管片壁后灌漿質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)研究及應(yīng)用

馬若龍 姜文龍 呂阿談 張憲君 周錫芳 謝向文

摘 要：TBM隧洞豆礫石回填灌漿及盾構(gòu)隧洞壁后注漿是水利工程隧洞施工中非常重要的環(huán)節(jié)，其施工質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)隧洞的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，如何對(duì)壁后注漿質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。分析了目前壁后注漿檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀，結(jié)合壁后注漿檢測(cè)難點(diǎn)研究了基于超聲橫波的管片壁后回填灌漿檢測(cè)技術(shù)，并提出將多道疊前偏移成像技術(shù)應(yīng)用于回填灌漿質(zhì)量檢測(cè)，最后在實(shí)際工程中進(jìn)行了效果驗(yàn)證，證明了該技術(shù)可有效解決TBM隧洞豆礫石回填灌漿及盾構(gòu)隧洞壁后注漿效果無(wú)損檢測(cè)的行業(yè)技術(shù)難題，且檢測(cè)精度較傳統(tǒng)方法大幅提高。

關(guān)鍵詞：TBM隧洞;盾構(gòu)隧洞;管片襯砌;注漿效果;超聲陣列法;無(wú)損檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV543.8;TV698.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.025

引用格式：馬若龍，姜文龍，呂阿談，等.管片壁后灌漿質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)研究及應(yīng)用[J].人民黃河，2021，43（8）：139-143.

Abstract： The backfill grouting of the TBM tunnel with pea gravel and the back grouting of the shield tunnel wall are both very important links in the construction of hydraulic engineering tunnels， the quality of grouting is directly related to the long-term safe operation of the tunnel. This paper analyzed the current situation of backfill grouting detection technology， and used ultrasonic transverse wave reflection technology to analyze and research the backfill grouting detection technology of pipe segments， and combined actual engineering cases to verify the detection effect. The related application shows that the ultrasonic transverse wave array imaging technology can effectively solve the technical issues of the non-destructive inspection of the TBM tunnel pea gravel backfill grouting and the shield tunnel wall back grouting effect， and the inspection effect is greatly improved compared with the existing geological radar method

Key words： TBM tunnel; shield tunnel; segment lining; grouting quality; ultrasound array reflection; non-destructive testing

1 前 言

豆礫石回填灌漿是水利工程TBM隧洞施工過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到隧洞的襯砌質(zhì)量及整個(gè)隧洞的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。其作用主要是通過(guò)豆礫石灌漿體，在管片和隧洞圍巖之間形成起連接作用的過(guò)渡層，均勻傳遞巖體及內(nèi)、外水壓力，并形成防止外水的第一道屏障。在施工過(guò)程中，灌漿體還要承擔(dān)支撐襯砌管片的作用。一般的工藝流程為：豆礫石吹填→按順序灌漿→取芯檢驗(yàn)→補(bǔ)灌（芯樣不合格）→重新取芯檢驗(yàn)（芯樣不合格情況下）→合格[1]。

在盾構(gòu)法施工隧洞中，壁后注漿是必不可少的重要環(huán)節(jié)之一。注漿質(zhì)量不僅影響到地面的沉降和變形，還關(guān)系到隧洞運(yùn)行期間的滲漏水病害。另外，注漿層作為管片的“保護(hù)層”，在隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定初期還可起到加強(qiáng)管片整體受力性能的作用。

但受制于操作空間、施工工藝及地質(zhì)條件等多方面因素的影響，回填灌漿和壁后注漿這兩項(xiàng)工作在施工和質(zhì)量控制上都有很大的難度，成為T(mén)BM及盾構(gòu)隧洞施工中一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作和技術(shù)難題。對(duì)其施工質(zhì)量的檢測(cè)也是各參建方非常關(guān)注的方面。

檢測(cè)豆礫石回填灌漿質(zhì)量的傳統(tǒng)方法包括鉆孔取芯、壓漿、壓水等[2-8]。最直接的方法是取芯觀察，國(guó)內(nèi)外暫時(shí)沒(méi)有比較系統(tǒng)和完整的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，取芯一般為100 m長(zhǎng)洞段取3個(gè)左右，遇到特殊情況時(shí)可加密取芯。其主要缺點(diǎn)屬于“點(diǎn)”狀檢測(cè)，且取芯過(guò)程中為了避免對(duì)管片本身造成破壞，一般選擇在預(yù)留孔位置進(jìn)行取樣，代表性有限。在無(wú)損檢測(cè)方面，目前還未見(jiàn)比較成功的檢測(cè)方法。

盾構(gòu)隧洞管片壁后注漿質(zhì)量檢測(cè)的傳統(tǒng)方法常基于經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合盾構(gòu)建筑空間理論對(duì)注漿量或注漿壓力進(jìn)行控制，或根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)隧洞和地表的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)決定是否進(jìn)行二次注漿或補(bǔ)充灌漿，在時(shí)間上存在滯后性[3]。

在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)方面，常規(guī)手段多獲取混凝土結(jié)構(gòu)破壞信息[4-14]，對(duì)注漿層質(zhì)量無(wú)法有效開(kāi)展檢測(cè)。黃宏偉等[3，10]利用探地雷達(dá)探測(cè)到盾構(gòu)隧道壁后注漿的分布形態(tài)，其主要根據(jù)電磁波在注漿層與管片和地層的分界面處發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，利用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)注漿層進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別;趙永輝等[12]對(duì)盾構(gòu)隧道壁后注漿的典型病害特征進(jìn)行正演模擬，提出基于一致性信息的相消法去除管片中鋼筋的散射波場(chǎng);王志高等[9]采用希爾伯特-黃變換濾除了部分雷達(dá)圖像的干擾，取得了一定的效果。

理論上，探地雷達(dá)方法可以探測(cè)到管片壁后注漿體的形態(tài)，但在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，雷達(dá)信號(hào)受到管片中密集的鋼筋網(wǎng)及隧洞中其他電磁波信號(hào)的干擾，檢測(cè)精度較低，不利于對(duì)壁后注漿效果進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)和評(píng)價(jià)[10]。為方便敘述，本文將以上兩種檢測(cè)統(tǒng)稱(chēng)為管片壁后灌漿質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)。

2 超聲橫波檢測(cè)理論

如前所述，受管片中密集鋼筋網(wǎng)的影響，傳統(tǒng)的地質(zhì)雷達(dá)法等方法檢測(cè)豆礫石回填灌漿及管片壁后注漿效果存在很大限制，檢測(cè)精度較低。為提高回填灌漿質(zhì)量檢測(cè)精度，本文以超聲橫波反射為基礎(chǔ)，結(jié)合信號(hào)保幅處理和疊前偏移成像技術(shù)[11]，對(duì)回填灌漿質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

電磁波受鋼筋干擾較為嚴(yán)重，獲取的信號(hào)對(duì)于高分辨率和高精度解釋難度較大。彈性波信號(hào)受鋼筋的干擾相對(duì)較小，但縱波激發(fā)方式存在直達(dá)波與反射波交織情況，原因是縱波波速相對(duì)偏高，導(dǎo)致反射波出現(xiàn)時(shí)間很短。在一定程度上，縱波的直達(dá)波尚未結(jié)束反射波就到達(dá)，導(dǎo)致縱波的應(yīng)用受限。另外，可同時(shí)在彈性體中傳播的橫波因傳播速度較低而在直達(dá)波分離方面具有一定優(yōu)勢(shì)，且橫波涉及剪切而不是擠壓，使顆粒在橫向運(yùn)移。因?yàn)樵谝后w或氣體內(nèi)不可能發(fā)生剪切運(yùn)動(dòng)，所以橫波不能在它們中傳播。因此，對(duì)于回填灌漿中的孔隙等特征，橫波反射將更加強(qiáng)烈。關(guān)于縱橫波的關(guān)系進(jìn)行如下分析。

影響介質(zhì)傳播速度的主要因素為介質(zhì)的剪切模量、壓縮模量、密度等，介質(zhì)中波的傳播速度可表示為

式中：vp、vs分別為介質(zhì)的縱波波速和橫波波速;ρ為介質(zhì)密度;λ為拉梅系數(shù);μ為剪切模量;E為楊氏模量;σ為泊松比。

以混凝土為例，其縱波速度約為5 000 m/s，橫波速度約為2 500 m/s，橫波反射的時(shí)差是縱波時(shí)差的2倍，因此可有效把底部結(jié)構(gòu)的反射波分離出來(lái)。同時(shí)，橫波尖脈沖相比縱波的更難獲取，但近年來(lái)俄羅斯相關(guān)機(jī)構(gòu)通過(guò)干耦合探頭有效實(shí)現(xiàn)了10 kHz信號(hào)的脈沖信號(hào)獲取，為超聲橫波的有效利用提供了基本的信號(hào)支撐。

圖1為利用10 kHz橫波對(duì)管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果。圖1所示數(shù)據(jù)為發(fā)射點(diǎn)不動(dòng)，接收點(diǎn)按照一定的距離共設(shè)11個(gè)，獲得的直達(dá)波和反射波可實(shí)現(xiàn)有效分離，且相關(guān)信號(hào)的直達(dá)波與管片底部反射波明顯發(fā)育，表明其幾乎不受鋼筋的影響，這為利用超聲橫波進(jìn)行回填灌漿質(zhì)量檢測(cè)打下了基礎(chǔ)。

綜上分析，由于橫波屬于剪切波，其不在流體中傳播，因此理論上橫波在空氣和水中的波速近乎為0，橫波對(duì)缺陷的分辨能力強(qiáng)于縱波。對(duì)于回填灌漿檢測(cè)，可以用圖2進(jìn)行表示，當(dāng)橫波信號(hào)入射到管片表面時(shí)，橫波遇到管片與圍巖之間的介質(zhì)（回填灌漿體）產(chǎn)生反射，橫波在底界面的反射能量及信號(hào)在界面的透射與反射相關(guān)。當(dāng)灌漿體質(zhì)量較好，與管片和圍巖耦合很好時(shí)，大部分入射橫波繼續(xù)向下傳播;當(dāng)管片與圍巖之間存在脫空或裂隙時(shí)，橫波信號(hào)被全部反射。

透射、反射波阻抗與介質(zhì)的密度ρi和波的速度Vi的乘積有關(guān)，稱(chēng)為波阻抗Zi（Zi=ρiVi，i為地層編號(hào)）。只有在上下兩層波阻抗Z1≠Z2的條件下，地震波才會(huì)發(fā)生反射，差別越大，反射越強(qiáng)。根據(jù)能量守恒原理，反射波和透射波能量之和等于入射波能量，因此反射越強(qiáng)則透射越弱，反射越弱則透射越強(qiáng)。

垂直入射時(shí)，入射波振幅（Ar）與反射波振幅（Af）之比可表示為

其中R為聲波的反射系數(shù)，與反射系數(shù)相對(duì)的是聲波的透射系數(shù)T：

式中：At為透射波振幅。

反射系數(shù)R和透射系數(shù)T之間應(yīng)滿(mǎn)足：

R+T=1（5）

考慮上述關(guān)系，管片底界面反射能量越強(qiáng)，表明管片底部幾乎為裂縫或者脫空;管片底部反射能量越弱，表明灌漿質(zhì)量越好。水利工程隧道襯砌管片通常是C50或C60混凝土，其橫波速度較高。而空氣或者水屬于流體，不能傳播橫波，因此當(dāng)管片背后有不密實(shí)體或脫空時(shí)，橫波部分穿透或無(wú)法穿透管片背后介質(zhì)，其能量大部分從管片底界面反射回來(lái)并被接收探頭接收，進(jìn)而得到反射能量較強(qiáng)的反射界面，據(jù)此對(duì)異常體大小和范圍進(jìn)行劃分。此為超聲陣列法檢測(cè)管片后回填灌漿質(zhì)量的基本原理。圖1所示的1、2道橫波反射能量很弱，而后續(xù)能量較強(qiáng)，表明在1、2道處的灌漿質(zhì)量與后續(xù)位置灌漿質(zhì)量存在一定的差異。

3 基于快速疊前偏移的管片后回填灌漿質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

3.1 信號(hào)的垂直反射與水平疊加反射

如圖1所示，單道反射即可表示管片底界面的情況，但是這種信號(hào)的信噪比相對(duì)較差。為了增加反射信號(hào)的信噪比，在地震探測(cè)中一般采用多次疊加方式進(jìn)行處理?？紤]上述工作方式，本文也重點(diǎn)研究了多道橫波信號(hào)疊加，有效剔除儀器本身噪聲等帶來(lái)的干擾，從而增加反射界面的可拾取性。同一位置測(cè)量獲得的單道超聲反射數(shù)據(jù)和進(jìn)行疊加后獲得的超聲反射數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。圖3中方框所示為信號(hào)的第一層反射同相軸，圓框所示為信號(hào)的第二層反射同相軸。圖3（a）所示的單道反射屬于自激自收的工作方式，由于第一個(gè)反射層本身的反射界面較強(qiáng)，因此獲取的反射同相軸也較強(qiáng)，這些特征與圖3（b）類(lèi)似。而對(duì)于橢圓標(biāo)示區(qū)域的深部反射，圖3（a）所示的反射界面明顯變?nèi)酰瑤缀跻呀?jīng)無(wú)法識(shí)別，而圖3（b）所示的結(jié)構(gòu)依然清晰。原因是采用多道疊加，可有效突出弱信號(hào)并壓制噪音干擾，提高信號(hào)的信噪比，這對(duì)于獲得高精度的檢測(cè)數(shù)據(jù)十分重要。

3.2 基于疊前偏移的超聲橫波陣列成像檢測(cè)技術(shù)

綜上，信號(hào)的疊加對(duì)于異常有著更為明顯的反應(yīng)，且信號(hào)的信噪比更高，因此在實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中考慮多次疊加產(chǎn)生的反射。在實(shí)際觀測(cè)中采用圖4所示的陣列觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行橫波反射觀測(cè)，該系統(tǒng)采用陣列式一發(fā)多收系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)，12組探頭分別作為發(fā)射和接收陣列，探頭間距為3 cm。當(dāng)發(fā)射信號(hào)遇到橫波速度變化界面時(shí)，產(chǎn)生反射信號(hào)并被接收探頭接收。

由圖4所示的觀測(cè)系統(tǒng)獲取的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示，多道信號(hào)的獲取為信號(hào)的有效獲取打下了基礎(chǔ)。

本文擬考慮利用疊前偏移手段對(duì)圖5數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，實(shí)時(shí)獲取成像斷面圖。根據(jù)接收到的反射信號(hào)特征、介質(zhì)的橫波速度等參數(shù)和超聲波的傳播路徑，進(jìn)行波場(chǎng)的疊加來(lái)獲取結(jié)構(gòu)的反射界面圖像。

如何將多道原始數(shù)據(jù)快速成像為斷面結(jié)構(gòu)圖以便于后期數(shù)據(jù)解釋?zhuān)枰鶕?jù)彈性波傳播基本理論，將采集的原始波形信息歸集為可以與結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的斷面結(jié)構(gòu)B超數(shù)據(jù)，這需要借助彈性波的偏移成像理論來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中混凝土介質(zhì)相對(duì)均勻，且均為層狀介質(zhì)，因此本文擬利用Kirchhoff的彈性波成像基本理論對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行快速成像，以獲取疊加后的反射結(jié)構(gòu)圖。

Kirchhoff積分方法是惠更斯-費(fèi)涅爾原理的數(shù)學(xué)概括，其基本思想是：空間某點(diǎn)M的波擾動(dòng)是二次震源波干涉的結(jié)果。

假設(shè)地表波場(chǎng)為u（r0，t0），空間點(diǎn)的成像值可以表述為

式中：v為介質(zhì)中橫波速度;L為射線(xiàn)的傳播距離;t為傳播時(shí)間;θ為射線(xiàn)角度;x、y、z為成像點(diǎn)坐標(biāo)，下標(biāo)“0”表示射線(xiàn)傳播點(diǎn)。

地表記錄到的地震數(shù)據(jù)d（t，x，h）與雙程旅行時(shí)間t、中點(diǎn)x和半偏移距離h有關(guān)。設(shè)在（t0，x0）處存在一繞射點(diǎn)，與其對(duì)應(yīng)的偏移成像數(shù)據(jù)為r（t0，x0，h），t0為炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)同時(shí)位于繞射點(diǎn)x0的正上方時(shí)的雙程旅行時(shí)間。彈性波信號(hào)的走時(shí)可利用式（7）進(jìn)行計(jì)算：

根據(jù)式（6）獲取的管片斷面圖及其解釋圖如圖6所示。由于管片中橫波速度相對(duì)均勻，因此采用式（6）計(jì)算時(shí)速度可設(shè)為勻速，在管片后回填灌漿質(zhì)量較好的情況下，超聲橫波陣列成像結(jié)果可清晰地分辨管片、回填灌漿層與圍巖層位之間的信息。管片厚度為300 mm，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際管片厚度一致，且在管片內(nèi)部（0～3 000 mm區(qū)域）無(wú)鋼筋形成的明顯干擾，管片底界面和回填灌漿層十分清晰，表明算法具有有效性。

4 檢測(cè)實(shí)例與效果分析

為驗(yàn)證上述技術(shù)在實(shí)際工程中應(yīng)用的有效性，在甘肅某引水工程開(kāi)展了示范應(yīng)用。該引水工程采用2臺(tái)雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)機(jī)（TBM1和TBM2）從兩端相對(duì)掘進(jìn)，隧洞開(kāi)挖直徑5.48 m，并采用預(yù)制C50和C60混凝土管片襯砌，管片襯砌內(nèi)徑4.6 m，管片厚度30 cm，管片外徑5.2 m，每環(huán)管片寬度1.5 m，開(kāi)挖隧洞斷面與管片間的空隙360°范圍內(nèi)采用豆礫石充填并進(jìn)行回填灌漿。

為了及時(shí)掌握回填灌漿的質(zhì)量，為二次補(bǔ)灌和后續(xù)施工方案的優(yōu)化提供參考依據(jù)，采用超聲陣列法開(kāi)展了檢測(cè)工作，由于涉及多環(huán)管片聯(lián)合成圖，因此為保證數(shù)據(jù)資料的一致性，本文還采用了保幅處理技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行保真處理[11]。

采用上述成像算法和后處理軟件進(jìn)行資料處理和自動(dòng)成圖，強(qiáng)反射區(qū)域典型鉆孔及孔內(nèi)光學(xué)成像檢查驗(yàn)證情況見(jiàn)圖7、圖8，相關(guān)取芯區(qū)域管片壁后幾乎無(wú)豆礫石和漿液存在，結(jié)合圖2所示原理，當(dāng)信號(hào)遇到空隙無(wú)法向下傳播時(shí)，大部分能量被發(fā)射，表現(xiàn)為管片底界面為強(qiáng)反射，這與理論分析是一致的。

檢測(cè)期間，在不同洞段共取芯76組，其中和取芯情況吻合較好（有明顯異常和沒(méi)有異常的）的有69組，準(zhǔn)確率在90%以上，印證了上述方法的有效性。

同時(shí)，為直觀獲取管片環(huán)向的回填灌漿質(zhì)量，利用上述技術(shù)沿某標(biāo)準(zhǔn)斷面對(duì)空間各位置的回填灌漿質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，獲取的環(huán)向檢測(cè)成果見(jiàn)圖9。

從圖9可以看出，環(huán)狀空管片成果圖像上管片底界面處（直徑5.2 m附近）有較強(qiáng)的反射信號(hào)，二次反射（直徑5.9 m附近）比較明顯，參考上文分析和相關(guān)取芯驗(yàn)證結(jié)果，可以作為判定管片背后是否存在脫空的有效依據(jù)。

5 結(jié) 論

（1）充分分析了回填灌漿中傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)存在的難點(diǎn)問(wèn)題，提出利用超聲橫波反射來(lái)規(guī)避因鋼筋網(wǎng)密集而帶來(lái)的信號(hào)干擾問(wèn)題。通過(guò)對(duì)未灌漿空管片信號(hào)進(jìn)行分析，在一定頻率的超聲橫波反射信號(hào)中，鋼筋對(duì)信號(hào)傳播幾乎不造成干擾。

（2）針對(duì)回填灌漿質(zhì)量檢測(cè)，本文充分對(duì)比了單道反射與多次疊加的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)多次疊加等方式可極大提高信號(hào)的信噪比，使得對(duì)管片壁后回填灌漿層反射信號(hào)的提取更為精確。針對(duì)上述研究，本文充分利用疊前偏移成像理論對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速成圖，并建立標(biāo)準(zhǔn)化處理參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。

（3）對(duì)某引水工程現(xiàn)場(chǎng)回填灌漿進(jìn)行檢測(cè)分析，在不同洞段共取芯76組，其中與取芯情況吻合較好的有69組，準(zhǔn)確率在90%以上，驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性。

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【責(zé)任編輯 張華巖】