，管道外環形空間內泥漿充盈較好。而由于漿液受重力向管道底部運移或管道上浮等原因，注漿后漿液充盈區比例下降至52%，管道的前半段（84～124 m）中由9點測線和10點測線與95～110 m所包圍區域顯示無漿液，管道與地層接觸密實，其余區域整體泥漿充盈度較好，而管道的后半部分（124～156 m）泥漿流失嚴重，9點鐘測線以上管道與地層密實接觸。由注漿前、注漿中和注漿后3個過程的檢測結果整體分析可知，漿液分布呈管道底部充盈度高而管道頂部較少的規律。同時，泥漿極易發生運移現象，在頂管頂進施工時應采取“邊注邊推”工法或對管道頂部進行再次補漿操作，這樣更有助于降低頂進摩擦，達到節約成本的目的。

4 與壓力測試數據的比較

由于沖擊映像法首次被應用到頂管施工泥漿套的檢測當中，且存在地下工程隱蔽性等問題，模型試驗仍有一些設計局限。為進一步驗證沖擊映像法的效果，在注漿過程中對每個試驗段選取一個管節同時進行傳統壓力測試。圖10為試驗段2離洞口96～108 m管節中壓力檢測面的位置分布圖，管節內一共布置兩個檢測斷面，分別距管節兩端端口2 m。斷面圓周布置4個壓力傳感器，用來量測漿液壓力的大小，位置如圖11所示。傳感器以截面所處位置和序號進行命名，如1-1號傳感器表示1號截面的1號傳感器?？紤]到現場試驗僅沿頂管左半圓進行檢測，同樣選取左側1-1號、1-2號、2-5號、2-6號傳感器進行分析，其中1-1號和2-5號傳感器位于現場試驗中10點鐘方向測線上，1-2號和2-6號傳感器位于8點鐘方向測線上。

壓力測試時長為13 h，頂進時速率保持恒定。

以每次測量開始時的壓力作為零點，測量后續壓力相對變化，相對壓力越大，則漿液充盈度越高，頂進過程中若遇到脫空區域，相對壓力則會減小，甚至可能出現負值。圖12為兩斷面傳感器所獲得的相對壓力時程曲線。從圖中能明顯看出，注漿時刻、頂進過程的壓力波動和停止頂進時的壓力消散過程。注漿瞬間相對壓力驟然上升，上升幅度可以側面反映注漿量的多少，通過對比可知，頂部可注射漿液量遠大于底部，說明注漿前環形空間頂部有更多的脫空區域。在頂進過程中，1-1號、2-5號傳感器相對壓力發生大幅波動，說明頂管與四周土體相互作用顯著，上部泥漿分布不均勻，頂管推進到漿液充盈區時相對壓力會升高。而1-2號和2-6號傳感器壓力相對變化與頂進時長呈均勻下降關系，說明底部注漿效果較好，壓力變化平穩。停止頂進時，上部1-1號和2-5號傳感器壓力消散十分顯著，而1-2號和2-6號傳感器變化幅度不明顯，說明頂部漿液逐漸向下轉移。

壓力觀測法的分析結論與沖擊映像結果相吻合。同時，沖擊映像法試驗在注漿中某一瞬間的動態分析結果與靜止狀態下數據的分析結果在質量上無差異，說明其抗干擾性強，完全可以通過濾波處理克服頂進施工中各種機械和電氣噪音的干擾。相較于壓力觀測法，沖擊映像法操作過程簡單，無需在管壁上預設孔洞，且試驗過程和測線布置均在頂管內部完成，可隨時根據設計要求調整試驗方案。同時，沖擊映像法也可以作為一種“邊推邊測”的檢測方法來獲得泥漿的動態分布和缺漿的精確位置與范圍，為頂進過程中的注漿作業提供直接數據。

5 結論

通過采用沖擊映像法對長距離頂管工程中泥漿充盈情況進行模型及現場試驗探測，并與壓力測試數據進行對比，得出以下結論：

1）沖擊映像法是以彈性波近源波場理論為基礎的檢測方法，可反映出檢測面下部層狀介質物性參數變化及接觸關系。在頂管施工中，管道、環形空間內填充介質及周圍土體構成層狀介質體系。通過將模型試驗中沖擊響應結果與設計工況對照分析，證明沖擊映像法在泥漿層厚度檢測中具有較好的適用性。

2）結合壓力觀測數據對頂進過程沖擊映像法探測結果進行分析，充分證明沖擊映像法抗干擾性強，濾波處理后完全可以忽略施工時各種機械和電氣噪音的影響。在注漿過程中邊推邊測，及時獲取頂進過程中泥漿的動態分布，為注漿作業提供直接依據。

3）現階段按泥漿充盈指數將檢測區域劃分為“無漿液”、“漿液欠充盈”和“泥漿充盈”3個等級，較為直觀地反映了頂管施工過程中的注漿質量，但對泥漿厚度的探測方面還有待研究，將來可開展數值仿真試驗研究，對數據結果進一步細化和量化，從而使注漿成本更低。

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（編輯 王秀玲）