基于冲击弹性波的混凝土冷缝检测及评价方法

吴佳晔 贾其松 陈霆 楼捍卫 邓愿涛 马永强 姜勇

1.西南石油大学 机电工程学院，成都 610500；2.四川升拓检测技术股份有限公司，四川 自贡 643030；3.中国铁路昆明局集团有限公司 滇南铁路建设指挥部，云南 玉溪 653100；4.云桂铁路广西有限责任公司，南宁 530003；5.中国国家铁路集团有限公司 工程质量监督管理局，北京 100844

浇筑混凝土时一般要求一次性或按计划分段浇筑，但由于种种原因实际施工过程中混凝土浇筑常中断。下层混凝土已初凝而上层混凝土未及时浇筑会出现施工冷缝，且多数情况下冷缝会贯穿混凝土结构。冷缝若出现在结构重要部位不仅会影响结构力学性能，而且会影响抗渗性能和耐久性能［1］。

对于铁路基础设施而言，冷缝危害最大的当属隧道二次衬砌。在二次衬砌混凝土施工过程中，为降低混凝土对衬砌模板的压力，通常需要在起拱线及拱顶暂停混凝土浇筑，且隧道施工环境复杂，因此比较容易形成混凝土冷缝。在高速列车风压、振动及周围水压影响下，因冷缝产生的衬砌缺陷不断发展，进而影响衬砌结构的完整性，危及行车安全。

1999 年6 月27 日，日本山阳新干线福冈隧道发生衬砌掉块事故。当天09：25 左右，隧道下行线轨道上方5.5m 处，混凝土块（长2 m × 宽65 cm × 厚40 cm，质量约200 kg）脱落，撞在以220 km/h 运行的高速列车的9—12车厢的车顶上。装在车顶的列车空调装置起到缓冲作用，尽管撞击造成车顶受电弓等设施损毁，但未造成人员伤亡。该事故的主要原因为行车荷载作用下施工冷缝等缺陷的劣化和发展［2］。

在中国冷缝存在于各个时期施工的隧道中，冷缝引起的衬砌掉块已成为威胁列车安全的隐患之一。不同严重程度的冷缝对结构的影响不尽相同。有些冷缝尽管上下两层混凝土之间有色差，但若结合紧密，对结构力学性能影响轻微。有些冷缝则对结构的承载力、耐久性能有严重影响。因此，对冷缝的检测和评价尤为重要。

学者们对冷缝的成因、检测做了一定的研究。董武［3］对富水区隧道二次衬砌混凝土施工冷缝致灾机理进行了研究。满世浩等［4］对冷缝的成因进行了分析，并通过数值模拟对比了不同位置冷缝对二次衬砌结构安全性的影响。黄昊等［5］利用冲击回波法结合钻芯法对风力发电机基础混凝土的施工冷缝进行检测，确定了缺陷位置。王芳等［6］针对运营铁路隧道衬砌施工冷缝的综合整治技术进行了研究。

铁路工务部门对隧道进行验收检查时，会根据目视发现的水印、色差等划定若干疑似冷缝。传统方法是通过取芯确定是否为冷缝。这种大面积取芯方法不仅工作量大，而且对结构有一定损伤，因此需要对疑似冷缝进行无损检测。本文根据冷缝形成原因及结构特点，提出基于冲击弹性波的混凝土冷缝检测方法和评价指标。

1 冷缝类型划分

根据冷缝形成原因和冷缝对结构性能的影响程度，可将冷缝分为两种：①裂缝型冷缝。前后两次浇筑的时间间隔较长，在浇筑上层时下层混凝土已经硬化，上下两层混凝土之间的黏结性较差，上下两层混凝土之间相当于存在一条裂缝。这种冷缝对混凝土结构的抗压强度影响较小，但是对结构的抗剪、抗渗性能影响较大。②低强型冷缝。前后两次浇筑的时间间隔相对较短，上下两层混凝土之间有一定的黏结性。上层浇筑时下层混凝土已开始初凝，受上层混凝土浇筑振动影响，靠近冷缝处下层混凝土的强度及弹性模量降低。相比于对混凝土的抗剪、抗渗性能的影响，该类冷缝对结构的强度及弹性模量的影响更大。两种冷缝表观形貌见图1。

图1 两种冷缝表观形貌

2 基于冲击弹性波的冷缝检测方法基本原理

由于冷缝的深度和范围通常较大，超声波法、电磁波法等传统检测方法均难以适用。

冲击弹性波包含纵波（P波）、横波（S波）和瑞利波（R 波）。其中，R 波由P 波和S 波在界面附近合成，传播速度比S波稍慢。

R波的特点：①在只有一个测试作业面时，表面激发的弹性波中R 波能量最强，信号容易采集［7］；②R 波通常在混凝土中1 倍波长深度范围内传播，而冲击弹性波的波长通常在0.1～ 1.0 m［7］，与混凝土冷缝深度接近；③R波在混凝土中传播时，其能量衰减主要取决于混凝土的质量［8］，因此可用于测试裂缝深度；④R 波传播速度与混凝土的强度相关性较好［9］，因此R 波可用于测试混凝土强度。

由于裂缝型冷缝上下两层混凝土间黏结性较差，对R波有明显反射，故透过的能量降低；低强型冷缝使靠近冷缝的下层混凝土强度及弹性模量降低，故R 波在混凝土中传播速度也有所降低。因此，通过分析R波在穿过冷缝前后的能量衰减，再与无缺陷位置混凝土强度对比，即可对疑似冷缝进行有效检测及评价。

3 冷缝检测评价指标及激振工具

3.1 冷缝检测评价指标

采用等效抗剪率ηs和等效强度率ηt分别表征冷缝对混凝土抗剪性能和强度的影响，再将两项指标合成为健全性指数ηc，综合表征冷缝对混凝土结构的影响。

ηs的计算式为

式中：Dc为测得的裂缝深度，Dc=-0.742 9λlnx；λ为测试所用冲击弹性波的波长；x为经几何衰减和材料衰减修正后，冲击弹性波通过冷缝时能量衰减量。

ηt的计算式为

式中：fu、f0分别为有、无冷缝部位测得的混凝土强度。

ηc的计算式为

ηs=1 且ηt=1 表示疑似冷缝对混凝土的抗剪性能和强度无影响。因此，ηc越接近1 表示疑似冷缝对混凝土结构的影响越小，越接近于0 则表示疑似冷缝对混凝土结构的影响越大。

3.2 激振工具

基于冲击弹性波的冷缝检测法测试深度大致相当于冲击弹性波的波长，而冲击弹性波的波长取决于激振工具。若采用锤击激发，不同直径刚性球体可产生不同波长弹性波。直径大的球体产生的弹性波波长较大，测试深度较深；直径较小的球体产生的弹性波波长较短，但测试分辨率更高［7］。

检测隧道衬砌冷缝时测试对象的厚度在50 cm 左右。根据理论分析和现场试验结果（图2），选用直径17～ 30 mm的球形激振锤激发比较合适。

图2 不同直径激振锤产生的弹性波波长

4 工程现场应用

自2020年以来，采用基于冲击弹性波的冷缝检测法在玉磨铁路、张吉怀铁路、贵南铁路等线路的十多条隧道进行了检测，对416 条疑似冷缝钻孔取芯。其中，131 条疑似冷缝确认为冷缝，其余的确认为非冷缝。对冷缝和非冷缝的ηc分别进行了统计，结果见图3。

图3 ηc统计结果

由图3 可知：131条冷缝ηc平均值为0.50，标准差为0.16；285 条非冷缝的ηc平 均值为0.88，标准差为0.07。这表明采用基于冲击弹性波的冷缝检测法检测，ηc＜ 0.50 时可判定为冷缝，ηc＞ 0.88 时可判定为非冷缝。0.50 ≤ηc≤ 0.88 时则需辅以取芯等其他方法进行判定。

5 基于冲击弹性波的冷缝检测法适用局限性和注意事项

该方法应用的前提条件是疑似冷缝所在面与测试表面基本垂直，在隧道拱腰以下该条件容易满足，见图4（a）。在拱顶及其附近，由于工艺所致，疑似冷缝所在面与测试表面多呈小夹角［图4（b）中的4 条冷缝］，致使检测结果产生偏差。实际检测中发现拱顶多处混凝土ηc＞ 0.88，但取出的岩芯破损依然严重。

图4 不同位置的冷缝

对于此类冷缝，单纯依靠本方法检测存在误判的可能。因此，对隧道衬砌拱顶区域的疑似冷缝进行检测时，应结合适用于检测层间结合状况的冲击回波声频（Impact Acoustic Echo，IAE）法［10］或敲击法［11］。

IAE 法可以测试出混凝土的分层情况，敲击法可测试出混凝土的剥离层。综合应用基于冲击弹性波的冷缝检测法、IAE法和敲击法，可以提高测试结果的准确性。

采用IAE法检测时拱顶水平冷缝信号反射结果见图5（a）。其中：蓝线为标定线，红色点为反射信号。可知：反射信号位于标定线右侧（低频）且存在明显起伏，说明存在明显分层，混凝土较差，可判定为冷缝。

采用IAE法测试时拱顶非冷缝区域信号反射结果见图5（b）。可知：反射信号整体平稳且位于标定线附近，表明混凝土整体结合质量较好。

图5 采用IAE法检测拱顶信号反射结果

6 结论

根据冷缝对混凝土结构性能的影响和冲击弹性波中R 波的特点，提出基于冲击弹性波的冷缝检测法。经过理论分析和工程现场验证，得到以下结论：

1）可采用基于冲击弹性波的冷缝检测法对疑似冷缝进行检测。采用等效抗剪率及等效强度率分析疑似冷缝对局部混凝土结构的影响程度。健全性指标越接近1 表示疑似冷缝对混凝土结构的影响越小，健全性指标越接近0则表示疑似冷缝对混凝土结构的影响越大。

2）经对十多条隧道416 处疑似冷缝检测，冷缝处健全性指标平均值在0.50左右，非冷缝处健全性指标平均值在0.88 左右。健全性指标对冷缝有较好的辨识度。

3）对于拱顶及附近的疑似冷缝，由于疑似冷缝所在面与测试面呈小角度相交，测得的健全性指标有偏大的趋势，存在误判的可能。因此，须采用冲击回波声频法或敲击法辅助检测。

本检测方法不仅可用于铁路隧道衬砌测试，还可用于其他各类混凝土结构测试。