冲击回波声频法用于铁路隧道衬砌质量检测

姜勇 吴佳晔 马永强 邓立

（1.中国国家铁路集团有限公司工程质量监督管理局，北京 100844；2.四川升拓检测技术股份有限公司，成都 610046；3.西南石油大学，成都 610500）

截至2019 年底，我国大陆有16 084 条全国铁路运营隧道，全长18 041 km；2 950 条在建隧道，全长6 419 km，包括123 条特长隧道，全长1 689 km［1］。同时，新增运营线路铁路隧道550 座，总长1 005 km；在建铁路隧道3 477 座，总长7 465 km；规划铁路隧道6 327座，总长15 634 km。由此可见，隧道工程的质量和安全，对铁路运营有非常重要的意义，而隧道衬砌的质量尤为重要，其质量问题多发，主要有衬砌过度变形、裂损、剥落掉块；二次衬砌混凝土厚度不满足设计要求；二次衬砌背后脱空；混凝土不密实、强度不足等［2］。

根据TB 10223—2004《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》、TB 10417—2018《铁路隧道工程施工质量验收标准》规定，隧道衬砌检测方法主要为地质雷达法、敲击法和声波法等。姜勇等［3］研究表明，地质雷达法和冲击回波法（声波法的一种，Impact Echo）在隧道衬砌质量检测中联合运用效果显著，同时也指出了冲击回波法在隧道衬砌检测中存在的问题，并提出冲击回波声频法（Impact Acoustic Echo）这一新型无损检测方法。

本文对冲击回波法基本原理及存在的问题进行阐述，引出冲击回波声频法的开发背景，并对其理论基础、测试对象和范围、检测实例及运用进行分析，以此验证冲击回波声频法的有效性。

1 冲击回波法基本原理及问题

1.1 基本原理

冲击回波法是一种针对结构内部缺陷检测的有效手段，由激振装置在固体表面击打产生弹性波（图1），利用此弹性波在被测体中多次反射的特性，通过频谱分析（如快速傅里叶变换、最大熵法等方法）来获取结构厚度、材质和缺陷信息［4］（图2）。

图2 冲击回波法频谱示意

由于所采用的媒介为冲击弹性波中P 波成分，根据频谱分析中对应的反射周期可以得到相应的衬砌厚度或缺陷深度为

式中：H为衬砌结构厚度或缺陷深度计算值，m；VP为衬砌中传播P波的波速，km/s，可通过标定得到；T为频谱图上对应的反射时间，s。

此外，当二次衬砌内部存在较大规模或较浅的脱空、平行及表面离缝时，从衬砌背面的入射波和反射波由于需要绕过离缝，其往复时间会有一定程度的延长，如图3所示。

综合冲击回波频谱图上对应缺陷的反射信息及衬砌背面反射信号的变化，可以判定衬砌厚度、缺陷的有无及位置等信息。

图3 离缝造成冲击弹性波滞后

1.2 应用中的问题

尽管TB 10223—2004 已将声波法（冲击回波法）定义为铁路隧道衬砌缺陷的检测手段，但该方法几乎没有得到实际运用。主要原因在于隧道衬砌测试条件比较恶劣：①隧道衬砌表面常有浮尘、泥等附着物；②检测需要使用台车，而且往往台车一边行驶，一边设置传感器。

在实际衬砌检测过程中，往往难以保障传感器的稳定设置，而传感器的设置对采集信号的频谱特征有很大影响。图4显示了不同固定方式对传感器系统频谱特性的影响，当传感器卓越频率与弹性波信号特征频率接近时会产生共振现象，从而造成拾取信号的严重失真和冲击回波法测试精度的降低。如图5 所示，低频区域（图中靠右）有明显的信号，却不是衬砌背面的反射，因此可以推测是由于传感器设置不当造成的伪峰信号。

图4 不同固定方式对传感器频谱特性的影响

图5 铁路隧道衬砌检测MEM云图

2 冲击回波声频法原理及应用

2.1 开发背景

敲击法和冲击回波法一样，通过击打被测体表面引起振动，进而压缩空气形成击打声，并根据击打声的特性判断结构是否存在缺陷。敲击法由于实施快捷，并能在一定程度上弥补地质雷达法的不足，被列入TB 10416—2018。

敲击法也存在很多不足之处，除了受环境噪声影响大、测试客观性差等问题外，测试深度较浅也是一个大的固有问题。一般来说，采用人工锤击的方式，能够测试到的缺陷深度为10 cm 左右，而铁路二次衬砌厚度一般在35～60 cm。因此，敲击法只能测试非常浅的脱空等缺陷。

为此，本文结合冲击回波法与敲击法的长处，开发了基于声频的非接触、移动式工程无损检测方法“冲击回波声频法”，为隧道质量评估提供新的技术支撑，如图6所示。

图6 冲击回波声频法概念及主要设备

2.2 理论基础

冲击回波声频法与冲击回波法最大的不同在于用非接触式拾音器（麦克风），而不是传感器来拾取敲击点附近的振动信号。对于拾振体系，可以简化为导波管，其气柱的基本方程［5］为

式中：ρ(x，t)，v(x，t)分别为当前位置、时间的空气密度和流速。

由于气体的流速很小，可以表示为静止气体密度ρ0和变化量ρ′(x，t)之和。同时，考虑由于气体密度的变化会导致空气压力P和体积V变化，因此引入压缩率κ来表述。

κ的倒数即为空气的压缩模量。同样，压力的变化也可以表示为静止气体压力与变化量之和。

简化并忽略二次项后，气体加速度a为

根据运动学定律F=ma，可得

考虑到微小量可忽略，式（6）可简化为

式（7）表明，在振动点附近，空气加速度与气压变化的梯度成正比，这即为冲击回波声频法拾振的理论基础。

采用拾音器代替传感器拾振，在以下2 方面有明显的优势：

1）由于是非接触式拾振，可避免传感器固定不良造成的信号失真；

2）由于拾音器构造上的特点，使得其频域范围广，频谱特性好（图7）。由图7 可见，如果采用合适的拾音器，在较宽的频域范围（0.2～20 kHz，对应混凝土结构相当于0.1～10 m）内均可保持大致相同的增益，非常适合冲击回波声频法的分析。

图7 典型麦克风频谱曲线

2.3 测试对象和范围

姜勇等［3］指出，冲击回波法对混凝土内脱空等缺陷较地质雷达法更为敏感。由于冲击回波声频法继承并发扬了冲击回波法的优点，针对隧道衬砌，可以检测二次衬砌的厚度（或疑似强度不足）、密实情况、脱空等信息，如图8和图9所示。

图8 衬砌本身完好类型示意

图9 衬砌缺陷类型示意

图10为冲击回波声频法典型图像，横纵坐标分别表示测试弹性波反射走时对应的厚度值与坐标里程，可根据设计厚度设定厚度标定线（在标定线左侧则小于设计厚度，在标定线右侧则大于设计厚度）。

图10 冲击回波声频法典型图像

2.4 检测验证实例及运用

冲击回波声频法技术已在十余条铁路在建项目近200 座隧道中得到验证和应用，见表1。同时，采用钻孔取芯对冲击回波声频法的检测精度验证过的隧道数量已达150多个，吻合度在95%以上。

表1 冲击回波声频法运用统计

2.4.1 典型实例验证

对衬砌结构密实且健全、不密实、厚度不足、脱空4类典型实例进行验证。

1）衬砌结构密实且健全。由图11（a）显示的该衬砌底部反射信号可知，衬砌厚度与设计厚度基本吻合或略大于设计厚度，约为59 cm，判定该处为密实且健全。后进行钻孔验证，实测厚度55 cm，且混凝土密实，如图11（b）所示。

图11 衬砌结构密实且健全验证

2）衬砌结构不密实。图12（a）显示该衬砌局部反射信号紊乱，且不连续，判定该处为不密实。后在相关位置进行钻孔验证，观察到该处混凝土松散、不密实，如图12（b）所示。

3）衬砌结构欠厚。图13（a）显示该衬砌底部反射信号早于设计值（45 cm）较多，判定该处为欠厚。后在相关位置进行钻孔验证，实测厚度仅36 cm，如图13（b）所示。

图12 衬砌结构不密实验证

图13 衬砌结构欠厚验证

4）衬砌结构脱空。图14（a）显示该衬砌局部存在低频脱空振动信号，判定该处为脱空。后经钻孔验证，深度36 cm处开始存在脱空，如图14（b）所示。

图14 衬砌结构脱空验证

2.4.2 与地质雷达法对比验证

首先需要指出的是，上述4 处衬砌采用冲击回波声频法进行质量检测判定结果与钻孔验证结果均吻合，而地质雷达法当时的判定结果与实际情况均存在较大差异。

当衬砌层中存在密集钢筋网尤其是双层钢筋网时，雷达波信号很难透过钢筋网，从而无法有效对钢筋网底部结构进行有效检测，而钢筋层对弹性波几乎不造成影响。

1）双层钢筋网下衬砌结构超厚及欠厚。图15 为一隧道某段相同测线的地质雷达法与冲击回波声频法检测结果。地质雷达图中，强烈的钢筋反射掩盖了二次衬砌底部的反射，很难判定厚度情况。但根据冲击回波声频法检测云图，二次衬砌底部反射信号清晰可见，可判定该段二次衬砌欠厚。后钻孔验证，设计厚度50 cm，实测厚度37 cm，欠厚，与冲击回波声频检测结果一致。

图15 双层钢筋网下衬砌结构超厚及欠厚

2）单层钢筋网下衬砌结构脱空及欠厚。图16 为某隧道衬砌（单层钢筋网）的地质雷达法与冲击回波声频法检测结果。在地质雷达图中，钢筋网信号仍然反射明显，使得难以对该段衬砌缺陷进行明确判定。而冲击回波声频法二次衬砌底部反射信号鲜明，反射时间小于设计值，且存在明显低频脱空振动信号，可判定该段存在欠厚且存在脱空。后钻孔验证，设计厚度为45 cm，实测厚度30 cm，二次衬砌后存在约20 cm脱空。

图16 单层钢筋网下衬砌结构脱空及欠厚

3 结论

大量的铁路隧道衬砌现场检测验证和应用表明，冲击回波声频法针对地质雷达法的一些检测盲区（如双层钢筋网），以及钝感区域（如表层脱空、不密实缺陷等）有良好的补充效果，且具有如下明显的优点：

1）非接触式检测，对衬砌厚度、脱空、不密实等测试结果的重复性、稳定性很好；

2）受钢筋、水分等影响小，测试精度高；

3）检测结果图识别简单明了。

冲击回波声频法尚存在一些问题，如测试效率仍低于地质雷达法；仅能测试二次衬砌，无法透过防水板测试初期支护和围岩的状态；测试厚度的精度取决于弹性波波速的标定精度等。在以后的应用中应进一步改良，为我国土木工程行业的质量、安全保障做出更大贡献。