应用无损检测方法对隧道喷射混凝土衬砌进行健康监测

强光鹏

(安徽维尼检测科技有限公司,安徽 合肥 230000 )

喷射混凝土凝结硬化时间短，喷射过程无须模板支撑即可达到成型效果，操作简便，加固效果良好[1]。隧道初期支护喷射混凝土，但随着隧道修建规模和复杂性的增加，隧道施工中遇到的问题也越来越严峻[2-3]。因此喷射混凝土作为隧道系统的主要支护，需对其进行健康监测和施工管理，以保证施工安全和后期的有效维护。

为了评估喷射混凝土的质量，经常在现场钻孔取样。但钻孔的过程会导致结构损坏，修复钻孔将增加成本，且隧洞工作面或台阶处爆破产生的应力波会影响隧洞工作面后的喷射混凝土。喷射混凝土从岩石表面脱离，并在喷射混凝土后面形成空隙，从而导致腐蚀、弯曲、断裂等问题。再考虑到喷射混凝土存在超挖、欠挖或明显回弹等现象，厚度不规律。因此，对喷射混凝土黏结状态及其厚度进行一种经济、快捷的无损检测是非常必要的。

目前已有学者[4-5]通过冲击回波法、傅里叶变换法对喷射混凝土进行了相关研究。且有学者应用冲击回波法结合短时傅里叶变换(IE-STFT)法来评价喷射混凝土在平面坚硬岩石上的黏结状态，并证明了该方法可应用于特定条件。因此，本文基于探地雷达(GPR)进行调查，并将其结果与先前基于短时傅里叶变换的试验研究进行比较，并通过现场试验来验证该方法的实用性。

1 无损检测方法

1.1 冲击回波法

冲击回波(IE)法是一种基于应力波传播的混凝土结构缺陷无损检测技术，其原理如图1所示。通过对系统振动的相位和频率进行分析，应力波的传播特性可以评估质量、估计厚度，并发现裂缝和空隙。

图1 冲击回波法

1.2 探地雷达

探地雷达(GPR)是一种较常见、可探索地下目标的无损检测方法。本文试验使用探地雷达系统的中心频率为1000 MHz，该系统是专门为混凝土成像而设计的。

从本文试验研究中获得了1024个离散时间信号数据点(即加速度信号)，并对其进行时频域分析。将其最大振幅归一化后，时频信息以0.25间隔显示在等高线图中。谐振持续时间(TR)，即等高线在时间轴上的直径距离为0.25。

2 试验研究

2.1 试验模型

根据图2所示黏结状态制备IE试验测试样品。岩样为新鲜花岗岩，表面天然、有起伏，其纵波速度为4000 m/s，宽1.5 m，长1.0 m，厚0.5 m。喷射混凝土由19.6%的硅酸盐水泥、71.8%的砂和8.6%的水组成。将喷射混凝土应用于不同黏结状态的岩石上。(a)段包含喷射混凝土和岩石间的空隙：通过在喷射混凝土和岩石层间放置一块聚苯乙烯泡沫塑料来模拟该空隙，喷射混凝土试样分别浇注T=13 cm和T=18 cm两种厚度。(b)段属于脱黏状态：这种情况是通过在喷射混凝土和岩石层间放置一层薄塑料膜进行模拟。(c)段为完全黏结状态：该状态直接将喷射混凝土浇筑到岩石表面进行模拟。每个测试截面宽0.5 m，长1.0 m，高0.73 m。养护28 d后，喷射混凝土的纵波速度为4088 m/s。

图2 喷射混凝土衬砌健康监测试验装置(单位：m)

IE测试系统由加速度计、信号调节器/放大器、示波器和计算机组成。采用直径为9.5 mm的钢球作为冲击源产生应力，源被应用到每个部分的中心处。将加速度计放置在距离震源2 cm处作为接收器，测量应力波传播5 ms的垂直响应。信号调节器/放大器将测量信号放大10倍，通过示波器和计算机将放大后的信号进行数字化存储。探地雷达试验在整个固化过程中持续进行，7 d后无明显变化。

2.2 IE测试结果

图3为等高线图中的时频分析结果。在完全黏结状态下(图3(a))，轮廓线是非对称的，并具有平行于频率轴的相对较长的尾部。主谐振持续时间为1.0 ms，主频率分量达到30 kHz；高于30 kHz 的频率分量包含在此尾部。在脱黏状态下(图3(b))，轮廓线在时间轴和频率轴上都形成了一个带有小尾巴的圆形(对称)形状。谐振持续时间比完全黏结状态长1.3 ms，主频率分量比完全黏结状态小20 kHz。在空隙条件下(图3(c)和图3(d))，轮廓线是非对称的；与频率轴相比，时间轴上的尾部相对较长。两种情况显示了相同的模式：谐振持续时间比完全黏结和脱黏状态下的时间长1.5 ms(图3(c))和2.0 ms(图3(d))，主频率分量比脱黏状态下小15 kHz。

图3 时频域分析结果

总之，随着喷射混凝土厚度的减小，等高线图中沿时间轴的尾部长度逐渐加长。即随着喷射混凝土厚度减小，能量损失减少，导致能量水平降低较少，因此对应于谐振频率的主能量谐振持续时间变长。由此可知，本文试验结果与数值模拟结果一致，表明IE法结合STFT分析可以估计隧道喷射混凝土的黏结状态。

2.3 探地雷达图像结果

图4为固化28 d后的探地雷达图像，图中单位为m。从图4为探地雷达三维图像，可以清楚地探测到喷射混凝土和岩层之间的界面。图5(a)为探地雷达平面图，在距离喷射混凝土表面0.150～0.175 m处存在空隙，但不能明确区分无黏结和完全黏结的条件。图5(b)和5(c)显示了探地雷达的侧视图和正视图图像：从侧面看，在距参考点0.4 m、距喷射混凝土表面0.13 m处检测到一个空隙，无法区分完全黏结和脱黏状态，但在距离喷射混凝土表面0.23 m处发现喷射混凝土和岩层之间的界面；从正面看，可以发现两个不同的空隙，一个在左侧深度为0.18 m处，另一个在右侧深度为0.13 m处。

图4 探地雷达三维图像

图5 探地雷达图像(单位：m)

因此IE和探地雷达测试均可用于空隙检测，但探地雷达不能评估黏结条件。当喷射混凝土完全黏结在开挖面上时，可用探地雷达评估喷射混凝土厚度，用IE区分黏结状态。因此，IE可用于评价和监测喷射混凝土的质量。

2.4 现场试验

在安徽东部驷马山进行现场试验，隧道采用钻爆法开挖，因此喷射混凝土的黏结状态可能会受到爆破影响。在连接主隧道和服务隧道的交叉隧道附近选择三个IE测试地点(即位置D、E和F)，如图6所示。主隧道(位置D)和服务隧道(位置E、F)的喷射混凝土厚度分别为10 cm和5 cm。

图6 三个IE测试地点

基于有限元方法的数值模拟结果可知，已有学者提出了考虑地面类型、喷射混凝土厚度、表面起伏和冲击源对IE-信号特征影响的喷射混凝土质量控制评价图。系统的主频、阻尼比和谐振持续时间是主要参数。对现场实测信号进行时域和频域分析，结果如图7(a)、7(b)和7(c)所示。根据评价图对喷射混凝土衬砌状态进行分析。

从位置D(图7(a))获得的信号显示其谐振频率(fn)为9.6 kHz，系统阻尼比(DG)约为34%，谐振持续时间(TR)为0.85 ms，其等高线图呈现出平行于频率轴的较长尾。由此可以得出：位置D处的喷射混凝土与坚硬岩石完全黏结，坚硬岩石比喷射混凝土更坚硬，喷射混凝土厚度估计在10 cm 左右。

在位置E时(图7(b))，分析的信号显示平行于时间轴的相对较长的尾部。具体信号特征如下：振动的谐振频率(fn)为18.8 kHz，系统的阻尼比(DG)为23.9%，谐振持续时间(TR)为0.95 ms。参考评估图，估算喷射混凝土厚度为6 cm，地面阻抗小于喷射混凝土。此外，喷射混凝土的黏结状态为完全黏结状态。因此，可以得出E位置的喷射混凝土已完全黏结在软岩上。

图7 现场试验

在位置F时(图7(c))，考虑到喷射混凝土的谐振频率和系统阻尼比分别为17.4 kHz和大约17%。喷射混凝土的黏结状态估计为硬岩石上的部分空隙状态，其厚度估计约为8.7 cm，并且等高线图在时域和频域轴处有一个圆形的小尾巴。

总而言之，实测现场条件与估计的喷射混凝土状态较吻合。因此，现场试验结果证实了IE-STFT方法可用于评估喷射混凝土黏结状态。然而在实际应用时，建议进一步研究评价喷射混凝土特性(如骨料或纤维含量、养护时间)、地面与喷射混凝土间的黏结强度对IE-STFT信号的影响。

3 结 论

为了评估喷射混凝土的质量，本文联合无损检测方法、时频域分析和试验研究了一种隧道喷射混凝土衬砌开挖面的健康监测技术，并得出以下结论：

(1)与探地雷达相比，IE-STFT法在监测喷射混凝土健康方面呈现出更好的性能。

(2)现场试验表明IE-STFT方法监测喷射混凝土衬砌健康是有效的。

(3)通过IE-STFT信号的主频、阻尼比和谐振持续时间，可以估计隧道喷射混凝土(或黏结)状态、地基条件和喷射混凝土厚度。