冲击弹性波在衬砌脱空检测中的应用

朱威， 张远军

(1.火箭军工程大学士官学院， 山东青州262500；2.四川升拓检测技术股份有限公司， 成都610045)

冲击弹性波在衬砌脱空检测中的应用

朱威1， 张远军2

(1.火箭军工程大学士官学院， 山东青州262500；2.四川升拓检测技术股份有限公司， 成都610045)

隧道作为现代工程典型的结构形式，在交通、水利、国防等领域都发挥着极其重要的作用。各行业针对隧道衬砌施工质量，尤其对衬砌脱空状况检测的需求，显得日益突出，衬砌背后部是否存在脱空将直接影响隧道的安全性能。在综合了常用混凝土检测技术的基础上，对电磁波雷达与冲击弹性波测试系统的差异进行了分析研究，认为弹性波在一定条件下用于衬砌脱空检测更具有优越性，因此提出了采用冲击弹性波的振动特性和反射特性对隧道衬砌脱空进行检测的方法，对振动法和反射法理论进行了深入研究，结合实际工程应用实践，与电磁波雷达系统进行了应用对比，其效果显著，值得推广。

隧道脱空；振动法；反射法；冲击弹性波；电磁波

引言

隧道是现代交通工程、水利工程、国防工程等常用到的工程结构形式。隧道往往横惯于山体之中或纵横于地下，是典型的地下工程，洞身往往都需要浇筑混凝土衬砌，用以及时的进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分。

一般隧道混凝土衬砌厚度往往远小于其他各向尺寸，而在弹性力学中，两个平行平面和垂直于它们的柱面所围成的物体，当其高度小于底面尺寸时称为板[1]，因此隧道衬砌可视为混凝土板结构。田北平等[2]认为隧道衬砌常见问题包括材质差(强度、模量不足)、结构尺寸(厚度、长度)不足、结构开裂、结构内部缺陷和结构背后空腔等。其中背后脱空隐蔽性强，受影响因素多，诸如人为因素、技术因素、混凝土干缩、徐变等都可能导致隧道衬砌背后脱空。而隧道衬砌背后是否存在脱空将直接影响隧道的安全性能。因为若有脱空存在，衬砌将无法在围岩变形的第一时间起到主动限制变形的作用，李术才等[3]秉持“先让再抗后刚”大变形控制思想，即在变形达到一定程度后被动支承，但前提是要求支护体系具有相当的承受能力，否则会给隧道安全造成巨大隐患。因此，对隧道衬砌背后脱空状况及早检测发现，及早进行防治处理，直接关系到隧道长期稳定和使用功能的正常发挥。

本文在综合目前常用混凝土检测技术的基础上，提出了采用冲击弹性波的振动特性和反射特性对隧道衬砌脱空进行检测的方法，在实际工程中应用效果显著，值得推广。

1混凝土无损检测技术

吴佳晔等[4-5]根据检测所用的信号媒质不同，将混凝土无损检测技术分为冲击弹性波(包括冲击、弹性波、超声波、AE)/诱导振动、电磁波/电磁诱导、红外线谱、放射线等方法。其中冲击弹性波/诱导振动、电磁波/电磁诱导在工程现场无损检测中应用最广泛。

冲击弹性波能够直接反映材料的力学特性，是工程检测中最常用的媒介之一，冲击弹性波用锤或电磁击振装置冲击产生，具有击振能量大、操作简单、便于频谱分析等特点，是一种非常适合工程无损检测的媒介[6]。

冲击弹性波已广泛应用于混凝土无损检测中，如基础工程中常用的低应变法测桩长；吕小彬等[7]提出的冲击回波法测试混凝土动态模量；水工混凝土结构缺陷检测技术规程[8]中规定的面波法测裂缝；郭贵强等[9]采用冲击回波法检测水工混凝土板内部缺陷等，均采用的是冲击弹性波，其弹性波有易于产生，且击振能量大、操作简单、便于频谱分析等特点，也适合应用于隧道衬砌脱空检测。

电磁波的能量以脉冲的形式由发射天线辐射入介质内部，当电磁波在传播时遇到介电差异界面，就会产生反射、透射和折射，介电常数差异越大反射的电磁波能量越大，与发射天线同步移动的接收天线接收反射信号，并将该信号送入雷达系统主机，通过信号数字化处理，形成全断面的扫描图，通过对雷达图像的判读，便可对目标物实际结构情况作出准确判定。

电磁波雷达是一种无损伤高精度检测技术，目前已在工程勘查、水利隐患探测、工程质量检测等领域得到广泛应用[10]。电磁波在隧道初衬与二衬间的空洞缺陷探测中亦有应用。但雷达剖面图形常以波形或灰度显示，即雷达检测需要进行数据处理和图像解释。由于目标介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得接收到的脉冲信号波幅减小，甚至波形失真。另外，不同程度的各种随机噪声和干扰，也会影响实测数据。

在进行定性定量图像解释时，应认清目前雷达及处理软件存在的问题，特别是应注意定量解释的精度取决于选取的波速的精度，应当加强现场实测波速的基础工作，并应考虑天线收-发距的问题，避免出现不实[11]。

现有大量检测结果表明，目前在两层衬砌间空洞缺陷的定位、尺寸以及形状的辨别上还有一定的困难，对空洞大小判定的准确度方面尚显不足。另外电磁波受钢筋、水等影响较大。电磁雷达系统与弹性波系统比较见表1。

表1电磁雷达系统与弹性波测试系统比较

2冲击弹性波检测脱空方法原理

脱空面对测试信号的影响主要体现在：

(1)脱空面由于刚性极低，对弹性波有明显的隔断、反射作用。

(2)脱空造成结构的约束减少、自由度增加。

2.1振动法

隧道衬砌或底板脱空检测，当检测对象结构较薄或脱空范围较大时，可以采用振动法检测，通过弹性波的频率特征进行脱空判定。

当锤击混凝土结构表面时，在表面会诱发振动。该振动还会压缩/拉伸空气形成声波，可以用传感器直接拾取结构表面的振动信号(称为“振动法”)，对振动特征信号数字化处理，形成等值线云图，即可对脱空情况作出准确判定。

通常，在产生脱空的部位，振动特性会发生以下变化(图1)：

(1)弯曲刚度显著降低，卓越周期增长。

(2)弹性波能量的逸散变缓，振动的持续时间变长。

图1脱空时振动参数的变化特点

这两个特性对激振力的大小没有要求。另一方面，剥离会引起结构抵抗特性的变化，即，剥离使得参与振动的质量减少，在同样的激振力下，产生的加速度会增加。因此，用冲击锤激振并用激振力归一化后，加速度幅值也是一个重要的指标。

但是，当脱空面中填充有碎石渣粉、泥浆等柔性材料时，其对混凝土的振动有较强的衰减作用，反而有可能使得持续振动时间的缩短，因此，按照上述振动变化特征得到的脱空指数反而会更低。此时，结合冲击回波法就显得必要。

2.2反射法

隧道衬砌或底板脱空检测，当检测对象结构太厚(一般指大于50 cm)或脱空范围较小时，无法采用常规的振动法检测时，只能采用冲击回波法，利用弹性波的反射和透射过程来进行脱空判定。

当弹性波在结构介质中传播时，遇到截面变化或者材质变化时，其反映为机械阻抗(一般用z来表示材料的机械阻抗，z=ρCA，这里的A是断面截面积)的变化。在机械阻抗发生变化的界面上，传播的弹性波会产生波的反射和透过(图2)。

图2变化的机械阻抗面发生的反射和透过

弹性波的反射和透过具有的性质：(1)媒介的机械阻抗相同(z1=z2)，就算材料不同，也不会产生波动；(2)两种媒介的机械阻抗相差越大，反射率也越大。典型材料的阻抗见表2。

表2典型材料的阻抗参数

根据上述原理及典型材料的阻抗参数可知，围岩等级较高，即岩体与衬砌交界面阻抗差异不太大，将在交界面上发生反射和透射，当衬砌混凝土与高等级岩体接触好时，透过率大于反射率，大部分信号将继续向岩体传播并在不同岩层产生反射和透过。因此，能量频谱中不仅能看到衬砌与岩体交界面的反射信号，还能看到后续的反射信号。若衬砌与岩体接触不好，即衬砌与岩体中间存在夹层，如空气，水等阻抗小的材料，激励的信号将在交界面充分反射回来，能量频谱将看不到后续的反射信号。

3脱空检测应用

3.1某国家重点工程隧道衬砌脱空检测

应国家重点工程某监管机构邀请，对该工程的隧道衬砌进行了脱空检测，并与地质雷达进行了对比。该隧道衬砌断面为带仰拱的城门洞型，断面尺寸4.20 m×5.80 m(宽×高)，洞身段边墙和顶拱混凝土衬砌厚度50 cm，另有20 cm的初衬。底板混凝土衬砌厚度为60 cm。具有埋深大、地下水位高、土体渗透系数小的特点，稳定性极差。

检测采用了冲击弹性波反射法和电磁波雷达法。两者检测结果对比结果如图3、图4和表3所示。在该检测段面，发现隧道衬砌脱空病害两段，对比可知，无论是脱空位置还是范围确定，两种检测方法具有较高的吻合度。

图3弹性波发射法检测云图

图4探地雷达检测剖面图

检测方法EWR(时域)/m地质雷达/m脱空位置范围94～114129～15693～106122～135

3.2辽宁东水西调某隧道底板脱空检测

辽宁“东水西调”工程是为缓解浑河、太子河、辽河下游地区水资源的供需矛盾，推动当地社会和经济的可持续发展而修建的跨流域引水工程。东水西调工程是从浑江上桓仁水库坝下，经87.5 km引水洞，将水引至新宾县境内苏子河后汇入浑河，经河上的大伙房水库反调节，再向辽河中下游地区缺水城市供水的大型跨流域引水工程。本次检测的隧道段位于桓仁县境内，需要检测底板与岩体结合的密实性，底板厚为65 cm～75 cm不等，全段有10 cm左右的积水。电磁波雷达在此种条件下无法进行检测，拟采用冲击弹性波反射特性进行检测。

由于排水范围有限，在一个排水区域(约0.5 m2)原则上梅花布置5个点(图5)进行测试，每个点采集3次数据，采用能量频谱云图进行脱空判定。

图5隧道底板脱空检测布点

由能量频谱云图(图6)可知，激振弹性波信号在底板位置附近完全被隔断反射，透射信号基本没有或极弱，即在底板底部存在较大的阻抗差异界面，可判定该测试区域存在脱空现象，钻孔验证如图7所示。

图6冲击弹性波能量频谱云图

图7钻心取样验证结果

钻心取样可见隧道底板与围岩结合不紧密，底板与围岩之间存在碎岩渣粉、水等阻抗极小的杂质材料。

3.3渠道衬砌脱空检测

本次测试渠道段为南水北调工程某渡槽到引水渠的连接位置，该位置长约40 m，混凝土结构衬砌为渐变结构，渐变区间为87.3 cm～44.7 cm，需要测试迎水面混凝土结构衬砌与堤防的接触状况。测试位置混凝土结构衬砌厚约为50 cm，设计强度为C30，其形状随堤防结构扭曲变化。渠道衬砌是板状结构，背后为黄土，与混凝土阻抗差异明显，因此测试方法采用振动法，并用大锤激振，结构现场如图8所示。

图8渠道结构

本次测试区域为180 cm×180 cm，测点间距为30 cm，代表性检测结果如图9所示。

图9剥离指数等值线云图

脱空造成结构的约束减少、自由度增加。当在结构表面进行激振时，振动持续时间长，卓越周期长，等值线云图中，色彩越暖表示脱空越严重。

4结论

(1)电磁雷达是测试脱空的一种非常有效的手段，其通过测试在脱空面的反射信号来判断脱空的有无，但电磁雷达波受钢筋、水等影响较大[12]。冲击弹性波检测和电磁雷达检测结果均具有较高的可靠性，并且冲击弹性波检测弥补了电磁雷达受钢筋、水等影响大的不足。因此冲击弹性波检测和电磁雷达检测各有所长，可取长补短、分别应用[13]。

(2)冲击弹性波两种测试方法互补，围岩等级较高，衬砌厚度较厚(大于50 cm)时，宜采用反射法，围岩等级较差，衬砌厚度较薄(小于50 cm)，脱空范围较大时，宜采用振动法。

(3)冲击弹性波作为无损检测媒介，具有易于产生，能量强，适用范围广等特征，用于隧道衬砌脱空检测方法简单、路线方向明确。工程实际应用证明冲击弹性波用于隧道衬砌背后脱空情况检测，实用可靠，值得推广。

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The Application of Impact Elastic Wave in Lining Void Detection

ZHUWei1,ZHANGYuanjun2

(1.Rocket Force University of Engineering, Qingzhou 262500, China; 2.Sichuan Central Inspection Technology Inc,Chengdu 610045, China)

As a typical modern engineering structure, tunnel plays an extremely important role in areas such as transportation, water conservancy, and national defense. The quality of tunnel lining construction, especially for the demand of the lining concrete pavement condition detection becomes increasingly prominent. The presence of voids behind the lining will directly affect the safety performance of the tunnel. On the basis of detection technology, the electromagnetic wave radar and the impact of elastic wave test system difference were analyzed. The elastic wave under certain conditions used for lining has more superiority. Therefore, the method for detecting the void of tunnel lining is put forward by using vibration characteristics and reflection characteristics of shock wave. The vibration method and the theory of reflection method were studied. Based on the actual engineering application practice, and compared with electromagnetic wave radar system application, the effect of the method above is remarkable.

tunnel cavity; vibration-based method; reflection method; IEW(Impact elastic wave)；electromagnetic wave

2017-02-23

朱 威(1973-)，男，江苏徐州人，教授，硕士，主要从事工程施工方面的研究，(E-mail)994201104@qq.com

1673-1549(2017)03-0062-05

10.11863/j.suse.2017.03.13

TU4

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