超声横波成像法在隧道衬砌质量检测中的应用

谢 琪，付 华

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司， 贵州 贵阳 550081）

0 引言

隧道混凝土衬砌作为施工隧道中的主要承重和承载结构，其质量的优劣关乎隧道的施工和运营安全。对隧道衬砌的检测目前主要采用破坏性检测技术和无损检测技术。

超声横波反射成像法是近期应用于工程实体检测领域的一种无损检测方法。不同于超声纵波，超声横波的反射系数明显大于超声纵波，其反射波幅也大于超声纵波[2]，当超声横波以一定的速度沿着混凝土结构内部传播时，其遇到混凝土与液体（空气）的接触界面时，就会被反射回结构内部。因此，采用超声横波对结构内部的缺陷进行探测时比超声纵波的反射更加的精确与灵敏，因此拟进一步采用超声横波反射成像法对隧道二衬进行检测。

1 检测原理与设备

1.1 超声横波反射法原理

超声横波成像技术基于超声横波反射法，其原理如图1 所示，一个换能器发射脉冲，另一个换能器接收反射脉冲，测量从发射脉冲到收到回波的时间间隔，依据波速C 可求出反射界面的深度[3]。对混凝土进行质量检测时，超声反射法通过缺陷表面的反射波来定位缺陷位置。

图1 超声反射法原理

1.2 仪器设备

超声横波三维成像仪采用48 道干式点接触传感器“发射-接收”信号，以“合成孔径聚焦技术”（SAFT）[5]作为信号的主要处理方法。结合无需耦合剂的多触点干式检波器及三维层析成像技术，对混凝土内部缺陷的埋深和形态特征精确成像。

工程上常用的仪器为俄罗斯生产的MIRA 型超声横波三维成像仪器的数据采集系统，通过4×12 点阵列换能器及一个操控换能器组成[6]。

仪器内的控制单元将一行换能器用作发射器，其他行的换能器用作接收器。图2 显示了将第一行换能器用作发射器，将其余行的换能器用作接收器。然后，将下一行换能器用于发射，其余各行的换能器用于接收，这个过程重复进行直到前11 列都被用作过发射器为止，图3 显示了和一列换能器有关的所有波束路径。电脑处理每个回波脉冲的通过时间，生成反射界面位置的三维模型，从而确定反射界面的深度或厚度[4]。

图2 一列发射的路径

图3 所有波束路径

1.3 影响因素分析

某一C40 混凝土结构面板设计厚度为500mm，其内部设计双层钢筋，钢筋直径28mm，第一层埋深10cm，第二层25cm。试验中分别采用波速为2000m/s、2400m/s、3000m/s 对其进行检测。

首先，采用固定的横波波速（2000m/s）对上述混凝土构件进行探测，成像图上由浅到深，100mm 深度位置出现了微弱钢筋异常反应；在深度250mm 位置左右表现出微弱至明显的三处红色圆形反应；而在400mm 深度处，再次出现微弱圆形状反射异常，但从其所反映出的异常形态的间断性和连续性分析，难以确定其反射异常是钢筋还是该混凝土面板底部临界面。

其次，以固定的横波波速（2400m/s）（该混凝土表层横波的实测传播速度）对同一结构进行无损探测。图像上深度100mm、250mm 处清晰可见间距90～100mm 的四处圆形状钢筋异常反射；成像图中，深度500mm 位置处出现了一连续的条带状强烈异常反应，通过试验后查阅该混凝土面板设计厚度（500mm）可以明确该处异常即为该结构混凝土底部与基岩的反应界面。

最后，以固定的横波波速（3000m/s）对该混凝土构件进行无损探测，成像图中在深度280mm 和550mm 位置分别反射出强烈异常，成像图上钢筋和面板底界面异常所反映出的位置均已严重偏离了其实际位置，较实际值增大了50mm。此外，由于预设波速严重偏离其实测波速，图像中已无法精确地合成“聚焦”显示该结构混凝土表层100mm 深度处的钢筋。

通常，当事先设置的横波波速值偏离其实测波速20%以外后会对合成“聚焦”反射成像的精准度产生较大影响。因此，在实际工程检测工作中，测试前需在检测区域多次测定该混凝土结构完整表面的超声横波波速值，并取其平均值作为后续探测工作的横波波速设定值。超声横波三维成像仪的采集器采用24 个接触式压力传感器。实际探测时需要对混凝土表面进行清理，尽量去除混凝土表层附着物，以免对测试结果产生影响。

某一混凝土内埋设钢筋直径为25mm，深度200mm，排布间距100mm。通过对混凝土内部埋设钢筋进行探测，以便分析确定不同的采集频率会对结构内部钢筋聚焦成像结果产生什么样影响，进一步分析其对成像精确度的影响。

图4 25、30kHz 频率超声横波探测剖面成像

图4 为探测频率25kHz 和30kHz 的聚焦成像图，成像图中深度200mm 位置存在4 处强烈反应，呈圆形状，显示间距为50～90mm，解释为钢筋层。分析两幅成像图上的异常形状和异常间距，第三根的钢筋聚焦图像形态都呈现为“扁圆”状，可能为一焊接接头钢筋，其聚焦成像宽度约是其余钢筋的两倍。

进一步把测试频率提高到45kHz 和50kHz，反射成像图的钢筋尺寸会比25kHz 和30kHz 时显示得更小，且成像效果会更加的明显，钢筋间距更加分明，上图中的第3 根钢筋这次也与其两边的钢筋聚焦显示宽度基本保持一致，从而推翻上述为一焊接接头钢筋的猜想。从中可以分析得出，采用较小的频率对结构进行探测时，便无法准确地探测与聚焦小于其识别尺寸的目标体异常。

最后我们把超声横波的探测频率提高到75kHz 和80kHz，随着频率的增大，超声横波图像衰减作用逐渐增大，会聚焦合成呈现越来越变异扭曲的钢筋图像。采用75kHz 的频率进行探测时，聚焦成像图上已基本不能准确呈现四根钢筋的位置与形状，图形杂乱无章，显示的钢筋间距不尽一致；当频率设置为80Hz 或更高时，聚焦成像图中200mm 深度处的异常反应显示已十分微弱，已经分不清其为何物。

综上所述，采用不同频率的超声横波对结构内部不同位置及不同尺寸的缺陷进行探测时，探测精度及成像效果会产生一定的差异。现场实际工作时，也应根据探测目的通过预先试验的方式来确定合适的探测频率，超声横波的频率与探测的深度成反比，且低频探测对小尺寸缺陷的识别能力较低[7]。

2 工程应用分析

一般隧道衬砌检测内容包括：混凝土厚度、钢筋保护层厚度、混凝土缺陷等检测以及混凝土衬砌与围岩的胶结脱空情况。在对混凝土衬砌结构进行检测中，我们需要根据不同的检测目的探测前设置不同的测试参数。

2.1 混凝土内部缺陷检测

常规的钢筋混凝土是由砂石骨料、水泥、钢筋、孔隙等胶结而成的一种非均匀介质体，如某一混凝土内部存在蜂窝、裂缝、不密实等内部结构缺陷，就会在这种结构缺陷表面形成一层波阻抗发生变化的界面，超声横波沿着混凝土这种非均匀介质中传播时，遇到波阻抗发生变化的界面就会沿着界面产生杂乱无章的散射和反射现象[8]，且反射系数明显大于散射系数。

2.2 混凝土厚度、钢筋保护层厚度检测

超声横波在钢筋混凝土表面上进行探测时，根据波的传播原理，超声横波在钢筋与混凝土的界面及混凝土与底部围岩的界面处会发生反射，被传感器接收而合成聚焦形成反射成像图。实际工程检测中，对钢筋混凝土厚度进行探测，成像图中钢筋层位置明显，成像清晰，间距分明，混凝土底部界线清晰。

2.3 混凝土衬砌脱空检测

采用超声横波对混凝土衬砌后背进行脱空检测时，当围岩与衬砌间存在脱空区域时，由于横波不能穿透该区域，其在混凝土―空气界面处几乎全部被反射。混凝土厚度较薄时，甚至在混凝土表面与内部界面间来回形成的多次反射波[9]。我们便无法探测到脱空后初期支护及围岩情况。

3 结束语

（1）由于不受电磁屏蔽影响且抗干扰能力强，超声横波反射成像检测混凝土内部缺陷和厚度时，探测精度较高，成像分辨率高，底界面反应清晰，探测结果直观、形象。

（2）采用超声横波反射成像法对隧道衬砌进行检测时，能对混凝土衬砌的脱空区域进行定性识别，但无法定量的去判定混凝土底部与围岩之间的脱空厚度，即无法穿透脱空区域对脱空后方的初期支护或围岩情况进行探测。为了对检测成果进行更精确的分析与解释，工程应用中，要结合钻孔取芯，去判定其脱空厚度。

（3）从效果和质量上分析，超声横波成像技术在混凝土质量及缺陷检测中具备明显的优势。从时间和效益上分析，其采集效率低下，只能点测，不适合大面积长时间作业。对其数据采集方式进行优化是今后该技术的一个重要研究与发展方向。