王鴻志

（中國建筑土木建設(shè)有限公司，山東 臨沂 273400）

0 引言

如今的中國已經(jīng)邁入高速化階段，大量的高速鐵路正在建設(shè)中，工程中的樁基質(zhì)量是重點(diǎn)，而聲波透射法是樁基質(zhì)量檢測中最常用的方式。本文首先介紹了聲波透射法的定義及原理，其次介紹了聲波透射法在現(xiàn)實中遇到的問題及其處理方法，最后采用鄭濟(jì)高鐵 3 個典型的樁基為例，對其樁基質(zhì)量進(jìn)行判斷分析，為樁基質(zhì)量的判定提供參考。

1 聲波檢測法

1.1 聲波檢測法的定義

1.2 聲波檢測法的優(yōu)勢

在鄭濟(jì)鐵路 2 標(biāo)段中，在聊城市東昌府區(qū)境內(nèi)的正線線路長度為 46 km。短短的 46 km 有 7 000 多個樁基。數(shù)量如此龐大的樁基需要檢測，聲波檢測法的優(yōu)勢非常明顯。

首先聲波檢測法極為高效，是當(dāng)前所有樁基檢測方法中效率最高速度最快的檢測方法，檢測環(huán)境在施工灌注時就已經(jīng)具備，樁基數(shù)量如此驚人，檢測的速度和效率尤為重要。其次，聲波檢測法不會破壞樁基的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)，檢測完成后不會影響樁基質(zhì)量，不會影響到高鐵的運(yùn)行穩(wěn)定性。加上目前我國高鐵的樁基建設(shè)采用的是鉆孔澆筑的方法，而聲波檢測法剛好需要預(yù)留檢測孔，所以使用該方法進(jìn)行檢測具有先天性優(yōu)勢。

1.3 聲波檢測法的原理和方法

高鐵鐵路樁基的材質(zhì)為鋼筋混凝土，聲波檢測法利用了超聲波穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，利用超聲波在穿透高鐵樁基的過程中遇到了缺陷時會產(chǎn)生波形、主頻和振幅變化的特點(diǎn)，從而分析高鐵樁基在灌注的過程中是否出現(xiàn)了斷樁、截面局部夾泥或縮頸、混凝土離析、分散性泥團(tuán)及蜂窩狀缺陷、集中性氣孔、樁底沉渣和樁頭強(qiáng)度偏低等影響樁基質(zhì)量和承載能力的問題。通常情況下，在高鐵鐵路樁基施工灌注之前，會在樁內(nèi)預(yù)埋若干條聲測管，作為超聲波接受和發(fā)射換能器的通道。

利用聲波檢測法檢測時，在每個檢測管內(nèi)放入接收超聲波的探頭，探頭由底部向上同步上升，儀器記錄探頭所在的檢測管之間的樁基切面的超聲波聲學(xué)特征，根據(jù)聲波的到達(dá)時間、振幅以及頻率的變化，從而分析判定被檢測的高鐵樁基的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是否存在一系列的質(zhì)量問題。

1.4 聲波檢測方法與判定依據(jù)

目前，國家還沒有相關(guān)高鐵樁基聲波檢測的質(zhì)量判定硬性要求，在日常監(jiān)測中通常是根據(jù)經(jīng)驗來判斷合格與否，可以參照 TB 10218－2019《鐵路工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程》中各聲學(xué)臨界值，判斷依據(jù)為聲速、振幅以及頻率 3 個主要參數(shù)。

1.4.1 聲速分析判定

1.4.2 振幅分析判定

振幅分析運(yùn)用了聲波在介質(zhì)中透傳傳播時，能量會不斷衰減，聲波振幅會隨著透傳的樁基鋼筋混凝土的厚度變大而規(guī)律性變小。當(dāng)聲波通過問題區(qū)域時，振幅變化將失去規(guī)律，波能比例衰減的規(guī)律會被打破，故而發(fā)現(xiàn)樁基的質(zhì)量隱患。利用振幅變小的規(guī)律性作為參照，比利用聲速判定更加靈敏，對樁基問題的反應(yīng)更為準(zhǔn)確。

1.4.3 波形判定

波形判定的方式較為通俗易懂，利用了超聲波穿透均勻介質(zhì)時，波形會呈現(xiàn)中間大兩頭小的形狀，且頻率同等。若聲波波形變化不大，則說明被檢測高鐵樁基沒有問題或問題不大；若波形變化明顯則說明問題比較嚴(yán)重。

1.4.4 PSD 判定

PSD 是一種輔助判定方式，主要檢測高鐵樁基中的疑似問題區(qū)域，通常作為問題區(qū)域的具體定位或參照判定標(biāo)準(zhǔn)。PSD 判定法沒有規(guī)定臨界值，具體方法為測定相鄰兩個點(diǎn)的聲波穿透時間Tx和Tx-1，同時測定這兩個相鄰點(diǎn)在樁基中的深度Zx和Zx-1，PSD=（Tx-Tx-1）2/（Zx-Zx-1），當(dāng)隨著被測試點(diǎn)X變化時 PSD 數(shù)值變化開始明顯，則說明該相鄰兩個點(diǎn)之間可能存在問題。

聲波檢測法的 4 種判定方法單獨(dú)使用，都存在不足和不精確的問題，多方法配合檢測的可靠性還是很高的。

2 實際檢測中的問題和對策

在數(shù)量龐大的高鐵樁基檢測日常作業(yè)中，往往會遇到很多的問題，檢測人員在日常檢測中通過經(jīng)驗的積累，遇到問題能及時解決問題，能很大程度提高檢測效率，避免檢測過程中出現(xiàn)停滯的現(xiàn)象。以下羅列了幾個日常作業(yè)中常見的問題，并說明高效簡單的解決方法。

2.1 放線與放線平衡的問題

在日常監(jiān)測作業(yè)中，兩個檢測管里的聲波發(fā)生器和聲波接收器需要同時放下，并且需要一直保持在同一高度，也就是在高鐵樁基中處于同一深度。如果在放線下探頭的過程中出現(xiàn)不平衡的情況，那么聲波穿透的距離會變長，并且會隨著放線的進(jìn)行出現(xiàn)變化，從而直接改變測量結(jié)果，波速和振幅嚴(yán)重變小，影響對樁基質(zhì)量的判定。

如果采用機(jī)器放線，即用電機(jī)等機(jī)器，勻速將綁著3 個探頭的線同時放下，則會出現(xiàn)新的問題。首先，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會有震動，從而引發(fā)高鐵樁基的鋼筋混凝土共振，直接影響聲波，使測量到的聲波數(shù)據(jù)嚴(yán)重偏差，甚至直接測量不到數(shù)據(jù)；其次，探頭在下放的過程中有可能會出現(xiàn)卡頓的情況，一旦任一探頭出現(xiàn)卡頓，那么測量出來的結(jié)果將毫無意義。

結(jié)合該問題，作業(yè)人員采用了人工加滑輪輔助的方法，大致俯視圖如圖 1 所示。

圖1 樁基檢測滑輪放置示意圖

3 個小滑輪大致高出高鐵樁基 10～15 cm，且兩邊一致，3 個檢測孔分別放線下放發(fā)生器和接收器，3 根線再連接到大滑輪，同時手握著 3 根線同時下放，這樣可以保證三邊放線的速度一致，探頭所處的樁基深度一致。如果出現(xiàn)了探頭卡在檢測孔的情況，則對應(yīng)的線將出現(xiàn)松動，作業(yè)人員可以在第一時間發(fā)現(xiàn)。

2.2 檢測孔的清洗

在日常高鐵樁基的施工中，雖然檢測孔為預(yù)留，但是難免混入雜質(zhì)，較為常見的是泥沙雨水附著在檢測孔內(nèi)壁，或小的混凝土塊沾染在檢測孔內(nèi)壁，影響聲波透傳的距離和密度，從而直接影響測量和判定結(jié)果。所以，在進(jìn)行樁基聲波檢測作業(yè)之前，務(wù)必將檢測孔內(nèi)壁進(jìn)行清洗。

清洗一般使用高壓水槍或者空壓機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體，對內(nèi)壁進(jìn)行高壓沖洗。在采用高壓水槍沖洗的時候，必須使用清水，不含任何雜質(zhì)和泥沙，以免新的雜質(zhì)進(jìn)入內(nèi)壁影響測量判定結(jié)果。在清洗完成后，將檢測管內(nèi)部灌滿清水，使用木塞或者布遮住檢測孔，防止清洗后的檢測孔被新的雜質(zhì)污染，從而造成測量判定不準(zhǔn)確或無價值的返工。

2.3 卡探頭的處理

探頭卡在檢測孔管內(nèi)上下不能動是非常棘手的情況，并且造成卡探頭的因素有多種。首先，部分樁基幾十米長，聲測管是多根空心鋼管焊接而成，如果在焊接的過程中接口處處理不當(dāng)，則非常容易造成卡探頭的情況。通常情況下，先采用破舊探頭采用試探頭的方式，提前排除隱患，可以采用專業(yè)聲測管鉆機(jī)對問題聲測管進(jìn)行處理［1-2］。

如果是混凝土或其他雜質(zhì)附著在檢測孔內(nèi)壁，通常采用輕輕上下抖動提拉探頭連接線的方法，釋放提拉，將探頭取出并重新清洗內(nèi)壁。如果該方法失效，探頭仍然不能取出，可以在連接線上套一個與探頭直徑一樣的金屬環(huán)，放下探頭，然后再往上拉，利用金屬環(huán)為探頭清除上升障礙，從而在不損壞探頭的情況下取出探頭。

也可以將另一個探頭伸入這個檢測管當(dāng)中，適當(dāng)?shù)纳舷屡鲎部ㄗ〉奶筋^，如果在卡的不嚴(yán)重的情況下，很容易將其處理，但是這個方法應(yīng)適當(dāng)使用，因為此法可能會損壞兩個探頭。

還可以將水管通入聲測管當(dāng)中，然后用高壓氣槍或高壓水槍的壓力沖擊探頭，清洗聲測管內(nèi)壁，清洗完成后順著水管或者氣管取出探頭。

由于實際作業(yè)中卡探頭的情況非常復(fù)雜，造成的原因也有很多，工作人員往往在遇到這種情況時會隨機(jī)應(yīng)變，針對實際問題情況采用最為簡單直接的方法，保證在不損壞探頭的情況下以最快速度取出探頭。

2.4 其他需要注意的問題

由于在清洗的過程中，檢測管內(nèi)壁被高壓水槍沖洗過，內(nèi)壁往往會有水殘留，所以整個測量過程中檢測管內(nèi)是灌滿水的。探頭下放的時候會有水溢出，在提拉到檢測管口的時候，探頭的上部將沒有水，所以在這種情況下需要向檢測孔加水進(jìn)行耦合，這樣才不會影響到波形波速以及振幅，不會影響測量和判定的結(jié)果。

在檢測作業(yè)中，環(huán)境相對比較惡劣，泥沙和混凝土顆粒比較多，且全程都有水，所以一定要對檢測儀、探頭和滑輪進(jìn)行清洗，對檢測儀和滑輪的清洗結(jié)束后還應(yīng)該進(jìn)行干燥處理，從而保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和測量判定的精準(zhǔn)性，同時延長設(shè)備的使用壽命［3-6］。

3 實際工程檢測案例

本文選取鄭濟(jì)鐵路高鐵路段樁基中幾個具有代表性的測量對象，通過檢測數(shù)據(jù)和結(jié)果判定，直觀地展現(xiàn)了聲波檢測法在實際高鐵樁基中的檢測實際數(shù)據(jù)和判定依據(jù)。

本文展現(xiàn)的為 3 個具有代表性的高鐵樁基，分別為：鄭濟(jì)高鐵東昌府特大橋內(nèi)，樁深 31 m，檢測數(shù)據(jù)有偏差但判定為不影響高鐵安全運(yùn)行能力和承載能力的樁基，這里命名為樁基 a；同路段東昌府特大橋 64 m 深樁基，檢測數(shù)據(jù)偏差較大具有很大的安全性和穩(wěn)定性隱患，命名為樁基 b；東昌府特大橋 62 m 深樁基，檢測數(shù)據(jù)沒有發(fā)現(xiàn)任何異常，命名為樁基 c。

3.1 案例 1

樁基a的測點(diǎn)間距為 0.25 m，測量 3 個剖面的檢測管間距分別為 1.14、0.87 和 0.87 m。其測試得到的深度、振幅隨深度變化曲線及 PSD 曲線如圖 2 所示。

圖 2 樁基 aPSD 曲線圖

為了更加直觀地看到該被檢高鐵樁基的具體異常，如表 1～表 3 所示。

表1 a 樁基 1 號剖面異常點(diǎn)（檢測孔間距 1.14 m）

表2 a 樁基 2 號剖面異常點(diǎn)（檢測孔間距 0.87 m）

表3 a 樁基 3 號剖面異常點(diǎn)（檢測孔間距 0.87 m）

通過樁基 a 地聲波檢測數(shù)據(jù)可以看出，1 號剖面有 4 個測試點(diǎn)的振幅略低于正常水平，2 號剖面有 6 個測試點(diǎn)的振幅略低于正常水平，3 號剖面有 5 個點(diǎn)振幅略低于正常水平。但是這些振幅偏低的測試點(diǎn)波時和波形均正常，由此可以推斷出在該高鐵樁基中只有少量的細(xì)小氣泡，或者只有極小局部的混凝土料較其他正常區(qū)域有非常細(xì)小的偏差，根據(jù)作業(yè)人員的判斷，這種細(xì)小的偏差不會影響到高鐵樁基的結(jié)構(gòu)完整性，從而不會影響高鐵鐵路的安全運(yùn)行能力和承載能力。

3.2 案例 2

樁基 b 的測點(diǎn)間距為 0.25 m，測量 3 個剖面的檢測管間距分別為 0.58、0.59 和 0.6 m。其測試得到的深度、振幅隨深度變化曲線及 PSD 曲線如圖 3 所示。

圖3 樁基 b PSD 曲線圖

根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)，工作人員對樁基 b 的測量結(jié)果進(jìn)行了臨界值計算，根據(jù)臨界值計算公式，得到的 3 個剖面波速臨界值分別為 1.602、2.864 和 2.649 km/h，3 個剖面的波速臨界值差距較大，明顯不符合正常誤差范圍，主要原因是聲波穿透的鋼筋混凝土密度不同。從測量圖中可以明顯地看出，在樁深 21～42 m 段，波形變形嚴(yán)重，大部分曲線顯示的波速低于 3 km/h，波形振幅明顯較低，PSD 數(shù)值在樁深 40 m 處偏大很多。由此判斷，樁基 b 在 21～42 m 段有很明顯的缺陷，該段鋼筋混凝土密度明顯大于該樁其他位置，鑒于這種情況，工作人員將對該樁進(jìn)行抽芯檢查，確定問題后對樁基進(jìn)行維修。

3.3 案例 3

樁基 c 的測點(diǎn)間距也為 0.25 m，測量 3 個剖面的檢測管間距分別為 0.62、0.61 和 0.62 m。其測試得到的深度、振幅隨深度變化曲線及 PSD 曲線如圖 4 所示。

圖4 樁基 c PSD 曲線圖

從樁基 c 的測量數(shù)據(jù)中可以看出，3 個剖面的測量結(jié)果曲線幾乎一模一樣，且聲波振幅變化不大，趨于穩(wěn)定的演變曲線。通過數(shù)據(jù)的計算得到了 3 個剖面的波速臨界值分別為 4.198、4.171 和 4.176 km/h，3 個剖面的波速臨界值相差非常小，處于正常誤差范圍之內(nèi)，所以檢測作業(yè)人員可以判定被檢高鐵樁基 c 的狀態(tài)正常，樁基體內(nèi)不存在明顯氣泡或混凝土位移、密度分布不均勻的情況。

3.4 實際測量中的情況

在實際測量中，作業(yè)人員會對每個高鐵樁基在計算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行編號排序，然后再按照制定好的測量順序挨個對樁基進(jìn)行單次測量。由于我國高鐵鐵路施工的嚴(yán)謹(jǐn)和高品質(zhì)的特性，通常對于類似樁基 c，會直接判定為質(zhì)量合格。對于樁基 a，會進(jìn)行部分抽樣抽芯檢測。對于樁基 b，會進(jìn)行第二次測試，二次測試認(rèn)為不合格的樁基再逐一抽芯檢測，一般情況下這種樁基抽芯檢測也會是不合格，檢測人員將按照相關(guān)規(guī)章制度進(jìn)行上報，再由專門的人員對質(zhì)量不合格樁基進(jìn)行維修。

4 結(jié)論

高鐵建設(shè)和穩(wěn)定運(yùn)營的重要性關(guān)乎到基本的基建和民生問題，其樁基質(zhì)量檢測至關(guān)重要。聲波檢測法作為一種高效、客觀的檢測方法，在如今的高鐵樁基質(zhì)量檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。

高鐵樁基高度比較高，檢測長度較長，常規(guī)的檢測方法很難達(dá)到檢測要求，且很難滿足檢測的高效率要求。聲波檢測法包含了波速、波形、振幅和 PSD 4 種檢測手段，能非?？陀^地檢測出高鐵樁基中存在的缺陷，能做到精準(zhǔn)定位并給出相對應(yīng)的維修整改建議。目前該方法已廣泛運(yùn)用到我國的高鐵鐵路樁基檢測中，為我國高鐵鐵路樁基建設(shè)和高鐵發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，該方法應(yīng)被廣泛推廣和運(yùn)用到各類基建質(zhì)量檢測中。Q