沖擊彈性波法在遼寧長(zhǎng)大隧道二襯質(zhì)檢的應(yīng)用

劉政金

(遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

大量的理論研究與工程實(shí)踐表明，水工隧道二襯脫空問(wèn)題對(duì)隧道的永久運(yùn)行埋下了巨大安全隱患。初期支護(hù)在隧道施工期間只是起到臨時(shí)支護(hù)作用，隧道二襯則是工程運(yùn)行的永久結(jié)構(gòu)，承載著周?chē)鷰r體的松散壓力[1- 3]。二次襯砌能否結(jié)合固結(jié)灌漿、回填灌漿與周?chē)鷰r體形成整體，至關(guān)重要。因此，二次襯砌背后的脫空檢測(cè)是必須開(kāi)展的[4]。目前，常用的檢測(cè)方法分為有損檢測(cè)與無(wú)損檢測(cè)2大類(lèi)。有損檢測(cè)如通過(guò)在已襯砌部位鉆芯，特點(diǎn)是效率低、代表性差、取后需修補(bǔ)，破壞其整體性；無(wú)損檢測(cè)如沖擊彈性波法、地質(zhì)雷達(dá)法等，特點(diǎn)是效率高、可多組檢測(cè)、分辨率高、不必破壞已襯砌結(jié)構(gòu)[5- 6]。2類(lèi)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，有損檢測(cè)雖檢測(cè)結(jié)果直觀、可靠，但其檢測(cè)效率低下，且破壞了襯砌結(jié)構(gòu)整體性，無(wú)損檢測(cè)雖檢測(cè)效率高、但其檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性不如有損檢測(cè)高，有時(shí)候需要依賴(lài)工程人員的工程經(jīng)驗(yàn)，2種方法應(yīng)辯證使用[7]。

1 二襯脫空危害及防治措施

1.1 二襯脫空危害

導(dǎo)致隧道二次襯砌脫空的原因可能有很多種，如緊前工序的初期支護(hù)面不平、型鋼鋼架背后噴射混凝土不密實(shí)、拱部預(yù)埋管不到位、補(bǔ)注漿不到位、液壓鋼模襯砌臺(tái)車(chē)撐靴支撐不牢固、泵送口角度不合理、地泵壓力不足、振搗不密實(shí)等。無(wú)論何種原因造成的隧道二襯脫空結(jié)果，都將會(huì)對(duì)隧道的安全運(yùn)行產(chǎn)生極大的隱患[8]。

常規(guī)拱部設(shè)計(jì)不配置鋼筋，一方面二襯頂拱脫空時(shí)，拱部可視為彎矩部位，由于脫空受拉，可導(dǎo)致開(kāi)裂、滲水、鋼筋腐蝕等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致永久結(jié)構(gòu)的破壞。另一方面襯砌混凝土的脫空，使得圍巖失去應(yīng)有的支撐，可增大徐變，造成巖體松弛，對(duì)洞室穩(wěn)定極為不利。因此，需要對(duì)已完隧道二襯部位及早進(jìn)行混凝土缺陷及脫空檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，只有這樣才能使隧道長(zhǎng)期、安全發(fā)揮正常使用功能[9]。

1.2 二襯脫空防治措施

隧道的很多部位屬于隱蔽工程，工程完工后，短時(shí)期內(nèi)很難通過(guò)外觀發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，這樣就需要建設(shè)者在施工過(guò)程中嚴(yán)格控制質(zhì)量，才能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)對(duì)使用功能的要求。

(1)開(kāi)挖階段采用鉆爆法施工時(shí)，需要根據(jù)不同圍巖地質(zhì)條件，科學(xué)合理設(shè)計(jì)爆破參數(shù)并結(jié)合爆破效果不斷優(yōu)化爆破參數(shù)，保證開(kāi)挖斷面符合設(shè)計(jì)質(zhì)量要求。

(2)嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)交底制度，在初期支護(hù)時(shí)設(shè)置好噴射混凝土厚度，施工過(guò)程中，嚴(yán)格控制初期支護(hù)厚度及噴射混凝土表面平整度。

(3)防水板安裝時(shí)應(yīng)保證松緊有度，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求布置固定點(diǎn)、相互間搭接長(zhǎng)度，并施工到位。

(5)嚴(yán)格按照混凝土施工規(guī)范開(kāi)展施工，嚴(yán)控澆筑工序、振搗質(zhì)量等關(guān)鍵工序。

鑒于二襯脫空的危害性，在加強(qiáng)施工過(guò)程質(zhì)量控制的同時(shí)，需要及時(shí)跟進(jìn)質(zhì)量檢測(cè)，尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生破壞的沖擊彈性波無(wú)損檢測(cè)方法的應(yīng)用，隧道的質(zhì)量控制顯得尤為重要。

2 沖擊彈性波法

2.1 彈性波的反射特性

彈性波在不同介質(zhì)邊界發(fā)生反射現(xiàn)象，這是隧道二次襯砌混凝土脫空檢測(cè)所需要的。當(dāng)彈性波遇結(jié)構(gòu)材質(zhì)變化或截面變化時(shí)，一般反映為機(jī)械阻抗變化：

z=ρ·c·A

(1)

式中，z—機(jī)械阻抗；ρ—結(jié)構(gòu)材料質(zhì)密度；c—彈性波傳播速度；A—斷面橫截面積。

在機(jī)械阻抗發(fā)生變化的界面上，傳播的彈性波將產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象[11- 12]。如圖1所示。

圖1 機(jī)械阻抗面變化時(shí)的反射和透過(guò)示意圖

界面上，物體內(nèi)部彈性波產(chǎn)生壓力和粒子速度保持連續(xù)，則有：

P1+P3=P2

(2)

v1+v3=v2

(3)

若僅考慮一維情況，壓力P可表示為：

基于OCS調(diào)制的可調(diào)諧多倍頻毫米波信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖1.方案中使用光場(chǎng)為 Ecexp(jωct)的可調(diào)諧激光器 (Tunable Laser, TL) 作為光源，射頻(Radio Frequency, RF)信號(hào)通過(guò)一個(gè)雙驅(qū)動(dòng)馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器(Dual-driving Mach-Zehnder modulator, DD-MZM)調(diào)制到光載波上.調(diào)節(jié)DD-MZM參數(shù)，使其工作在最小偏置點(diǎn)且兩臂的相位差為π，以實(shí)現(xiàn)OCS調(diào)制.DD-MZM的輸出信號(hào)的光場(chǎng)Eout表示為

P=EAε

(4)

由P=-ρ·c·A·v=-z·v，可得：

反射波：

(5)

透過(guò)波：

(6)

如果將反射波和透過(guò)波用振幅率表示，則有：

振幅反射率：

(7)

振幅透過(guò)率：

(8)

典型材料阻抗值見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，就算媒介材料不同，而機(jī)械阻抗相同(z1=z2)，也不會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)；2種介質(zhì)機(jī)械阻抗差別越大，反射率也越大。

表1 典型材料阻抗值表 單位：106kg/(m2·s)

2.2 同一媒介中有不同夾層情況

一種媒介中夾有其他材料時(shí)，在媒介1(z1=ρ1v1A1)和媒介2(z2=ρ2v2A2)交界處會(huì)產(chǎn)生透過(guò)和反射情況。有夾層時(shí)彈性波的反射示意圖如圖2所示。

圖2 有夾層時(shí)彈性波的反射示意圖

振幅的透過(guò)率T為：

(9)

式中，T—振幅的透過(guò)率(絕對(duì)值)；k2—媒介2的波數(shù)；L—媒介2的長(zhǎng)度。

同樣可以得到振幅反射率的絕對(duì)值R：

(10)

可見(jiàn)，在有不同媒介介入的場(chǎng)合下，反射(通過(guò))率與頻率有關(guān)，高頻波容易反射；在特定的頻率下，反射波消失。

當(dāng)混凝土襯砌結(jié)構(gòu)中存在厚度為D的脫空時(shí)，可視其為夾層。利用式(9)和式(10)，可以計(jì)算得到彈性波的反射率。因?yàn)榭諝饷芏群苄?、波速很低，其機(jī)械阻抗接近零，彈性波對(duì)空氣夾層很敏感[3- 5]。

圖3 脫空檢測(cè)示意圖

3 工程應(yīng)用

3.1 概述

遼寧省重點(diǎn)輸供水工程3段隧洞施工一標(biāo)2#洞進(jìn)口襯砌段，Ⅳ類(lèi)圍巖設(shè)計(jì)初期支護(hù)采用C30噴射混凝土設(shè)計(jì)厚度15cm，然后澆筑40cm厚的C35襯砌混凝土。由于施工過(guò)程中樁號(hào)C0+020—C0+032段抗浮穩(wěn)定撐靴移動(dòng)，為確定是否因?yàn)榭垢≡O(shè)施移動(dòng)造成剝離缺陷，采用沖擊彈性波法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。如圖3所示。

3.2 測(cè)試結(jié)果

分別選取受抗浮撐靴移動(dòng)影響和未受任何影響的澆筑塊各1個(gè)，每個(gè)澆筑塊設(shè)置測(cè)點(diǎn)200個(gè)，沿隧道徑向分20列，每列10個(gè)點(diǎn)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分別進(jìn)行IE分析和誘導(dǎo)振動(dòng)分析。以頂拱為例，其脫空指數(shù)等值線(xiàn)云圖如圖4所示。

圖4 混凝土脫空缺陷檢測(cè)云圖

可以看出，沿x軸方向脫空位置位于0.59～0.98m，沿y軸方向脫空位置位于0.22～0.68m，反射線(xiàn)路延長(zhǎng)，說(shuō)明該位置有脫空的可能性，其平面位置與脫空云圖一致。

4 結(jié)論

(1)混凝土無(wú)損檢測(cè)常用的沖擊彈性波法具有能量大、測(cè)試距離遠(yuǎn)且適用于頻譜分析等特點(diǎn)，可較為準(zhǔn)確地檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷。

(2)沖擊彈性波法測(cè)試范圍寬，從數(shù)厘米到數(shù)米，并可單面測(cè)試。波速易標(biāo)定，受鋼筋影響小，測(cè)試精度高。

(3)混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在不損害結(jié)構(gòu)構(gòu)件、方便、快捷，缺點(diǎn)是與標(biāo)準(zhǔn)方法(試塊)做比較時(shí)，有一定誤差，需要一定的人為施工經(jīng)驗(yàn)。

(4)沖擊彈性波有更廣泛的適用范圍，能夠準(zhǔn)確判定脫空位置及脫空面積，實(shí)現(xiàn)由線(xiàn)到面的檢測(cè)評(píng)價(jià)，相對(duì)于其他無(wú)損檢測(cè)方法更直觀。對(duì)同類(lèi)工程有一定的指導(dǎo)意義。