衛(wèi)敏 王路 趙陽(yáng)川 吳寧遠(yuǎn) 馮源 姜勇 吳佳曄，5

1.中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司工程質(zhì)量監(jiān)督站，成都610000；2.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都611130；3.四川升拓檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，四川自貢643000；4.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；5.西南石油大學(xué)，成都610500

敲擊法是對(duì)隧道襯砌進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)收的方法之一。其作業(yè)形式簡(jiǎn)單，通過(guò)錘擊混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)聲的差異判斷其中是否存在脫空等缺陷。該方法有效檢測(cè)深度可達(dá)15～20 cm。但是，敲擊法也存在問(wèn)題：①缺陷的判斷缺乏客觀依據(jù)，檢測(cè)效果受個(gè)人經(jīng)驗(yàn)影響大；②現(xiàn)場(chǎng)敲擊的聲音數(shù)據(jù)無(wú)法留存，追溯性差；③隧道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境噪聲大，影響敲擊聽(tīng)聲的效果；④人力聽(tīng)聲存在聽(tīng)覺(jué)疲勞，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)會(huì)降低檢測(cè)的準(zhǔn)確性；⑤敲擊工具對(duì)檢測(cè)范圍、精度等有明顯影響。因此采用敲擊法檢測(cè)隧道襯砌質(zhì)量受到極大制約。

雖然諸多學(xué)者從不同方面研究了敲擊法的影響因素［1-5］，但是目前幾乎沒(méi)有專用的隧道襯砌敲擊法測(cè)試裝置與結(jié)果分析技術(shù)，同時(shí)對(duì)敲擊法缺陷閾值的研究不夠。因此，本文從敲擊法的基本原理出發(fā)，對(duì)采用敲擊法檢測(cè)混凝土缺陷時(shí)閾值的設(shè)定方法進(jìn)行研究，并研發(fā)敲擊法專用的手機(jī)聲頻檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備。

1 敲擊法檢測(cè)原理

1.1 敲擊法的基本原理

錘擊混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)引起結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)，形成聲波。當(dāng)結(jié)構(gòu)物表層存在脫空時(shí)聲波信號(hào)同密實(shí)處信號(hào)會(huì)存在差異，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)表層

結(jié)構(gòu)表層脫空會(huì)降低結(jié)構(gòu)本身的彎曲剛度，因此敲擊引起的振動(dòng)周期會(huì)明顯增長(zhǎng)。同時(shí)，脫空層會(huì)使得敲擊產(chǎn)生的彈性波在被測(cè)結(jié)構(gòu)中衰減變緩，從而使得振動(dòng)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)。在隧道襯砌檢測(cè)中由于四周回聲的影響持續(xù)時(shí)間難以判定，因此主要依據(jù)振動(dòng)周期（頻率）對(duì)脫空進(jìn)行判斷。

1.2 襯砌密實(shí)部位敲擊信號(hào)特征

由于激振力度、工具、脫空面積及深度不同，敲擊后振動(dòng)信號(hào)的特征也明顯不同。在脫空、材質(zhì)不良等位置敲擊后產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)的卓越周期較密實(shí)部位要長(zhǎng)，因此對(duì)密實(shí)部位振動(dòng)周期進(jìn)行分析，以確定脫空閾值。

把隧道襯砌簡(jiǎn)化為半無(wú)限彈性體，質(zhì)量為m1、敲擊面曲率半徑為R1的激振裝置敲擊襯砌表面時(shí)，裝置與襯砌的接觸時(shí)間Tc可以表示為［6］

式中：δ為材料參數(shù)，δ=（1-μ2）/（Eπ），μ為動(dòng)泊松比，E為動(dòng)彈性模量，下標(biāo)1 表示激振裝置，下標(biāo)2 表示隧道襯砌；v0為激振裝置碰撞隧道襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)的速度。

敲擊所引起的自由振動(dòng)卓越周期TD為

鋼質(zhì)激振裝置的動(dòng)彈性模量E1= 200 GPa，激振裝置和隧道襯砌混凝土的動(dòng)泊松比相當(dāng)，均取0.3。

由式（1）和式（2）計(jì)算可得

式中：E2為隧道襯砌混凝土的動(dòng)彈性模量。

由式（3）可知，TD隨m1、v0、E2增大而增大，隨R1增大而減小。

1.3 脫空閾值確定及檢測(cè)結(jié)果判定方法

1）脫空閾值的確定

根據(jù)誤差傳播定律［7］，已知m1、R1、v0和E2的離散系數(shù)時(shí)，可得到TD的離散系數(shù)δTD。

不考慮m1的離散時(shí)，δTD為

若以密實(shí)部位信號(hào)特征值的95%作為密實(shí)部位與脫空部位的分界，則TD的閾值CTD為

由于受噪聲、誘發(fā)模態(tài)等因素的影響，單純以TD的閾值判定脫空效果較差。因此，引入重心周期TW。TW與TD的變異系數(shù)相同，重心周期的脫空閾值CTW為

2）檢測(cè)結(jié)果判定方法

某一敲擊檢測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)xi通過(guò)快速傅里葉變換處理后，計(jì)算得到該檢測(cè)點(diǎn)自由振動(dòng)的卓越周期TDi和重心周期TWi。

脫空指數(shù)Di的計(jì)算公式為

脫空指數(shù)越大，脫空的可能性也越大。Di≥1.249為缺陷；1≤Di＜1.249 為疑似缺陷；Di＜ 1 為混凝土密實(shí)。

2 基于智能手機(jī)的隧道襯砌敲擊法檢測(cè)技術(shù)

為提高敲擊法檢測(cè)鐵路隧道襯砌的客觀性和精度，研制了專用激振裝置，并開(kāi)發(fā)了信號(hào)采集和處理、缺陷識(shí)別和繪圖軟件模塊，明確了基于智能手機(jī)的隧道襯砌敲擊法檢測(cè)流程［8-9］，如圖2所示。

圖2 基于智能手機(jī)的隧道襯砌敲擊法檢測(cè)流程

2.1 專用激振裝置

2.2.1 專用激振裝置參數(shù)

為增加測(cè)試深度，激振時(shí)需要更大的質(zhì)量和更小的敲擊面曲率半徑，因此專用激振裝置形狀為柱狀（圖3）。考慮到便于加工和操作，敲擊棒采用低碳鋼，長(zhǎng)度1.1 m，六角形截面，前端曲率半徑2.0 cm，質(zhì)量3.4 kg，內(nèi)置觸發(fā)裝置和藍(lán)牙裝置。

圖3 專用激振裝置

2.1.2 專用激振裝置激振信號(hào)參數(shù)

采用專用激振裝置在密實(shí)襯砌上敲擊時(shí)，v0均值一般在0.5～1.5 m/s，其變異系數(shù)δv0可取0.5。鐵路隧道襯砌混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)大多為C35 或C40，對(duì)應(yīng)的動(dòng)彈性模量E2一般在34～38 GPa。參考姜勇等［10-11］對(duì)混凝土動(dòng)彈性模量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，其變異系數(shù)δE2可取0.15?？紤]專用激振裝置的激振頭的加工精度、測(cè)試過(guò)程中的磨損，隧道拱頂曲率、激振方向偏差等因素的影響，R1有增大的趨勢(shì)，其變異系數(shù)δR1取0.5。

由式（3）計(jì)算可得專用激振裝置在密實(shí)部位敲擊時(shí)TD在 0.48～0.56 ms。由式（4）計(jì)算可得δTD為0.154。

2.2 信號(hào)采集系統(tǒng)參數(shù)

信號(hào)采集系統(tǒng)（智能手機(jī)）的信號(hào)采樣頻率為44.1 kHz，采樣位數(shù)為 16 bit。

2.3 數(shù)據(jù)采集和分析

智能手機(jī)采集的敲擊信號(hào)分析流程如圖4所示。

圖4 智能手機(jī)采集的敲擊信號(hào)分析流程

流程主要分為標(biāo)定和測(cè)試兩部分：

1）標(biāo)定

隧道襯砌敲擊檢測(cè)所產(chǎn)生信號(hào)的特征參數(shù)（振動(dòng)周期等）會(huì)受混凝土材料參數(shù)影響，從而導(dǎo)致脫空閾值變化。因此，不同地區(qū)，甚至同一鐵路的不同施工標(biāo)段隧道敲擊法檢測(cè)的脫空閾值都會(huì)有所差別，難以確定通用性的脫空閾值。

為解決這一問(wèn)題，在敲擊法數(shù)據(jù)分析過(guò)程中加入標(biāo)定步驟。在所測(cè)隧道中襯砌密實(shí)部位使用敲擊法采集數(shù)據(jù)，通過(guò)分析該數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算確定敲擊法脫空閾值。

2）測(cè)試

標(biāo)定得到敲擊法脫空閾值后，使用該脫空閾值對(duì)敲擊法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，對(duì)結(jié)果進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)及展示。

3 模型驗(yàn)證及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 模型驗(yàn)證

模型為設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50的混凝土，尺寸（長(zhǎng)×寬×厚）為3.00 m×1.00 m×0.15 m。在模型中部預(yù)設(shè)混凝土缺陷，使用基于智能手機(jī)的隧道襯砌敲擊法檢測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)前對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最小網(wǎng)格尺寸為0.10 m × 0.10 m，通過(guò)檢測(cè)繪制脫空指數(shù)等值線（圖5）。

圖5 脫空指數(shù)等值線

測(cè)試出的缺陷位置與其設(shè)計(jì)位置（圖5中紅框）基本一致，且密實(shí)部位、缺陷部位脫空指數(shù)差異明顯。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

采用該檢測(cè)技術(shù)對(duì)張吉懷（張家界—吉首—懷化）、鄭萬(wàn)（鄭州—萬(wàn)州）、成自（成都—自貢）、自宜（自貢—宜賓）等多條高速鐵路隧道襯砌進(jìn)行了脫空檢測(cè)，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖6。共布置了6 000 多個(gè)測(cè)點(diǎn)，與有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員判定結(jié)果的一致性在97%（密實(shí)處96%、缺陷處98%）。對(duì)測(cè)試有明顯缺陷處（30 余處）進(jìn)行了鉆孔驗(yàn)證，與測(cè)試結(jié)果一致。

鄭萬(wàn)線一高速鐵路隧道二次襯砌采用C35 混凝土，設(shè)計(jì)厚度50 cm。檢測(cè)臺(tái)架上5 組人員分別沿拱頂、拱頂兩側(cè)、兩側(cè)拱腰進(jìn)行敲擊檢測(cè)（圖6），敲擊點(diǎn)的縱橫向間距均在0.5 m左右。共檢測(cè)出脫空缺陷20余處。有一處拱頂襯砌背后存在空洞（圖7），面積約2 m2，脫空指數(shù)5.15。鉆孔后發(fā)現(xiàn)該處二次襯砌厚度僅30 cm，二次襯砌背后空洞寬約20 cm。

圖6 隧道襯砌敲擊法檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖7 襯砌背后空洞

4 結(jié)語(yǔ)

1）本文介紹了敲擊法的檢測(cè)原理，分析了襯砌密實(shí)部位敲擊信號(hào)的特征，并給出了敲擊法脫空指數(shù)的計(jì)算方法。

2）研發(fā)了以智能手機(jī)為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的隧道襯砌敲擊法檢測(cè)技術(shù)，研制了信號(hào)激振裝置，開(kāi)發(fā)了信號(hào)分析、采集、計(jì)算軟件。

3）經(jīng)模型驗(yàn)證和在張吉懷、鄭萬(wàn)、成自、自宜等多條高速鐵路隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該檢測(cè)技術(shù)實(shí)用性強(qiáng)，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。