謝 琪，付 華

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550081）

0 引言

隧道混凝土襯砌作為施工隧道中的主要承重和承載結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)乎隧道的施工和運(yùn)營(yíng)安全。對(duì)隧道襯砌的檢測(cè)目前主要采用破壞性檢測(cè)技術(shù)和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

超聲橫波反射成像法是近期應(yīng)用于工程實(shí)體檢測(cè)領(lǐng)域的一種無(wú)損檢測(cè)方法。不同于超聲縱波，超聲橫波的反射系數(shù)明顯大于超聲縱波，其反射波幅也大于超聲縱波[2]，當(dāng)超聲橫波以一定的速度沿著混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播時(shí)，其遇到混凝土與液體（空氣）的接觸界面時(shí)，就會(huì)被反射回結(jié)構(gòu)內(nèi)部。因此，采用超聲橫波對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷進(jìn)行探測(cè)時(shí)比超聲縱波的反射更加的精確與靈敏，因此擬進(jìn)一步采用超聲橫波反射成像法對(duì)隧道二襯進(jìn)行檢測(cè)。

1 檢測(cè)原理與設(shè)備

1.1 超聲橫波反射法原理

超聲橫波成像技術(shù)基于超聲橫波反射法，其原理如圖1 所示，一個(gè)換能器發(fā)射脈沖，另一個(gè)換能器接收反射脈沖，測(cè)量從發(fā)射脈沖到收到回波的時(shí)間間隔，依據(jù)波速C 可求出反射界面的深度[3]。對(duì)混凝土進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，超聲反射法通過(guò)缺陷表面的反射波來(lái)定位缺陷位置。

圖1 超聲反射法原理

1.2 儀器設(shè)備

超聲橫波三維成像儀采用48 道干式點(diǎn)接觸傳感器“發(fā)射-接收”信號(hào)，以“合成孔徑聚焦技術(shù)”（SAFT）[5]作為信號(hào)的主要處理方法。結(jié)合無(wú)需耦合劑的多觸點(diǎn)干式檢波器及三維層析成像技術(shù)，對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷的埋深和形態(tài)特征精確成像。

工程上常用的儀器為俄羅斯生產(chǎn)的MIRA 型超聲橫波三維成像儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)4×12 點(diǎn)陣列換能器及一個(gè)操控?fù)Q能器組成[6]。

儀器內(nèi)的控制單元將一行換能器用作發(fā)射器，其他行的換能器用作接收器。圖2 顯示了將第一行換能器用作發(fā)射器，將其余行的換能器用作接收器。然后，將下一行換能器用于發(fā)射，其余各行的換能器用于接收，這個(gè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行直到前11 列都被用作過(guò)發(fā)射器為止，圖3 顯示了和一列換能器有關(guān)的所有波束路徑。電腦處理每個(gè)回波脈沖的通過(guò)時(shí)間，生成反射界面位置的三維模型，從而確定反射界面的深度或厚度[4]。

圖2 一列發(fā)射的路徑

圖3 所有波束路徑

1.3 影響因素分析

某一C40 混凝土結(jié)構(gòu)面板設(shè)計(jì)厚度為500mm，其內(nèi)部設(shè)計(jì)雙層鋼筋，鋼筋直徑28mm，第一層埋深10cm，第二層25cm。試驗(yàn)中分別采用波速為2000m/s、2400m/s、3000m/s 對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

首先，采用固定的橫波波速（2000m/s）對(duì)上述混凝土構(gòu)件進(jìn)行探測(cè)，成像圖上由淺到深，100mm 深度位置出現(xiàn)了微弱鋼筋異常反應(yīng)；在深度250mm 位置左右表現(xiàn)出微弱至明顯的三處紅色圓形反應(yīng)；而在400mm 深度處，再次出現(xiàn)微弱圓形狀反射異常，但從其所反映出的異常形態(tài)的間斷性和連續(xù)性分析，難以確定其反射異常是鋼筋還是該混凝土面板底部臨界面。

其次，以固定的橫波波速（2400m/s）（該混凝土表層橫波的實(shí)測(cè)傳播速度）對(duì)同一結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損探測(cè)。圖像上深度100mm、250mm 處清晰可見(jiàn)間距90～100mm 的四處圓形狀鋼筋異常反射；成像圖中，深度500mm 位置處出現(xiàn)了一連續(xù)的條帶狀強(qiáng)烈異常反應(yīng)，通過(guò)試驗(yàn)后查閱該混凝土面板設(shè)計(jì)厚度（500mm）可以明確該處異常即為該結(jié)構(gòu)混凝土底部與基巖的反應(yīng)界面。

最后，以固定的橫波波速（3000m/s）對(duì)該混凝土構(gòu)件進(jìn)行無(wú)損探測(cè)，成像圖中在深度280mm 和550mm 位置分別反射出強(qiáng)烈異常，成像圖上鋼筋和面板底界面異常所反映出的位置均已嚴(yán)重偏離了其實(shí)際位置，較實(shí)際值增大了50mm。此外，由于預(yù)設(shè)波速嚴(yán)重偏離其實(shí)測(cè)波速，圖像中已無(wú)法精確地合成“聚焦”顯示該結(jié)構(gòu)混凝土表層100mm 深度處的鋼筋。

通常，當(dāng)事先設(shè)置的橫波波速值偏離其實(shí)測(cè)波速20%以外后會(huì)對(duì)合成“聚焦”反射成像的精準(zhǔn)度產(chǎn)生較大影響。因此，在實(shí)際工程檢測(cè)工作中，測(cè)試前需在檢測(cè)區(qū)域多次測(cè)定該混凝土結(jié)構(gòu)完整表面的超聲橫波波速值，并取其平均值作為后續(xù)探測(cè)工作的橫波波速設(shè)定值。超聲橫波三維成像儀的采集器采用24 個(gè)接觸式壓力傳感器。實(shí)際探測(cè)時(shí)需要對(duì)混凝土表面進(jìn)行清理，盡量去除混凝土表層附著物，以免對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。

某一混凝土內(nèi)埋設(shè)鋼筋直徑為25mm，深度200mm，排布間距100mm。通過(guò)對(duì)混凝土內(nèi)部埋設(shè)鋼筋進(jìn)行探測(cè)，以便分析確定不同的采集頻率會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋聚焦成像結(jié)果產(chǎn)生什么樣影響，進(jìn)一步分析其對(duì)成像精確度的影響。

圖4 25、30kHz 頻率超聲橫波探測(cè)剖面成像

圖4 為探測(cè)頻率25kHz 和30kHz 的聚焦成像圖，成像圖中深度200mm 位置存在4 處強(qiáng)烈反應(yīng)，呈圓形狀，顯示間距為50～90mm，解釋為鋼筋層。分析兩幅成像圖上的異常形狀和異常間距，第三根的鋼筋聚焦圖像形態(tài)都呈現(xiàn)為“扁圓”狀，可能為一焊接接頭鋼筋，其聚焦成像寬度約是其余鋼筋的兩倍。

進(jìn)一步把測(cè)試頻率提高到45kHz 和50kHz，反射成像圖的鋼筋尺寸會(huì)比25kHz 和30kHz 時(shí)顯示得更小，且成像效果會(huì)更加的明顯，鋼筋間距更加分明，上圖中的第3 根鋼筋這次也與其兩邊的鋼筋聚焦顯示寬度基本保持一致，從而推翻上述為一焊接接頭鋼筋的猜想。從中可以分析得出，采用較小的頻率對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，便無(wú)法準(zhǔn)確地探測(cè)與聚焦小于其識(shí)別尺寸的目標(biāo)體異常。

最后我們把超聲橫波的探測(cè)頻率提高到75kHz 和80kHz，隨著頻率的增大，超聲橫波圖像衰減作用逐漸增大，會(huì)聚焦合成呈現(xiàn)越來(lái)越變異扭曲的鋼筋圖像。采用75kHz 的頻率進(jìn)行探測(cè)時(shí)，聚焦成像圖上已基本不能準(zhǔn)確呈現(xiàn)四根鋼筋的位置與形狀，圖形雜亂無(wú)章，顯示的鋼筋間距不盡一致；當(dāng)頻率設(shè)置為80Hz 或更高時(shí)，聚焦成像圖中200mm 深度處的異常反應(yīng)顯示已十分微弱，已經(jīng)分不清其為何物。

綜上所述，采用不同頻率的超聲橫波對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同位置及不同尺寸的缺陷進(jìn)行探測(cè)時(shí)，探測(cè)精度及成像效果會(huì)產(chǎn)生一定的差異。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作時(shí)，也應(yīng)根據(jù)探測(cè)目的通過(guò)預(yù)先試驗(yàn)的方式來(lái)確定合適的探測(cè)頻率，超聲橫波的頻率與探測(cè)的深度成反比，且低頻探測(cè)對(duì)小尺寸缺陷的識(shí)別能力較低[7]。

2 工程應(yīng)用分析

一般隧道襯砌檢測(cè)內(nèi)容包括：混凝土厚度、鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土缺陷等檢測(cè)以及混凝土襯砌與圍巖的膠結(jié)脫空情況。在對(duì)混凝土襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)中，我們需要根據(jù)不同的檢測(cè)目的探測(cè)前設(shè)置不同的測(cè)試參數(shù)。

2.1 混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)

常規(guī)的鋼筋混凝土是由砂石骨料、水泥、鋼筋、孔隙等膠結(jié)而成的一種非均勻介質(zhì)體，如某一混凝土內(nèi)部存在蜂窩、裂縫、不密實(shí)等內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，就會(huì)在這種結(jié)構(gòu)缺陷表面形成一層波阻抗發(fā)生變化的界面，超聲橫波沿著混凝土這種非均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到波阻抗發(fā)生變化的界面就會(huì)沿著界面產(chǎn)生雜亂無(wú)章的散射和反射現(xiàn)象[8]，且反射系數(shù)明顯大于散射系數(shù)。

2.2 混凝土厚度、鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)

超聲橫波在鋼筋混凝土表面上進(jìn)行探測(cè)時(shí)，根據(jù)波的傳播原理，超聲橫波在鋼筋與混凝土的界面及混凝土與底部圍巖的界面處會(huì)發(fā)生反射，被傳感器接收而合成聚焦形成反射成像圖。實(shí)際工程檢測(cè)中，對(duì)鋼筋混凝土厚度進(jìn)行探測(cè)，成像圖中鋼筋層位置明顯，成像清晰，間距分明，混凝土底部界線清晰。

2.3 混凝土襯砌脫空檢測(cè)

采用超聲橫波對(duì)混凝土襯砌后背進(jìn)行脫空檢測(cè)時(shí)，當(dāng)圍巖與襯砌間存在脫空區(qū)域時(shí)，由于橫波不能穿透該區(qū)域，其在混凝土―空氣界面處幾乎全部被反射。混凝土厚度較薄時(shí)，甚至在混凝土表面與內(nèi)部界面間來(lái)回形成的多次反射波[9]。我們便無(wú)法探測(cè)到脫空后初期支護(hù)及圍巖情況。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）由于不受電磁屏蔽影響且抗干擾能力強(qiáng)，超聲橫波反射成像檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷和厚度時(shí)，探測(cè)精度較高，成像分辨率高，底界面反應(yīng)清晰，探測(cè)結(jié)果直觀、形象。

（2）采用超聲橫波反射成像法對(duì)隧道襯砌進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，能對(duì)混凝土襯砌的脫空區(qū)域進(jìn)行定性識(shí)別，但無(wú)法定量的去判定混凝土底部與圍巖之間的脫空厚度，即無(wú)法穿透脫空區(qū)域?qū)γ摽蘸蠓降某跗谥ёo(hù)或圍巖情況進(jìn)行探測(cè)。為了對(duì)檢測(cè)成果進(jìn)行更精確的分析與解釋，工程應(yīng)用中，要結(jié)合鉆孔取芯，去判定其脫空厚度。

（3）從效果和質(zhì)量上分析，超聲橫波成像技術(shù)在混凝土質(zhì)量及缺陷檢測(cè)中具備明顯的優(yōu)勢(shì)。從時(shí)間和效益上分析，其采集效率低下，只能點(diǎn)測(cè)，不適合大面積長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)。對(duì)其數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行優(yōu)化是今后該技術(shù)的一個(gè)重要研究與發(fā)展方向。