彈性波錨桿無損檢測信號分析在隧道施工中的應用

于洋

（中鐵十四局集團第四工程有限公司，濟南 250000）

1 引言

錨桿作為復合式襯砌隧道支護中的重要組成部分，可以有效約束圍巖變形和保證施工期間的作業安全。同時，在錨桿施工質量的檢測過程中，傳統檢測方法常配合使用鉆孔、拉拔等破壞性方式，適用范圍較窄。近年來，隨著檢測技術的發展，錨桿無損檢測技術在隧道錨桿檢測中得到了大量的應用。錨桿無損檢測主要是對施工后錨桿的桿體長度和錨固段灌漿密實度進行檢測，常用的方法為沖擊彈性波法[1]。通過對濾波信號的頻譜分析，能夠較為準確地確定缺陷的種類和數量[2]，進而提高檢測的效率。

2 錨桿無損檢測原理

在錨桿無損監測的實際應用中，其基本原理為：通過振源在錨桿頂部激發一個沖擊彈性波，彈性波沿著錨桿向桿底方向傳播，當傳播到存在錨固缺陷或桿底時會發生反射形成回波信號被安裝在桿頭的傳感器接收，同時在傳播過程中沖擊彈性波的能量會向錨桿周圍介質中輻射和衰減。反射回波的能量強度和到達時間取決于錨桿長度及灌漿質量，通過對信號進行分析，可以對錨桿長度和灌漿密實度進行評價。

通過大量試驗，根據現場實測數據，分析了注漿均勻密實錨桿以及各種缺陷錨桿的圖譜及頻譜特征。各類狀態下的圖像如圖1 所示，通過對波形進行分析，可以對注漿缺陷的位置進行判斷。在注漿飽滿密實的條件下，其入射能量衰減較快，波形較為規則，一般不會出現奇異點、等波形[3]。通過對質點波形圖像的分析可以預判錨桿注漿情況。

圖1 錨桿檢測分析圖

3 隧道錨桿無損檢測工程現場試驗

葛干隧道為宣城至績溪高速鐵路單洞雙線隧道，隧址下伏基巖為鈣質頁巖，巖體較完整，邊墻采用普通φ22 mm 砂漿錨桿。本文錨桿無損檢測對象選擇此隧道進口段邊墻砂漿錨桿，檢測儀器選擇RSM-RBT(A)型錨桿無損檢測儀。每次測試時，對隧道內的同一錨桿進行3 次敲擊試驗，試驗樣本量90 個。通過對錨桿檢測圖像波形進行分析，可以得到錨桿的注漿密實情況，進而能夠得到現場錨桿的錨固質量，對各種注漿質量下的波形進行信號處理可以得到相應的頻譜信息。

4 試驗數據分析

4.1 檢測信號FFT分析

快速傅里葉變換(FFT)是對時變信號分析的常用方式，能夠較好地完成信號的時頻域轉換，首先對試驗使用濾波軟件進行濾波降噪處理，避免高頻雜波對后續計算分析的不良影響。在濾波處理過程中選擇低通濾波，上限截止頻率選擇8 000 Hz。通過對振動信號進行頻譜分析，可以有效了解不同注漿錨固質量下振動信號的頻域特征。當前，快速傅里葉變換(FFT)是一種常用的振動信號頻譜分析方法，它通過離散變換成功地解決了傳統傅里葉變換的缺點，極大地降低了計算機的運算量。錨桿注漿效果較好的典型波形圖像和FFT 計算結果如圖2 和圖3 所示，錨桿注漿效果較差的典型波形圖像和FFT 計算結果如圖4 和圖5 所示。

圖2 注漿效果較好的典型圖像（一）

圖3 注漿效果較好的典型圖像（二）

圖4 注漿效果較差的典型圖像（一）

圖5 注漿效果較差的典型圖像（二）

通過對注漿效果較好與較差的試驗數據進行對比分析，由圖2 和圖3 可以知，在水泥漿液能夠將錨桿較好包裹的條件下，外部激勵在一維桿件中衰減較為明顯，入射彈性波衰減較快，因此，現場檢測得到的實際振動波形較為規則平滑，一般不會出現奇異點等圖像，衰減趨勢較為明顯；同時在此條件下，FFT 計算結果一般是呈現單峰圖像，振動信號的能量較為集中，主要集中在主頻附近，所得振動信號主頻主要集中在4 000~5 000 Hz。

由圖4 和圖5 可以發現，在水泥漿液能夠將錨桿較差包裹的條件下，由于錨桿注漿效果較差，在軸向方向上存在不規則的缺陷，外部激勵產生的彈性波在注漿缺陷處會發生較為復雜的發射、折射等現象，入射彈性波衰減較為復雜。因此，所得圖像波形常出現奇異點等不規則圖像，波形走時較不規則，圖像較紊亂。同時在此條件下，振動信號的FFT 計算結果會出現雙峰、多峰等現象，振動信號的能量分布較為分散，振動信號主頻的離散程度也相對較大。

4.2 檢測信號S 變換分析

由于在FFT 分析中，計算結果的頻率與時間的關系無法直接體現，S 變換在吸收了傅里葉變換和小波變換的優點，其利用可變尺度的窗函數，計算結果能夠反映出時域與頻域的關系，能夠較好地反映信號的局部特征。對注漿效果較好的錨桿進行S 變換分析，結算結果如圖6 所示。由計算結果可知，在頻率譜方向上，頻帶分布相對較集中，主要頻帶范圍較窄，信號能量比較集中，其他頻帶的信號能量很弱。在時間譜方向上，所得信號時域主要分布在0~1.20 ms 范圍內，信號能量衰減較快，在1.20 ms 后圖像基本不再發生變化。

圖6 注漿較好錨桿時頻分析圖

對注漿效果較差的錨桿進行S 變換分析。由計算結果可知，在頻率譜方向上，主頻頻帶較寬，能量集中不明顯，部分算例出現了較為紊亂的能量團。在時間譜方向上，信號能量隨時間衰減較慢，存在強弱不均等現象，離散程度較高。上述現象是由于彈性波在傳遞過程中在注漿空洞處發生了復雜的反射、繞射等現象，使彈性波能量在桿體內出現多個不規則的能量團。

5 結論

1）對檢測數據進行FFT 分析，注漿較好的錨桿FFT 計算結果一般是呈現單峰圖像，振動信號的能量較為集中，主要集中在主頻附近，所得振動信號主頻主要集中在4 000~5 000 Hz。注漿效果較差的錨桿FFT 計算結果會出現雙峰、多峰等現象，振動信號的能量分布較為分散，振動信號主頻的離散程度也相對較大。

2）對檢測數據進行S 變換，注漿效果較好的錨桿在頻率譜方向上，頻帶分布相對較集中，主要頻帶范圍較窄；在時間譜方向上，信號能量隨時間衰減較快。注漿效果較差的錨桿，主頻頻帶較寬，能量集中不明顯。在時間譜方向上，信號能量隨時間衰減較慢，存在強弱不均等現象。

3）在葛干隧道的現場應用中，分析檢測信號的波形走時圖像的同時，綜合對比實驗結果的FFT 變換、S 變換頻譜特征判斷錨桿注漿狀態，可以有效地判斷注漿效果及錨桿錨固效果，為錨桿檢測提供了有效的數據支撐，應用后實際檢測效率提高了31%，顯著提高了錨桿檢測效率，可為類似工程提供借鑒。