超声波平测法在隧道二衬裂缝检测中的应用

邹威波,陈书平,杜勇立,何现启,彭凌星，朱自强

(1.湖南省马安高速公路建设开发有限公司，湖南 安化 410000;2.湖南省交通规划勘察设计院,湖南 长沙 410008；3.中南大学 地球科学与信息物理工程学院，湖南 长沙 410083)



超声波平测法在隧道二衬裂缝检测中的应用

邹威波1,陈书平1,杜勇立2,何现启2,彭凌星2，朱自强3

(1.湖南省马安高速公路建设开发有限公司，湖南 安化 410000;2.湖南省交通规划勘察设计院,湖南 长沙 410008；3.中南大学 地球科学与信息物理工程学院，湖南 长沙 410083)

随着山区高速公路的不断发展，隧道应用也越来越广泛，且随着运营时间的增长，隧道病害越来越多，其中影响较大的是二衬开裂，一方面影响隧道的结构稳定，另一方面引起隧道渗水。因此对隧道裂缝的检测及加固显得越来越重要。超声波作为裂缝无损检测方法具有穿透能力强，检测成本低等优点，在混凝土桥梁、隧道等大体积混凝土质量检测中得到了广泛的应用。利用超声脉冲波在混凝土中传播的时间，接收波的振幅、频率和波形等声学参数的相对变化，可判断混凝土内部的充填状态、裂缝深度等。隧道衬砌只具有一个面，检测时只能采用平测法，平测时应在裂缝的被测部位，以不同的测距，按跨缝和不跨裂缝布置测点进行检测，通过对比分析判定裂缝的充填状态及其发育深度。将超声波法与裂缝宽度检测仪综合使用，同时探测裂缝的宽度及发育深度，并将检测结果采用Matlab软件进行三维显示，使结果更为简洁、直观，为后期的加固设计、施工提供了坚实的基础。

超声波；平测法；裂缝宽度；裂缝深度；走时

1 引 言

混凝土是公路建设中广泛使用的材料，但是伴随着它的生产与应用，其裂缝问题也一直受到广泛的关注。混凝土结构的裂缝不仅影响桥梁、隧道等结构的美观，更主要的是影响这些结构的正常使用与耐久性。当结构的裂缝宽度达到一定大小时，可能危及桥梁、隧道结构安全。大量科研和实践都证明了混凝土结构出现裂缝是不可避免的，但要求将其有害程度控制在允许范围(国家有关规范)内。为此，需要加强混凝土结构裂缝的检测和评估。目前针对结构混凝土的无损检测最常用的方法是超声脉冲法[1,2]。

超声波检测方法具有穿透能力强，检测成本低廉等优点，在混凝土大坝、桥墩、桥台、承台、灌注桩等大体积混凝土质量检测中得到了广泛的应用[2,3]。近年来，其检测的应用范围和应用深度也不断扩大，从地面上部结构的检测发展到地下结构的检测，从一般小构件的检测发展到大体积混凝土的检测，从单一测强发展到测强、测裂缝、测缺陷、测破坏层厚度、测弹性参数的全面检测[4,5]。1990 年，我国颁布了《超声波检测混凝土缺陷技术规程》， 2000 年又颁布了新修订的《超声波检测混凝土缺陷技术规程》[6]。

2 检测原理及方法

混凝土超声波探测仪的工作原理为：由脉冲发生器发射超声波脉冲，通过发射和接收传感器，测量脉冲传输时间。脉冲速度的计算公式为：v=s/t。式中：v为脉冲速度(km/s);s为路径(mm)；t为传输时间(μs)[7，8]。

低频超声脉冲不能直接通过脉冲路径上的空隙，因此，通过混凝土超声波探测仪显示的最快路径绕行所用的时间可以确定空隙的位置。根据超声波的这一特性，可以判定混凝土内部的状态和裂缝情况[2,9]。

裂缝深度采用超声脉冲法进行检测，利用脉冲波在混凝土中传播的时间，接收波的振幅、频率和波形等声学参数的相对变化，来判断混凝土内部的状态、裂缝情况、裂缝深度[1，7,10]。

由于隧道结构的裂缝部位只有一个可测表面，因此采用单面平测法[11-14]。平测时应在裂缝的被测部位，以不同的测距，按跨缝和不跨裂缝布置测点(布置测点时应避开钢筋的影响)进行检测，其检测步骤为：

1)不跨缝的声时测量。将发射T和接收R换能器置于裂缝附近同一侧，以两个换能器内边缘间距l′等于100、150、200、250 mm、……，分别读取声时值(ti)，绘制“时-距”坐标图，或用回归分析的方法求出声时与测距之间的回归直线方程，如图1所示。

3)平测法检测，裂缝深度应按下式计算：

图1 平测时距曲线Fig.1 Time distance curve

(1)

(2)

4)裂缝深度的确定。①跨缝测量中，当在某测距发现首波反相时，可用该测距及两个相邻的测量值按式(1)计算hci值，取此三点hci的平均值作为该裂缝的深度值(hc)；②跨缝测量中如难于发现首波反相，则以不同测距按式(1)、式(2)计算hci及其平均值mhc。将各测距Li′与mhc相比较， 凡测距Li′小于mhc和大于3mhc，应剔除该组数据，然后取余下hci的平均值，作为该裂缝的深度值hc，图1为不跨缝检测时距曲线，图2为跨缝检测示意图。

图2 跨缝检测示意图Fig.2 Diagram of cross-stitch detection

3 现场检测

所检测的麻栗场隧道位于湘西自治州花垣县麻栗场镇，是一座双向四车道高速公路分离式长隧道。由于二衬表面已涂一层约1.2 cm的防火涂料，表面凹凸不平，不利于探头耦合，且防火涂料对超声波具有较强的衰减作用，因此为确保检测质量，特要求将裂缝上下各20 cm宽度范围内的防火涂料去除干净，现场检测如图3所示，图4为超声波检测混凝土裂缝深度数学模型。

依据裂缝分布情况，沿裂缝延伸方向每40 cm布置一个测点，用粉笔标记好点位，然后用直尺确定每个测点到边沟盖的高度确定每个测点的位置，再用裂缝宽度测试仪(KON-FK(O))测量裂缝的宽度，最后检测裂缝的深度。

图3 去除防火涂料前后对照Fig.3 Before and after the removal of fire-resistant coating

图4 超声波检测裂缝深度数学模型Fig.4 Ultrasonic detection of crack depth mathematic model

考虑到隧道二衬内边墙范围的钢筋为垂直方向，超声波检测探头的布置与垂直方向呈一45°的夹角。依据现场测试数据，确定K31+840～K31+855范围裂缝深度变化较大，因此测点较密(间距40 cm)，K31+855～K31+863范围裂缝深度变化较小，因此测点较疏(间距80 cm)。图5为现场检测照片。

图5 现场检测相片Fig.5 Photos of the field test

4 检测结果

下面以40#、41#测点为例说明计算过程，其他测点参照计算。测点的不跨缝数据测试距离及声时如表1所示。

表1 40#测点不跨缝测试参数

图6为40#点的不跨缝检测数据，图7为不跨缝检测时距曲线。由公式v=s/t，可得到超声波的速度为2.14 km/s。跨缝参数如表2所示。

图8为跨缝检测单外波形图，图9为跨缝检测波列数据。将声时、距离参数代入公式(1)计算可得裂缝深度hci,将满足要求的两个计算数据进行平均可得到该点的裂缝深度为46.95 mm。

表2 41#测点跨缝测试参数

图6 不跨缝数据Fig.6 Non-cross-stitch data

图7 不跨缝距离-时间曲线Fig.7 Time-distance curve

图8 跨缝单列波形Fig.8 Single wave

图9 跨缝检测数据Fig.9 Cross-stitch data

详细检测数据成果见表3。

表3 裂缝检测成果

采用Matlab绘制的裂缝展布图见图10～图12。其中，图10蓝色线条的粗细反映了裂缝的宽度。

图10 裂缝展布(裂缝距离边沟盖板高度)Fig.10 Fracture spread (height from cover of ditch to fracture)

图11 裂缝展布(裂缝深度3D)Fig.11 Fracture spread (depth of fracture in 3D)

图12 裂缝展布(裂缝深度2D)Fig.12 Fracture spread(depth of fracture in 2D)

5 结论及建议

根据以上数据及现场情况分析可知，在K31+848～K31+850以及K31+854～K31+856位置，超声波有效信号较弱，且数据处理结果显示裂缝深度较深，局部已经贯穿整个二衬，但由于超声波平面检测法只能检测60 cm以内的裂缝，因此K31+848～K31+850以及K31+854～K31+856段裂缝在深部是否有发育，需采用其他方法进一步确认。除灭火装置及紧急电话位置无法确定外，其余检测段裂缝均已贯通，且在K31+854～K31+856附近有沿衬砌槎位置发展的迹象，需进一步确定裂缝性质及形成机理。

另据相关地质资料及现场施工情况调查，隧道岩溶较发育，地下水较丰富，建议采用其他方法进一步探明衬砌背后围岩情况、回填密实情况、衬砌厚度和富水状态。

若为结构性裂缝，需先进行加固，再进行裂缝本身修补；若为非结构性裂缝，可直接采用钻孔注浆法修补裂缝。裂缝处治前后需对裂缝进行跟踪监测，观察裂缝的发展情况。

[1]金富康.混凝土结构裂缝控制措施分析[J].房地产导刊,2013(6):69-71.

[2]廖智.超声波法探测混凝土内部缺陷的原理及应用[J].科学技术与工程,2011,11(13):3 114-3 118.

[3]董清华.混凝土超声波、声波检测的某些进展[J].混凝土,2005,16(11):33-36.

[4]邱平.新编混凝土无损检测技术[J].北京:中国环境科学出版社，2002.

[5]林维正,苏勇,洪有根.混凝土裂缝深度超声波检测方法[J].无损检测,2001,23(8):323-326.

[6]CECS 21:2000，超声法检测混凝土缺陷技术规程[S].北京:中国工程建设标准化协会标准，2001.

[7]徐航航.超声脉冲法裂缝深度检测分析[J].工程建设与设计,2015(2):99-100+122.

[8]曾繁标.混凝土超声波法检测新技术的应用[J].广东科技,2008,16(10):193-194.

[9]谭国栋,甄国杰,冯甘霖,等.混凝土裂缝深度超声波检测试验研究[J].广东建材,2009(4):18-20.

[10]张小龙,赵鹏,徐浩铭，等.超声波及表面波法在检测含水裂缝深度中的应用分析[J].四川理工学院学报(自然科学版),2015,28(4):66-71.

[11]马少军,姚汝方.用超声波平测法检测混凝土梁的裂缝[J].水利水运工程学报,2004(2):72-74.

[12]常娟娟,黄质宏,黄彦森,等.某厂房基础浅裂缝超声检测与分析[J].科学之友,2011(4):8-9.

[13]谢春,黄永进,唐坚.快速扫描算法在超声波层析中的应用[J].工程地球物理学报,2015,12(1):89-95.

[14]申永利,孙永波.基于超声波CT技术的混凝土内部缺陷探测[J].工程地球物理学报,2013,10(4):560-565.

The Application of Ultrasonic Plane Testing Method to Crack Depth Inspection of Tunnel Lining

Zou Weibo1,Chen Shuping1,Du Yongli2,He Xianqi1,Peng Lingxing1，Zhu Ziqiang2

(1.HunanMa’anExpresswayConstructionandDevelopmentCo.,Ltd.,AnhuaHunan410000,China;2.HunanProvincialCommunicationsPlanning,Survey&DesignInstitute,ChangshaHunan410008,China;3.SchoolofGeosciencesandInfo-physics,CentralSouthUniversity,ChangshaHunan410083,China)

Tunnel engineering is widely used with the continuous development of highway construction in mountain area,and more and more disease is appearing as the growth of operating time,among which lining cracking has a greater impact. On the one hand,it affects the stability of the tunnel structure,but on the other hand,it causes seepage,so the detection of cracks and cracks reinforcement become increasingly important.Ultrasonic method with powerful penetrating ability,low cost is widely used in bridges,tunnels and other mass concrete quality detection.Travel time of ultrasonic pulse wave propagation in concrete,the relative change in amplitude,frequency and waveform and other acoustic parameters of the received wave can be used to assess filled state and depth of fracture within the concrete.Tunnel lining has only one surface,so just the plane detection method can be used. The measuring point should be arranged at the site of fracture in different range,and it should be arranged in two ways: cross fracture does not cross fracture,and through comparative analysis filling state and development depth of fracture can be detected. In this paper,the ultrasonic method and width detector are used simultaneously,and both the width and depth of the fracture are detected,and test results are displayed in three-dimensional form using Matlab software which makes the results more simple and intuitive,and provides a solid foundation for reinforcement design and construction in the late.

Ultrasonic wave; plane detection method; width of fracture; depth of fracture; taveltime

1672—7940(2016)06—0733—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.008

国家自然科学基金项目(编号：41174061)

邹威波(1983-)，男，工程师，主要从事高速公路施工质量管理研究。E-mial:191158616@qq.com

P631.5

A

2016-02-17