超声阵列法在公路隧道仰拱厚度检测中的应用

张家松，冷志明

(湖南致力工程科技有限公司，湖南 长沙 410208)

0 引言

公路隧道的仰拱结构是隧道结构的基础和主要组成部分，既可以将隧道上部的围岩压力和路面荷载有效地传递到地下，还可以有效抵抗下部围岩带来的反力。隧道仰拱厚度不足，不仅使衬砌支护结构承载力达不到设计要求，还造成仰拱结构的半径和弧度无法满足设计要求，导致仰拱结构与上部支护结构过渡不平顺，并在拱脚部位产生应力集中，造成隧道路面、衬砌结构开裂，严重时还会产生底鼓、沉陷、错台等病害，对运营隧道形成安全隐患，影响隧道结构使用的耐久性。

公路隧道仰拱和仰拱充填物的质量缺陷是公路隧道质量检测中常见的质量问题，国内诸多学者对仰拱与仰拱充填物的质量缺陷成因、检测与数据处理方法、缺陷处治方法进行了探索和研究。朱小明[1]等对公路隧道仰拱缺陷特征和处治技术进行了研究，对仰拱病害的主要成因进行了分析，认为仰拱与填充层存在质量缺陷是发生仰拱变形病害的主要原因。赵前进[2]通过采用宽频多道瞬态瑞雷面波法对隧道钢筋混凝土仰拱厚度检测技术进行了研究，认为通过选择最优的参数设置和合理的分析方法，可以提高仰拱厚度的检测精度，但是该方法无法实现现场快速、实时提供检测结果的要求，检测效率低，且数据处理对检测人员的技术水平要求高，在一定程度上对该方法的应用和推广具有制约作用。苏兴矩[3]等采用普能分析法的数据后处理技术对隧道仰拱质量检测技术进行了研究，通过压抑水介质等物性特征对雷达波信号的影响，来提高金属介质信号的反射强度，以达到进一步提高仰拱质量检测准确率和分辨率的目的，但该方法因涉及数据后处理，无法满足现场实时检测、实时判别的要求。

刘继滨[4]等首次将瞬态面波法使用于隧道仰拱质量检测，通过设计合理的探测参数和激震方式，可以实现仰拱厚度的检测，该方法由于采用激震的方式作为震源，受在建隧道施工环境的影响，具有很大的使用局限性。杜胜[5]等采用地质雷达法对铁路隧道仰拱检测应用的可行性进行了研究，认为配备270 MHz天线可准确检测出仰拱素混凝土的厚度，对仰拱密实情况具有较高的准确性，但是检测深度与开孔实测结果有偏差。

本文针对公路隧道仰拱厚度探测的方法问题进行了研究和探索，通过引入超声阵列法，对隧道混凝土仰拱厚度进行现场检测，实现了仰拱厚度的准确、直观、快速成像和判别，该方法属于在隧道质量检测中首次引进的新方法，可以为我国公路隧道仰拱厚度检测提供借鉴和参考。

1 超声阵列法检测原理

1.1 超声阵列法检测原理

超声阵列法是利用超声波(横波)在结构混凝土中传播时，遇声阻抗存在差异的交界面会产生反射的工作原理进行探测。超声阵列设备在工作时，超声换能器以一定规律向结构混凝土发射并接收超声波，超声波在结构混凝土中传播发生散射、衍射和折射等现象，当结构混凝土中存在孔隙、空洞、不密实等缺陷时，会使接收到的超声波波形发生畸变。通过对接收到的波形数据进行振幅、相位、速度等方面的分析，可准确定位缺陷位置和判定缺陷大小、形态。采用超声阵列法对隧道混凝土仰拱厚度进行检测时，由于其采集点密度较高，可以实现仰拱和仰拱充填物、仰拱和围岩等交界面的高精度成像。超声阵列法(横波)工作原理示意图如图1所示。

图1 超声阵列法(横波)工作原理示意图Figure 1 The working principle of the ultrasonic array method (transverse wave)

1.2 隧道仰拱厚度检测的物性特征和依据

超声波横波在混凝土中的散射比纵波弱，采用横波法得到的接收信号更强；因横波只能在固体介质中传播，当遇到空气层或空洞、裂缝时几乎全反射，所以采用超声阵列法(横波)可以实现对仰拱和仰拱充填物、仰拱和围岩等存在阻抗差异的介质交界面的探测。采用超声阵列法探测公路隧道仰拱厚度时，所探测的主要介质为混凝土、钢筋/拱架和空气，其阻抗如表1所示。

表1 超声波阻抗一览表Table 1 The summary of ultrasonic impedance

2 工程应用

2.1 参数选择和测点布置

本文所采用的公路隧道仰拱厚度检测设备是一个由12个模块组成的阵列式超声检测设备，其中每个模块包含4个横波传感器，共计48个采集通道，超声阵列检测设备见图2。横波传感器工作频率范围为25～85 kHz，最大探测深度2 500 mm。传统的传感器需要使用耦合剂才能在平整的结构混凝土表面采集数据，该设备可以采用干耦合的方式，通过传感器的弹簧弹力在不平整的表面上实现数据采集。

当传感器工作频率较大时，可提高设备数据采集的精度，但因结构混凝土中碎石、钢筋、局部密实性差等因素的影响，会加剧超声波信号散射现象，造成超声波传播深度降低；当传感器工作频率较低时，容易造成有用信息的漏判，因此，在选择传感器的工作频率时，应综合考虑检测深度和检测精度。公路隧道仰拱因具有横向和纵向结构的连续性，低频超声波可以实现仰拱与充填物交界面、仰拱与围岩交界面的识别，结合隧道施工设计图对隧道仰拱深度的要求，现场实际探测中，传感器工作频率选择25 kHz，探测深度选择2 500 mm。

图2 超声阵列检测设备Figure 2 The ultrasonic array testing equipment

对公路隧道仰拱厚度采用超声阵列法检测时，测线宜沿隧道轴向垂直的方向布设。受现场工作条件限制，本次检测以隧道中轴线为中心，中轴线左侧和右侧各检测4 m，测线共计8 m，测点间距0.5 m，沿横向方向以点测的方式依次完成各测点的数据采集工作，测点布置示意图见图3。

图3 现场测点布置示意图Figure 3 The schematic diagram of on-site measuring point layout

2.2 超声阵列成像与成果解译

超声阵列设备采用合孔径成像算法的原理对检测数据进行快速、高精度成像[6]。传感器以一定的步长沿线性孔径轨迹移动，在轨迹上的孔径位置向成像区域发射脉冲信号，同时接收和存储检测信号，然后下一孔径位置进行相同的发射、接收和存储，直至扫描完成；接着按照重建点对相应孔径检测信号的回波做延时调整、信号叠加和平均等处理，逐点实现数字聚焦处理，最终重建整个成像区域的信号反射图。

以湖南省某在建高速公路隧道为例，由设计图纸可知，该隧道所测断面位置为50 cm厚的C30钢筋混凝土仰拱，测试断面设置在仰拱端头处。图4为采用超声阵列法检测隧道仰拱得到的横断面结果图，在深度位置为0～0.4 m、水平位置为0.5～7.2 m的范围内，局部表现为不连续的强反射信号，且杂乱无章，推测为仰拱充填物局部欠密实；在深度位置为0.91～1.30 m、水平位置为0.5～7.5 m的范围内，表现为弧形的不连续强反射信号，推测为隧道仰拱充填物与仰拱交界面，局部强反射信号同相轴呈现不连续，主要是因为仰拱充填物与仰拱混凝土具有较好的胶结性能；在深度位置为1.43～1.82 m、水平位置为0.1～7.7 m范围内，表现为弧形的不连续强反射信号，推测为隧道仰拱与围岩交界面，局部强反射信号同相轴呈现不连续，主要是因为仰拱混凝土与围岩具有较好的胶结性能；两个强反射交界面的距离，即为该隧道断面处的仰拱厚度，从图4推测，隧道中轴线处的仰拱厚度值为0.52 m。图5为所检测断面端头位置的仰拱厚度验证结果图，图5中标尺0.03～0.57 cm段为实测仰拱厚度，即仰拱厚度为0.54 m，与检测厚度基本吻合。

图4 超声阵列横断面检测结果图Figure 4 The ultrasonic array cross-sectional inspection result

图5 仰拱厚度验证结果图Figure 5 Invert thickness verification result

3 结论

本文采用超声阵列法对公路隧道仰拱厚度进行了现场检测，并对检测结果进行分析，该方法可以为公路隧道仰拱厚度检测提供技术保障，对我国公路隧道的安全运营和使用耐久性具有重要的意义：

a.应属首次引入超声阵列法应用于公路隧道仰拱厚度检测中，根据超声波反射波信号的特征，可以实现公路隧道仰拱厚度的检测，该检测方法可行。

b.超声阵列法应用于公路隧道仰拱厚度检测，成像速度快、检测结果准确直观、易于判别，可以为我国公路隧道仰拱厚度检测提供借鉴和参考，具有较大的推广价值。