弹性波锚杆无损检测信号分析在隧道施工中的应用

于洋

（中铁十四局集团第四工程有限公司，济南 250000）

1 引言

锚杆作为复合式衬砌隧道支护中的重要组成部分，可以有效约束围岩变形和保证施工期间的作业安全。同时，在锚杆施工质量的检测过程中，传统检测方法常配合使用钻孔、拉拔等破坏性方式，适用范围较窄。近年来，随着检测技术的发展，锚杆无损检测技术在隧道锚杆检测中得到了大量的应用。锚杆无损检测主要是对施工后锚杆的杆体长度和锚固段灌浆密实度进行检测，常用的方法为冲击弹性波法[1]。通过对滤波信号的频谱分析，能够较为准确地确定缺陷的种类和数量[2]，进而提高检测的效率。

2 锚杆无损检测原理

在锚杆无损监测的实际应用中，其基本原理为：通过振源在锚杆顶部激发一个冲击弹性波，弹性波沿着锚杆向杆底方向传播，当传播到存在锚固缺陷或杆底时会发生反射形成回波信号被安装在杆头的传感器接收，同时在传播过程中冲击弹性波的能量会向锚杆周围介质中辐射和衰减。反射回波的能量强度和到达时间取决于锚杆长度及灌浆质量，通过对信号进行分析，可以对锚杆长度和灌浆密实度进行评价。

通过大量试验，根据现场实测数据，分析了注浆均匀密实锚杆以及各种缺陷锚杆的图谱及频谱特征。各类状态下的图像如图1 所示，通过对波形进行分析，可以对注浆缺陷的位置进行判断。在注浆饱满密实的条件下，其入射能量衰减较快，波形较为规则，一般不会出现奇异点、等波形[3]。通过对质点波形图像的分析可以预判锚杆注浆情况。

图1 锚杆检测分析图

3 隧道锚杆无损检测工程现场试验

葛干隧道为宣城至绩溪高速铁路单洞双线隧道，隧址下伏基岩为钙质页岩，岩体较完整，边墙采用普通φ22 mm 砂浆锚杆。本文锚杆无损检测对象选择此隧道进口段边墙砂浆锚杆，检测仪器选择RSM-RBT(A)型锚杆无损检测仪。每次测试时，对隧道内的同一锚杆进行3 次敲击试验，试验样本量90 个。通过对锚杆检测图像波形进行分析，可以得到锚杆的注浆密实情况，进而能够得到现场锚杆的锚固质量，对各种注浆质量下的波形进行信号处理可以得到相应的频谱信息。

4 试验数据分析

4.1 检测信号FFT分析

快速傅里叶变换(FFT)是对时变信号分析的常用方式，能够较好地完成信号的时频域转换，首先对试验使用滤波软件进行滤波降噪处理，避免高频杂波对后续计算分析的不良影响。在滤波处理过程中选择低通滤波，上限截止频率选择8 000 Hz。通过对振动信号进行频谱分析，可以有效了解不同注浆锚固质量下振动信号的频域特征。当前，快速傅里叶变换(FFT)是一种常用的振动信号频谱分析方法，它通过离散变换成功地解决了传统傅里叶变换的缺点，极大地降低了计算机的运算量。锚杆注浆效果较好的典型波形图像和FFT 计算结果如图2 和图3 所示，锚杆注浆效果较差的典型波形图像和FFT 计算结果如图4 和图5 所示。

图2 注浆效果较好的典型图像（一）

图3 注浆效果较好的典型图像（二）

图4 注浆效果较差的典型图像（一）

图5 注浆效果较差的典型图像（二）

通过对注浆效果较好与较差的试验数据进行对比分析，由图2 和图3 可以知，在水泥浆液能够将锚杆较好包裹的条件下，外部激励在一维杆件中衰减较为明显，入射弹性波衰减较快，因此，现场检测得到的实际振动波形较为规则平滑，一般不会出现奇异点等图像，衰减趋势较为明显；同时在此条件下，FFT 计算结果一般是呈现单峰图像，振动信号的能量较为集中，主要集中在主频附近，所得振动信号主频主要集中在4 000~5 000 Hz。

由图4 和图5 可以发现，在水泥浆液能够将锚杆较差包裹的条件下，由于锚杆注浆效果较差，在轴向方向上存在不规则的缺陷，外部激励产生的弹性波在注浆缺陷处会发生较为复杂的发射、折射等现象，入射弹性波衰减较为复杂。因此，所得图像波形常出现奇异点等不规则图像，波形走时较不规则，图像较紊乱。同时在此条件下，振动信号的FFT 计算结果会出现双峰、多峰等现象，振动信号的能量分布较为分散，振动信号主频的离散程度也相对较大。

4.2 检测信号S 变换分析

由于在FFT 分析中，计算结果的频率与时间的关系无法直接体现，S 变换在吸收了傅里叶变换和小波变换的优点，其利用可变尺度的窗函数，计算结果能够反映出时域与频域的关系，能够较好地反映信号的局部特征。对注浆效果较好的锚杆进行S 变换分析，结算结果如图6 所示。由计算结果可知，在频率谱方向上，频带分布相对较集中，主要频带范围较窄，信号能量比较集中，其他频带的信号能量很弱。在时间谱方向上，所得信号时域主要分布在0~1.20 ms 范围内，信号能量衰减较快，在1.20 ms 后图像基本不再发生变化。

图6 注浆较好锚杆时频分析图

对注浆效果较差的锚杆进行S 变换分析。由计算结果可知，在频率谱方向上，主频频带较宽，能量集中不明显，部分算例出现了较为紊乱的能量团。在时间谱方向上，信号能量随时间衰减较慢，存在强弱不均等现象，离散程度较高。上述现象是由于弹性波在传递过程中在注浆空洞处发生了复杂的反射、绕射等现象，使弹性波能量在杆体内出现多个不规则的能量团。

5 结论

1）对检测数据进行FFT 分析，注浆较好的锚杆FFT 计算结果一般是呈现单峰图像，振动信号的能量较为集中，主要集中在主频附近，所得振动信号主频主要集中在4 000~5 000 Hz。注浆效果较差的锚杆FFT 计算结果会出现双峰、多峰等现象，振动信号的能量分布较为分散，振动信号主频的离散程度也相对较大。

2）对检测数据进行S 变换，注浆效果较好的锚杆在频率谱方向上，频带分布相对较集中，主要频带范围较窄；在时间谱方向上，信号能量随时间衰减较快。注浆效果较差的锚杆，主频频带较宽，能量集中不明显。在时间谱方向上，信号能量随时间衰减较慢，存在强弱不均等现象。

3）在葛干隧道的现场应用中，分析检测信号的波形走时图像的同时，综合对比实验结果的FFT 变换、S 变换频谱特征判断锚杆注浆状态，可以有效地判断注浆效果及锚杆锚固效果，为锚杆检测提供了有效的数据支撑，应用后实际检测效率提高了31%，显著提高了锚杆检测效率，可为类似工程提供借鉴。