姚 菲 蘇建洪

(河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

盾構(gòu)法具有安全快速、適用范圍廣以及對周圍地層擾動小等特點，對地下隧道建設(shè)具有很大的幫助，在城市地鐵建設(shè)工程中得到了廣泛的應(yīng)用。由于盾構(gòu)施工擾動和爆破等影響，加上土體的再固結(jié)和超挖造成的地層損失產(chǎn)生了地層變形，使得支護結(jié)構(gòu)與圍巖之間存在空洞，進而導(dǎo)致圍巖松弛，使支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，降低其承載能力，極大地影響隧道的安全使用。在工程中采用壁后注漿，這樣不僅可以充填由于盾構(gòu)刀盤外徑大于隧道管片外徑造成的超挖空隙，而且能夠防止圍巖松動、管片漏水、顯著減少地面沉降。然而，注漿層會由于注漿不密實、配合比尚未固結(jié)等原因，導(dǎo)致注漿層剛度受到影響而降低，繼而產(chǎn)生地層沉降和巖體坍塌等一系列安全問題［1］。

本文以沖擊回波法識別測試盾構(gòu)中注漿層的形狀特征為研究目標，對盾構(gòu)中管片和注漿層模型進行數(shù)值模擬，通過分析對模型施加瞬態(tài)沖擊后的時程和頻譜，驗證了采用沖擊法識別盾構(gòu)中不同形狀特征注漿層缺陷的可行性，并總結(jié)了識別規(guī)律。

1 沖擊回波法原理

沖擊回波法［2］是用一定直徑的小鋼球沖擊測試物體表面產(chǎn)生瞬時應(yīng)力波，在靠近沖擊位置表面附近，由點接收器記錄垂直位移，然后利用回波波形頻譜中的主頻來進行分析的一種方法。它可用于混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測。

應(yīng)力波波速與頻率及厚度之間的關(guān)系如式(1)所示:

其中，fT為傳感器采集到動力時程曲線經(jīng)FFT(傅里葉變換)之后得到的峰值頻率;β 為形狀系數(shù)，對于板取0.96;CP為應(yīng)力波在該介質(zhì)中的波速;T 為所測量試件的厚度。

圖1 沖擊回波法原理示意圖

沖擊回波法識別盾構(gòu)注漿層厚度的原理如圖1 所示。由于注漿層可能存在不密實(存在空洞)或注漿向圍巖擴散等情況，意味著注漿層厚度T2大于或小于設(shè)計厚度，即圖1 中ΔP2發(fā)生變化，亦即對應(yīng)的頻譜圖發(fā)生變化，不但峰值頻率發(fā)生改變，頻譜圖的形狀特性也會產(chǎn)生改變。

2 數(shù)值模型建立

基于本文研究目的，以SGS 模型中注漿層的形狀特征為考慮的主要因素。本文考慮正常情況(設(shè)計情況)、注漿不密實(存在空洞)與注漿向圍巖擴散(實際厚度大于設(shè)計厚度)三種工況，如圖2 所示。而后兩種非正常情況對于空洞的大小與擴散的大小也進行了細分，如表1 所示。

圖2 管片—注漿—圍巖有限元模型分析模型簡圖（以下簡稱SGS 模型）

表1 模型工況

采用大型有限元軟件MSC.MARC 完成模型的建立與計算。其中管片層厚度為320 mm，注漿層厚度為100 mm。使用平面分析方法，采用11 號二維平面集成單元，以激勵點為原點，激勵方向線為對稱軸，建立SGS 模型。在邊界單元處設(shè)置高阻尼以消除邊界反射對結(jié)果的影響。將激振力最大值和激振時間分別定為8 N 和40 μs，總分析時間為0.008 s，時間步長4×10-6s。

根據(jù)上述理論，管片—注漿層界面相對應(yīng)的厚度頻率f1根據(jù)式(2)計算:

注漿層—圍巖界面相對應(yīng)的厚度頻率fd根據(jù)式(3)計算:

其中，T1，T2分別為混凝土管片與注漿層的厚度;CP1，CP2分別為混凝土管片與注漿層中的應(yīng)力波波速。模型中材料參數(shù)如下:混凝土管片的彈性模量取34.5 GPa，密度取2 500 kg/m3，泊松比取0.25，注漿層的彈性模量取7.5 GPa，密度取1 700 kg/m3，泊松比取0.25。計算可得:f1=6 104.1 Hz，fd=2 899.3 Hz。

3 計算結(jié)果分析

選取距離激勵點8 cm 處節(jié)點，提取該處加速度、速度、位移時程曲線。將去除瑞利波影響后的時程曲線作FFT 變換［3］，獲得對應(yīng)的頻域圖，如圖3 所示。

圖3 各模型頻域圖

由圖3 與表2 可知:1)將第Ⅰ類情況(正常情況)與第Ⅱ，Ⅲ類情況(非正常情況)對比，可知第Ⅰ類情況的f1與fd峰值均能在頻域圖中找到對應(yīng)值，且較為明顯，頻域圖中出現(xiàn)較多干擾峰值;而Ⅱ，Ⅲ類情況峰值較為單一，f1峰值大于fd，說明管片—注漿層界面反射起主導(dǎo)作用。2)第Ⅱ類工況的頻譜圖中，孔洞尺寸小的SGSⅡ-1 能識別出fd，而孔洞尺寸大的SGSⅡ-2，SGSⅡ-3 則不能。這是因為對于后者，應(yīng)力波已無法通過注漿層到達下一界面，因此只能在管片—注漿層界面上全部反射。3)第Ⅲ類工況的頻譜圖中，注漿擴散面積小的SGSⅢ-1，SGSⅢ-2 峰值頻率依然接近于擴散前厚度頻率，注漿擴散面積大的SGSⅢ-3 峰值頻率則接近擴散后的厚度頻率。這是因為對于小范圍擴散的注漿厚度，其注漿—圍巖界面反射波會受到多次反射的干擾(包括豎直界面)，因此難以被接收器所接收。4)總體而言，計算結(jié)果與理論值吻合較好。表2 中將無法識別的工況以及計算結(jié)果與理論值相差較大的工況用粗體字標出，其原因已在前文分析。

表2 結(jié)果對比

4 結(jié)語

本文通過建立SGS 有限元模型，分析了在注漿異常情況下的沖擊回波頻譜特征。得出如下結(jié)論:1)注漿異常情況的SGS 模型，其沖擊回波頻譜特征與正常情況存在明顯差別，其f1更為單一突出，fd則不如后者明顯。2)孔洞或漿液擴散的范圍大小會影響頻譜特性，小范圍的注漿異常情況可能在峰值頻率的數(shù)值上沒有變化，僅在頻譜圖形狀上有所反映，而相對大范圍的注漿異常則在頻譜圖形狀與具體數(shù)值上均能夠得到反映。3)本文僅針對單一測點進行分析，在實際工程中，可通過增加測點個數(shù)來輔助判別。

［1］王凈偉，楊信之，阮 波.盾構(gòu)隧道施工對既有建筑物基樁影響的數(shù)值模擬［J］.鐵道科學與工程學報，2014，11(4):73-79.

［2］M.Sansalone，N.J.Carino.Detecting delaminations in concrete slabs with and without overlays using the impact-echo method［J］.ACI Materials Journal，1989，86(2):175-184.

［3］R.Medina，M.Garrido.Improving impact-echo method by using cross-spectral density［J］.Journal of Sound and Vibration，2007(304):769-778.

［4］王智豐，周先雁，晏班夫，等.沖擊回波法檢測預(yù)應(yīng)力束孔管道壓漿質(zhì)量［J］.振動與沖擊，2009，28(1):166-169.