基于應(yīng)力波的無損檢測(cè)方法進(jìn)行隧道襯砌評(píng)估研究

汪 徐

(維尼檢測(cè)科技有限公司,安徽 合肥 230031)

隧道為高流量交通服務(wù)，并且在惡劣環(huán)境中運(yùn)行[1]。隨著時(shí)間的推移，許多隧道正在老化并開始出現(xiàn)惡化跡象?；炷恋臐B透性和表面裂縫加速了鋼筋的腐蝕，從而導(dǎo)致混凝土的分層和剝落[2-3]。定期檢查隧道是為了評(píng)估結(jié)構(gòu)狀況和檢測(cè)問題，是確保使用者安全的關(guān)鍵。

已有研究項(xiàng)目表明，目視檢查結(jié)果存在很大差異，可能無法捕捉到隱藏的劣化或損壞，在某些情況下是不可靠的。雖然破壞性測(cè)試通常提供可靠的隧道結(jié)構(gòu)評(píng)估，但所需的時(shí)間和精力使其不符合實(shí)際。此外，假設(shè)材料的其余部分將具有與測(cè)試部分相同的條件、特性和厚度也是不合理的。目前除了對(duì)現(xiàn)有隧道進(jìn)行性能監(jiān)測(cè)外，還可采用無損檢測(cè)方法評(píng)估新隧道結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，檢查修復(fù)項(xiàng)目的有效性和維護(hù)部分的狀況。研究者廣泛討論了用于隧道襯砌評(píng)估的無損檢測(cè)方法，包括探地雷達(dá)[4]、聲波地震、脈沖響應(yīng)、超聲波、熱成像、電阻率、電介質(zhì)探針[5]、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量和測(cè)深[6]，發(fā)現(xiàn)在這些方法中，地震方法是隧道襯砌施工過程中的質(zhì)量管理和后續(xù)定期檢查最可行的方法。

采用便攜式地震特性分析儀(PSPA)對(duì)隧道襯砌和巷道壁進(jìn)行了狀況調(diào)查。PSPA可同時(shí)執(zhí)行兩種地震無損檢測(cè)方法：超聲表面波(USW)和沖擊回波(IE)。研究的主要目的是比較和評(píng)估每種方法在檢測(cè)隧道襯砌內(nèi)部缺陷，估算隧道襯砌厚度和裂縫深度方面的優(yōu)缺點(diǎn)，以及評(píng)估IE-USW組合方法在評(píng)估隧道襯砌方面的適用性和準(zhǔn)確性。

1 測(cè)試方法

1.1 超聲表面波法

超聲表面波法(USW)用于估算表面波在介質(zhì)中的平均傳播速度VR。VR通常是通過兩個(gè)接收器之間的距離Δx來確定，Δx根據(jù)特定波到達(dá)時(shí)間差Δt來確定的。已知波速VR，模量E可以根據(jù)剪切波速Vs、密度ρ和泊松比υ確定，如式(1)：

(1)

在USW方法中，通過測(cè)量速度(VR)隨波長(zhǎng)的變化來生成色散曲線。對(duì)于均勻或完整的混凝土襯砌，色散曲線在波長(zhǎng)小于襯砌厚度的范圍內(nèi)或多或少顯示出恒定速度。當(dāng)混凝土襯砌中存在分層，空隙或混凝土劣化時(shí)，由于缺陷引起的干擾，平均表面波速度(或模量)變得小于完整混凝土的平均表面波速度(或模量)。在這種情況下，獲得的速度或模量可稱為表觀速度或模量。

1.2 沖擊回波法

IE法是檢測(cè)混凝土分層最常用的無損檢測(cè)方法之一。該方法是一種基于應(yīng)力波的方法，利用機(jī)械能將聲波傳輸?shù)交炷林?。基本原理是用沖擊器沖擊物體表面，沖擊器產(chǎn)生頻率高達(dá)20～30 kHz的應(yīng)力波，然后通過接收器測(cè)量響應(yīng)，再通過快速傅立葉變換(FFT)分析，將記錄的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域函數(shù)(振幅譜)，并監(jiān)測(cè)峰值頻率。然后根據(jù)壓縮波速Vp和厚度頻率f確定試件上完整點(diǎn)的厚度h如式(2)：

(2)

式中：α為修正系數(shù)，混凝土板的α約為0.96;Vp為彈性模量E、泊松比υ和密度ρ的函數(shù)，由式(3)給出：

(3)

對(duì)于較深且分層不太嚴(yán)重的位置，一部分彈性波能量將從分層反射回頂面，另一部分能量仍會(huì)從甲板底部反射。因此，除了厚度頻率之外，頻譜還將顯示一些更高的頻率峰值，對(duì)應(yīng)于分層反射的返回頻率。淺層廣泛的分層區(qū)域通常表現(xiàn)為低峰值頻率，表明很少或沒有能量向橋面底部傳播，彎曲模式主導(dǎo)頻率響應(yīng)。在這種情況下，式(3)不適用于測(cè)量分層深度。

1.3 數(shù)據(jù)收集

測(cè)試所用隧道長(zhǎng)約1.6 km，襯砌厚度為60.96 cm，道路寬度為7.32 m加上一側(cè)0.76 m的人行道，隧道高度為4.11 m。并涉及一段約800 m 的通風(fēng)室和60 m的巷道壁。隧道結(jié)構(gòu)由預(yù)制復(fù)合結(jié)構(gòu)鋼和鋼筋混凝土管段(直徑為12 m，長(zhǎng)度為100 m)組成，沉入準(zhǔn)備好的溝槽中，并覆蓋至少3 m的回填材料。

采用IE法和USW法對(duì)隧道的通風(fēng)室和巷道壁進(jìn)行了評(píng)價(jià)。本研究中的所有測(cè)試均在選定區(qū)域內(nèi)的若干點(diǎn)進(jìn)行。初步測(cè)試是目視檢查，同時(shí)使用其他無損檢測(cè)方法進(jìn)行表面介電測(cè)量，作為嚴(yán)重開裂或分層區(qū)域的指標(biāo)。測(cè)量介電常數(shù)高的區(qū)域(大于15，典型干混凝土為4.5)和可見的表面裂縫(含水滴)用PSPA標(biāo)記，以便進(jìn)行更詳細(xì)的調(diào)查。隧道通風(fēng)天花板上的選定區(qū)域進(jìn)行更詳細(xì)的評(píng)估，包括相對(duì)完整區(qū)域中的三個(gè)點(diǎn)和十個(gè)選定的視覺缺陷區(qū)域。因此，在本研究中，評(píng)估了通風(fēng)室天花板上13個(gè)區(qū)域內(nèi)的84個(gè)點(diǎn)和巷道壁上的14個(gè)點(diǎn)。

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 通風(fēng)室天花板

本研究中使用的USW和IE方法是點(diǎn)檢法，結(jié)果是可視化的平面等高線圖，而不是單獨(dú)評(píng)估。本文的IE和USW結(jié)果顯示在行掃描(B掃描)中。超聲波的B掃描表現(xiàn)為模量隨波長(zhǎng)的變化，可以定性地將其視為模量隨深度的標(biāo)度變化。IE結(jié)果的頻譜B掃描呈歸一化振幅隨頻率變化的形式。所有圖形中的橫軸為測(cè)試點(diǎn)。圖1顯示了IE和USW法對(duì)從約6 m距離內(nèi)的3個(gè)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。這些測(cè)試點(diǎn)具有相似的特征，并指示完整的區(qū)域；也就是說，沒有觀察到裂紋或其他表面損傷，并且在這些點(diǎn)處測(cè)量到低介電常數(shù)。如圖1(a)所示，約3 kHz的清晰且恒定的頻率峰值支配著混凝土襯砌的振幅響應(yīng)。根據(jù)式(2)和式(3)，彈性模量為31 GPa，計(jì)算出的平均壓縮波速為3800 m/s，該頻率導(dǎo)致混凝土襯砌厚度約為60.96 cm。圖1(b)表明，這些點(diǎn)處的混凝土襯砌非常均勻，混凝土襯砌的平均模量為31 GPa深度可達(dá)30.48 cm。很高的模量值(圖1(b)中的深色)可以反映高速表面條件。IE和USW結(jié)果的結(jié)合證實(shí)了這3個(gè)點(diǎn)是完整的。

圖2～圖8所示為通風(fēng)室天花板上選定的視覺缺陷區(qū)域的PSPA試驗(yàn)結(jié)果。一般而言，在缺陷區(qū)域或斑點(diǎn)處，與完整截面相比，IE方法顯示出比預(yù)期厚度頻率更高或更低的頻率峰值，而USW方法顯示出比完整混凝土截面更低的模量。例如，在區(qū)域474+27、496+25和477+60中，比厚度頻率更高的頻率峰值在圖2(a)中的 IE B掃描中的幾個(gè)點(diǎn)處支配響應(yīng)。這個(gè)頻率叫作返回頻率，返回頻率峰值對(duì)應(yīng)于缺陷區(qū)反射波的頻率。根據(jù)振幅譜特征，缺陷區(qū)域近似為擴(kuò)展的深度分層，分層是由隧道襯砌內(nèi)鋼筋腐蝕引起的。分層區(qū)域的深度可使用式(3)根據(jù)返回頻率和壓縮波速計(jì)算，范圍為0.30～0.38 m。IE結(jié)果中每個(gè)分層區(qū)域的大小與圖2(b)中USW B掃描的結(jié)果一致。這些互補(bǔ)的結(jié)果建立了對(duì)缺陷區(qū)域解釋的信心，并且具有額外的優(yōu)勢(shì)，即與單獨(dú)收集一種或另一種數(shù)據(jù)類型相比，不需要額外的時(shí)間來收集組合的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。在圖3(a)的區(qū)域496+25中，有些點(diǎn)在 IE B掃描中顯示多個(gè)頻率峰值，這意味著能量將在襯砌中分配；也就是說，一部分能量從分層反射回來，另一部分能量仍從隧道襯砌的后壁反射回來。振幅譜表征將缺陷區(qū)域近似為深度分層，但不是擴(kuò)展分層。

圖1 隧道通風(fēng)室天花板上完整區(qū)域的IE和USW行掃描圖

圖2 隧道通風(fēng)室天花板474+27區(qū)域的IE和USW行掃描

圖3 隧道通風(fēng)室天花板496+25區(qū)域IE和USW行掃描

在圖4(a)中的486+81區(qū)域，第4至8行之間的高頻峰值證實(shí)了隧道襯砌內(nèi)存在深度分層或空隙。分層區(qū)域或空隙的深度約為0.3 m。IE結(jié)果中分層區(qū)域的延伸與圖4b中低模量USW B掃描中區(qū)域的大小一致。

圖4 隧道通風(fēng)室天花板上486+81區(qū)域的IE和USW行掃描

在圖5(a)的478+85區(qū)域中，比預(yù)期厚度頻率低的頻率峰值主導(dǎo)了第2和3行之間區(qū)域的響應(yīng)。該低頻峰值表明隧道襯砌內(nèi)可能存在淺層分層或空洞，襯砌頂部的移動(dòng)類似于板的彎曲模式。在USW B掃描中，淺層分層也可通過淺層的較低模量檢測(cè)到(圖5(b))。

圖5 隧道通風(fēng)室天花板478+85區(qū)域的IE和USW行掃描

圖6和圖7中第2行的473+56區(qū)域和第3行的491+25區(qū)域的IE和USW結(jié)果不一致。這可以歸因于附近裂紋的邊緣效應(yīng)和PSPA傳感器單元相對(duì)于裂紋的放置。當(dāng)裂紋位于震源和第一個(gè)接收器之間時(shí)，IE B掃描顯示多個(gè)頻率峰值，USW模量通常大于正常值，是因?yàn)楫?dāng)裂紋位于震源和第一接收點(diǎn)之間時(shí)，裂紋起到了邊界的作用，散射了地震波。在厚度頻率以外的頻率(圖6(a)和圖7(a))，平板內(nèi)部的波散射被高振幅能量包反射。與從第一個(gè)接收器到第二個(gè)接收器的傳播時(shí)間相比，地震波從震源傳播到第一個(gè)接收器需要更長(zhǎng)的時(shí)間。因此，在圖6(b)和圖7(b)的USW B掃描中模量變得非常高。但是，當(dāng)裂紋位于兩個(gè)傳感器之間時(shí)，由于波的傳播路徑，厚度頻率在IE響應(yīng)中占主導(dǎo)地位，并且報(bào)告的USW 模量低于正常值。對(duì)裂紋存在的解釋與目視檢查期間記錄的實(shí)際情況非常吻合。

在圖8(a)的477+60區(qū)域，第4行和第7行的IE B掃描中有多個(gè)頻率峰值。USW B掃描中的相同區(qū)域顯示出非常低的模量(圖8(b))?；诮M合的IE-USW的結(jié)果，可以得出結(jié)論，在震源和第一接收器之間以及第一和第二接收器之間存在裂紋。

圖6 隧道通風(fēng)室天花板473+56區(qū)域的IE和USW行掃描

圖7 隧道通風(fēng)室天花板491+25區(qū)域的IE和USW行掃描

圖8 隧道通風(fēng)室天花板477+60區(qū)域的IE和USW行掃描

圖9 隧道巷道壁IE和USW行掃描

2.2 巷道壁

在道路墻壁上使用PSPA進(jìn)行的測(cè)試覆蓋了從485+6號(hào)站到486+54號(hào)站約45 m的距離，間隔不均勻，IE和USW方法的結(jié)果如圖9所示。僅限于測(cè)試點(diǎn)1至測(cè)試點(diǎn)8的區(qū)域在IE B掃描中顯示多個(gè)頻率峰值，在USW B掃描中顯示高模量，這意味著襯砌內(nèi)可能廣泛存在裂紋。測(cè)試點(diǎn)9到測(cè)試點(diǎn)12實(shí)際上被限制在大約0.6 m×0.6 m的非常小的區(qū)域內(nèi)。與完整襯砌的厚度頻率相比，該小區(qū)域具有極低的模量和高頻峰值，表明巷道壁內(nèi)存在嚴(yán)重分層或空隙。

3 結(jié) 論

采用IE法和USW法對(duì)隧道的通風(fēng)室和巷道壁進(jìn)行了評(píng)價(jià)。根據(jù)其他無損檢測(cè)方法測(cè)得高介電常數(shù)和可見表面裂紋的存在，對(duì)選擇試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行深入評(píng)估。得出：

(1)完整區(qū)域具有恒定的厚度頻率峰值和均勻的模量。

(2)在IE B掃描中可以清楚地看到隧道襯砌的后壁，襯砌的厚度估計(jì)為0.6 m。

(3)缺陷區(qū)域表現(xiàn)為模量較低的區(qū)域，頻率峰值與預(yù)期厚度頻率不同。

(4)IE B掃描的返回頻率峰值高于預(yù)期的厚度頻率，表明存在擴(kuò)展的深層分層。

(5)通過低彎曲頻率峰值觀察到存在淺層分層區(qū)域。

IE和USW的結(jié)果提供了互補(bǔ)的缺陷圖，證明了其在估計(jì)襯砌厚度以及定位和表征隧道襯砌內(nèi)缺陷區(qū)域方面的可靠性，尤其是在對(duì)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)估時(shí)。