基于智能手機(jī)的隧道襯砌敲擊法檢測技術(shù)的研發(fā)

衛(wèi)敏 王路 趙陽川 吳寧遠(yuǎn) 馮源 姜勇 吳佳曄，5

1.中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司工程質(zhì)量監(jiān)督站，成都610000；2.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都611130；3.四川升拓檢測技術(shù)股份有限公司，四川自貢643000；4.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司工程質(zhì)量監(jiān)督管理局，北京100844；5.西南石油大學(xué)，成都610500

敲擊法是對隧道襯砌進(jìn)行檢測驗(yàn)收的方法之一。其作業(yè)形式簡單，通過錘擊混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)聲的差異判斷其中是否存在脫空等缺陷。該方法有效檢測深度可達(dá)15～20 cm。但是，敲擊法也存在問題：①缺陷的判斷缺乏客觀依據(jù)，檢測效果受個人經(jīng)驗(yàn)影響大；②現(xiàn)場敲擊的聲音數(shù)據(jù)無法留存，追溯性差；③隧道現(xiàn)場環(huán)境噪聲大，影響敲擊聽聲的效果；④人力聽聲存在聽覺疲勞，長時間作業(yè)會降低檢測的準(zhǔn)確性；⑤敲擊工具對檢測范圍、精度等有明顯影響。因此采用敲擊法檢測隧道襯砌質(zhì)量受到極大制約。

雖然諸多學(xué)者從不同方面研究了敲擊法的影響因素［1-5］，但是目前幾乎沒有專用的隧道襯砌敲擊法測試裝置與結(jié)果分析技術(shù)，同時對敲擊法缺陷閾值的研究不夠。因此，本文從敲擊法的基本原理出發(fā)，對采用敲擊法檢測混凝土缺陷時閾值的設(shè)定方法進(jìn)行研究，并研發(fā)敲擊法專用的手機(jī)聲頻檢測技術(shù)及設(shè)備。

1 敲擊法檢測原理

1.1 敲擊法的基本原理

錘擊混凝土結(jié)構(gòu)時會引起結(jié)構(gòu)表面振動，形成聲波。當(dāng)結(jié)構(gòu)物表層存在脫空時聲波信號同密實(shí)處信號會存在差異，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)表層

結(jié)構(gòu)表層脫空會降低結(jié)構(gòu)本身的彎曲剛度，因此敲擊引起的振動周期會明顯增長。同時，脫空層會使得敲擊產(chǎn)生的彈性波在被測結(jié)構(gòu)中衰減變緩，從而使得振動信號的持續(xù)時間變長。在隧道襯砌檢測中由于四周回聲的影響持續(xù)時間難以判定，因此主要依據(jù)振動周期（頻率）對脫空進(jìn)行判斷。

1.2 襯砌密實(shí)部位敲擊信號特征

由于激振力度、工具、脫空面積及深度不同，敲擊后振動信號的特征也明顯不同。在脫空、材質(zhì)不良等位置敲擊后產(chǎn)生的振動信號的卓越周期較密實(shí)部位要長，因此對密實(shí)部位振動周期進(jìn)行分析，以確定脫空閾值。

把隧道襯砌簡化為半無限彈性體，質(zhì)量為m1、敲擊面曲率半徑為R1的激振裝置敲擊襯砌表面時，裝置與襯砌的接觸時間Tc可以表示為［6］

式中：δ為材料參數(shù)，δ=（1-μ2）/（Eπ），μ為動泊松比，E為動彈性模量，下標(biāo)1 表示激振裝置，下標(biāo)2 表示隧道襯砌；v0為激振裝置碰撞隧道襯砌結(jié)構(gòu)時的速度。

敲擊所引起的自由振動卓越周期TD為

鋼質(zhì)激振裝置的動彈性模量E1= 200 GPa，激振裝置和隧道襯砌混凝土的動泊松比相當(dāng)，均取0.3。

由式（1）和式（2）計算可得

式中：E2為隧道襯砌混凝土的動彈性模量。

由式（3）可知，TD隨m1、v0、E2增大而增大，隨R1增大而減小。

1.3 脫空閾值確定及檢測結(jié)果判定方法

1）脫空閾值的確定

根據(jù)誤差傳播定律［7］，已知m1、R1、v0和E2的離散系數(shù)時，可得到TD的離散系數(shù)δTD。

不考慮m1的離散時，δTD為

若以密實(shí)部位信號特征值的95%作為密實(shí)部位與脫空部位的分界，則TD的閾值CTD為

由于受噪聲、誘發(fā)模態(tài)等因素的影響，單純以TD的閾值判定脫空效果較差。因此，引入重心周期TW。TW與TD的變異系數(shù)相同，重心周期的脫空閾值CTW為

2）檢測結(jié)果判定方法

某一敲擊檢測點(diǎn)的振動數(shù)據(jù)xi通過快速傅里葉變換處理后，計算得到該檢測點(diǎn)自由振動的卓越周期TDi和重心周期TWi。

脫空指數(shù)Di的計算公式為

脫空指數(shù)越大，脫空的可能性也越大。Di≥1.249為缺陷；1≤Di＜1.249 為疑似缺陷；Di＜ 1 為混凝土密實(shí)。

2 基于智能手機(jī)的隧道襯砌敲擊法檢測技術(shù)

為提高敲擊法檢測鐵路隧道襯砌的客觀性和精度，研制了專用激振裝置，并開發(fā)了信號采集和處理、缺陷識別和繪圖軟件模塊，明確了基于智能手機(jī)的隧道襯砌敲擊法檢測流程［8-9］，如圖2所示。

圖2 基于智能手機(jī)的隧道襯砌敲擊法檢測流程

2.1 專用激振裝置

2.2.1 專用激振裝置參數(shù)

為增加測試深度，激振時需要更大的質(zhì)量和更小的敲擊面曲率半徑，因此專用激振裝置形狀為柱狀（圖3）?？紤]到便于加工和操作，敲擊棒采用低碳鋼，長度1.1 m，六角形截面，前端曲率半徑2.0 cm，質(zhì)量3.4 kg，內(nèi)置觸發(fā)裝置和藍(lán)牙裝置。

圖3 專用激振裝置

2.1.2 專用激振裝置激振信號參數(shù)

采用專用激振裝置在密實(shí)襯砌上敲擊時，v0均值一般在0.5～1.5 m/s，其變異系數(shù)δv0可取0.5。鐵路隧道襯砌混凝土的設(shè)計強(qiáng)度等級大多為C35 或C40，對應(yīng)的動彈性模量E2一般在34～38 GPa。參考姜勇等［10-11］對混凝土動彈性模量的現(xiàn)場測試結(jié)果，其變異系數(shù)δE2可取0.15?？紤]專用激振裝置的激振頭的加工精度、測試過程中的磨損，隧道拱頂曲率、激振方向偏差等因素的影響，R1有增大的趨勢，其變異系數(shù)δR1取0.5。

由式（3）計算可得專用激振裝置在密實(shí)部位敲擊時TD在 0.48～0.56 ms。由式（4）計算可得δTD為0.154。

2.2 信號采集系統(tǒng)參數(shù)

信號采集系統(tǒng)（智能手機(jī)）的信號采樣頻率為44.1 kHz，采樣位數(shù)為 16 bit。

2.3 數(shù)據(jù)采集和分析

智能手機(jī)采集的敲擊信號分析流程如圖4所示。

圖4 智能手機(jī)采集的敲擊信號分析流程

流程主要分為標(biāo)定和測試兩部分：

1）標(biāo)定

隧道襯砌敲擊檢測所產(chǎn)生信號的特征參數(shù)（振動周期等）會受混凝土材料參數(shù)影響，從而導(dǎo)致脫空閾值變化。因此，不同地區(qū)，甚至同一鐵路的不同施工標(biāo)段隧道敲擊法檢測的脫空閾值都會有所差別，難以確定通用性的脫空閾值。

為解決這一問題，在敲擊法數(shù)據(jù)分析過程中加入標(biāo)定步驟。在所測隧道中襯砌密實(shí)部位使用敲擊法采集數(shù)據(jù)，通過分析該數(shù)據(jù)來計算確定敲擊法脫空閾值。

2）測試

標(biāo)定得到敲擊法脫空閾值后，使用該脫空閾值對敲擊法實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時分析，對結(jié)果進(jìn)行語音播報及展示。

3 模型驗(yàn)證及現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 模型驗(yàn)證

模型為設(shè)計強(qiáng)度等級為C50的混凝土，尺寸（長×寬×厚）為3.00 m×1.00 m×0.15 m。在模型中部預(yù)設(shè)混凝土缺陷，使用基于智能手機(jī)的隧道襯砌敲擊法檢測技術(shù)對其進(jìn)行檢測。檢測前對結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最小網(wǎng)格尺寸為0.10 m × 0.10 m，通過檢測繪制脫空指數(shù)等值線（圖5）。

圖5 脫空指數(shù)等值線

測試出的缺陷位置與其設(shè)計位置（圖5中紅框）基本一致，且密實(shí)部位、缺陷部位脫空指數(shù)差異明顯。

3.2 現(xiàn)場驗(yàn)證

采用該檢測技術(shù)對張吉懷（張家界—吉首—懷化）、鄭萬（鄭州—萬州）、成自（成都—自貢）、自宜（自貢—宜賓）等多條高速鐵路隧道襯砌進(jìn)行了脫空檢測，檢測現(xiàn)場見圖6。共布置了6 000 多個測點(diǎn)，與有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員判定結(jié)果的一致性在97%（密實(shí)處96%、缺陷處98%）。對測試有明顯缺陷處（30 余處）進(jìn)行了鉆孔驗(yàn)證，與測試結(jié)果一致。

鄭萬線一高速鐵路隧道二次襯砌采用C35 混凝土，設(shè)計厚度50 cm。檢測臺架上5 組人員分別沿拱頂、拱頂兩側(cè)、兩側(cè)拱腰進(jìn)行敲擊檢測（圖6），敲擊點(diǎn)的縱橫向間距均在0.5 m左右。共檢測出脫空缺陷20余處。有一處拱頂襯砌背后存在空洞（圖7），面積約2 m2，脫空指數(shù)5.15。鉆孔后發(fā)現(xiàn)該處二次襯砌厚度僅30 cm，二次襯砌背后空洞寬約20 cm。

圖6 隧道襯砌敲擊法檢測現(xiàn)場

圖7 襯砌背后空洞

4 結(jié)語

1）本文介紹了敲擊法的檢測原理，分析了襯砌密實(shí)部位敲擊信號的特征，并給出了敲擊法脫空指數(shù)的計算方法。

2）研發(fā)了以智能手機(jī)為數(shù)據(jù)采集平臺的隧道襯砌敲擊法檢測技術(shù)，研制了信號激振裝置，開發(fā)了信號分析、采集、計算軟件。

3）經(jīng)模型驗(yàn)證和在張吉懷、鄭萬、成自、自宜等多條高速鐵路隧道現(xiàn)場測試，該檢測技術(shù)實(shí)用性強(qiáng)，檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠。