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        沖擊回波聲頻法用于鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)

        2020-06-20 05:33:14姜勇吳佳曄馬永強(qiáng)鄧立
        鐵道建筑 2020年5期
        關(guān)鍵詞:聲頻頻譜沖擊

        姜勇 吳佳曄 馬永強(qiáng) 鄧立

        (1.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司工程質(zhì)量監(jiān)督管理局,北京 100844;2.四川升拓檢測(cè)技術(shù)股份有限公司,成都 610046;3.西南石油大學(xué),成都 610500)

        截至2019 年底,我國(guó)大陸有16 084 條全國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)隧道,全長(zhǎng)18 041 km;2 950 條在建隧道,全長(zhǎng)6 419 km,包括123 條特長(zhǎng)隧道,全長(zhǎng)1 689 km[1]。同時(shí),新增運(yùn)營(yíng)線路鐵路隧道550 座,總長(zhǎng)1 005 km;在建鐵路隧道3 477 座,總長(zhǎng)7 465 km;規(guī)劃鐵路隧道6 327座,總長(zhǎng)15 634 km。由此可見(jiàn),隧道工程的質(zhì)量和安全,對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)有非常重要的意義,而隧道襯砌的質(zhì)量尤為重要,其質(zhì)量問(wèn)題多發(fā),主要有襯砌過(guò)度變形、裂損、剝落掉塊;二次襯砌混凝土厚度不滿足設(shè)計(jì)要求;二次襯砌背后脫空;混凝土不密實(shí)、強(qiáng)度不足等[2]。

        根據(jù)TB 10223—2004《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)規(guī)程》、TB 10417—2018《鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,隧道襯砌檢測(cè)方法主要為地質(zhì)雷達(dá)法、敲擊法和聲波法等。姜勇等[3]研究表明,地質(zhì)雷達(dá)法和沖擊回波法(聲波法的一種,Impact Echo)在隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中聯(lián)合運(yùn)用效果顯著,同時(shí)也指出了沖擊回波法在隧道襯砌檢測(cè)中存在的問(wèn)題,并提出沖擊回波聲頻法(Impact Acoustic Echo)這一新型無(wú)損檢測(cè)方法。

        本文對(duì)沖擊回波法基本原理及存在的問(wèn)題進(jìn)行闡述,引出沖擊回波聲頻法的開發(fā)背景,并對(duì)其理論基礎(chǔ)、測(cè)試對(duì)象和范圍、檢測(cè)實(shí)例及運(yùn)用進(jìn)行分析,以此驗(yàn)證沖擊回波聲頻法的有效性。

        1 沖擊回波法基本原理及問(wèn)題

        1.1 基本原理

        沖擊回波法是一種針對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷檢測(cè)的有效手段,由激振裝置在固體表面擊打產(chǎn)生彈性波(圖1),利用此彈性波在被測(cè)體中多次反射的特性,通過(guò)頻譜分析(如快速傅里葉變換、最大熵法等方法)來(lái)獲取結(jié)構(gòu)厚度、材質(zhì)和缺陷信息[4](圖2)。

        圖2 沖擊回波法頻譜示意

        由于所采用的媒介為沖擊彈性波中P 波成分,根據(jù)頻譜分析中對(duì)應(yīng)的反射周期可以得到相應(yīng)的襯砌厚度或缺陷深度為

        式中:H為襯砌結(jié)構(gòu)厚度或缺陷深度計(jì)算值,m;VP為襯砌中傳播P波的波速,km/s,可通過(guò)標(biāo)定得到;T為頻譜圖上對(duì)應(yīng)的反射時(shí)間,s。

        此外,當(dāng)二次襯砌內(nèi)部存在較大規(guī)模或較淺的脫空、平行及表面離縫時(shí),從襯砌背面的入射波和反射波由于需要繞過(guò)離縫,其往復(fù)時(shí)間會(huì)有一定程度的延長(zhǎng),如圖3所示。

        綜合沖擊回波頻譜圖上對(duì)應(yīng)缺陷的反射信息及襯砌背面反射信號(hào)的變化,可以判定襯砌厚度、缺陷的有無(wú)及位置等信息。

        圖3 離縫造成沖擊彈性波滯后

        1.2 應(yīng)用中的問(wèn)題

        盡管TB 10223—2004 已將聲波法(沖擊回波法)定義為鐵路隧道襯砌缺陷的檢測(cè)手段,但該方法幾乎沒(méi)有得到實(shí)際運(yùn)用。主要原因在于隧道襯砌測(cè)試條件比較惡劣:①隧道襯砌表面常有浮塵、泥等附著物;②檢測(cè)需要使用臺(tái)車,而且往往臺(tái)車一邊行駛,一邊設(shè)置傳感器。

        在實(shí)際襯砌檢測(cè)過(guò)程中,往往難以保障傳感器的穩(wěn)定設(shè)置,而傳感器的設(shè)置對(duì)采集信號(hào)的頻譜特征有很大影響。圖4顯示了不同固定方式對(duì)傳感器系統(tǒng)頻譜特性的影響,當(dāng)傳感器卓越頻率與彈性波信號(hào)特征頻率接近時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象,從而造成拾取信號(hào)的嚴(yán)重失真和沖擊回波法測(cè)試精度的降低。如圖5 所示,低頻區(qū)域(圖中靠右)有明顯的信號(hào),卻不是襯砌背面的反射,因此可以推測(cè)是由于傳感器設(shè)置不當(dāng)造成的偽峰信號(hào)。

        圖4 不同固定方式對(duì)傳感器頻譜特性的影響

        圖5 鐵路隧道襯砌檢測(cè)MEM云圖

        2 沖擊回波聲頻法原理及應(yīng)用

        2.1 開發(fā)背景

        敲擊法和沖擊回波法一樣,通過(guò)擊打被測(cè)體表面引起振動(dòng),進(jìn)而壓縮空氣形成擊打聲,并根據(jù)擊打聲的特性判斷結(jié)構(gòu)是否存在缺陷。敲擊法由于實(shí)施快捷,并能在一定程度上彌補(bǔ)地質(zhì)雷達(dá)法的不足,被列入TB 10416—2018。

        敲擊法也存在很多不足之處,除了受環(huán)境噪聲影響大、測(cè)試客觀性差等問(wèn)題外,測(cè)試深度較淺也是一個(gè)大的固有問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō),采用人工錘擊的方式,能夠測(cè)試到的缺陷深度為10 cm 左右,而鐵路二次襯砌厚度一般在35~60 cm。因此,敲擊法只能測(cè)試非常淺的脫空等缺陷。

        為此,本文結(jié)合沖擊回波法與敲擊法的長(zhǎng)處,開發(fā)了基于聲頻的非接觸、移動(dòng)式工程無(wú)損檢測(cè)方法“沖擊回波聲頻法”,為隧道質(zhì)量評(píng)估提供新的技術(shù)支撐,如圖6所示。

        圖6 沖擊回波聲頻法概念及主要設(shè)備

        2.2 理論基礎(chǔ)

        沖擊回波聲頻法與沖擊回波法最大的不同在于用非接觸式拾音器(麥克風(fēng)),而不是傳感器來(lái)拾取敲擊點(diǎn)附近的振動(dòng)信號(hào)。對(duì)于拾振體系,可以簡(jiǎn)化為導(dǎo)波管,其氣柱的基本方程[5]為

        式中:ρ(x,t),v(x,t)分別為當(dāng)前位置、時(shí)間的空氣密度和流速。

        由于氣體的流速很小,可以表示為靜止氣體密度ρ0和變化量ρ′(x,t)之和。同時(shí),考慮由于氣體密度的變化會(huì)導(dǎo)致空氣壓力P和體積V變化,因此引入壓縮率κ來(lái)表述。

        κ的倒數(shù)即為空氣的壓縮模量。同樣,壓力的變化也可以表示為靜止氣體壓力與變化量之和。

        簡(jiǎn)化并忽略二次項(xiàng)后,氣體加速度a為

        根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)定律F=ma,可得

        考慮到微小量可忽略,式(6)可簡(jiǎn)化為

        式(7)表明,在振動(dòng)點(diǎn)附近,空氣加速度與氣壓變化的梯度成正比,這即為沖擊回波聲頻法拾振的理論基礎(chǔ)。

        采用拾音器代替?zhèn)鞲衅魇罢?,在以? 方面有明顯的優(yōu)勢(shì):

        1)由于是非接觸式拾振,可避免傳感器固定不良造成的信號(hào)失真;

        2)由于拾音器構(gòu)造上的特點(diǎn),使得其頻域范圍廣,頻譜特性好(圖7)。由圖7 可見(jiàn),如果采用合適的拾音器,在較寬的頻域范圍(0.2~20 kHz,對(duì)應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)相當(dāng)于0.1~10 m)內(nèi)均可保持大致相同的增益,非常適合沖擊回波聲頻法的分析。

        圖7 典型麥克風(fēng)頻譜曲線

        2.3 測(cè)試對(duì)象和范圍

        姜勇等[3]指出,沖擊回波法對(duì)混凝土內(nèi)脫空等缺陷較地質(zhì)雷達(dá)法更為敏感。由于沖擊回波聲頻法繼承并發(fā)揚(yáng)了沖擊回波法的優(yōu)點(diǎn),針對(duì)隧道襯砌,可以檢測(cè)二次襯砌的厚度(或疑似強(qiáng)度不足)、密實(shí)情況、脫空等信息,如圖8和圖9所示。

        圖8 襯砌本身完好類型示意

        圖9 襯砌缺陷類型示意

        圖10為沖擊回波聲頻法典型圖像,橫縱坐標(biāo)分別表示測(cè)試彈性波反射走時(shí)對(duì)應(yīng)的厚度值與坐標(biāo)里程,可根據(jù)設(shè)計(jì)厚度設(shè)定厚度標(biāo)定線(在標(biāo)定線左側(cè)則小于設(shè)計(jì)厚度,在標(biāo)定線右側(cè)則大于設(shè)計(jì)厚度)。

        圖10 沖擊回波聲頻法典型圖像

        2.4 檢測(cè)驗(yàn)證實(shí)例及運(yùn)用

        沖擊回波聲頻法技術(shù)已在十余條鐵路在建項(xiàng)目近200 座隧道中得到驗(yàn)證和應(yīng)用,見(jiàn)表1。同時(shí),采用鉆孔取芯對(duì)沖擊回波聲頻法的檢測(cè)精度驗(yàn)證過(guò)的隧道數(shù)量已達(dá)150多個(gè),吻合度在95%以上。

        表1 沖擊回波聲頻法運(yùn)用統(tǒng)計(jì)

        2.4.1 典型實(shí)例驗(yàn)證

        對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)密實(shí)且健全、不密實(shí)、厚度不足、脫空4類典型實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

        1)襯砌結(jié)構(gòu)密實(shí)且健全。由圖11(a)顯示的該襯砌底部反射信號(hào)可知,襯砌厚度與設(shè)計(jì)厚度基本吻合或略大于設(shè)計(jì)厚度,約為59 cm,判定該處為密實(shí)且健全。后進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證,實(shí)測(cè)厚度55 cm,且混凝土密實(shí),如圖11(b)所示。

        圖11 襯砌結(jié)構(gòu)密實(shí)且健全驗(yàn)證

        2)襯砌結(jié)構(gòu)不密實(shí)。圖12(a)顯示該襯砌局部反射信號(hào)紊亂,且不連續(xù),判定該處為不密實(shí)。后在相關(guān)位置進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證,觀察到該處混凝土松散、不密實(shí),如圖12(b)所示。

        3)襯砌結(jié)構(gòu)欠厚。圖13(a)顯示該襯砌底部反射信號(hào)早于設(shè)計(jì)值(45 cm)較多,判定該處為欠厚。后在相關(guān)位置進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證,實(shí)測(cè)厚度僅36 cm,如圖13(b)所示。

        圖12 襯砌結(jié)構(gòu)不密實(shí)驗(yàn)證

        圖13 襯砌結(jié)構(gòu)欠厚驗(yàn)證

        4)襯砌結(jié)構(gòu)脫空。圖14(a)顯示該襯砌局部存在低頻脫空振動(dòng)信號(hào),判定該處為脫空。后經(jīng)鉆孔驗(yàn)證,深度36 cm處開始存在脫空,如圖14(b)所示。

        圖14 襯砌結(jié)構(gòu)脫空驗(yàn)證

        2.4.2 與地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)比驗(yàn)證

        首先需要指出的是,上述4 處襯砌采用沖擊回波聲頻法進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)判定結(jié)果與鉆孔驗(yàn)證結(jié)果均吻合,而地質(zhì)雷達(dá)法當(dāng)時(shí)的判定結(jié)果與實(shí)際情況均存在較大差異。

        當(dāng)襯砌層中存在密集鋼筋網(wǎng)尤其是雙層鋼筋網(wǎng)時(shí),雷達(dá)波信號(hào)很難透過(guò)鋼筋網(wǎng),從而無(wú)法有效對(duì)鋼筋網(wǎng)底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效檢測(cè),而鋼筋層對(duì)彈性波幾乎不造成影響。

        1)雙層鋼筋網(wǎng)下襯砌結(jié)構(gòu)超厚及欠厚。圖15 為一隧道某段相同測(cè)線的地質(zhì)雷達(dá)法與沖擊回波聲頻法檢測(cè)結(jié)果。地質(zhì)雷達(dá)圖中,強(qiáng)烈的鋼筋反射掩蓋了二次襯砌底部的反射,很難判定厚度情況。但根據(jù)沖擊回波聲頻法檢測(cè)云圖,二次襯砌底部反射信號(hào)清晰可見(jiàn),可判定該段二次襯砌欠厚。后鉆孔驗(yàn)證,設(shè)計(jì)厚度50 cm,實(shí)測(cè)厚度37 cm,欠厚,與沖擊回波聲頻檢測(cè)結(jié)果一致。

        圖15 雙層鋼筋網(wǎng)下襯砌結(jié)構(gòu)超厚及欠厚

        2)單層鋼筋網(wǎng)下襯砌結(jié)構(gòu)脫空及欠厚。圖16 為某隧道襯砌(單層鋼筋網(wǎng))的地質(zhì)雷達(dá)法與沖擊回波聲頻法檢測(cè)結(jié)果。在地質(zhì)雷達(dá)圖中,鋼筋網(wǎng)信號(hào)仍然反射明顯,使得難以對(duì)該段襯砌缺陷進(jìn)行明確判定。而沖擊回波聲頻法二次襯砌底部反射信號(hào)鮮明,反射時(shí)間小于設(shè)計(jì)值,且存在明顯低頻脫空振動(dòng)信號(hào),可判定該段存在欠厚且存在脫空。后鉆孔驗(yàn)證,設(shè)計(jì)厚度為45 cm,實(shí)測(cè)厚度30 cm,二次襯砌后存在約20 cm脫空。

        圖16 單層鋼筋網(wǎng)下襯砌結(jié)構(gòu)脫空及欠厚

        3 結(jié)論

        大量的鐵路隧道襯砌現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)證和應(yīng)用表明,沖擊回波聲頻法針對(duì)地質(zhì)雷達(dá)法的一些檢測(cè)盲區(qū)(如雙層鋼筋網(wǎng)),以及鈍感區(qū)域(如表層脫空、不密實(shí)缺陷等)有良好的補(bǔ)充效果,且具有如下明顯的優(yōu)點(diǎn):

        1)非接觸式檢測(cè),對(duì)襯砌厚度、脫空、不密實(shí)等測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性、穩(wěn)定性很好;

        2)受鋼筋、水分等影響小,測(cè)試精度高;

        3)檢測(cè)結(jié)果圖識(shí)別簡(jiǎn)單明了。

        沖擊回波聲頻法尚存在一些問(wèn)題,如測(cè)試效率仍低于地質(zhì)雷達(dá)法;僅能測(cè)試二次襯砌,無(wú)法透過(guò)防水板測(cè)試初期支護(hù)和圍巖的狀態(tài);測(cè)試厚度的精度取決于彈性波波速的標(biāo)定精度等。在以后的應(yīng)用中應(yīng)進(jìn)一步改良,為我國(guó)土木工程行業(yè)的質(zhì)量、安全保障做出更大貢獻(xiàn)。

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