王海龍， 郭　俊， 吳　剛， 沈永芳， 車愛蘭， 周恩先

(1. 南昌市政公用投資控股有限責任公司， 江西 南昌　330000； 2. 上海交大海洋水下工程科學研究院有限公司， 上?！?00231； 3. 上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院， 上?！?00240)

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沖擊映像法在沉管隧道基礎灌砂監(jiān)測中的應用

王海龍1， 郭俊1， 吳剛2,*， 沈永芳2， 車愛蘭3， 周恩先2

(1. 南昌市政公用投資控股有限責任公司， 江西 南昌330000； 2. 上海交大海洋水下工程科學研究院有限公司， 上海200231； 3. 上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院， 上海200240)

在沉管隧道工程中，采用無損檢測技術對基礎灌砂施工效果實施實時、經濟、有效的監(jiān)測，是施工監(jiān)測必須要解決的難題。本文結合南昌紅谷隧道監(jiān)測實例，系統(tǒng)地介紹了沖擊映像法在基礎灌砂施工中的應用情況，包括測線布設、數據采集、分析與評定方法、監(jiān)測結果以及相關的結論與施工建議。監(jiān)測結果表明： 沖擊映像法能夠對基礎灌砂效果進行實時有效地評判，是一種新的基礎灌砂施工監(jiān)測與灌砂效果評價方法。

紅谷隧道； 沉管隧道； 基礎灌砂； 沖擊映像法； 監(jiān)測

0　引言

由于沉管隧道基礎處理的效果直接關系到工程質量與建成后隧道的安全運營[1]，因此，開展沉管隧道基礎施工的實時監(jiān)測十分有必要[2]。

目前，沉管隧道基礎灌砂施工的監(jiān)測方法主要有灌砂量、灌砂壓力及位移監(jiān)測等，但在實際監(jiān)測過程中存在無法掌握砂積盤的形成過程，不能實時監(jiān)測砂積盤的變化以及砂積盤的連接狀態(tài)，易導致灌砂孔堵孔以及基礎未充分填充等問題，無法為停止灌砂提供相應的判斷標準(依據)。因此，采用經濟、有效的方法對基礎灌砂施工效果實施實時監(jiān)測，是沉管隧道工程中必須要解決的難題。

近年來，無損檢測技術已在工程檢測中得到了應用，并取得了一定的研究成果[3-4]。王連成等[5]將地質雷達技術應用于公路隧道工程超前地質探測預報與隧道結構的檢測； 李二兵等[6]采用地質雷達對隧道襯砌質量(襯砌結構的厚度、襯砌裂隙及背后空洞等)進行了檢測； 楊鋼宇等[7]將超聲地震模型試驗成功地應用于寧波甬江隧道注漿水底基礎的質量檢測中； 車愛蘭等[8]采用表面波法對天津中央大道海河沉管隧道基礎使用壓漿法的充填效果進行了檢測，并提出了相關評價標準； 沈永芳[9]通過對舟山沈家門海底沉管隧道注漿進行等比例模型試驗，采用探地雷達、面波儀等無損檢測方法對注漿充填效果進行了檢測，并建立了充填效果的實時監(jiān)測方法和評價系統(tǒng)； 馮少孔等[10]針對某大型調水工程的雙向預應力混凝土立墻內出現劈裂問題，在分析立墻結構特點的基礎上，采用沖擊映像法對裂縫的平面分布、嚴重程度以及損壞區(qū)域所占比例等進行了詳細檢測和成因分析，并通過取芯檢驗和帶預制縫的有限元法數值模擬，驗證了檢測結果和分析結論； 李邦旭等[11]和陳潤[12]依托汾江路南延線沉管隧道工程，利用建造等比例試驗模型，通過對比試驗研究，提出了彈性波映像法與瑞雷面波法相結合的無損檢測方法，并對沉管隧道砂基礎中存在的缺陷進行判識以及密實度檢測。但迄今為止，尚未見上述無損檢測技術應用于沉管隧道基礎灌砂施工實時監(jiān)測的文獻。

本工程針對南昌紅谷沉管隧道工程基礎灌砂施工，應用沖擊映像法對基礎灌砂施工進行監(jiān)測，并對灌砂效果做出評價，以確保工程施工質量，為類似工程施工監(jiān)測提供借鑒。

1　工程概況

南昌紅谷隧道工程西起紅谷灘新區(qū)怡園路與豐和中大道交叉口附近，下穿贛江，東岸與沿江中大道和中山西路相接，隧道總長2 650 m，江中沉管段全長1 329 m，共分12節(jié)管段。

南昌紅谷隧道工程管段基礎采用灌砂法進行處理。灌砂基礎的材料為砂與水泥熟料的混合物，水泥熟料摻入量為6%，灌砂施工后應保證灌砂基礎在7度地震的情況下不發(fā)生液化。根據紅谷隧道灌砂設計方案，砂盤的擴散半徑設計為7.5 m；灌砂孔采用φ160無縫鋼管； 底板灌砂孔孔口標準間距為橫向11 m、縱向9.5 m；灌砂時水砂配合比(質量比)控制在7∶1～9∶1；開始灌砂時壓力為0～0.05 MPa，最終灌砂壓力不大于0.1 MPa；基礎厚度為0.6 m，管段基槽為炸礁基槽，邊坡為1∶2。南昌紅谷隧道管段灌砂孔平面圖及剖面圖如圖1和圖2所示。

灌砂基礎施工從對接端向自由端的方向按排數順序灌注。在同一排的3個孔中，按照先中間后兩側的順序灌注。管段最后2排孔不灌注，等到與后一節(jié)管段對接后開始由該排孔進行灌砂，這樣可以避免砂料流至未沉放管段的基槽上。施工砂基礎時應采取可靠的措施確保管段不產生平面位移。灌砂完畢后，灌砂管及砂積盤中央的沖擊坑應用無收縮水泥砂漿填充，其抗壓強度標準值不低于C40，填充時應嚴格控制下料量及灌入壓力，同時加強觀測管段的高程，不得將管段抬起。

圖1　管段灌砂孔平面布置圖(單位： mm)

圖2　管段灌砂孔剖面圖(單位： mm)

2　灌砂施工現場監(jiān)測

2.1檢測儀器及其技術指標

記錄設備為美國Geometrics的Geode數字地震儀，其性能參數如下： 記錄通道為24道； 模數轉換為24 bit； 高截頻為20 000 Hz； 低截頻為1.75 Hz。

傳感器為重慶地質儀器廠的動圈式垂直分量速度型傳感器，分為單分量及三分量2種。為保證傳感器和地面的良好耦合以及移動作業(yè)效率，24個傳感器組成傳感器陣列，一次激發(fā)即可采集24道數據，同時，傳感器陣列安裝在專門設計的牽引式底座上，既完成了傳感器與地面的耦合，又保證了作業(yè)效率。

使用質量為350 g的鋼質沖擊錘作為震源以激發(fā)彈性波，敲擊信號強弱由沖擊錘上的傳感器感知，并被輸入到儀器中進行模數轉換和記錄。

2.2測線布設

圖3為測線布置圖，采集測線共布設21條，測點間距0.5 m。

2.3采集參數

傳感器間距為0.5 m，排列長為5.5 m/11.5 m，震源偏移距為距測線0.15 m，激發(fā)方式為用沖擊錘敲擊。

數據道數為12～24道，采樣間隔為0.000 031 25 s (31.25 μs)，記錄長度為256 ms。

檢測點密度為1點/0.5 m。

2.4數據采集步驟

1)現場準備。檢查測試儀器是否齊全完好，并對需要進行測試的場地進行清理。

2)傳感器設置。以確定的檢測點為基準點，每間隔0.5 m布置1個傳感器，將傳感器及加工的連接部分平整地放置于底板上。

3)激發(fā)。使用質量為350 g的沖擊錘用力擊打沉管底板或鐵錠，以產生彈性波。

4)采集信號。激發(fā)產生的振動能量以近源波(縱波、面波等各種波動混雜在一起)的形式向四面?zhèn)鞑ィ瑐鞲衅鹘邮盏叫盘柌魉徒o記錄設備，記錄完畢后，進行下次錘擊，依次類推，直至完成該測線的檢測任務。

圖3　測線布置與采集過程示意圖

3　監(jiān)測結果及其分析

本文以E4管段灌砂過程中的檢測為實例，介紹相關的監(jiān)測方法、分析過程及其結果。

3.1采集工況

表1為E4管段灌砂監(jiān)測數據采集的工況。

表1　數據采集工況

表1(續(xù))

表1(續(xù))

3.2波形處理結果

根據數據記錄連接測線上所有測點的有效數據，并進行波形分析及波形處理(見圖4)。從圖4可以看出波形持續(xù)時間和振幅變化等信息，以及個別數據存在的噪音過大等問題。

圖4　測線波形處理結果

3.3可視化處理結果

3.3.1波形分析法

圖5為波形分析的可視化結果，表示振幅的大小制作成彈性波強度剖面。從圖5可以看出明顯的波形能量及持續(xù)時間的變化。對照測試剖面的前期及灌砂過程中的能量變化，可以分析灌砂擴散狀況和范圍等。

圖6為剖面的沖擊響應能量分布。從圖6可以看出沖擊響應能量的變化，對照測試剖面的前期及灌砂過程中的能量變化，可以分析灌砂擴散狀況和范圍等。

3.3.2頻譜分析法

圖7為頻譜分析的可視化結果。圖7中顏色表示振幅的大小制作成彈性波強度剖面。

從圖7可以看出明顯的低速區(qū)及高速區(qū)范圍及位置。對照測試剖面前期及灌砂過程中的頻率和頻譜變化，可以分析灌砂擴散狀況和范圍等。

(a) 灌砂前

(b) 灌砂過程中

(a) 灌砂前

(b) 灌砂過程中

3.4灌砂效果的綜合評價

根據灌砂前、灌砂過程中波形分析、沖擊響應能量分布、頻譜分布的變化，綜合判斷灌砂擴散半徑和充盈程度，將判斷結果分為3個等級。1)合格。擴散半徑達到7.5～9 m，且欠充盈率不超過15%(充盈率達到85%以上)。2)基本合格。擴散半徑達到7.5～9 m，欠充盈區(qū)域在15%～35%(充盈率達到65%～85%)。3)不合格。擴散半徑未達到7.5 m，充盈率小于65%。

(a) 灌砂前

(b) 灌砂過程中

灌砂充盈率是指灌砂充盈區(qū)域面積與砂積盤總面積的比率。根據模型試驗結果，底板下砂積盤分為充盈和欠充盈2種狀態(tài)。充盈是指砂積盤密實且頂部與底板密切接觸。欠充盈是指砂積盤密實，但其頂部與隧道底板底面間存在1～2 cm的砂水混合層，砂水混合層類似于飽和土的狀態(tài)，具有一定的流動性。

由于邊孔只有一條測線，無法判斷面積比例，因此本文中的充盈率只針對中孔。

3.5灌砂效果評價標準的確定

3.5.1中孔的評價標準

根據3.4節(jié)的綜合評價結果，采用3個等級。中孔綜合評價結果見圖8。

(a) 灌砂前

(b) 灌砂過程中

Fig. 8Comprehensive assessment results of intermediate gravel filling hole

3.5.2邊孔的評價標準

由于水箱的存在，邊孔測線大部分在中孔擴散半徑內，因此邊孔的判斷只能作為灌砂繼續(xù)與否的參考條件，最終結合水下探摸共同判斷。即灌砂孔砂溢出管段壁且與上一個灌砂孔溢出管段壁的砂融合，管段內無損監(jiān)測同時達到要求，可判別邊孔的灌砂效果是否合格。

3.6灌砂監(jiān)測結果

根據建立的灌砂效果評價標準，對灌砂施工狀況進行評價。表2為E4管段部分灌砂孔(中孔)現場監(jiān)測及其灌砂狀態(tài)評價。

表2　E4管段現場灌砂及其狀態(tài)評價

表2(續(xù))

由表2可知，E4管段的平均充盈率為91%，砂積盤擴散半徑達到設計要求，故灌砂效果合格。

4　結論與建議

1)現場監(jiān)測結果表明，通過波形可視化處理、沖擊響應能量及頻譜處理相結合的方法，采用沖擊映像法能夠很好地掌握灌砂過程中砂液的分布狀況。

2)根據灌砂前和灌砂過程中的波形分析、沖擊響應能量分布和頻譜分布的變化，可綜合判斷灌砂擴散半徑和充盈程度。

3)通過建立灌砂效果評價的判斷標準，分別對管段中孔和邊孔的灌砂效果進行了實時有效的評判。

4)在E4管段以及E3管段的尾部實施了36個孔的監(jiān)測，共有效監(jiān)測159次，平均每個灌砂孔監(jiān)測4.4次。灌砂監(jiān)測結果表明，即使灌砂量、泵壓以及升降量顯示已經灌滿，砂積盤半徑仍有可能小于7.5 m或充盈度不達標，需要根據監(jiān)測結果決定繼續(xù)灌砂2次以上才能最終達到灌砂合格，可見采用沖擊映像法監(jiān)測的必要性。

5)在灌砂過程中，即使壓力無變化，持續(xù)灌砂會使個別孔所形成的砂積盤過大，超過了相鄰灌砂孔，鄰孔會出現阻塞現象。因此，建議在灌砂過程中嚴格按照中孔的監(jiān)測結果，砂積盤半徑超過7.5 m進行終孔匯報，最大半徑不允許超過9 m。如果由于各種因素的影響，砂積盤出現在未灌砂一側已經接近鄰孔，而在已灌砂一側還不能和前孔的砂積盤很好融合的狀況，應調整該孔的灌砂方案，以保證砂積盤的融合以及不阻塞鄰孔。

6)E4管段出現了N2孔等3個邊孔的堵孔現象，通過分析周邊孔的灌砂時間可以發(fā)現，與N2孔相鄰的邊孔N1孔灌砂時間超過18 h。建議在嚴格控制中孔擴散半徑的基礎上，邊孔灌砂時除實時監(jiān)測外，需結合灌砂時間(灌砂量)等信息進行控制。

7)灌砂施工是個復雜的工程，需要根據各方信息(包括灌砂壓力、灌砂時間和灌砂量等灌砂狀況，位移量測，千斤頂支撐力變化等現場實時監(jiān)測結果)綜合判斷是否停泵，特別是對于邊孔，由于水箱的存在，測線大部分在中孔擴散半徑內，監(jiān)測結果只能作為判斷是否停泵的參考依據。

8)E4管段實施了中孔某一孔砂積盤半徑達到7.5 m即停止灌砂的施工工藝。根據監(jiān)測結果，建議對后續(xù)管段灌砂施工監(jiān)測方案進行調整，調整為邊孔灌砂結束后，再次進行中孔監(jiān)測，驗證砂積盤半徑以及中孔、邊孔灌砂的融合狀態(tài)。

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Application of Impact Imaging Method to Gravel Filling Effect Monitoring of Foundation of Immersed Tunnel

WANG Hailong1, GUO Jun1, WU Gang2，*, SHEN Yongfang2, CHE Ailan3, ZHOU Enxian2

(1.NanchangMunicipalPublicGroup,Nanchang330000,Jiangxi,China; 2.UnderwaterEngineeringInstituteCo.,Ltd.,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200231,China; 3.SchoolofNavalArchitecture,OceanandCivilEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

The nondestructive monitoring of gravel filling effect of foundation of immersed tunnel timely, economically and effectively is a key problem to be solved. The impact imaging method used in gravel filling effect monitoring of foundation of Honggu Tunnel is systematically introduced in terms of monitoring line arrangement, data collection, analysis and assessment and suggestions. The monitoring results show that impact imaging method is feasible and effective in monitoring gravel filling effect of immersed tunnel foundation.

Honggu Tunnel; immersed tunnel; foundation gravel filling; impact imaging method; monitoring

2016-05-23;

2016-08-24

王海龍(1981—)，男，江西信豐人，2004年畢業(yè)于華東交通大學,道路橋梁專業(yè)，本科，高級工程師，主要從事工程項目管理工作。E-mail： 6953268@qq.com。*通訊作者： 吳剛， E-mail： wugang@sjtu.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.016

U 455.46

B

1672-741X(2016)09-1132-07