超聲波平測(cè)法在隧道二襯裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用

鄒威波,陳書平,杜勇立,何現(xiàn)啟,彭凌星，朱自強(qiáng)

(1.湖南省馬安高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 安化 410000;2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院,湖南 長(zhǎng)沙 410008；3.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

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超聲波平測(cè)法在隧道二襯裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用

鄒威波1,陳書平1,杜勇立2,何現(xiàn)啟2,彭凌星2，朱自強(qiáng)3

(1.湖南省馬安高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 安化 410000;2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院,湖南 長(zhǎng)沙 410008；3.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

隨著山區(qū)高速公路的不斷發(fā)展，隧道應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，且隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，隧道病害越來(lái)越多，其中影響較大的是二襯開裂，一方面影響隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，另一方面引起隧道滲水。因此對(duì)隧道裂縫的檢測(cè)及加固顯得越來(lái)越重要。超聲波作為裂縫無(wú)損檢測(cè)方法具有穿透能力強(qiáng)，檢測(cè)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在混凝土橋梁、隧道等大體積混凝土質(zhì)量檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。利用超聲脈沖波在混凝土中傳播的時(shí)間，接收波的振幅、頻率和波形等聲學(xué)參數(shù)的相對(duì)變化，可判斷混凝土內(nèi)部的充填狀態(tài)、裂縫深度等。隧道襯砌只具有一個(gè)面，檢測(cè)時(shí)只能采用平測(cè)法，平測(cè)時(shí)應(yīng)在裂縫的被測(cè)部位，以不同的測(cè)距，按跨縫和不跨裂縫布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，通過對(duì)比分析判定裂縫的充填狀態(tài)及其發(fā)育深度。將超聲波法與裂縫寬度檢測(cè)儀綜合使用，同時(shí)探測(cè)裂縫的寬度及發(fā)育深度，并將檢測(cè)結(jié)果采用Matlab軟件進(jìn)行三維顯示，使結(jié)果更為簡(jiǎn)潔、直觀，為后期的加固設(shè)計(jì)、施工提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

超聲波；平測(cè)法；裂縫寬度；裂縫深度；走時(shí)

1 引 言

混凝土是公路建設(shè)中廣泛使用的材料，但是伴隨著它的生產(chǎn)與應(yīng)用，其裂縫問題也一直受到廣泛的關(guān)注?；炷两Y(jié)構(gòu)的裂縫不僅影響橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)的美觀，更主要的是影響這些結(jié)構(gòu)的正常使用與耐久性。當(dāng)結(jié)構(gòu)的裂縫寬度達(dá)到一定大小時(shí)，可能危及橋梁、隧道結(jié)構(gòu)安全。大量科研和實(shí)踐都證明了混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫是不可避免的，但要求將其有害程度控制在允許范圍(國(guó)家有關(guān)規(guī)范)內(nèi)。為此，需要加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的檢測(cè)和評(píng)估。目前針對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土的無(wú)損檢測(cè)最常用的方法是超聲脈沖法[1,2]。

超聲波檢測(cè)方法具有穿透能力強(qiáng)，檢測(cè)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在混凝土大壩、橋墩、橋臺(tái)、承臺(tái)、灌注樁等大體積混凝土質(zhì)量檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用[2,3]。近年來(lái)，其檢測(cè)的應(yīng)用范圍和應(yīng)用深度也不斷擴(kuò)大，從地面上部結(jié)構(gòu)的檢測(cè)發(fā)展到地下結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，從一般小構(gòu)件的檢測(cè)發(fā)展到大體積混凝土的檢測(cè)，從單一測(cè)強(qiáng)發(fā)展到測(cè)強(qiáng)、測(cè)裂縫、測(cè)缺陷、測(cè)破壞層厚度、測(cè)彈性參數(shù)的全面檢測(cè)[4,5]。1990 年，我國(guó)頒布了《超聲波檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》， 2000 年又頒布了新修訂的《超聲波檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》[6]。

2 檢測(cè)原理及方法

混凝土超聲波探測(cè)儀的工作原理為：由脈沖發(fā)生器發(fā)射超聲波脈沖，通過發(fā)射和接收傳感器，測(cè)量脈沖傳輸時(shí)間。脈沖速度的計(jì)算公式為：v=s/t。式中：v為脈沖速度(km/s);s為路徑(mm)；t為傳輸時(shí)間(μs)[7，8]。

低頻超聲脈沖不能直接通過脈沖路徑上的空隙，因此，通過混凝土超聲波探測(cè)儀顯示的最快路徑繞行所用的時(shí)間可以確定空隙的位置。根據(jù)超聲波的這一特性，可以判定混凝土內(nèi)部的狀態(tài)和裂縫情況[2,9]。

裂縫深度采用超聲脈沖法進(jìn)行檢測(cè)，利用脈沖波在混凝土中傳播的時(shí)間，接收波的振幅、頻率和波形等聲學(xué)參數(shù)的相對(duì)變化，來(lái)判斷混凝土內(nèi)部的狀態(tài)、裂縫情況、裂縫深度[1，7,10]。

由于隧道結(jié)構(gòu)的裂縫部位只有一個(gè)可測(cè)表面，因此采用單面平測(cè)法[11-14]。平測(cè)時(shí)應(yīng)在裂縫的被測(cè)部位，以不同的測(cè)距，按跨縫和不跨裂縫布置測(cè)點(diǎn)(布置測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)避開鋼筋的影響)進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)步驟為：

1)不跨縫的聲時(shí)測(cè)量。將發(fā)射T和接收R換能器置于裂縫附近同一側(cè)，以兩個(gè)換能器內(nèi)邊緣間距l(xiāng)′等于100、150、200、250 mm、……，分別讀取聲時(shí)值(ti)，繪制“時(shí)-距”坐標(biāo)圖，或用回歸分析的方法求出聲時(shí)與測(cè)距之間的回歸直線方程，如圖1所示。

3)平測(cè)法檢測(cè)，裂縫深度應(yīng)按下式計(jì)算：

圖1 平測(cè)時(shí)距曲線Fig.1 Time distance curve

(1)

(2)

4)裂縫深度的確定。①跨縫測(cè)量中，當(dāng)在某測(cè)距發(fā)現(xiàn)首波反相時(shí)，可用該測(cè)距及兩個(gè)相鄰的測(cè)量值按式(1)計(jì)算hci值，取此三點(diǎn)hci的平均值作為該裂縫的深度值(hc)；②跨縫測(cè)量中如難于發(fā)現(xiàn)首波反相，則以不同測(cè)距按式(1)、式(2)計(jì)算hci及其平均值mhc。將各測(cè)距Li′與mhc相比較， 凡測(cè)距Li′小于mhc和大于3mhc，應(yīng)剔除該組數(shù)據(jù)，然后取余下hci的平均值，作為該裂縫的深度值hc，圖1為不跨縫檢測(cè)時(shí)距曲線，圖2為跨縫檢測(cè)示意圖。

圖2 跨縫檢測(cè)示意圖Fig.2 Diagram of cross-stitch detection

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

所檢測(cè)的麻栗場(chǎng)隧道位于湘西自治州花垣縣麻栗場(chǎng)鎮(zhèn)，是一座雙向四車道高速公路分離式長(zhǎng)隧道。由于二襯表面已涂一層約1.2 cm的防火涂料，表面凹凸不平，不利于探頭耦合，且防火涂料對(duì)超聲波具有較強(qiáng)的衰減作用，因此為確保檢測(cè)質(zhì)量，特要求將裂縫上下各20 cm寬度范圍內(nèi)的防火涂料去除干凈，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)如圖3所示，圖4為超聲波檢測(cè)混凝土裂縫深度數(shù)學(xué)模型。

依據(jù)裂縫分布情況，沿裂縫延伸方向每40 cm布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，用粉筆標(biāo)記好點(diǎn)位，然后用直尺確定每個(gè)測(cè)點(diǎn)到邊溝蓋的高度確定每個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置，再用裂縫寬度測(cè)試儀(KON-FK(O))測(cè)量裂縫的寬度，最后檢測(cè)裂縫的深度。

圖3 去除防火涂料前后對(duì)照Fig.3 Before and after the removal of fire-resistant coating

圖4 超聲波檢測(cè)裂縫深度數(shù)學(xué)模型Fig.4 Ultrasonic detection of crack depth mathematic model

考慮到隧道二襯內(nèi)邊墻范圍的鋼筋為垂直方向，超聲波檢測(cè)探頭的布置與垂直方向呈一45°的夾角。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，確定K31+840～K31+855范圍裂縫深度變化較大，因此測(cè)點(diǎn)較密(間距40 cm)，K31+855～K31+863范圍裂縫深度變化較小，因此測(cè)點(diǎn)較疏(間距80 cm)。圖5為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)相片F(xiàn)ig.5 Photos of the field test

4 檢測(cè)結(jié)果

下面以40#、41#測(cè)點(diǎn)為例說明計(jì)算過程，其他測(cè)點(diǎn)參照計(jì)算。測(cè)點(diǎn)的不跨縫數(shù)據(jù)測(cè)試距離及聲時(shí)如表1所示。

表1 40#測(cè)點(diǎn)不跨縫測(cè)試參數(shù)

圖6為40#點(diǎn)的不跨縫檢測(cè)數(shù)據(jù)，圖7為不跨縫檢測(cè)時(shí)距曲線。由公式v=s/t，可得到超聲波的速度為2.14 km/s?？缈p參數(shù)如表2所示。

圖8為跨縫檢測(cè)單外波形圖，圖9為跨縫檢測(cè)波列數(shù)據(jù)。將聲時(shí)、距離參數(shù)代入公式(1)計(jì)算可得裂縫深度hci,將滿足要求的兩個(gè)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行平均可得到該點(diǎn)的裂縫深度為46.95 mm。

表2 41#測(cè)點(diǎn)跨縫測(cè)試參數(shù)

圖6 不跨縫數(shù)據(jù)Fig.6 Non-cross-stitch data

圖7 不跨縫距離-時(shí)間曲線Fig.7 Time-distance curve

圖8 跨縫單列波形Fig.8 Single wave

圖9 跨縫檢測(cè)數(shù)據(jù)Fig.9 Cross-stitch data

詳細(xì)檢測(cè)數(shù)據(jù)成果見表3。

表3 裂縫檢測(cè)成果

采用Matlab繪制的裂縫展布圖見圖10～圖12。其中，圖10藍(lán)色線條的粗細(xì)反映了裂縫的寬度。

圖10 裂縫展布(裂縫距離邊溝蓋板高度)Fig.10 Fracture spread (height from cover of ditch to fracture)

圖11 裂縫展布(裂縫深度3D)Fig.11 Fracture spread (depth of fracture in 3D)

圖12 裂縫展布(裂縫深度2D)Fig.12 Fracture spread(depth of fracture in 2D)

5 結(jié)論及建議

根據(jù)以上數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)情況分析可知，在K31+848～K31+850以及K31+854～K31+856位置，超聲波有效信號(hào)較弱，且數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示裂縫深度較深，局部已經(jīng)貫穿整個(gè)二襯，但由于超聲波平面檢測(cè)法只能檢測(cè)60 cm以內(nèi)的裂縫，因此K31+848～K31+850以及K31+854～K31+856段裂縫在深部是否有發(fā)育，需采用其他方法進(jìn)一步確認(rèn)。除滅火裝置及緊急電話位置無(wú)法確定外，其余檢測(cè)段裂縫均已貫通，且在K31+854～K31+856附近有沿襯砌槎位置發(fā)展的跡象，需進(jìn)一步確定裂縫性質(zhì)及形成機(jī)理。

另?yè)?jù)相關(guān)地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)施工情況調(diào)查，隧道巖溶較發(fā)育，地下水較豐富，建議采用其他方法進(jìn)一步探明襯砌背后圍巖情況、回填密實(shí)情況、襯砌厚度和富水狀態(tài)。

若為結(jié)構(gòu)性裂縫，需先進(jìn)行加固，再進(jìn)行裂縫本身修補(bǔ)；若為非結(jié)構(gòu)性裂縫，可直接采用鉆孔注漿法修補(bǔ)裂縫。裂縫處治前后需對(duì)裂縫進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，觀察裂縫的發(fā)展情況。

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The Application of Ultrasonic Plane Testing Method to Crack Depth Inspection of Tunnel Lining

Zou Weibo1,Chen Shuping1,Du Yongli2,He Xianqi1,Peng Lingxing1，Zhu Ziqiang2

(1.HunanMa’anExpresswayConstructionandDevelopmentCo.,Ltd.,AnhuaHunan410000,China;2.HunanProvincialCommunicationsPlanning,Survey&DesignInstitute,ChangshaHunan410008,China;3.SchoolofGeosciencesandInfo-physics,CentralSouthUniversity,ChangshaHunan410083,China)

Tunnel engineering is widely used with the continuous development of highway construction in mountain area,and more and more disease is appearing as the growth of operating time,among which lining cracking has a greater impact. On the one hand,it affects the stability of the tunnel structure,but on the other hand,it causes seepage,so the detection of cracks and cracks reinforcement become increasingly important.Ultrasonic method with powerful penetrating ability,low cost is widely used in bridges,tunnels and other mass concrete quality detection.Travel time of ultrasonic pulse wave propagation in concrete,the relative change in amplitude,frequency and waveform and other acoustic parameters of the received wave can be used to assess filled state and depth of fracture within the concrete.Tunnel lining has only one surface,so just the plane detection method can be used. The measuring point should be arranged at the site of fracture in different range,and it should be arranged in two ways: cross fracture does not cross fracture,and through comparative analysis filling state and development depth of fracture can be detected. In this paper,the ultrasonic method and width detector are used simultaneously,and both the width and depth of the fracture are detected,and test results are displayed in three-dimensional form using Matlab software which makes the results more simple and intuitive,and provides a solid foundation for reinforcement design and construction in the late.

Ultrasonic wave; plane detection method; width of fracture; depth of fracture; taveltime

1672—7940(2016)06—0733—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.008

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：41174061)

鄒威波(1983-)，男，工程師，主要從事高速公路施工質(zhì)量管理研究。E-mial:191158616@qq.com

P631.5

A

2016-02-17