沖擊回波聲頻法用于鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測

姜勇 吳佳曄 馬永強 鄧立

（1.中國國家鐵路集團有限公司工程質(zhì)量監(jiān)督管理局，北京 100844；2.四川升拓檢測技術(shù)股份有限公司，成都 610046；3.西南石油大學(xué)，成都 610500）

截至2019 年底，我國大陸有16 084 條全國鐵路運營隧道，全長18 041 km；2 950 條在建隧道，全長6 419 km，包括123 條特長隧道，全長1 689 km［1］。同時，新增運營線路鐵路隧道550 座，總長1 005 km；在建鐵路隧道3 477 座，總長7 465 km；規(guī)劃鐵路隧道6 327座，總長15 634 km。由此可見，隧道工程的質(zhì)量和安全，對鐵路運營有非常重要的意義，而隧道襯砌的質(zhì)量尤為重要，其質(zhì)量問題多發(fā)，主要有襯砌過度變形、裂損、剝落掉塊；二次襯砌混凝土厚度不滿足設(shè)計要求；二次襯砌背后脫空；混凝土不密實、強度不足等［2］。

根據(jù)TB 10223—2004《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》、TB 10417—2018《鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，隧道襯砌檢測方法主要為地質(zhì)雷達法、敲擊法和聲波法等。姜勇等［3］研究表明，地質(zhì)雷達法和沖擊回波法（聲波法的一種，Impact Echo）在隧道襯砌質(zhì)量檢測中聯(lián)合運用效果顯著，同時也指出了沖擊回波法在隧道襯砌檢測中存在的問題，并提出沖擊回波聲頻法（Impact Acoustic Echo）這一新型無損檢測方法。

本文對沖擊回波法基本原理及存在的問題進行闡述，引出沖擊回波聲頻法的開發(fā)背景，并對其理論基礎(chǔ)、測試對象和范圍、檢測實例及運用進行分析，以此驗證沖擊回波聲頻法的有效性。

1 沖擊回波法基本原理及問題

1.1 基本原理

沖擊回波法是一種針對結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷檢測的有效手段，由激振裝置在固體表面擊打產(chǎn)生彈性波（圖1），利用此彈性波在被測體中多次反射的特性，通過頻譜分析（如快速傅里葉變換、最大熵法等方法）來獲取結(jié)構(gòu)厚度、材質(zhì)和缺陷信息［4］（圖2）。

圖2 沖擊回波法頻譜示意

由于所采用的媒介為沖擊彈性波中P 波成分，根據(jù)頻譜分析中對應(yīng)的反射周期可以得到相應(yīng)的襯砌厚度或缺陷深度為

式中：H為襯砌結(jié)構(gòu)厚度或缺陷深度計算值，m；VP為襯砌中傳播P波的波速，km/s，可通過標(biāo)定得到；T為頻譜圖上對應(yīng)的反射時間，s。

此外，當(dāng)二次襯砌內(nèi)部存在較大規(guī)?；蜉^淺的脫空、平行及表面離縫時，從襯砌背面的入射波和反射波由于需要繞過離縫，其往復(fù)時間會有一定程度的延長，如圖3所示。

綜合沖擊回波頻譜圖上對應(yīng)缺陷的反射信息及襯砌背面反射信號的變化，可以判定襯砌厚度、缺陷的有無及位置等信息。

圖3 離縫造成沖擊彈性波滯后

1.2 應(yīng)用中的問題

盡管TB 10223—2004 已將聲波法（沖擊回波法）定義為鐵路隧道襯砌缺陷的檢測手段，但該方法幾乎沒有得到實際運用。主要原因在于隧道襯砌測試條件比較惡劣：①隧道襯砌表面常有浮塵、泥等附著物；②檢測需要使用臺車，而且往往臺車一邊行駛，一邊設(shè)置傳感器。

在實際襯砌檢測過程中，往往難以保障傳感器的穩(wěn)定設(shè)置，而傳感器的設(shè)置對采集信號的頻譜特征有很大影響。圖4顯示了不同固定方式對傳感器系統(tǒng)頻譜特性的影響，當(dāng)傳感器卓越頻率與彈性波信號特征頻率接近時會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而造成拾取信號的嚴(yán)重失真和沖擊回波法測試精度的降低。如圖5 所示，低頻區(qū)域（圖中靠右）有明顯的信號，卻不是襯砌背面的反射，因此可以推測是由于傳感器設(shè)置不當(dāng)造成的偽峰信號。

圖4 不同固定方式對傳感器頻譜特性的影響

圖5 鐵路隧道襯砌檢測MEM云圖

2 沖擊回波聲頻法原理及應(yīng)用

2.1 開發(fā)背景

敲擊法和沖擊回波法一樣，通過擊打被測體表面引起振動，進而壓縮空氣形成擊打聲，并根據(jù)擊打聲的特性判斷結(jié)構(gòu)是否存在缺陷。敲擊法由于實施快捷，并能在一定程度上彌補地質(zhì)雷達法的不足，被列入TB 10416—2018。

敲擊法也存在很多不足之處，除了受環(huán)境噪聲影響大、測試客觀性差等問題外，測試深度較淺也是一個大的固有問題。一般來說，采用人工錘擊的方式，能夠測試到的缺陷深度為10 cm 左右，而鐵路二次襯砌厚度一般在35～60 cm。因此，敲擊法只能測試非常淺的脫空等缺陷。

為此，本文結(jié)合沖擊回波法與敲擊法的長處，開發(fā)了基于聲頻的非接觸、移動式工程無損檢測方法“沖擊回波聲頻法”，為隧道質(zhì)量評估提供新的技術(shù)支撐，如圖6所示。

圖6 沖擊回波聲頻法概念及主要設(shè)備

2.2 理論基礎(chǔ)

沖擊回波聲頻法與沖擊回波法最大的不同在于用非接觸式拾音器（麥克風(fēng)），而不是傳感器來拾取敲擊點附近的振動信號。對于拾振體系，可以簡化為導(dǎo)波管，其氣柱的基本方程［5］為

式中：ρ(x，t)，v(x，t)分別為當(dāng)前位置、時間的空氣密度和流速。

由于氣體的流速很小，可以表示為靜止氣體密度ρ0和變化量ρ′(x，t)之和。同時，考慮由于氣體密度的變化會導(dǎo)致空氣壓力P和體積V變化，因此引入壓縮率κ來表述。

κ的倒數(shù)即為空氣的壓縮模量。同樣，壓力的變化也可以表示為靜止氣體壓力與變化量之和。

簡化并忽略二次項后，氣體加速度a為

根據(jù)運動學(xué)定律F=ma，可得

考慮到微小量可忽略，式（6）可簡化為

式（7）表明，在振動點附近，空氣加速度與氣壓變化的梯度成正比，這即為沖擊回波聲頻法拾振的理論基礎(chǔ)。

采用拾音器代替?zhèn)鞲衅魇罢?，在以? 方面有明顯的優(yōu)勢：

1）由于是非接觸式拾振，可避免傳感器固定不良造成的信號失真；

2）由于拾音器構(gòu)造上的特點，使得其頻域范圍廣，頻譜特性好（圖7）。由圖7 可見，如果采用合適的拾音器，在較寬的頻域范圍（0.2～20 kHz，對應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)相當(dāng)于0.1～10 m）內(nèi)均可保持大致相同的增益，非常適合沖擊回波聲頻法的分析。

圖7 典型麥克風(fēng)頻譜曲線

2.3 測試對象和范圍

姜勇等［3］指出，沖擊回波法對混凝土內(nèi)脫空等缺陷較地質(zhì)雷達法更為敏感。由于沖擊回波聲頻法繼承并發(fā)揚了沖擊回波法的優(yōu)點，針對隧道襯砌，可以檢測二次襯砌的厚度（或疑似強度不足）、密實情況、脫空等信息，如圖8和圖9所示。

圖8 襯砌本身完好類型示意

圖9 襯砌缺陷類型示意

圖10為沖擊回波聲頻法典型圖像，橫縱坐標(biāo)分別表示測試彈性波反射走時對應(yīng)的厚度值與坐標(biāo)里程，可根據(jù)設(shè)計厚度設(shè)定厚度標(biāo)定線（在標(biāo)定線左側(cè)則小于設(shè)計厚度，在標(biāo)定線右側(cè)則大于設(shè)計厚度）。

圖10 沖擊回波聲頻法典型圖像

2.4 檢測驗證實例及運用

沖擊回波聲頻法技術(shù)已在十余條鐵路在建項目近200 座隧道中得到驗證和應(yīng)用，見表1。同時，采用鉆孔取芯對沖擊回波聲頻法的檢測精度驗證過的隧道數(shù)量已達150多個，吻合度在95%以上。

表1 沖擊回波聲頻法運用統(tǒng)計

2.4.1 典型實例驗證

對襯砌結(jié)構(gòu)密實且健全、不密實、厚度不足、脫空4類典型實例進行驗證。

1）襯砌結(jié)構(gòu)密實且健全。由圖11（a）顯示的該襯砌底部反射信號可知，襯砌厚度與設(shè)計厚度基本吻合或略大于設(shè)計厚度，約為59 cm，判定該處為密實且健全。后進行鉆孔驗證，實測厚度55 cm，且混凝土密實，如圖11（b）所示。

圖11 襯砌結(jié)構(gòu)密實且健全驗證

2）襯砌結(jié)構(gòu)不密實。圖12（a）顯示該襯砌局部反射信號紊亂，且不連續(xù)，判定該處為不密實。后在相關(guān)位置進行鉆孔驗證，觀察到該處混凝土松散、不密實，如圖12（b）所示。

3）襯砌結(jié)構(gòu)欠厚。圖13（a）顯示該襯砌底部反射信號早于設(shè)計值（45 cm）較多，判定該處為欠厚。后在相關(guān)位置進行鉆孔驗證，實測厚度僅36 cm，如圖13（b）所示。

圖12 襯砌結(jié)構(gòu)不密實驗證

圖13 襯砌結(jié)構(gòu)欠厚驗證

4）襯砌結(jié)構(gòu)脫空。圖14（a）顯示該襯砌局部存在低頻脫空振動信號，判定該處為脫空。后經(jīng)鉆孔驗證，深度36 cm處開始存在脫空，如圖14（b）所示。

圖14 襯砌結(jié)構(gòu)脫空驗證

2.4.2 與地質(zhì)雷達法對比驗證

首先需要指出的是，上述4 處襯砌采用沖擊回波聲頻法進行質(zhì)量檢測判定結(jié)果與鉆孔驗證結(jié)果均吻合，而地質(zhì)雷達法當(dāng)時的判定結(jié)果與實際情況均存在較大差異。

當(dāng)襯砌層中存在密集鋼筋網(wǎng)尤其是雙層鋼筋網(wǎng)時，雷達波信號很難透過鋼筋網(wǎng)，從而無法有效對鋼筋網(wǎng)底部結(jié)構(gòu)進行有效檢測，而鋼筋層對彈性波幾乎不造成影響。

1）雙層鋼筋網(wǎng)下襯砌結(jié)構(gòu)超厚及欠厚。圖15 為一隧道某段相同測線的地質(zhì)雷達法與沖擊回波聲頻法檢測結(jié)果。地質(zhì)雷達圖中，強烈的鋼筋反射掩蓋了二次襯砌底部的反射，很難判定厚度情況。但根據(jù)沖擊回波聲頻法檢測云圖，二次襯砌底部反射信號清晰可見，可判定該段二次襯砌欠厚。后鉆孔驗證，設(shè)計厚度50 cm，實測厚度37 cm，欠厚，與沖擊回波聲頻檢測結(jié)果一致。

圖15 雙層鋼筋網(wǎng)下襯砌結(jié)構(gòu)超厚及欠厚

2）單層鋼筋網(wǎng)下襯砌結(jié)構(gòu)脫空及欠厚。圖16 為某隧道襯砌（單層鋼筋網(wǎng)）的地質(zhì)雷達法與沖擊回波聲頻法檢測結(jié)果。在地質(zhì)雷達圖中，鋼筋網(wǎng)信號仍然反射明顯，使得難以對該段襯砌缺陷進行明確判定。而沖擊回波聲頻法二次襯砌底部反射信號鮮明，反射時間小于設(shè)計值，且存在明顯低頻脫空振動信號，可判定該段存在欠厚且存在脫空。后鉆孔驗證，設(shè)計厚度為45 cm，實測厚度30 cm，二次襯砌后存在約20 cm脫空。

圖16 單層鋼筋網(wǎng)下襯砌結(jié)構(gòu)脫空及欠厚

3 結(jié)論

大量的鐵路隧道襯砌現(xiàn)場檢測驗證和應(yīng)用表明，沖擊回波聲頻法針對地質(zhì)雷達法的一些檢測盲區(qū)（如雙層鋼筋網(wǎng)），以及鈍感區(qū)域（如表層脫空、不密實缺陷等）有良好的補充效果，且具有如下明顯的優(yōu)點：

1）非接觸式檢測，對襯砌厚度、脫空、不密實等測試結(jié)果的重復(fù)性、穩(wěn)定性很好；

2）受鋼筋、水分等影響小，測試精度高；

3）檢測結(jié)果圖識別簡單明了。

沖擊回波聲頻法尚存在一些問題，如測試效率仍低于地質(zhì)雷達法；僅能測試二次襯砌，無法透過防水板測試初期支護和圍巖的狀態(tài)；測試厚度的精度取決于彈性波波速的標(biāo)定精度等。在以后的應(yīng)用中應(yīng)進一步改良，為我國土木工程行業(yè)的質(zhì)量、安全保障做出更大貢獻。