基于应力波的无损检测方法进行隧道衬砌评估研究

汪 徐

(维尼检测科技有限公司,安徽 合肥 230031)

隧道为高流量交通服务，并且在恶劣环境中运行[1]。随着时间的推移，许多隧道正在老化并开始出现恶化迹象。混凝土的渗透性和表面裂缝加速了钢筋的腐蚀，从而导致混凝土的分层和剥落[2-3]。定期检查隧道是为了评估结构状况和检测问题，是确保使用者安全的关键。

已有研究项目表明，目视检查结果存在很大差异，可能无法捕捉到隐藏的劣化或损坏，在某些情况下是不可靠的。虽然破坏性测试通常提供可靠的隧道结构评估，但所需的时间和精力使其不符合实际。此外，假设材料的其余部分将具有与测试部分相同的条件、特性和厚度也是不合理的。目前除了对现有隧道进行性能监测外，还可采用无损检测方法评估新隧道结构的施工质量，检查修复项目的有效性和维护部分的状况。研究者广泛讨论了用于隧道衬砌评估的无损检测方法，包括探地雷达[4]、声波地震、脉冲响应、超声波、热成像、电阻率、电介质探针[5]、数字摄影测量和测深[6]，发现在这些方法中，地震方法是隧道衬砌施工过程中的质量管理和后续定期检查最可行的方法。

采用便携式地震特性分析仪(PSPA)对隧道衬砌和巷道壁进行了状况调查。PSPA可同时执行两种地震无损检测方法：超声表面波(USW)和冲击回波(IE)。研究的主要目的是比较和评估每种方法在检测隧道衬砌内部缺陷，估算隧道衬砌厚度和裂缝深度方面的优缺点，以及评估IE-USW组合方法在评估隧道衬砌方面的适用性和准确性。

1 测试方法

1.1 超声表面波法

超声表面波法(USW)用于估算表面波在介质中的平均传播速度VR。VR通常是通过两个接收器之间的距离Δx来确定，Δx根据特定波到达时间差Δt来确定的。已知波速VR，模量E可以根据剪切波速Vs、密度ρ和泊松比υ确定，如式(1)：

(1)

在USW方法中，通过测量速度(VR)随波长的变化来生成色散曲线。对于均匀或完整的混凝土衬砌，色散曲线在波长小于衬砌厚度的范围内或多或少显示出恒定速度。当混凝土衬砌中存在分层，空隙或混凝土劣化时，由于缺陷引起的干扰，平均表面波速度(或模量)变得小于完整混凝土的平均表面波速度(或模量)。在这种情况下，获得的速度或模量可称为表观速度或模量。

1.2 冲击回波法

IE法是检测混凝土分层最常用的无损检测方法之一。该方法是一种基于应力波的方法，利用机械能将声波传输到混凝土中。基本原理是用冲击器冲击物体表面，冲击器产生频率高达20～30 kHz的应力波，然后通过接收器测量响应，再通过快速傅立叶变换(FFT)分析，将记录的时域信号转换为频域函数(振幅谱)，并监测峰值频率。然后根据压缩波速Vp和厚度频率f确定试件上完整点的厚度h如式(2)：

(2)

式中：α为修正系数，混凝土板的α约为0.96;Vp为弹性模量E、泊松比υ和密度ρ的函数，由式(3)给出：

(3)

对于较深且分层不太严重的位置，一部分弹性波能量将从分层反射回顶面，另一部分能量仍会从甲板底部反射。因此，除了厚度频率之外，频谱还将显示一些更高的频率峰值，对应于分层反射的返回频率。浅层广泛的分层区域通常表现为低峰值频率，表明很少或没有能量向桥面底部传播，弯曲模式主导频率响应。在这种情况下，式(3)不适用于测量分层深度。

1.3 数据收集

测试所用隧道长约1.6 km，衬砌厚度为60.96 cm，道路宽度为7.32 m加上一侧0.76 m的人行道，隧道高度为4.11 m。并涉及一段约800 m 的通风室和60 m的巷道壁。隧道结构由预制复合结构钢和钢筋混凝土管段(直径为12 m，长度为100 m)组成，沉入准备好的沟槽中，并覆盖至少3 m的回填材料。

采用IE法和USW法对隧道的通风室和巷道壁进行了评价。本研究中的所有测试均在选定区域内的若干点进行。初步测试是目视检查，同时使用其他无损检测方法进行表面介电测量，作为严重开裂或分层区域的指标。测量介电常数高的区域(大于15，典型干混凝土为4.5)和可见的表面裂缝(含水滴)用PSPA标记，以便进行更详细的调查。隧道通风天花板上的选定区域进行更详细的评估，包括相对完整区域中的三个点和十个选定的视觉缺陷区域。因此，在本研究中，评估了通风室天花板上13个区域内的84个点和巷道壁上的14个点。

2 测试结果

2.1 通风室天花板

本研究中使用的USW和IE方法是点检法，结果是可视化的平面等高线图，而不是单独评估。本文的IE和USW结果显示在行扫描(B扫描)中。超声波的B扫描表现为模量随波长的变化，可以定性地将其视为模量随深度的标度变化。IE结果的频谱B扫描呈归一化振幅随频率变化的形式。所有图形中的横轴为测试点。图1显示了IE和USW法对从约6 m距离内的3个点收集的数据的分析结果。这些测试点具有相似的特征，并指示完整的区域；也就是说，没有观察到裂纹或其他表面损伤，并且在这些点处测量到低介电常数。如图1(a)所示，约3 kHz的清晰且恒定的频率峰值支配着混凝土衬砌的振幅响应。根据式(2)和式(3)，弹性模量为31 GPa，计算出的平均压缩波速为3800 m/s，该频率导致混凝土衬砌厚度约为60.96 cm。图1(b)表明，这些点处的混凝土衬砌非常均匀，混凝土衬砌的平均模量为31 GPa深度可达30.48 cm。很高的模量值(图1(b)中的深色)可以反映高速表面条件。IE和USW结果的结合证实了这3个点是完整的。

图2～图8所示为通风室天花板上选定的视觉缺陷区域的PSPA试验结果。一般而言，在缺陷区域或斑点处，与完整截面相比，IE方法显示出比预期厚度频率更高或更低的频率峰值，而USW方法显示出比完整混凝土截面更低的模量。例如，在区域474+27、496+25和477+60中，比厚度频率更高的频率峰值在图2(a)中的 IE B扫描中的几个点处支配响应。这个频率叫作返回频率，返回频率峰值对应于缺陷区反射波的频率。根据振幅谱特征，缺陷区域近似为扩展的深度分层，分层是由隧道衬砌内钢筋腐蚀引起的。分层区域的深度可使用式(3)根据返回频率和压缩波速计算，范围为0.30～0.38 m。IE结果中每个分层区域的大小与图2(b)中USW B扫描的结果一致。这些互补的结果建立了对缺陷区域解释的信心，并且具有额外的优势，即与单独收集一种或另一种数据类型相比，不需要额外的时间来收集组合的现场数据。在图3(a)的区域496+25中，有些点在 IE B扫描中显示多个频率峰值，这意味着能量将在衬砌中分配；也就是说，一部分能量从分层反射回来，另一部分能量仍从隧道衬砌的后壁反射回来。振幅谱表征将缺陷区域近似为深度分层，但不是扩展分层。

图1 隧道通风室天花板上完整区域的IE和USW行扫描图

图2 隧道通风室天花板474+27区域的IE和USW行扫描

图3 隧道通风室天花板496+25区域IE和USW行扫描

在图4(a)中的486+81区域，第4至8行之间的高频峰值证实了隧道衬砌内存在深度分层或空隙。分层区域或空隙的深度约为0.3 m。IE结果中分层区域的延伸与图4b中低模量USW B扫描中区域的大小一致。

图4 隧道通风室天花板上486+81区域的IE和USW行扫描

在图5(a)的478+85区域中，比预期厚度频率低的频率峰值主导了第2和3行之间区域的响应。该低频峰值表明隧道衬砌内可能存在浅层分层或空洞，衬砌顶部的移动类似于板的弯曲模式。在USW B扫描中，浅层分层也可通过浅层的较低模量检测到(图5(b))。

图5 隧道通风室天花板478+85区域的IE和USW行扫描

图6和图7中第2行的473+56区域和第3行的491+25区域的IE和USW结果不一致。这可以归因于附近裂纹的边缘效应和PSPA传感器单元相对于裂纹的放置。当裂纹位于震源和第一个接收器之间时，IE B扫描显示多个频率峰值，USW模量通常大于正常值，是因为当裂纹位于震源和第一接收点之间时，裂纹起到了边界的作用，散射了地震波。在厚度频率以外的频率(图6(a)和图7(a))，平板内部的波散射被高振幅能量包反射。与从第一个接收器到第二个接收器的传播时间相比，地震波从震源传播到第一个接收器需要更长的时间。因此，在图6(b)和图7(b)的USW B扫描中模量变得非常高。但是，当裂纹位于两个传感器之间时，由于波的传播路径，厚度频率在IE响应中占主导地位，并且报告的USW 模量低于正常值。对裂纹存在的解释与目视检查期间记录的实际情况非常吻合。

在图8(a)的477+60区域，第4行和第7行的IE B扫描中有多个频率峰值。USW B扫描中的相同区域显示出非常低的模量(图8(b))。基于组合的IE-USW的结果，可以得出结论，在震源和第一接收器之间以及第一和第二接收器之间存在裂纹。

图6 隧道通风室天花板473+56区域的IE和USW行扫描

图7 隧道通风室天花板491+25区域的IE和USW行扫描

图8 隧道通风室天花板477+60区域的IE和USW行扫描

图9 隧道巷道壁IE和USW行扫描

2.2 巷道壁

在道路墙壁上使用PSPA进行的测试覆盖了从485+6号站到486+54号站约45 m的距离，间隔不均匀，IE和USW方法的结果如图9所示。仅限于测试点1至测试点8的区域在IE B扫描中显示多个频率峰值，在USW B扫描中显示高模量，这意味着衬砌内可能广泛存在裂纹。测试点9到测试点12实际上被限制在大约0.6 m×0.6 m的非常小的区域内。与完整衬砌的厚度频率相比，该小区域具有极低的模量和高频峰值，表明巷道壁内存在严重分层或空隙。

3 结 论

采用IE法和USW法对隧道的通风室和巷道壁进行了评价。根据其他无损检测方法测得高介电常数和可见表面裂纹的存在，对选择试验区域进行深入评估。得出：

(1)完整区域具有恒定的厚度频率峰值和均匀的模量。

(2)在IE B扫描中可以清楚地看到隧道衬砌的后壁，衬砌的厚度估计为0.6 m。

(3)缺陷区域表现为模量较低的区域，频率峰值与预期厚度频率不同。

(4)IE B扫描的返回频率峰值高于预期的厚度频率，表明存在扩展的深层分层。

(5)通过低弯曲频率峰值观察到存在浅层分层区域。

IE和USW的结果提供了互补的缺陷图，证明了其在估计衬砌厚度以及定位和表征隧道衬砌内缺陷区域方面的可靠性，尤其是在对结果进行综合评估时。