蘇建洪，姚菲

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

聲阻抗對盾構注漿沖擊回波規(guī)律的影響研究

蘇建洪，姚菲

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

摘要:基于盾構中管片-注漿-圍巖模型和分層結構中材料聲阻抗的相對值對沖擊回波測試結果有較大影響的原理，利用大型有限元軟件MSC.MARC建立4組(8種)不同注漿層與圍巖材料參數的SGS(管片-注漿-圍巖)模型，進行瞬態(tài)沖擊數值模擬，研究不同聲阻抗值對SGS模型沖擊回波規(guī)律的影響。研究結果表明：注漿層聲阻抗的大小對回波特性影響極大，其與管片聲阻抗的相對值決定了所能探測到的界面，以及頻域圖上峰值頻率的顯著性。

關鍵詞：聲阻抗；SGS模型；沖擊回波法；數值模擬

沖擊回波無損檢測技術使用瞬時應力波來探測物體內部的缺陷。20世紀80年代MarySansalon等[1]為了檢測板狀結構首先提出了這種方法, 如今它已被應用于很多土木結構的檢測。主要包括板狀結構(如橋面、混凝土路面和墻體)、梁和柱、層狀物、柱狀物以及預應力孔道注漿質量[2-4]等。隨著城市地下空間開發(fā)與利用的發(fā)展，盾構施工技術越來越多地應用于城市的地鐵隧道以及市政隧道工程中。在工程中采用壁后注漿技術，可以充填由于盾構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，盾構管片壁后注漿質量對襯砌上土壓力分布與地表沉降有重要影響[5]。注漿質量缺陷作為一種不外露缺陷，其檢測方法成為一個急需的研究新領域，其中沖擊回波法成為一個值得研究的新方向。

1基本原理

沖擊回波法是利用瞬時機械沖擊(用一個小鋼球或小錘輕敲被測物表面)產生的低頻應力波來對結構內部進行探測的。這些波遇到聲阻抗有差異的介質界面就會發(fā)生反射、折射或繞射，不同界面之間的來回反射就會產生瞬態(tài)共振，再由放置在沖擊點附近的傳感器接收共振引起的位移信號。通過快速傅里葉變換(FFT)，將采集到的時域信號轉化為頻域信號，用于確定內部缺陷的深度和構件的厚度。

對于由2種或2種以上材料組成的分層結構，其材料的聲阻抗值對沖擊回波測試結果尤為重要。當應力波穿透2種不同聲阻抗材質組成的界面時，一部分入射應力波會被反射回來，另一部分入射應力波會被折射進入下一介質中。反射波和折射波與入射波之間的關系如下[6]：

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可知，反射系數的正負依賴于2種材料聲阻抗的對比值。當Z1>Z2，則反射系數為負，意味著應力波反射后相位發(fā)生改變，此時反射波對應的傳播頻率f1(即介質1的厚度頻率)的計算公式如下：

(3)

式中:β為形狀系數，對于板取0.96；Cp1為介質1中的P波波速；T1為介質1的厚度。

當Z1

(4)

式(3)與式(4)表明，介質聲阻抗的相對值決定了厚度頻率的計算公式。此外，由式(1)和式(2)也可知，2種材料聲阻抗的不同也決定了界面上反射波的能量大小，從而決定了用沖擊回波法能否探測到該界面。因而對于分層結構，材料聲阻抗的相對值對沖擊回波測試結果有非常大的影響。

在管片-注漿-土體(Segment-Grouting-Surroundingrock，以下簡稱SGS)模型中，注漿層材料的聲阻抗值小于管片聲阻抗，即屬于Z1>Z2情況。但注漿層的具體聲阻抗值隨著材料配比的不同存在很大差別。此外，SGS模型中存在3層結構，圍巖的力學性質也存在不確定性，注漿層-圍巖界面可能會對回波信號產生影響。

注漿層-圍巖界面相對應的厚度頻率fd根據下式計算：

(5)

式中:T1和T2分別為混凝土管片與注漿層的厚度，Cp1和Cp2分別為混凝土管片與注漿層中的應力波波速。

2數值模型建立

基于本文的研究目的，模型的主要變量為材料聲阻抗的相對值。因此設計4種注漿層材料參數，2種圍巖參數，包括8種參數組合。將主要材料參數列于表1，參數組合列于表2。

表1　材料參數

表2　參數組合

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320mm，注漿層厚度為100mm。采用平面分析方法，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。在邊界單元處設置高阻尼以消除邊界反射對結果的影響。將激振力最大值和激振時間分別定為8N和40μs，總分析時間為0.008s，時間步長4×10-6s。

圖2　SGS有限元模型Fig.2 Finite element model of SGS

3計算結果分析

選取距離激勵點8cm處節(jié)點，提取該處加速度、速度、位移時程曲線。以模型SGS-2-A為例，其速度時程曲線如圖3(a)所示。為消除瑞利波的影響，實際處理后的曲線為截去了瑞利波的部分，如圖3(b)所示。其余模型作類似處理，在此不再贅述。

(a)原時程曲線;(b)去除瑞利波后時程曲線圖3　SGS-2-A速度時程曲線Fig.3 Velocity Time-history curve of SGS-2-A

將去除瑞利波后對時程曲線作FFT變換，獲得對應的頻域圖，如圖4所示。

圖4　SGS-2-A頻域圖Fig.4 Frequency domain of SGS-2-A

由圖4可見，除了在厚度頻率有效區(qū)域范圍(由計算確定，本文中處于1 000～8 000Hz之間)之內出現(xiàn)了明顯的峰值，在有效區(qū)域外的低頻區(qū)域，也出現(xiàn)了一個峰值，該值是由于模型本身的彎曲振動模態(tài)而非反射波引起[3]。在模態(tài)分析中，前幾階自振頻率均在1kHz以下，因此，進行了以1kHz左右為截止頻率的高通濾波，用于消除這些強烈的低頻信號。

處理后的各模型頻域分析如圖5所示。

(a)SGS-1-A;(b)SGS-1-B;(c)SGS-2-A;(d)SGS-2-B;(e)SGS-3-A;(f)SGS-3-B;(g)SGS-4-A;(h)SGS-4-B圖5　各模型頻域圖Fig.5 Frequency domain

根據圖5可知：

1)注漿1與注漿2情況下，即注漿層聲阻抗遠小于管片聲阻抗時(Zz/Z1<12%)，f1峰值十分明顯，fd則不明顯，頻域圖中干擾峰值極少，說明管片-注漿層界面反射波能量值占絕對優(yōu)勢。

2)注漿3情況下(Z2/Z1=38%)，f1與fd峰值均能在頻域圖中找到對應值，且較為明顯，頻域圖中出現(xiàn)較多干擾峰值，說明在界面上發(fā)生了較為復雜的反射與折射。

3)注漿4情況下(Z2/Z1=63%)，fd峰值十分明顯，f1則不明顯，頻域圖中干擾峰值極少，說明注漿層-圍巖界面反射波能量值占絕對優(yōu)勢。

4)本文選取的兩種圍巖，計算所得頻域圖形狀上存在一定差別，但對應的峰值頻率十分接近。

根據式(3)與式(5)，得到4個計算模型的峰值頻率理論值，與有限元模擬結果共同列于表3：

表3　結果對比

注：括號內數值為理論值

由表3可知，在頻域圖中能夠識別的峰值頻率上，數值模擬結果與理論值吻合較好。

4結論

1)隨著注漿層與管片層聲阻抗比值增大，注漿層聲阻抗越來越接近管片層，圍巖-注漿層界面厚度頻率越發(fā)地不明顯。界面沖擊波的反射從管片-注漿層界面占絕對優(yōu)勢轉變?yōu)樽{層-圍巖界面占絕對優(yōu)勢。

2)研究結果表明，注漿層聲阻抗的大小對回波特性影響極大，其與管片聲阻抗的相對值決定了所能探測到的界面，以及頻域圖上峰值頻率的顯著性。

3)對于界面上存在復雜反射與折射的情況下讀取頻域圖中的峰值頻率，需要對回波信號進行更多處理，由此需作進一步的理論與試驗研究。

參考文獻：

[1]SansaloneM,CarinoNJ,Detectingdelaminationsinconcreteslabswithandwithoutoverlaysusingtheimpact-echomethod[J]ACIMaterialsJournal86 (2) (1989) 175-184.

[2]Chung-YueWang,Chin-LungChiu,Kun-YiTsai,etal.Inspectingthecurrentthicknessofarefractorywallinsideanoperationalblastfurnaceusingtheimpactechomethod[J].NDT&EInternational, 2014(66): 43-51.

[3]MedinaR,GarridoM.Improvingimpact-echomethodbyusingcross-spectraldensity[J].JournalofSoundandVibration, 2007(304):769-778.

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

WANGZhifeng,YANBanfu,ZHOUXianyan,etal.Groutingqualitytestinginprestresseddustswithinpact-echomethod[J].JournalofVibrationandShock, 2009, 28(1): 166-169.

[5] 季亞平. 考慮施工過程的盾構隧道地層位移與土壓力研究[D]. 南京：河海大學, 2004.

JIYaping.Studyofstratumdisplacementandearthpressureconsideringconstructionprogramofshieldtunnel[D].Nanjing:HohaiUniversity, 2004.

[6] 劉洋希. 基于沖擊回波法的預應力管道壓漿質量檢測[D].長沙：湖南大學, 2013.

LIUyangxi.Detectinggroutingqualityoftendonductsusingtheimpact-echomethod[D].Changsha:HunanUniversity, 2013.

[7]LinY,SansaloneM,CarinoN.J.Finiteelementstudiesoftheimpact-echoresponseofplatescontainingthinlayersandvoids[J].JournalofNondestructiveEvaluation, 1990, 9(1): 27-47.

[8] 李崢然. 盾構開挖對地層變形及鄰近樁基影響研究[D].大連：大連交通大學, 2012.

LIZhengran.Researchontheproblemoftunnelingpassingacrosstheadjacentpile-foundationinshield[D].Dalian:DalianJiaotongUniversity, 2012.

Investigating the effect of acoustic impedance of the grouting rock in the shield tunnel Using impact-echo method

SU Jianhong，YAO Fei

(CollegeofCivilandTransportationEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China)

Abstract:Based on the segment-grouting-surrounding rock models in the shield tunnel and the principle that the materials’ acoustic impedance ratio has a great impact on the impact-echo test results, the segment-grouting-surrounding (SGS) rock models with different material parameters were established using finite element software MSC.MARC. The software was used to simulate the transient process of impact. The effects of different acoustic impedance values on SGS models were studied. The results show that the acoustic impedance of grouting layer has a great effect on the impact-echo characteristics. The acoustic impedance ratio of segment and grouting determines the interface that could be detected, as well as the significance of peak frequency on frequency domain.

Key words：acoustic impedance; SGS model; impact-echo method; numerical simulation

收稿日期：2015-10-11

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務專項資助項目(2015B21414)

通訊作者：姚菲(1983-)，女，湖南鳳凰人，講師，博士，從事結構隔震與結構檢測研究；E-mail:yaofei215@sina.com

中圖分類號：U455.43

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)05-0938-05