程志強(qiáng)

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司,天津 300459)

1 工程概況

中央大道海河隧道工程位于濱海新區(qū),工程線路全長(zhǎng)4.2 km,穿越海河255 m采用沉管法工藝,是華北地區(qū)第一條沉管隧道。由于天津市屬于高震區(qū),隧道工程按照八度設(shè)防。沉管基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為60 cm厚碎石層和40 cm厚膨潤(rùn)土砂漿,管段沉放對(duì)接后在管內(nèi)進(jìn)行注漿。管段基礎(chǔ)處理如圖1所示。

圖1 管段基礎(chǔ)注漿處理示意

按設(shè)計(jì)要求,該工程基礎(chǔ)處理要求注入的水泥膨潤(rùn)土混合砂漿應(yīng)充分填充碎石層面至隧道底的空隙部位,保證注漿壓力適當(dāng),保證砂漿能夠順利擴(kuò)散。通過(guò)采用面波檢測(cè)技術(shù),為管段的基礎(chǔ)注漿提供檢測(cè)數(shù)據(jù),及時(shí)掌握注漿的擴(kuò)散程度、充盈度等情況,為停止注漿提供參考依據(jù)。

2 面波檢測(cè)原理

面波最常見(jiàn)的有瑞雷面波和勒夫面波。其中瑞雷面波的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡為一橢圓,而勒夫面波的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)與傳播方向垂直且平行于介質(zhì)表面。面波不但能量強(qiáng),而且衰減比體波慢。這是利用面波進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和勘探的有利之處。

根據(jù)波動(dòng)方程理論,在均勻介質(zhì)中,縱波速度Vp和橫波速度Vs的表達(dá)式分別為

式中：Vp為縱波速度；Vs為橫波速度；μ為剪切模量；ρ為質(zhì)量密度；σ為泊松比；E為彈性模量。

由介質(zhì)彈性模量和泊松比關(guān)系,可得出縱波與橫波的速度比

(1)

將(1)代入含有面波速度的瑞雷方程,可得到

(2)

對(duì)式(2)進(jìn)行求解,可得出瑞雷波速度與橫波速度的關(guān)系式為

上式可寫(xiě)為

VR=k1·Vs

k1稱為校正系數(shù),它依賴于泊松比,當(dāng)泊松比為0.25,0.33,0.40,0.50時(shí),k1值分別為0.92,0.933,0.943,0.956。一般混凝土的泊松比在0.20～0.30,因此對(duì)混凝土而言,橫波的速度與瑞雷面波的速度可基本認(rèn)為相等,從該點(diǎn)出發(fā),進(jìn)行混凝土檢測(cè)可由瑞雷面波速度得到橫波速度。

不同部位的波速和頻率變化體現(xiàn)出介質(zhì)的變化,注漿過(guò)程中砂漿逐步填充空隙,從而影響到波速和頻率,基于此原理,可用面波法檢測(cè)注漿填充情況。

3 面波檢測(cè)方法

3.1 儀器規(guī)格和采集參數(shù)的設(shè)定

(1)儀器規(guī)格

地震儀：日本應(yīng)用地質(zhì)株式會(huì)社McSeis-170f改進(jìn)型數(shù)字地震儀(記錄通道：24道；模數(shù)轉(zhuǎn)換：16 bit；高截頻：4 000 Hz；低截頻：30 Hz)。

檢波器：美國(guó)Geospace動(dòng)圈式垂直成分速度型檢波器(固有頻率：100 Hz)。

激發(fā)：使用小錘(約500 g)用力敲擊鋼板作為震源。

(2)采集參數(shù)

檢波器間距：0.2 m；排列長(zhǎng)：0.6 m；震源偏移距：0.4 m；激發(fā)方式：重錘敲擊。

道數(shù)：4道；采樣間隔：25 μs,記錄長(zhǎng)度：0.051 2 s。

檢測(cè)點(diǎn)密度：0.20 m。

(3)面波測(cè)線的設(shè)置

表面波探測(cè)測(cè)線布置如圖2所示,在管段底板上根據(jù)灌漿孔的布置分區(qū)進(jìn)行試驗(yàn),每個(gè)區(qū)沿灌漿孔發(fā)散方向各等間距地布置8條測(cè)線,對(duì)測(cè)線進(jìn)行面波測(cè)試。

面波數(shù)據(jù)采集排列采用4道檢波器,檢波器間距0.2 m,即一次檢測(cè)長(zhǎng)度0.6 m。

圖2 面波檢測(cè)測(cè)線布置(單位：m)

3.2 面波檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)施工方法與檢測(cè)時(shí)間

檢波器設(shè)置：為保證檢測(cè)速度,制作φ10 cm塑料管,管內(nèi)用石膏固定檢波器。盡量平穩(wěn)安放檢波器于接觸面，以保證檢波器與接觸面的有效耦合,從而保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

總觀測(cè)線為10 m/條×2條×3區(qū)×2次=120 m。檢測(cè)工作包括：探地雷達(dá)測(cè)線：10 m/條×8條×3區(qū)×2次=480 m；面波測(cè)線：10 m/條×2條×3區(qū)×2次=120 m；超聲波測(cè)線：10 m/條×2條×3區(qū)×2次=120 m。測(cè)線布置如圖3所示,在隧洞底板上根據(jù)灌漿孔的布置分3個(gè)區(qū)(A區(qū)、B區(qū)、C區(qū))進(jìn)行試驗(yàn),每個(gè)區(qū)沿灌漿孔發(fā)散方向各等間距地布置8條測(cè)線,各條測(cè)線進(jìn)行探地雷達(dá)探測(cè),對(duì)A2、A7,B2、B7,C2、C7測(cè)線進(jìn)行面波測(cè)試及超聲波測(cè)試。

圖3 測(cè)線布置(單位：m)

操作需人員2人,一人移動(dòng)接收器收集數(shù)據(jù),另一人操作收錄器進(jìn)行記錄,由于收錄器記錄數(shù)據(jù)需要時(shí)間,移動(dòng)接收器也需要時(shí)間,這兩點(diǎn)限制了檢測(cè)速度?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分前后兩種情況分別進(jìn)行了5次測(cè)試,第1次時(shí)間為尚未注漿前,主要是為了采集原始數(shù)據(jù),作為注漿后結(jié)果的對(duì)比依據(jù)。第2次時(shí)間為對(duì)注漿孔A區(qū)進(jìn)行注漿,在注漿的同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè),觀察漿液的充填對(duì)結(jié)果的影響。第3次時(shí)間為注漿孔A區(qū)中已注入的漿液已經(jīng)初步凝固,各種介質(zhì)的界面已經(jīng)穩(wěn)定,采集得到的結(jié)果和結(jié)論將與最后實(shí)際觀察結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證,驗(yàn)證該方法的可靠性。第4次為對(duì)注漿孔B區(qū)和注漿孔C區(qū)同時(shí)注漿,在注漿的同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。第5次注漿孔中的漿液已經(jīng)初步凝固,界面形狀已經(jīng)穩(wěn)定,采集得到的結(jié)果和結(jié)論將與最后撤去平臺(tái)后的實(shí)際觀察結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證。

3.3 記錄波形

圖4 面波檢測(cè)記錄(波形)

檢測(cè)記錄的波形如圖4所示,橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)距離,縱坐標(biāo)為時(shí)間。從圖4中可以看出,波形記錄清晰,無(wú)明顯噪聲,質(zhì)量高。圖5是由該波形數(shù)據(jù)求取的頻譜曲線,橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)距離,縱坐標(biāo)為頻率。由圖5中可看出,頻譜曲線連續(xù)性好,平滑,噪聲少,譜能量集中,頻譜曲線的精度高。

注漿前后的面波波形記錄如圖6所示,橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)距離,縱坐標(biāo)為時(shí)間。在注漿前,不同部位間歇的任意性導(dǎo)致出現(xiàn)不同的波形,注漿過(guò)程的波形以此波形為基礎(chǔ)進(jìn)行比較判斷；在注漿過(guò)程中,初始波形隨著漿液的擴(kuò)散填充而出現(xiàn)即時(shí)的變化,當(dāng)出現(xiàn)漿液擴(kuò)散不均或充盈不實(shí)時(shí)可適時(shí)調(diào)整注漿壓力等參數(shù)；注漿完成后,波形整體趨同,顯示漿液已基本填充完畢。

圖5 所示波形所對(duì)應(yīng)的頻譜曲線

圖6 注漿前后面波檢測(cè)記錄

3.4 數(shù)據(jù)分析的方法與流程

面波數(shù)據(jù)分析流程如圖7所示。面波數(shù)據(jù)分析可分為預(yù)處理、波形處理、頻譜分析3個(gè)部分。

圖7 面波數(shù)據(jù)分析流程

預(yù)處理：預(yù)處理就是為正式的數(shù)據(jù)分析做準(zhǔn)備。主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)格式變換和加入位置信息。

波形處理：波形處理主要目的就是找出各種噪聲的特點(diǎn),并找出有效地除去噪聲的方法,進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行除噪聲處理。

頻譜分析：頻譜分析就是從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)(面波波形數(shù)據(jù))進(jìn)行FFT分析,主要使用富里葉快速變換(FFT)方法,是面波無(wú)損檢測(cè)的關(guān)鍵步驟之一。

檢測(cè)時(shí),每條測(cè)線各有2個(gè)結(jié)果圖,即,時(shí)間斷面,頻譜斷面。其中,時(shí)間斷面是把波形數(shù)據(jù)展開(kāi)在了測(cè)線上,頻譜斷面是把頻譜分析結(jié)果數(shù)據(jù)展開(kāi)在了測(cè)線上。從波形分布圖的散亂情況判斷介質(zhì)的突變等狀況,初始波形圖上時(shí)間區(qū)間在0～0.45 s,不同部位時(shí)間長(zhǎng)度差異明顯,注漿完成后,波形圖上時(shí)間基本均到0.1 s為止,顯示注漿的均勻性與密實(shí)性較好。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用面波法對(duì)注漿過(guò)程中漿液的擴(kuò)散方向與不同部位的充盈程度做到了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并對(duì)最終注漿填充情況進(jìn)行了檢驗(yàn),對(duì)指導(dǎo)沉管管段基礎(chǔ)注漿施工起到了良好效果。

對(duì)于介質(zhì)的檢測(cè)方法有很多，結(jié)合工程特點(diǎn),在中央大道海河隧道沉管基礎(chǔ)注漿試驗(yàn)過(guò)程中,采用了面波檢測(cè)技術(shù),通過(guò)與超聲波、雷達(dá)等其他檢測(cè)方法對(duì)比,具有操作方便、穿透力強(qiáng)、數(shù)據(jù)分析快捷等特點(diǎn),檢測(cè)結(jié)果較好的反映了施工實(shí)際情況,從而有效地指導(dǎo)施工,保證工程質(zhì)量,對(duì)類似工程具有借鑒意義。

[1]上海市建設(shè)和管理委員會(huì)科學(xué)技術(shù)委員會(huì).外環(huán)沉管隧道工程[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2005．

[2]李 晶，張海燕，唐湘蓉.利用瞬態(tài)瑞雷波法調(diào)查表層結(jié)構(gòu)的可行性探討[C]∥中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)第22屆年會(huì)論文集，2006.

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[4]郭新毅,馬 力，吳國(guó)清.淺海沉積層中界面波的傳播以及掩埋目標(biāo)的回波[C]∥中國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)2007年青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2007.