冲击回波法识别盾构中注浆层质量的试验研究

姚 菲 苏建洪

(河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098)

·桥梁·隧道·

冲击回波法识别盾构中注浆层质量的试验研究

姚 菲 苏建洪

(河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098)

介绍了冲击回波法的原理，通过设计带缺陷和不带缺陷的S—G(管片—注浆)试件模型，模拟了盾构中使用冲击回波法检测注浆层质量问题的方法，分析探讨了在不同注浆情况下的冲击回波频谱特征，得出了一些有意义的结论。

S—G模型，冲击回波法，盾构，注浆层

盾构法具有安全快速、适用范围广以及对周围地层扰动小等特点，在地下隧道建设中具有很大优势。在盾构中施工扰动和爆破开挖等情况下，连同超挖造成地层变形和土体的再固结，支护结构与围岩之间产生分离，使围岩产生松弛，进而导致支护结构承载能力降低，威胁隧道的安全。壁后注浆通常被用于解决这一问题，通过注浆充填盾构中的超挖空隙，使其能够防止围岩的松动、管片漏水、减少地面沉降等现象。然而，注浆层会由于注浆不密实、配合比和尚未固结等原因，导致注浆层刚度受到影响而降低，继而产生地层沉降和岩体坍塌等一系列安全问题。

本文通过冲击回波试验，分析对S—G试件施加瞬态冲击后的响应，验证了采用冲击法识别不同刚度盾构注浆层缺陷的可行性，并总结了识别规律。

1 冲击识别原理

冲击回波法原理如图1所示。即利用激振器冲击混凝土表面，使其内部产生应力波，其中纵波(P波)在介质中的传播速度CP由式(1)计算：

(1)

式中：E——杨氏弹性模量;

ρ——介质密度;

v——泊松比。

冲击回波检测过程中，如何确定可检测的最小缺陷是一个关键点。随着缺陷深度的加大，最小可检测缺陷的大小也随之加大。如图2所示，该缺陷的冲击回波数据经傅里叶变换后的频域图中将产生两个峰值频率：

1)板厚峰值频率；

2)缺陷深度峰值频率。根据文献资料及试验分析得知，当缺陷的深度T与横向尺寸d之比小于3时，就能比较准确地检测到缺陷的深度；当1.5T

2 试验设计

盾构中管片与围岩之间注浆层的刚度受缺陷、配合比和固结等因素影响而不同，试验管片为来自南京力高管片有限公司制造的C50强度预制封顶管片，尺寸约为1 200 mm×1 200 mm。考虑到注浆层刚度受缺陷影响，在试件中埋置泡沫缺陷来模拟空洞情况。因此试件进行分类标号为SG-DE(detect)和SG-ND(no detect)，具体参数如表1所示。

表1 试件的参数特性

拟在试件左侧埋置泡沫板缺陷，右侧为无缺陷工况。由上节内容可知，混凝土管片厚度h=350 mm，为了能使埋置的泡沫板缺陷可以被检测到，设置泡沫板宽度d=150 mm>h/3≈116.7 mm。泡沫板厚取为20 mm，埋置在离管片—注浆层界面30 mm处，如图3所示。

3 相关参数的计算

应力波波速与频率及厚度之间的关系如式(2)所示：

(2)

式中：fT——传感器采集到动力时程曲线经FFT(快速傅里叶变换)之后得到的峰值频率；

β——形状系数，对于板取0.96；

Cp——应力波在该介质中的波速；

T——所测量试件的厚度。

当构件由两种不同材料所组成时，底层底面到顶层表面的厚度频率如式(3)所示：

(3)

式中：h1，h2——材料一与材料二的厚度；

Cp1，Cp2——材料一与材料二中的应力波波速。

利用式(2)及4节中IES冲击回波仪测得管片密度，弹模等参数，管片中应力波波速为4 390 m/s。再由式(1)计算得注浆层波速，为1 354 m/s。根据上述理论，管片—注浆层界面相对应的厚度频率f1根据式(4)计算：

(4)

注浆层—围岩界面相对应的厚度频率f2根据式(5)计算：

(5)

式中：T1，T2——混凝土管片与注浆层的厚度；

Cp1，Cp2——混凝土管片与注浆层中的应力波波速。

同样，缺陷处厚度频率f2′可根据式(6)求得:

(6)

式中：T1′,T2′——混凝土管片与管片—注浆层界面到缺陷表面的厚度;

Cp1′,Cp2′——混凝土管片与注浆层中的应力波波速。

4 试验研究

仪器使用的是美国Olson公司制造的IES冲击回波仪，如图4所示，仪器包括主机，连接线以及激振器和信号接收传感器集成在一起的滚动传感器。设置仪器采样频率为2 048 Hz，每10 μs采集一个数据点。冲击回波数据采用Butterworth滤波器和Bass Pass带通滤波，并且设置Order阶数为4阶。S—G试件图见图5。

在厚度频率有效区域范围(由计算确定，本文中处于2 000 Hz～8 000 Hz之间)之内出现了明显的峰值，在有效区域外的低频区域也可能出现峰值，这些峰值是由于表面波或者其他噪声干扰波引起，因此进行了以2 kHz左右为截止频率的高通滤波，用于消除这些强烈的低频信号。

对试件进行冲击回波试验后，对回波时程曲线进行FFT(快速傅里叶变换)后得出的频域图如图6所示。

将图6中峰值频率列于表2。

表2 不同试件的峰值频率 Hz

从表3中可以看出，理论值与试验值吻合较好。对于SG-DE试件，注浆层底界面厚度频率不明显，是由于波在缺陷处反射所致。有缺陷试件与无缺陷试件频域图第一峰值存在差别。

5 结语

本文通过设计带缺陷和不带缺陷的S—G(管片—注浆)试件模型，来模拟盾构中使用冲击回波法检测注浆层质量问题的方法应用，分析了在不同注浆情况下的冲击回波频谱特征，得出如下结论：

1)盾构管片后的注浆层中的空洞空隙等缺陷的检测受到最小尺寸限制，对于本文中试件尺寸，注浆层中的缺陷宽度需大于116.7 mm才能被冲击回波法所检测。

2)理论值与试验值吻合较好。对于SG-DE试件，注浆层底界面厚度频率不明显，是由于波在缺陷处反射所致。有缺陷试件与无缺陷试件频域图第一峰值存在差别。

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The test research on impact-echo method identification of the grouting layer quality in shield

Yao Fei Su Jianhong

(CivilandTransportationCollege,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Introduces the principle of impact-echo method,impact-echo method is used to simulate detecting quality problems in grouting layer of shield tunnel by designing the defective and non-defective S—G(Segment-Grouting) specimen model. Spectral characteristics of the impact-echo method in different grouting situation are analyzed in this paper,some meaningful conclusions are drawn.

S—G model， impact-echo method,shield,grouting layer

2015-10-08

姚 菲(1983- )，女，博士，讲师；苏建洪(1991- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)36-0166-02

U455.43 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A