馬若龍 姜文龍 呂阿談 張憲君 周錫芳 謝向文

摘 要：TBM隧洞豆礫石回填灌漿及盾構(gòu)隧洞壁后注漿是水利工程隧洞施工中非常重要的環(huán)節(jié)，其施工質(zhì)量關(guān)系到整個隧洞的長期安全運行，如何對壁后注漿質(zhì)量進(jìn)行無損檢測是一個需要解決的問題。分析了目前壁后注漿檢測技術(shù)現(xiàn)狀，結(jié)合壁后注漿檢測難點研究了基于超聲橫波的管片壁后回填灌漿檢測技術(shù)，并提出將多道疊前偏移成像技術(shù)應(yīng)用于回填灌漿質(zhì)量檢測，最后在實際工程中進(jìn)行了效果驗證，證明了該技術(shù)可有效解決TBM隧洞豆礫石回填灌漿及盾構(gòu)隧洞壁后注漿效果無損檢測的行業(yè)技術(shù)難題，且檢測精度較傳統(tǒng)方法大幅提高。

關(guān)鍵詞：TBM隧洞;盾構(gòu)隧洞;管片襯砌;注漿效果;超聲陣列法;無損檢測

中圖分類號：TV543.8;TV698.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.025

引用格式：馬若龍，姜文龍，呂阿談，等.管片壁后灌漿質(zhì)量無損檢測新技術(shù)研究及應(yīng)用[J].人民黃河，2021，43（8）：139-143.

Abstract： The backfill grouting of the TBM tunnel with pea gravel and the back grouting of the shield tunnel wall are both very important links in the construction of hydraulic engineering tunnels， the quality of grouting is directly related to the long-term safe operation of the tunnel. This paper analyzed the current situation of backfill grouting detection technology， and used ultrasonic transverse wave reflection technology to analyze and research the backfill grouting detection technology of pipe segments， and combined actual engineering cases to verify the detection effect. The related application shows that the ultrasonic transverse wave array imaging technology can effectively solve the technical issues of the non-destructive inspection of the TBM tunnel pea gravel backfill grouting and the shield tunnel wall back grouting effect， and the inspection effect is greatly improved compared with the existing geological radar method

Key words： TBM tunnel; shield tunnel; segment lining; grouting quality; ultrasound array reflection; non-destructive testing

1 前 言

豆礫石回填灌漿是水利工程TBM隧洞施工過程中的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到隧洞的襯砌質(zhì)量及整個隧洞的長期安全運行。其作用主要是通過豆礫石灌漿體，在管片和隧洞圍巖之間形成起連接作用的過渡層，均勻傳遞巖體及內(nèi)、外水壓力，并形成防止外水的第一道屏障。在施工過程中，灌漿體還要承擔(dān)支撐襯砌管片的作用。一般的工藝流程為：豆礫石吹填→按順序灌漿→取芯檢驗→補(bǔ)灌（芯樣不合格）→重新取芯檢驗（芯樣不合格情況下）→合格[1]。

在盾構(gòu)法施工隧洞中，壁后注漿是必不可少的重要環(huán)節(jié)之一。注漿質(zhì)量不僅影響到地面的沉降和變形，還關(guān)系到隧洞運行期間的滲漏水病害。另外，注漿層作為管片的“保護(hù)層”，在隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定初期還可起到加強(qiáng)管片整體受力性能的作用。

但受制于操作空間、施工工藝及地質(zhì)條件等多方面因素的影響，回填灌漿和壁后注漿這兩項工作在施工和質(zhì)量控制上都有很大的難度，成為TBM及盾構(gòu)隧洞施工中一項具有挑戰(zhàn)性的工作和技術(shù)難題。對其施工質(zhì)量的檢測也是各參建方非常關(guān)注的方面。

檢測豆礫石回填灌漿質(zhì)量的傳統(tǒng)方法包括鉆孔取芯、壓漿、壓水等[2-8]。最直接的方法是取芯觀察，國內(nèi)外暫時沒有比較系統(tǒng)和完整的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，取芯一般為100 m長洞段取3個左右，遇到特殊情況時可加密取芯。其主要缺點屬于“點”狀檢測，且取芯過程中為了避免對管片本身造成破壞，一般選擇在預(yù)留孔位置進(jìn)行取樣，代表性有限。在無損檢測方面，目前還未見比較成功的檢測方法。

盾構(gòu)隧洞管片壁后注漿質(zhì)量檢測的傳統(tǒng)方法?；诮?jīng)驗，結(jié)合盾構(gòu)建筑空間理論對注漿量或注漿壓力進(jìn)行控制，或根據(jù)現(xiàn)場隧洞和地表的沉降觀測數(shù)據(jù)來決定是否進(jìn)行二次注漿或補(bǔ)充灌漿，在時間上存在滯后性[3]。

在無損檢測技術(shù)方面，常規(guī)手段多獲取混凝土結(jié)構(gòu)破壞信息[4-14]，對注漿層質(zhì)量無法有效開展檢測。黃宏偉等[3，10]利用探地雷達(dá)探測到盾構(gòu)隧道壁后注漿的分布形態(tài)，其主要根據(jù)電磁波在注漿層與管片和地層的分界面處發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，利用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對注漿層進(jìn)行自動識別;趙永輝等[12]對盾構(gòu)隧道壁后注漿的典型病害特征進(jìn)行正演模擬，提出基于一致性信息的相消法去除管片中鋼筋的散射波場;王志高等[9]采用希爾伯特-黃變換濾除了部分雷達(dá)圖像的干擾，取得了一定的效果。

理論上，探地雷達(dá)方法可以探測到管片壁后注漿體的形態(tài)，但在實際檢測過程中，雷達(dá)信號受到管片中密集的鋼筋網(wǎng)及隧洞中其他電磁波信號的干擾，檢測精度較低，不利于對壁后注漿效果進(jìn)行準(zhǔn)確檢測和評價[10]。為方便敘述，本文將以上兩種檢測統(tǒng)稱為管片壁后灌漿質(zhì)量無損檢測。

2 超聲橫波檢測理論

如前所述，受管片中密集鋼筋網(wǎng)的影響，傳統(tǒng)的地質(zhì)雷達(dá)法等方法檢測豆礫石回填灌漿及管片壁后注漿效果存在很大限制，檢測精度較低。為提高回填灌漿質(zhì)量檢測精度，本文以超聲橫波反射為基礎(chǔ)，結(jié)合信號保幅處理和疊前偏移成像技術(shù)[11]，對回填灌漿質(zhì)量進(jìn)行檢測。

電磁波受鋼筋干擾較為嚴(yán)重，獲取的信號對于高分辨率和高精度解釋難度較大。彈性波信號受鋼筋的干擾相對較小，但縱波激發(fā)方式存在直達(dá)波與反射波交織情況，原因是縱波波速相對偏高，導(dǎo)致反射波出現(xiàn)時間很短。在一定程度上，縱波的直達(dá)波尚未結(jié)束反射波就到達(dá)，導(dǎo)致縱波的應(yīng)用受限。另外，可同時在彈性體中傳播的橫波因傳播速度較低而在直達(dá)波分離方面具有一定優(yōu)勢，且橫波涉及剪切而不是擠壓，使顆粒在橫向運移。因為在液體或氣體內(nèi)不可能發(fā)生剪切運動，所以橫波不能在它們中傳播。因此，對于回填灌漿中的孔隙等特征，橫波反射將更加強(qiáng)烈。關(guān)于縱橫波的關(guān)系進(jìn)行如下分析。

影響介質(zhì)傳播速度的主要因素為介質(zhì)的剪切模量、壓縮模量、密度等，介質(zhì)中波的傳播速度可表示為

式中：vp、vs分別為介質(zhì)的縱波波速和橫波波速;ρ為介質(zhì)密度;λ為拉梅系數(shù);μ為剪切模量;E為楊氏模量;σ為泊松比。

以混凝土為例，其縱波速度約為5 000 m/s，橫波速度約為2 500 m/s，橫波反射的時差是縱波時差的2倍，因此可有效把底部結(jié)構(gòu)的反射波分離出來。同時，橫波尖脈沖相比縱波的更難獲取，但近年來俄羅斯相關(guān)機(jī)構(gòu)通過干耦合探頭有效實現(xiàn)了10 kHz信號的脈沖信號獲取，為超聲橫波的有效利用提供了基本的信號支撐。

圖1為利用10 kHz橫波對管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測的結(jié)果。圖1所示數(shù)據(jù)為發(fā)射點不動，接收點按照一定的距離共設(shè)11個，獲得的直達(dá)波和反射波可實現(xiàn)有效分離，且相關(guān)信號的直達(dá)波與管片底部反射波明顯發(fā)育，表明其幾乎不受鋼筋的影響，這為利用超聲橫波進(jìn)行回填灌漿質(zhì)量檢測打下了基礎(chǔ)。

綜上分析，由于橫波屬于剪切波，其不在流體中傳播，因此理論上橫波在空氣和水中的波速近乎為0，橫波對缺陷的分辨能力強(qiáng)于縱波。對于回填灌漿檢測，可以用圖2進(jìn)行表示，當(dāng)橫波信號入射到管片表面時，橫波遇到管片與圍巖之間的介質(zhì)（回填灌漿體）產(chǎn)生反射，橫波在底界面的反射能量及信號在界面的透射與反射相關(guān)。當(dāng)灌漿體質(zhì)量較好，與管片和圍巖耦合很好時，大部分入射橫波繼續(xù)向下傳播;當(dāng)管片與圍巖之間存在脫空或裂隙時，橫波信號被全部反射。

透射、反射波阻抗與介質(zhì)的密度ρi和波的速度Vi的乘積有關(guān)，稱為波阻抗Zi（Zi=ρiVi，i為地層編號）。只有在上下兩層波阻抗Z1≠Z2的條件下，地震波才會發(fā)生反射，差別越大，反射越強(qiáng)。根據(jù)能量守恒原理，反射波和透射波能量之和等于入射波能量，因此反射越強(qiáng)則透射越弱，反射越弱則透射越強(qiáng)。

垂直入射時，入射波振幅（Ar）與反射波振幅（Af）之比可表示為

其中R為聲波的反射系數(shù)，與反射系數(shù)相對的是聲波的透射系數(shù)T：

式中：At為透射波振幅。

反射系數(shù)R和透射系數(shù)T之間應(yīng)滿足：

R+T=1（5）

考慮上述關(guān)系，管片底界面反射能量越強(qiáng)，表明管片底部幾乎為裂縫或者脫空;管片底部反射能量越弱，表明灌漿質(zhì)量越好。水利工程隧道襯砌管片通常是C50或C60混凝土，其橫波速度較高。而空氣或者水屬于流體，不能傳播橫波，因此當(dāng)管片背后有不密實體或脫空時，橫波部分穿透或無法穿透管片背后介質(zhì)，其能量大部分從管片底界面反射回來并被接收探頭接收，進(jìn)而得到反射能量較強(qiáng)的反射界面，據(jù)此對異常體大小和范圍進(jìn)行劃分。此為超聲陣列法檢測管片后回填灌漿質(zhì)量的基本原理。圖1所示的1、2道橫波反射能量很弱，而后續(xù)能量較強(qiáng)，表明在1、2道處的灌漿質(zhì)量與后續(xù)位置灌漿質(zhì)量存在一定的差異。

3 基于快速疊前偏移的管片后回填灌漿質(zhì)量無損檢測技術(shù)

3.1 信號的垂直反射與水平疊加反射

如圖1所示，單道反射即可表示管片底界面的情況，但是這種信號的信噪比相對較差。為了增加反射信號的信噪比，在地震探測中一般采用多次疊加方式進(jìn)行處理?？紤]上述工作方式，本文也重點研究了多道橫波信號疊加，有效剔除儀器本身噪聲等帶來的干擾，從而增加反射界面的可拾取性。同一位置測量獲得的單道超聲反射數(shù)據(jù)和進(jìn)行疊加后獲得的超聲反射數(shù)據(jù)見圖3。圖3中方框所示為信號的第一層反射同相軸，圓框所示為信號的第二層反射同相軸。圖3（a）所示的單道反射屬于自激自收的工作方式，由于第一個反射層本身的反射界面較強(qiáng)，因此獲取的反射同相軸也較強(qiáng)，這些特征與圖3（b）類似。而對于橢圓標(biāo)示區(qū)域的深部反射，圖3（a）所示的反射界面明顯變?nèi)?，幾乎已?jīng)無法識別，而圖3（b）所示的結(jié)構(gòu)依然清晰。原因是采用多道疊加，可有效突出弱信號并壓制噪音干擾，提高信號的信噪比，這對于獲得高精度的檢測數(shù)據(jù)十分重要。

3.2 基于疊前偏移的超聲橫波陣列成像檢測技術(shù)

綜上，信號的疊加對于異常有著更為明顯的反應(yīng)，且信號的信噪比更高，因此在實際觀測過程中考慮多次疊加產(chǎn)生的反射。在實際觀測中采用圖4所示的陣列觀測系統(tǒng)進(jìn)行橫波反射觀測，該系統(tǒng)采用陣列式一發(fā)多收系統(tǒng)進(jìn)行觀測，12組探頭分別作為發(fā)射和接收陣列，探頭間距為3 cm。當(dāng)發(fā)射信號遇到橫波速度變化界面時，產(chǎn)生反射信號并被接收探頭接收。

由圖4所示的觀測系統(tǒng)獲取的原始觀測數(shù)據(jù)如圖5所示，多道信號的獲取為信號的有效獲取打下了基礎(chǔ)。

本文擬考慮利用疊前偏移手段對圖5數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，實時獲取成像斷面圖。根據(jù)接收到的反射信號特征、介質(zhì)的橫波速度等參數(shù)和超聲波的傳播路徑，進(jìn)行波場的疊加來獲取結(jié)構(gòu)的反射界面圖像。

如何將多道原始數(shù)據(jù)快速成像為斷面結(jié)構(gòu)圖以便于后期數(shù)據(jù)解釋，需要根據(jù)彈性波傳播基本理論，將采集的原始波形信息歸集為可以與結(jié)構(gòu)對應(yīng)的斷面結(jié)構(gòu)B超數(shù)據(jù)，這需要借助彈性波的偏移成像理論來實現(xiàn)?？紤]現(xiàn)場觀測中混凝土介質(zhì)相對均勻，且均為層狀介質(zhì)，因此本文擬利用Kirchhoff的彈性波成像基本理論對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行快速成像，以獲取疊加后的反射結(jié)構(gòu)圖。

Kirchhoff積分方法是惠更斯-費涅爾原理的數(shù)學(xué)概括，其基本思想是：空間某點M的波擾動是二次震源波干涉的結(jié)果。

假設(shè)地表波場為u（r0，t0），空間點的成像值可以表述為

式中：v為介質(zhì)中橫波速度;L為射線的傳播距離;t為傳播時間;θ為射線角度;x、y、z為成像點坐標(biāo)，下標(biāo)“0”表示射線傳播點。

地表記錄到的地震數(shù)據(jù)d（t，x，h）與雙程旅行時間t、中點x和半偏移距離h有關(guān)。設(shè)在（t0，x0）處存在一繞射點，與其對應(yīng)的偏移成像數(shù)據(jù)為r（t0，x0，h），t0為炮點和檢波點同時位于繞射點x0的正上方時的雙程旅行時間。彈性波信號的走時可利用式（7）進(jìn)行計算：

根據(jù)式（6）獲取的管片斷面圖及其解釋圖如圖6所示。由于管片中橫波速度相對均勻，因此采用式（6）計算時速度可設(shè)為勻速，在管片后回填灌漿質(zhì)量較好的情況下，超聲橫波陣列成像結(jié)果可清晰地分辨管片、回填灌漿層與圍巖層位之間的信息。管片厚度為300 mm，檢測結(jié)果與實際管片厚度一致，且在管片內(nèi)部（0～3 000 mm區(qū)域）無鋼筋形成的明顯干擾，管片底界面和回填灌漿層十分清晰，表明算法具有有效性。

4 檢測實例與效果分析

為驗證上述技術(shù)在實際工程中應(yīng)用的有效性，在甘肅某引水工程開展了示范應(yīng)用。該引水工程采用2臺雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)機(jī)（TBM1和TBM2）從兩端相對掘進(jìn)，隧洞開挖直徑5.48 m，并采用預(yù)制C50和C60混凝土管片襯砌，管片襯砌內(nèi)徑4.6 m，管片厚度30 cm，管片外徑5.2 m，每環(huán)管片寬度1.5 m，開挖隧洞斷面與管片間的空隙360°范圍內(nèi)采用豆礫石充填并進(jìn)行回填灌漿。

為了及時掌握回填灌漿的質(zhì)量，為二次補(bǔ)灌和后續(xù)施工方案的優(yōu)化提供參考依據(jù)，采用超聲陣列法開展了檢測工作，由于涉及多環(huán)管片聯(lián)合成圖，因此為保證數(shù)據(jù)資料的一致性，本文還采用了保幅處理技術(shù)對信號進(jìn)行保真處理[11]。

采用上述成像算法和后處理軟件進(jìn)行資料處理和自動成圖，強(qiáng)反射區(qū)域典型鉆孔及孔內(nèi)光學(xué)成像檢查驗證情況見圖7、圖8，相關(guān)取芯區(qū)域管片壁后幾乎無豆礫石和漿液存在，結(jié)合圖2所示原理，當(dāng)信號遇到空隙無法向下傳播時，大部分能量被發(fā)射，表現(xiàn)為管片底界面為強(qiáng)反射，這與理論分析是一致的。

檢測期間，在不同洞段共取芯76組，其中和取芯情況吻合較好（有明顯異常和沒有異常的）的有69組，準(zhǔn)確率在90%以上，印證了上述方法的有效性。

同時，為直觀獲取管片環(huán)向的回填灌漿質(zhì)量，利用上述技術(shù)沿某標(biāo)準(zhǔn)斷面對空間各位置的回填灌漿質(zhì)量進(jìn)行檢測，獲取的環(huán)向檢測成果見圖9。

從圖9可以看出，環(huán)狀空管片成果圖像上管片底界面處（直徑5.2 m附近）有較強(qiáng)的反射信號，二次反射（直徑5.9 m附近）比較明顯，參考上文分析和相關(guān)取芯驗證結(jié)果，可以作為判定管片背后是否存在脫空的有效依據(jù)。

5 結(jié) 論

（1）充分分析了回填灌漿中傳統(tǒng)檢測技術(shù)存在的難點問題，提出利用超聲橫波反射來規(guī)避因鋼筋網(wǎng)密集而帶來的信號干擾問題。通過對未灌漿空管片信號進(jìn)行分析，在一定頻率的超聲橫波反射信號中，鋼筋對信號傳播幾乎不造成干擾。

（2）針對回填灌漿質(zhì)量檢測，本文充分對比了單道反射與多次疊加的優(yōu)缺點，通過多次疊加等方式可極大提高信號的信噪比，使得對管片壁后回填灌漿層反射信號的提取更為精確。針對上述研究，本文充分利用疊前偏移成像理論對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行快速成圖，并建立標(biāo)準(zhǔn)化處理參數(shù)，實現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。

（3）對某引水工程現(xiàn)場回填灌漿進(jìn)行檢測分析，在不同洞段共取芯76組，其中與取芯情況吻合較好的有69組，準(zhǔn)確率在90%以上，驗證了該技術(shù)的有效性。

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