蘇國(guó)鋒 于鵬程 熊洪強(qiáng) 金 洲

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1 引言

近年來，我國(guó)隧道與地下工程建筑發(fā)展迅速，越來越多的隧道工程投入運(yùn)營(yíng)，但是隧道完工后肉眼無法看清內(nèi)部狀態(tài)且隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加存在一定程度的老化現(xiàn)象，預(yù)防性安全維修措施要求隧道業(yè)主定期檢測(cè)隧道襯砌[1]。為了徹底便捷地獲取襯砌內(nèi)部狀態(tài)，準(zhǔn)確劃分隱患區(qū)段，工程科技工作者仍在尋求評(píng)估隧道襯砌結(jié)構(gòu)完整性的便捷的可靠技術(shù)[2]。目前超聲波、紅外圖像、探地雷達(dá)等技術(shù)已應(yīng)用于實(shí)際隧道工程中，但很難確認(rèn)其老化程度，仍需對(duì)混凝土襯砌進(jìn)行取芯來評(píng)價(jià)其抗壓強(qiáng)度[3-6]。SASW方法最初是由Nazarian和Stokoe等人于1986年提出的一種為檢測(cè)土層和路面的剪切波傳播性能的地震波測(cè)試分析方法[7-9]。近年來該方法逐漸被應(yīng)用于水利工程[10]、基礎(chǔ)工程[11]，但很少應(yīng)用于隧道工程領(lǐng)域，本文將SASW無損檢測(cè)方法應(yīng)用于評(píng)估襯砌狀態(tài)，只需將檢波器置于隧道襯砌表面且只通過一次激振錘沖擊即可獲取待測(cè)介質(zhì)沿著深度范圍內(nèi)的傳播速度、彈性模量(楊氏模量)等信息，參數(shù)可快速便捷地評(píng)價(jià)隧道襯砌狀態(tài)。

對(duì)于均勻的彈性混凝土襯砌，當(dāng)其結(jié)構(gòu)表面受到豎向沖擊時(shí)，介質(zhì)中一般會(huì)產(chǎn)生三種類型的波，即縱波、橫波和瑞雷波(Rayleigh wave，簡(jiǎn)稱R波)。R波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄E圓形的平面運(yùn)動(dòng)軌跡，且影響的范圍大約在一個(gè)波長(zhǎng)的深度范圍內(nèi)，相對(duì)于橫波和縱波的衰減，瑞雷波傳播慢[12]。SASW法主要采集R波信號(hào)進(jìn)行反演分析獲得介質(zhì)中的剪切波速，從而實(shí)現(xiàn)襯砌質(zhì)量的表面波法檢測(cè)。

2 SASW理論及襯砌測(cè)試原理

SASW方法采用兩道傳感器接收表面波信號(hào)，單個(gè)波動(dòng)組分在時(shí)間上的頻度稱為頻率，而在空間(距離)上的頻度稱為波數(shù)。由頻率波數(shù)譜中某個(gè)波動(dòng)組分的頻率和波數(shù)，可以確定它的周期和波長(zhǎng)，由這個(gè)波動(dòng)組分正弦和余弦分量的振幅，可以合成該組分的譜振幅，這反映了該組分傳播的彈性能量的振幅大小。將空間—時(shí)間域上的R波數(shù)據(jù)進(jìn)行二維傅里葉變換分析，轉(zhuǎn)換為頻率—波數(shù)域上的幅值信息，再根據(jù)R波在頻率—波數(shù)域上振幅能量最大特點(diǎn)，提取R波頻散曲線。測(cè)試的關(guān)鍵因素取決于表面波能量的產(chǎn)生和激發(fā)源與檢波器間距離的測(cè)定，襯砌層狀介質(zhì)中，表面波的傳播主要決定于頻率(波長(zhǎng))，不同頻率波速度的變換就會(huì)產(chǎn)生頻散。頻散曲線包含了襯砌結(jié)構(gòu)中重要的工程性質(zhì)屬性，如二次襯砌和初期支護(hù)等。一般情況下，襯砌結(jié)構(gòu)包括部分圍巖的總深度大致在1 m的淺層范圍內(nèi)，這正好可以用高頻分量的特征反映相關(guān)信息。文章采用SASW法的試驗(yàn)設(shè)備主要包括震源、檢波器、通道高通濾波模塊、表面波頻譜分析模塊、平臺(tái)主機(jī)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)和Wintfs數(shù)據(jù)分析軟件。SASW測(cè)試襯砌的布置如圖1所示。置于襯砌表面的兩個(gè)垂直檢波器可檢測(cè)到所通過的表面波，檢波器接受到的信號(hào)被數(shù)字化并由動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀記錄，使用快速傅立葉變換(FFT)將每個(gè)時(shí)間信號(hào)變換到頻率域中，由兩個(gè)信號(hào)之間的相位差(φR)計(jì)算出每一頻率，則檢波器間的走時(shí)(tR)可通過下式獲得。

圖1 SASW測(cè)試襯砌的布置原理

式中每個(gè)頻率的相位差(φR)和頻率(f)是在每秒的周期內(nèi)循環(huán)的，由于檢波器間的距離(D)是已知的，則表面波速度(vR)由下式計(jì)算:

相應(yīng)地，表面波的波長(zhǎng)(λR)可以確定:

針對(duì)每個(gè)頻率進(jìn)行累計(jì)計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果以頻散曲線的形式表示出來。

3 模型試驗(yàn)

3.1 模筑混凝土模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)主要針對(duì)模筑混凝土厚度和強(qiáng)度開展，預(yù)制強(qiáng)度等級(jí)為C20的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?300 cm(長(zhǎng)度)×200 cm(寬度)×30 cm(高度)，模型四周邊為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中間上部為素混凝土，下部為鋼筋混凝土。試驗(yàn)設(shè)置了兩種測(cè)試工況:(1)模筑混凝土在自然干燥工況下測(cè)試；(2)模筑混凝土在露雨天后(6 h中雨)工況下測(cè)試，潮濕的模型可以模擬滲漏水劣化病害襯砌，自然干燥的模型可以模擬正常狀態(tài)的襯砌?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模筑混凝土試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

在設(shè)定的模型區(qū)域獲取SASW數(shù)據(jù)的波形初始部分應(yīng)用Exponential函數(shù)進(jìn)行指數(shù)濾波，相位角遮蔽是獲取高質(zhì)量SASW數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，應(yīng)用相位角遮蔽方法拾取干燥工況和潮濕工況相位頻譜循環(huán)函數(shù)圖。兩種工況下波速隨深度變化趨勢(shì)如圖3所示，二維傅里葉變換后提取的R波頻散曲線如圖4所示。

圖3 兩種工況下的波速變化趨勢(shì)

圖4 模型在兩種工況下的Young’s Modulus-Wavelength頻散曲線

R波在襯砌模型測(cè)試中的頻散特點(diǎn)明顯，頻散結(jié)果表明:(1)頻散曲線的“之”字形頻散效果很容易分辨出30 cm的模型厚度。(2)自然干燥工況下模型混凝土介質(zhì)中的波速在1 800～2 450 m/s之間，平均波速為2 231.21 m/s，而雨天后潮濕工況下波速在1 420～2 450 m/s之間，平均波速為1 840.80 m/s。(3)淋雨后10 cm以內(nèi)濕度明顯大于下部結(jié)構(gòu)，且隨著混凝土濕度在厚度方向的遞減，表面波波速逐漸遞增，彈性模量(楊氏模量)逐漸遞增；潮濕的混凝土表面波速度較低，其強(qiáng)度也相應(yīng)的降低；兩組Young’s Modulus-Wavelength頻散曲線表明干燥條件下混凝土的強(qiáng)度高于潮濕的情況。(4)兩種工況下波速隨深度變化的斜率顯然不同，假定工況能很好地反映襯砌劣化工況，潮濕工況下頻散曲線的斜率變化更快，表明SASW對(duì)襯砌劣化程度是敏感的，符合頻散理論。

3.2 隧道模型內(nèi)測(cè)試試驗(yàn)

模筑混凝土模型試驗(yàn)之后，在隧道模型內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)，如圖5所示。該隧道模型是一個(gè)邊墻部位襯砌斷面變化的模型，斷面變化前后厚度差為20 cm，隧道模型襯砌由一層曲面混凝土材料構(gòu)成，混凝土材料背后是支撐鋼模板，拱頂混凝土內(nèi)部因預(yù)埋多個(gè)傳感器存在多處裂縫，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20。在斷面變化附近邊墻和拱頂部位分別布置了測(cè)區(qū)，提取數(shù)據(jù)質(zhì)量的一致性良好的相位數(shù)據(jù)，隧道實(shí)體模型內(nèi)R波頻散結(jié)果如表1和圖6所示。

圖5 隧道模型內(nèi)邊墻和拱頂SASW測(cè)試

表1 隧道實(shí)體模型測(cè)試Young’Modulus-Wavelength頻散曲線關(guān)鍵點(diǎn)特征值 MPa

圖6 隧道實(shí)體表面波Velocity-Wavelength頻散曲線

隧道邊墻和拱頂兩個(gè)部位的Velocity-Wavelength頻散曲線和Young’s Modulus-Wavelength頻散結(jié)果變化趨勢(shì)分別保持一致。邊墻的測(cè)試結(jié)果反映了襯砌的分層界面，所在測(cè)線處邊墻襯砌厚度為30 cm，在0.3 m處有一個(gè)層位分界面，0.2 m處的拐點(diǎn)與襯砌斷面的變化相互對(duì)應(yīng)；0.2 m之前，波速在2 200～2 400 m/s之間，襯砌平均波速為2 344.63 m/s；楊氏模量在35 000～40 000 MPa之間，模量均值為37 530.52 MPa，且為遞減趨勢(shì)；0.2～0.3 m之間，波速保持在2 200 m/s，楊氏模量保持在35 000 MPa，表現(xiàn)出高度的一致性，可以判定墻體內(nèi)部介質(zhì)均勻。隧道拱頂測(cè)區(qū)頻散曲線在0.15 m和0.2 m深度處“之”型變化表明內(nèi)部存在多個(gè)分層界面，正好應(yīng)證了拱頂混凝土內(nèi)部因預(yù)埋多個(gè)傳感器存在多處裂縫的工況。拱頂襯砌的波速保持在2 100～2 350 m/s之間，平均波速為2 263.48 m/s；楊氏模量保持在31 000～38 000 MPa之間，模量平均值為34 860 MPa，波速和模量均在0.2 m深度處開始穩(wěn)步回升直至0.3 m開始迅速衰減，與拱頂襯砌30 cm厚度的結(jié)果一致。

4 結(jié)束語

(1)隧道襯砌近似于半無限體，SASW測(cè)試結(jié)果與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母鞣N工況相符，根據(jù)SASW理論以及室外模筑混凝土襯砌模型、隧道整體模型測(cè)試試驗(yàn)均可表明SASW理論確定的頻散曲線評(píng)估襯砌狀態(tài)具有一定的可靠度。

(2)SASW測(cè)試方法獲得的剪切波速—深度剖面圖可以較準(zhǔn)確拾取隧道襯砌厚度以及內(nèi)部裂縫等分層缺陷。SASW測(cè)試方法獲得的楊氏模量—深度剖面圖可以較準(zhǔn)確拾取襯砌強(qiáng)度隨深度的變化，從而可評(píng)估隧道襯砌劣化程度。

(3)高頻SASW測(cè)試技術(shù)是一種簡(jiǎn)單、便捷的新型無損檢測(cè)技術(shù)，有望成為新型隧道襯砌無損檢測(cè)技術(shù)，為隧道常態(tài)化檢測(cè)提供參考。