超聲陣列法在公路隧道仰拱厚度檢測中的應用

張家松，冷志明

(湖南致力工程科技有限公司，湖南 長沙 410208)

0 引言

公路隧道的仰拱結構是隧道結構的基礎和主要組成部分，既可以將隧道上部的圍巖壓力和路面荷載有效地傳遞到地下，還可以有效抵抗下部圍巖帶來的反力。隧道仰拱厚度不足，不僅使襯砌支護結構承載力達不到設計要求，還造成仰拱結構的半徑和弧度無法滿足設計要求，導致仰拱結構與上部支護結構過渡不平順，并在拱腳部位產(chǎn)生應力集中，造成隧道路面、襯砌結構開裂，嚴重時還會產(chǎn)生底鼓、沉陷、錯臺等病害，對運營隧道形成安全隱患，影響隧道結構使用的耐久性。

公路隧道仰拱和仰拱充填物的質(zhì)量缺陷是公路隧道質(zhì)量檢測中常見的質(zhì)量問題，國內(nèi)諸多學者對仰拱與仰拱充填物的質(zhì)量缺陷成因、檢測與數(shù)據(jù)處理方法、缺陷處治方法進行了探索和研究。朱小明[1]等對公路隧道仰拱缺陷特征和處治技術進行了研究，對仰拱病害的主要成因進行了分析，認為仰拱與填充層存在質(zhì)量缺陷是發(fā)生仰拱變形病害的主要原因。趙前進[2]通過采用寬頻多道瞬態(tài)瑞雷面波法對隧道鋼筋混凝土仰拱厚度檢測技術進行了研究，認為通過選擇最優(yōu)的參數(shù)設置和合理的分析方法，可以提高仰拱厚度的檢測精度，但是該方法無法實現(xiàn)現(xiàn)場快速、實時提供檢測結果的要求，檢測效率低，且數(shù)據(jù)處理對檢測人員的技術水平要求高，在一定程度上對該方法的應用和推廣具有制約作用。蘇興矩[3]等采用普能分析法的數(shù)據(jù)后處理技術對隧道仰拱質(zhì)量檢測技術進行了研究，通過壓抑水介質(zhì)等物性特征對雷達波信號的影響，來提高金屬介質(zhì)信號的反射強度，以達到進一步提高仰拱質(zhì)量檢測準確率和分辨率的目的，但該方法因涉及數(shù)據(jù)后處理，無法滿足現(xiàn)場實時檢測、實時判別的要求。

劉繼濱[4]等首次將瞬態(tài)面波法使用于隧道仰拱質(zhì)量檢測，通過設計合理的探測參數(shù)和激震方式，可以實現(xiàn)仰拱厚度的檢測，該方法由于采用激震的方式作為震源，受在建隧道施工環(huán)境的影響，具有很大的使用局限性。杜勝[5]等采用地質(zhì)雷達法對鐵路隧道仰拱檢測應用的可行性進行了研究，認為配備270 MHz天線可準確檢測出仰拱素混凝土的厚度，對仰拱密實情況具有較高的準確性，但是檢測深度與開孔實測結果有偏差。

本文針對公路隧道仰拱厚度探測的方法問題進行了研究和探索，通過引入超聲陣列法，對隧道混凝土仰拱厚度進行現(xiàn)場檢測，實現(xiàn)了仰拱厚度的準確、直觀、快速成像和判別，該方法屬于在隧道質(zhì)量檢測中首次引進的新方法，可以為我國公路隧道仰拱厚度檢測提供借鑒和參考。

1 超聲陣列法檢測原理

1.1 超聲陣列法檢測原理

超聲陣列法是利用超聲波(橫波)在結構混凝土中傳播時，遇聲阻抗存在差異的交界面會產(chǎn)生反射的工作原理進行探測。超聲陣列設備在工作時，超聲換能器以一定規(guī)律向結構混凝土發(fā)射并接收超聲波，超聲波在結構混凝土中傳播發(fā)生散射、衍射和折射等現(xiàn)象，當結構混凝土中存在孔隙、空洞、不密實等缺陷時，會使接收到的超聲波波形發(fā)生畸變。通過對接收到的波形數(shù)據(jù)進行振幅、相位、速度等方面的分析，可準確定位缺陷位置和判定缺陷大小、形態(tài)。采用超聲陣列法對隧道混凝土仰拱厚度進行檢測時，由于其采集點密度較高，可以實現(xiàn)仰拱和仰拱充填物、仰拱和圍巖等交界面的高精度成像。超聲陣列法(橫波)工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 超聲陣列法(橫波)工作原理示意圖Figure 1 The working principle of the ultrasonic array method (transverse wave)

1.2 隧道仰拱厚度檢測的物性特征和依據(jù)

超聲波橫波在混凝土中的散射比縱波弱，采用橫波法得到的接收信號更強；因橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，當遇到空氣層或空洞、裂縫時幾乎全反射，所以采用超聲陣列法(橫波)可以實現(xiàn)對仰拱和仰拱充填物、仰拱和圍巖等存在阻抗差異的介質(zhì)交界面的探測。采用超聲陣列法探測公路隧道仰拱厚度時，所探測的主要介質(zhì)為混凝土、鋼筋/拱架和空氣，其阻抗如表1所示。

表1 超聲波阻抗一覽表Table 1 The summary of ultrasonic impedance

2 工程應用

2.1 參數(shù)選擇和測點布置

本文所采用的公路隧道仰拱厚度檢測設備是一個由12個模塊組成的陣列式超聲檢測設備，其中每個模塊包含4個橫波傳感器，共計48個采集通道，超聲陣列檢測設備見圖2。橫波傳感器工作頻率范圍為25～85 kHz，最大探測深度2 500 mm。傳統(tǒng)的傳感器需要使用耦合劑才能在平整的結構混凝土表面采集數(shù)據(jù)，該設備可以采用干耦合的方式，通過傳感器的彈簧彈力在不平整的表面上實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

當傳感器工作頻率較大時，可提高設備數(shù)據(jù)采集的精度，但因結構混凝土中碎石、鋼筋、局部密實性差等因素的影響，會加劇超聲波信號散射現(xiàn)象，造成超聲波傳播深度降低；當傳感器工作頻率較低時，容易造成有用信息的漏判，因此，在選擇傳感器的工作頻率時，應綜合考慮檢測深度和檢測精度。公路隧道仰拱因具有橫向和縱向結構的連續(xù)性，低頻超聲波可以實現(xiàn)仰拱與充填物交界面、仰拱與圍巖交界面的識別，結合隧道施工設計圖對隧道仰拱深度的要求，現(xiàn)場實際探測中，傳感器工作頻率選擇25 kHz，探測深度選擇2 500 mm。

圖2 超聲陣列檢測設備Figure 2 The ultrasonic array testing equipment

對公路隧道仰拱厚度采用超聲陣列法檢測時，測線宜沿隧道軸向垂直的方向布設。受現(xiàn)場工作條件限制，本次檢測以隧道中軸線為中心，中軸線左側和右側各檢測4 m，測線共計8 m，測點間距0.5 m，沿橫向方向以點測的方式依次完成各測點的數(shù)據(jù)采集工作，測點布置示意圖見圖3。

圖3 現(xiàn)場測點布置示意圖Figure 3 The schematic diagram of on-site measuring point layout

2.2 超聲陣列成像與成果解譯

超聲陣列設備采用合孔徑成像算法的原理對檢測數(shù)據(jù)進行快速、高精度成像[6]。傳感器以一定的步長沿線性孔徑軌跡移動，在軌跡上的孔徑位置向成像區(qū)域發(fā)射脈沖信號，同時接收和存儲檢測信號，然后下一孔徑位置進行相同的發(fā)射、接收和存儲，直至掃描完成；接著按照重建點對相應孔徑檢測信號的回波做延時調(diào)整、信號疊加和平均等處理，逐點實現(xiàn)數(shù)字聚焦處理，最終重建整個成像區(qū)域的信號反射圖。

以湖南省某在建高速公路隧道為例，由設計圖紙可知，該隧道所測斷面位置為50 cm厚的C30鋼筋混凝土仰拱，測試斷面設置在仰拱端頭處。圖4為采用超聲陣列法檢測隧道仰拱得到的橫斷面結果圖，在深度位置為0～0.4 m、水平位置為0.5～7.2 m的范圍內(nèi)，局部表現(xiàn)為不連續(xù)的強反射信號，且雜亂無章，推測為仰拱充填物局部欠密實；在深度位置為0.91～1.30 m、水平位置為0.5～7.5 m的范圍內(nèi)，表現(xiàn)為弧形的不連續(xù)強反射信號，推測為隧道仰拱充填物與仰拱交界面，局部強反射信號同相軸呈現(xiàn)不連續(xù)，主要是因為仰拱充填物與仰拱混凝土具有較好的膠結性能；在深度位置為1.43～1.82 m、水平位置為0.1～7.7 m范圍內(nèi)，表現(xiàn)為弧形的不連續(xù)強反射信號，推測為隧道仰拱與圍巖交界面，局部強反射信號同相軸呈現(xiàn)不連續(xù)，主要是因為仰拱混凝土與圍巖具有較好的膠結性能；兩個強反射交界面的距離，即為該隧道斷面處的仰拱厚度，從圖4推測，隧道中軸線處的仰拱厚度值為0.52 m。圖5為所檢測斷面端頭位置的仰拱厚度驗證結果圖，圖5中標尺0.03～0.57 cm段為實測仰拱厚度，即仰拱厚度為0.54 m，與檢測厚度基本吻合。

圖4 超聲陣列橫斷面檢測結果圖Figure 4 The ultrasonic array cross-sectional inspection result

圖5 仰拱厚度驗證結果圖Figure 5 Invert thickness verification result

3 結論

本文采用超聲陣列法對公路隧道仰拱厚度進行了現(xiàn)場檢測，并對檢測結果進行分析，該方法可以為公路隧道仰拱厚度檢測提供技術保障，對我國公路隧道的安全運營和使用耐久性具有重要的意義：

a.應屬首次引入超聲陣列法應用于公路隧道仰拱厚度檢測中，根據(jù)超聲波反射波信號的特征，可以實現(xiàn)公路隧道仰拱厚度的檢測，該檢測方法可行。

b.超聲陣列法應用于公路隧道仰拱厚度檢測，成像速度快、檢測結果準確直觀、易于判別，可以為我國公路隧道仰拱厚度檢測提供借鑒和參考，具有較大的推廣價值。