林天翔 葉冠林 王祺 馮少孔

摘 要：泥漿減阻是超長(zhǎng)距離頂管施工中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，泥漿套厚度與工程質(zhì)量息息相關(guān)?；跊_擊映像法的基本原理，提出一種精確掌握頂管施工注漿充盈狀況的快速檢測(cè)方法，并通過(guò)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)檢測(cè)方法的有效性進(jìn)行研究。根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，將歸一化沖擊響應(yīng)強(qiáng)度作為反映泥漿充盈狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)，成功應(yīng)用于蘇州一大型引水工程中。研究表明：較傳統(tǒng)壓力觀測(cè)法，沖擊映像法在檢測(cè)泥漿套厚度方面有明顯的優(yōu)越性，有效提高了檢測(cè)效率和高阻力區(qū)的識(shí)別能力，據(jù)此對(duì)泥漿薄弱區(qū)進(jìn)行定點(diǎn)補(bǔ)漿，節(jié)約了施工成本，可在同類工程中推廣使用。

關(guān)鍵詞：沖擊映像法;頂管施工;泥漿套;無(wú)損檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TU94 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2022）05-0148-09

收稿日期：2020-08-26

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51678360、41727802）

作者簡(jiǎn)介：林天翔（1996- ），男，主要從事結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)、原位測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究，E-mail：lintianxiang@sjtu.edu.cn。

葉冠林（通信作者），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：ygl@sjtu.edu.cn。

Received：2020-08-26

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. 51678360， 41727802）

Author brief：LIN Tianxiang （1996- ）， main research interests： structure health monitor， geophysical exploration， E-mail： lintianxiang@sjtu.edu.cn.

YE Guanlin （corresponding author）， professor， doctorial supervisor， E-mail： ygl@sjtu.edu.cn.

Impact image method and its application in the detection of slurry for long-distance pipe jacking construction

LIN Tianxiang， YE Guanlin， WANG Qi， FENG Shaokong

（1. School of Naval Architecture， Ocean & Civil Engineering， Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240， P. R. China; 2. Shanghai Tunnel Engineering Company， Ltd.， Shanghai 200082， P. R. China）

Abstract：Resistance-reducing with slurry is a key technique in the construction of long-distance pipe jacking. The thickness of the slurry is closely related to the engineering quality.Based on the basic principle of impact image method， a rapid detection method for accurately grasping the distribution condition of slurry outside the pipe jacking is proposed in this article， and the validity of the detection method is explored through model test and field test.According to the results of model test， the normalized impact response intensity is taken as the evaluation index to reflect the distribution condition of slurry. Finally， it has been successfully applied to a large-scale water diversion project in Suzhou. The research shows that the impact image method has obvious advantages over the traditional pressure observation method in detecting the thickness of slurry， which effectively improves the efficiency of detection and the identification ability of high resistance zone. At the same time， the construction cost can be greatly saved by replenishing the weak area of slurry precisely. This method can be popularized for similar projects.

Keywords：impact image method; pipe jacking construction; slurry; non-destructive detection

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速發(fā)展，大量工程建設(shè)逐漸向地下轉(zhuǎn)移。在地下工程施工中，如何減少對(duì)周圍環(huán)境、地面交通的不利影響成為近年來(lái)相關(guān)技術(shù)人員關(guān)注的重點(diǎn)。作為非開(kāi)挖施工技術(shù)之一，頂管法的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在長(zhǎng)距離頂管施工時(shí)，泥漿減阻是一個(gè)必不可少的重要環(huán)節(jié)。泥漿的注入一方面有效減少了頂管頂進(jìn)時(shí)管外壁與周圍土體的摩擦，達(dá)到潤(rùn)滑、減小頂進(jìn)推力的目的;另一方面，泥漿填充了管壁和土層之間的空隙，在一定注漿壓力的作用下?lián)纹痦敼?，能有效防止上部土體坍塌，減小地面沉降。漿液在注漿完成后一般不會(huì)立刻與周圍土體固結(jié)，更多地是向管節(jié)四周土體滲透，形成所謂的流體狀泥漿套。

目前，大多數(shù)學(xué)者對(duì)泥漿減阻的研究主要側(cè)重于漿液與管道以及圍土三者的作用機(jī)理、泥漿材料和注漿管路設(shè)計(jì)等方面，希望通過(guò)施工工藝和材料性能來(lái)改進(jìn)應(yīng)用功效。然而，關(guān)于檢測(cè)泥漿套厚度和分布情況的研究甚少，一般通過(guò)觀測(cè)頂管頂進(jìn)推力等指標(biāo)的變化來(lái)判斷泥漿充盈情況，認(rèn)為頂進(jìn)推力大，則漿液較少;而推力小，則漿液較多。同時(shí)，頂進(jìn)力指標(biāo)更多地是反映整個(gè)頂進(jìn)段各管節(jié)阻力的總和，其推力值并不能清晰地表達(dá)某一管節(jié)處泥漿的充盈情況。若判斷不準(zhǔn)確，則很有可能造成周圍土體應(yīng)力狀態(tài)的改變，繼而引發(fā)土體變形，甚至波及周邊建筑物基礎(chǔ)和管線的安全。對(duì)復(fù)雜的穿越環(huán)境而言，泥漿更難均勻地在管道四周填充，即使利用先進(jìn)的注漿工藝和漿液材料，得到的減阻效果也可能微乎其微。因此，研究一種判斷泥漿套充盈情況的檢測(cè)方法具有重要意義，不僅能提高頂管施工的工作效率、優(yōu)化施工質(zhì)量，而且有助于理解泥漿套的形成過(guò)程和作用機(jī)理。

由于地下工程環(huán)境的特殊性，檢測(cè)目標(biāo)隱蔽性很強(qiáng)，在檢測(cè)實(shí)施過(guò)程中往往還要求盡可能降低對(duì)原有結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，所以，利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)輔助施工逐漸被工程界所選擇，其中地質(zhì)雷達(dá)法利用得最多。Zhang等曾利用探地雷達(dá)對(duì)上海軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道襯砌段灌漿厚度進(jìn)行檢測(cè)，成功將無(wú)損檢測(cè)手段應(yīng)用于泥漿套的檢測(cè)當(dāng)中;寇磊等和Zhao等則在Zhang等成果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步將地質(zhì)雷達(dá)法拓展到頂管施工領(lǐng)域，并分析比較了頂管法和盾構(gòu)法的注漿差別。然而，探地雷達(dá)法也存在一些局限性：已有研究都是基于混凝土管道進(jìn)行檢測(cè)，由于高頻電磁波的傳播特性，鋼筋、鋼板和富水環(huán)境會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大影響，在干擾較強(qiáng)時(shí)，有效波形甚至可能被屏蔽，所以，在鋼頂管施工中地質(zhì)雷達(dá)法適用性較差。無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中彈性波檢測(cè)法應(yīng)用也十分廣泛，它不僅可以進(jìn)行覆蓋層厚度和地下構(gòu)造或破碎帶檢測(cè)，而且在管道埋設(shè)脫空檢測(cè)和混凝土裂縫探測(cè)^]等方面也有著較為完善的理論支撐。Kobayashi等用沖擊彈性波法對(duì)鑄鐵水管的老化腐蝕情況進(jìn)行了評(píng)估，可判別到局部1 mm左右的厚度變化，說(shuō)明彈性波法在水環(huán)境中具有極強(qiáng)的探測(cè)能力。鑒于此，筆者基于近源彈性波場(chǎng)的傳播機(jī)理和長(zhǎng)期的工程經(jīng)驗(yàn)探索，提出將沖擊映像法應(yīng)用于超長(zhǎng)距離頂管施工泥漿套的檢測(cè)中，進(jìn)行泥漿厚度的探測(cè)不僅可以檢測(cè)到淺層基底的厚度，而且對(duì)層位之間的差異也有著較好的檢測(cè)效果。

1 沖擊映像法

1.1 試驗(yàn)基本原理

頂管施工中，管道與土體間存在一環(huán)形空間，用于漿液的填充。當(dāng)泥漿填充后，整個(gè)系統(tǒng)可分成鋼殼層、泥漿層、土層3個(gè)部分，圖1為頂管模型的橫截面。沿管道徑向?qū)⒔Y(jié)構(gòu)整體視為空心圓柱層狀介質(zhì)，利用彈性波在多層層狀半無(wú)限空間介質(zhì)模型中的傳播理論，提出沖擊映像檢測(cè)方法。

將頂管展開(kāi)成一平面，則沖擊映像法的原理可近似表達(dá)成如圖2所示，在測(cè)線上以一定間隔X和偏移距D布設(shè)檢波器。

震源在介質(zhì)表面激發(fā)后產(chǎn)生彈性波，彈性波沿地表傳遞至地下，在傳播過(guò)程中，若遇到兩種不同介質(zhì)的界面則會(huì)產(chǎn)生反射，反射波振幅可視作子波褶積的結(jié)果，通過(guò)分析反射波的強(qiáng)弱就可以判斷檢測(cè)介質(zhì)的缺陷情況。當(dāng)界面兩側(cè)介質(zhì)均勻時(shí)，反射波相對(duì)較弱;而當(dāng)界面兩側(cè)介質(zhì)構(gòu)造相差較大時(shí)，如頂管施工中注漿不充分等情況，所反射的彈性波就很強(qiáng)。在保持偏移距D和人工震源大小不變的條件下，將激發(fā)接收系統(tǒng)沿測(cè)線依次向前移動(dòng)并重復(fù)激發(fā)和數(shù)據(jù)采集。完成整條測(cè)線后，從各個(gè)測(cè)點(diǎn)波形的變化特征即可判斷缺陷的位置。

由于接收到的反射波大小取決于界面反射系數(shù)，故通過(guò)響應(yīng)波形的振幅可以推斷介質(zhì)交界面上波阻抗的變化，從而進(jìn)一步判斷頂管外的介質(zhì)差異。為了更直觀、系統(tǒng)地表征響應(yīng)波持續(xù)時(shí)間和波形振幅，引入沖擊響應(yīng)強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)泥漿充盈情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

考慮到注漿前管道環(huán)形空間內(nèi)泥漿含量較少且分布極度不均勻，管壁大部分區(qū)域與周圍土體接觸，所受到的摩擦力也相對(duì)較大，故假設(shè)注漿前所有測(cè)點(diǎn)的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度算術(shù)平均值可表征管道與土體處于密實(shí)接觸狀態(tài)，兩者之間無(wú)泥漿且無(wú)間隙。同時(shí)利用該算術(shù)平均值對(duì)注漿過(guò)程的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度值進(jìn)行歸一化，再確立歸一化沖擊響應(yīng)強(qiáng)度和頂管施工泥漿充盈情況間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而形成具備工程應(yīng)用價(jià)值的評(píng)價(jià)指標(biāo)和檢測(cè)結(jié)果。

定義某一測(cè)點(diǎn)的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度A為

A=∑s=ns=1|FΔt|（1）

式中：F為波形的振幅;Δt為采樣頻率;i為測(cè)點(diǎn)編號(hào)，i=1、 2 … N;s為數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)的編號(hào)，s=1、 2 … n。

按照式（1）獲取注漿前所有測(cè)點(diǎn)的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度，并計(jì)算出算術(shù)平均值A(chǔ)。

A=∑i=Ni=1A/N（2）

為區(qū)分注漿前測(cè)點(diǎn)與其他過(guò)程測(cè)點(diǎn)編號(hào)，對(duì)式（2）物理量統(tǒng)一添加角標(biāo)“0”。

檢測(cè)數(shù)據(jù)量越大時(shí)，A的取值將愈發(fā)合理，影響沖擊響應(yīng)強(qiáng)度的各個(gè)因素占比也更加穩(wěn)定。將注漿過(guò)程中采集到的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度A與A相比，即可求出歸一化沖擊響應(yīng)強(qiáng)度I。

I= A A（3）

歸一化沖擊響應(yīng)強(qiáng)度I的采用一方面在最大程度上消除了沖擊力大小的影響，在處理數(shù)據(jù)時(shí)可將沖擊力與沖擊響應(yīng)強(qiáng)度間的關(guān)系考慮成近似線性關(guān)系，方便該方法的應(yīng)用和推廣;另一方面可放大介質(zhì)內(nèi)部軟弱部位對(duì)波場(chǎng)的響應(yīng)特征。

為更好地表達(dá)泥漿充盈情況，將歸一化沖擊響應(yīng)強(qiáng)度定義為泥漿充盈指數(shù)，并參照模型試驗(yàn)結(jié)果和注漿前沖擊響應(yīng)強(qiáng)度算數(shù)平均值A(chǔ)進(jìn)行比對(duì)，將檢測(cè)區(qū)域劃分為漿液充盈區(qū)、漿液欠充盈區(qū)和無(wú)漿液區(qū)3個(gè)等級(jí)，明確地表達(dá)管道外環(huán)形空間內(nèi)的漿液充盈狀況。

2 頂管泥漿套模型試驗(yàn)

為了確定沖擊響應(yīng)強(qiáng)度與泥漿充盈情況之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并驗(yàn)證沖擊映像法的有效性，參照頂管施工環(huán)境設(shè)計(jì)了相似的模型試驗(yàn)，對(duì)超長(zhǎng)距離頂管施工中泥漿套快速檢測(cè)方法進(jìn)行探索。

2.1 模型試驗(yàn)方案

試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L(zhǎng)4.0 m，寬0.7 m，如圖3所示。模型槽上方覆蓋一塊與頂管等厚（24 mm）的長(zhǎng)方形鋼板，作為檢測(cè)面代替頂管鋼壁。考慮到實(shí)際工程施工時(shí)頂管環(huán)形空間內(nèi)的泥漿厚度通常在30～60 mm左右，故在鋼板下方分別設(shè)置30、60、90 mm厚度及漸變厚度4個(gè)不同區(qū)域的泥漿層，用來(lái)模擬環(huán)形空間內(nèi)泥漿可能的分布狀況。泥漿按膨潤(rùn)土與水的質(zhì)量比5∶100進(jìn)行配制。在兩側(cè)設(shè)置50 mm寬的豎直隔板，以防止泥漿流出。底部墊層取頂管所穿地層土樣，并在填土后進(jìn)行壓實(shí)。鋼板檢測(cè)面上沿長(zhǎng)度方向共布置7條測(cè)線，測(cè)線間隔0.1 m。試驗(yàn)所用儀器主要有Geode-24數(shù)據(jù)采集儀和100 Hz傳感器，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)時(shí)用沖擊錘（0.2 kg）在傳感器一側(cè)敲擊，傳感器與敲擊點(diǎn)間距離為0.1 m，兩次采樣間隔20.833 μs，采集時(shí)長(zhǎng)0.1 s。數(shù)據(jù)采集完成后將傳感器和沖擊錘沿測(cè)線向前移動(dòng)，移動(dòng)步長(zhǎng)亦為0.1 m，進(jìn)行第2次采集。重復(fù)上述過(guò)程，直至整條測(cè)線采集完畢。

2.2 模型試驗(yàn)分析

沖擊映像法能得到測(cè)線上各個(gè)測(cè)點(diǎn)的沖擊響應(yīng)波形，界面處的局部變化會(huì)造成波形特性的改變和能量的衰減，其強(qiáng)度是對(duì)沖擊的綜合響應(yīng)，與介質(zhì)內(nèi)部病害的埋深、尺寸高度相關(guān)，由各界面?zhèn)鬟f系數(shù)的乘積決定。通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析、濾波分析及歸一化處理等，可得到?jīng)_擊響應(yīng)強(qiáng)度分布圖。當(dāng)鋼塊與基層間粘結(jié)效果不佳，或存在分層現(xiàn)象時(shí)，接收到的信號(hào)能量較大，對(duì)應(yīng)沖擊響應(yīng)強(qiáng)度也較高，所以，對(duì)底部不同厚度區(qū)的泥漿層進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度必然會(huì)存在較大差異。圖4展示了在模型試驗(yàn)中同等沖擊力度下各條測(cè)線的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度大小。由圖4可知：位于鋼板邊界處的測(cè)線1和測(cè)線7的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其他測(cè)線，說(shuō)明模型試驗(yàn)存在很強(qiáng)的邊界效應(yīng)，此處位于兩側(cè)隔板與上部鋼板相交位置附近，沖擊響應(yīng)更多地表現(xiàn)為鋼板之間的相互作用特征，信號(hào)能量最大。對(duì)于頂管工程，檢測(cè)面為閉合圓筒，不會(huì)產(chǎn)生邊界效應(yīng)，故僅對(duì)鋼板中部長(zhǎng)3.9 m、寬0.6 m的區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，區(qū)域內(nèi)包含測(cè)線2～6，測(cè)線2～6沖擊響應(yīng)強(qiáng)度范圍在15～40 mV（儀器采集數(shù)據(jù)形式為電信號(hào)，振幅單位為mV）之間。值得一提的是，測(cè)試過(guò)程中沖擊錘與鋼板接觸時(shí)的沖擊角度難以嚴(yán)格把控，故在同等沖擊力度下圖中測(cè)線2～6的結(jié)果存在一定的波動(dòng)。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，認(rèn)為這個(gè)波動(dòng)誤差應(yīng)該處在合理范圍。

對(duì)各個(gè)厚度區(qū)綜合分析發(fā)現(xiàn)，沖擊響應(yīng)強(qiáng)度值相差不大，但仍存在一定分布規(guī)律。圖4中30 mm厚度區(qū)范圍內(nèi)沖擊響應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)較小，均值約為22 mV;60 mm厚度區(qū)沖擊響應(yīng)強(qiáng)度高出15%～20%;而90 mm厚度區(qū)最大，均值在33 mV左右。說(shuō)明隨著底部泥漿厚度增大，沖擊響應(yīng)強(qiáng)度會(huì)有所增強(qiáng)。同時(shí)，漸變厚度區(qū)的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度也呈現(xiàn)這樣的規(guī)律，雖在漸變區(qū)中部有少量離散的異常點(diǎn)，但整體上隨著泥漿厚度逐漸變薄，沖擊響應(yīng)強(qiáng)度有略微降低的趨勢(shì)。為更清晰地表達(dá)各厚度區(qū)之間的差異性，將各測(cè)點(diǎn)沖擊響應(yīng)強(qiáng)度值繪制成云圖，如圖5所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)頂管泥漿套的沖擊映像檢測(cè)

3.1 工程概況

依托蘇州第二水源陽(yáng)澄湖引水工程3標(biāo)段（S227—陽(yáng)澄西湖）開(kāi)展，該工程位于蘇州市相城區(qū)與工業(yè)園區(qū)境內(nèi)，自陽(yáng)澄湖中湖西側(cè)，穿越整個(gè)陽(yáng)澄西湖，沿太陽(yáng)路北側(cè)敷設(shè)至227省道與蠡太路交叉口，位置如圖6所示。科研試驗(yàn)段全長(zhǎng)600 m，為鋼頂管區(qū)間，管道內(nèi)徑為1.972 m。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選取了3個(gè)試驗(yàn)段，分別離洞口12～84 m、84～156 m和156～228 m。每個(gè)試驗(yàn)段涵蓋6個(gè)管節(jié)，在管道內(nèi)部沿軸線各平行布置4條測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)72 m，按時(shí)鐘對(duì)測(cè)線位置進(jìn)行編號(hào)，4條測(cè)線分別位于管道橫斷面的8點(diǎn)、9點(diǎn)、10點(diǎn)和11點(diǎn)位置，如圖7所示。采樣間隔、采集時(shí)長(zhǎng)和數(shù)據(jù)采集方法與模型試驗(yàn)一致，即在測(cè)線端部安置傳感器。沖擊強(qiáng)度大小應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐設(shè)計(jì)，即測(cè)試時(shí)應(yīng)盡量在傳感器采集到的信號(hào)沒(méi)有達(dá)到飽和的同時(shí)保證強(qiáng)度最大化，從而達(dá)到提高測(cè)試信噪比的目的。沖擊錘與傳感器間距離為10 cm，沖擊錘敲擊頂管壁進(jìn)行激發(fā)，接收并記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)束后，將整個(gè)系統(tǒng)向前移動(dòng)10 cm，重復(fù)以上過(guò)程，直至完成整條測(cè)線的檢測(cè)。

3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

考慮到3個(gè)試驗(yàn)段的結(jié)果基于相同的分析原理，并已得到相似的結(jié)論，故在文中不逐一贅述，僅選取試驗(yàn)段2施工過(guò)程中注漿前、注漿中某一瞬間以及注漿后的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

經(jīng)測(cè)算，注漿前沖擊響應(yīng)強(qiáng)度算術(shù)平均值在7 mV左右，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)并參考模型試驗(yàn)中各厚度區(qū)所對(duì)應(yīng)的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度值，設(shè)定無(wú)漿液區(qū)歸一化沖擊響應(yīng)強(qiáng)度在1.0～1.25之間;漿液充盈區(qū)歸一化沖擊響應(yīng)強(qiáng)度為1.5以上;而漿液欠充盈區(qū)則在1.25～1.5之間。數(shù)據(jù)處理結(jié)果由圖8充盈指數(shù)分布圖表示，充盈指數(shù)分布圖的縱坐標(biāo)為沿管道壁的圓弧長(zhǎng)度，坐標(biāo)0.00 m為管道腰線，即9點(diǎn)鐘測(cè)線位置，方向以向上為正，故縱坐標(biāo)-0.516 m為8點(diǎn)鐘測(cè)線;0.516 m為10點(diǎn)鐘測(cè)線;1.032 m為11點(diǎn)鐘測(cè)線。橫坐標(biāo)表示為檢測(cè)點(diǎn)到洞口的距離，洞口處坐標(biāo)為0.00 m。圖9為各個(gè)階段泥漿充盈狀態(tài)的占比情況。

由圖8和圖9可知，注漿前泥漿整體分布情況不佳，泥漿充盈區(qū)域僅31%，而其中無(wú)漿液區(qū)域占比達(dá)到44.1%。管道腰線以下管道與周圍土體之間漿液較多，泥漿充盈情況相對(duì)較好，頂管摩擦阻力較小;而管道腰線以上無(wú)泥漿或泥漿層很薄，管道與土體接觸密實(shí)，頂管頂進(jìn)時(shí)該區(qū)域管道壁會(huì)受到較大的摩擦阻力。在注漿過(guò)程中注漿效果最佳，漿液充盈區(qū)分布顯著增大，達(dá)到60.9%，而無(wú)漿液區(qū)僅占10.9%，除了管道頂部11點(diǎn)鐘附近、84～100 m之間以及132～142 m等局部區(qū)域以外，管道外環(huán)形空間內(nèi)泥漿充盈較好。而由于漿液受重力向管道底部運(yùn)移或管道上浮等原因，注漿后漿液充盈區(qū)比例下降至52%，管道的前半段（84～124 m）中由9點(diǎn)測(cè)線和10點(diǎn)測(cè)線與95～110 m所包圍區(qū)域顯示無(wú)漿液，管道與地層接觸密實(shí)，其余區(qū)域整體泥漿充盈度較好，而管道的后半部分（124～156 m）泥漿流失嚴(yán)重，9點(diǎn)鐘測(cè)線以上管道與地層密實(shí)接觸。由注漿前、注漿中和注漿后3個(gè)過(guò)程的檢測(cè)結(jié)果整體分析可知，漿液分布呈管道底部充盈度高而管道頂部較少的規(guī)律。同時(shí)，泥漿極易發(fā)生運(yùn)移現(xiàn)象，在頂管頂進(jìn)施工時(shí)應(yīng)采取“邊注邊推”工法或?qū)艿理敳窟M(jìn)行再次補(bǔ)漿操作，這樣更有助于降低頂進(jìn)摩擦，達(dá)到節(jié)約成本的目的。

4 與壓力測(cè)試數(shù)據(jù)的比較

由于沖擊映像法首次被應(yīng)用到頂管施工泥漿套的檢測(cè)當(dāng)中，且存在地下工程隱蔽性等問(wèn)題，模型試驗(yàn)仍有一些設(shè)計(jì)局限。為進(jìn)一步驗(yàn)證沖擊映像法的效果，在注漿過(guò)程中對(duì)每個(gè)試驗(yàn)段選取一個(gè)管節(jié)同時(shí)進(jìn)行傳統(tǒng)壓力測(cè)試。圖10為試驗(yàn)段2離洞口96～108 m管節(jié)中壓力檢測(cè)面的位置分布圖，管節(jié)內(nèi)一共布置兩個(gè)檢測(cè)斷面，分別距管節(jié)兩端端口2 m。斷面圓周布置4個(gè)壓力傳感器，用來(lái)量測(cè)漿液壓力的大小，位置如圖11所示。傳感器以截面所處位置和序號(hào)進(jìn)行命名，如1-1號(hào)傳感器表示1號(hào)截面的1號(hào)傳感器?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)僅沿頂管左半圓進(jìn)行檢測(cè)，同樣選取左側(cè)1-1號(hào)、1-2號(hào)、2-5號(hào)、2-6號(hào)傳感器進(jìn)行分析，其中1-1號(hào)和2-5號(hào)傳感器位于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中10點(diǎn)鐘方向測(cè)線上，1-2號(hào)和2-6號(hào)傳感器位于8點(diǎn)鐘方向測(cè)線上。

壓力測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為13 h，頂進(jìn)時(shí)速率保持恒定。

以每次測(cè)量開(kāi)始時(shí)的壓力作為零點(diǎn)，測(cè)量后續(xù)壓力相對(duì)變化，相對(duì)壓力越大，則漿液充盈度越高，頂進(jìn)過(guò)程中若遇到脫空區(qū)域，相對(duì)壓力則會(huì)減小，甚至可能出現(xiàn)負(fù)值。圖12為兩斷面?zhèn)鞲衅魉@得的相對(duì)壓力時(shí)程曲線。從圖中能明顯看出，注漿時(shí)刻、頂進(jìn)過(guò)程的壓力波動(dòng)和停止頂進(jìn)時(shí)的壓力消散過(guò)程。注漿瞬間相對(duì)壓力驟然上升，上升幅度可以側(cè)面反映注漿量的多少，通過(guò)對(duì)比可知，頂部可注射漿液量遠(yuǎn)大于底部，說(shuō)明注漿前環(huán)形空間頂部有更多的脫空區(qū)域。在頂進(jìn)過(guò)程中，1-1號(hào)、2-5號(hào)傳感器相對(duì)壓力發(fā)生大幅波動(dòng)，說(shuō)明頂管與四周土體相互作用顯著，上部泥漿分布不均勻，頂管推進(jìn)到漿液充盈區(qū)時(shí)相對(duì)壓力會(huì)升高。而1-2號(hào)和2-6號(hào)傳感器壓力相對(duì)變化與頂進(jìn)時(shí)長(zhǎng)呈均勻下降關(guān)系，說(shuō)明底部注漿效果較好，壓力變化平穩(wěn)。停止頂進(jìn)時(shí)，上部1-1號(hào)和2-5號(hào)傳感器壓力消散十分顯著，而1-2號(hào)和2-6號(hào)傳感器變化幅度不明顯，說(shuō)明頂部漿液逐漸向下轉(zhuǎn)移。

壓力觀測(cè)法的分析結(jié)論與沖擊映像結(jié)果相吻合。同時(shí)，沖擊映像法試驗(yàn)在注漿中某一瞬間的動(dòng)態(tài)分析結(jié)果與靜止?fàn)顟B(tài)下數(shù)據(jù)的分析結(jié)果在質(zhì)量上無(wú)差異，說(shuō)明其抗干擾性強(qiáng)，完全可以通過(guò)濾波處理克服頂進(jìn)施工中各種機(jī)械和電氣噪音的干擾。相較于壓力觀測(cè)法，沖擊映像法操作過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)需在管壁上預(yù)設(shè)孔洞，且試驗(yàn)過(guò)程和測(cè)線布置均在頂管內(nèi)部完成，可隨時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)整試驗(yàn)方案。同時(shí)，沖擊映像法也可以作為一種“邊推邊測(cè)”的檢測(cè)方法來(lái)獲得泥漿的動(dòng)態(tài)分布和缺漿的精確位置與范圍，為頂進(jìn)過(guò)程中的注漿作業(yè)提供直接數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

通過(guò)采用沖擊映像法對(duì)長(zhǎng)距離頂管工程中泥漿充盈情況進(jìn)行模型及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)探測(cè)，并與壓力測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：

1）沖擊映像法是以彈性波近源波場(chǎng)理論為基礎(chǔ)的檢測(cè)方法，可反映出檢測(cè)面下部層狀介質(zhì)物性參數(shù)變化及接觸關(guān)系。在頂管施工中，管道、環(huán)形空間內(nèi)填充介質(zhì)及周圍土體構(gòu)成層狀介質(zhì)體系。通過(guò)將模型試驗(yàn)中沖擊響應(yīng)結(jié)果與設(shè)計(jì)工況對(duì)照分析，證明沖擊映像法在泥漿層厚度檢測(cè)中具有較好的適用性。

2）結(jié)合壓力觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)頂進(jìn)過(guò)程沖擊映像法探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，充分證明沖擊映像法抗干擾性強(qiáng)，濾波處理后完全可以忽略施工時(shí)各種機(jī)械和電氣噪音的影響。在注漿過(guò)程中邊推邊測(cè)，及時(shí)獲取頂進(jìn)過(guò)程中泥漿的動(dòng)態(tài)分布，為注漿作業(yè)提供直接依據(jù)。

3）現(xiàn)階段按泥漿充盈指數(shù)將檢測(cè)區(qū)域劃分為“無(wú)漿液”、“漿液欠充盈”和“泥漿充盈”3個(gè)等級(jí)，較為直觀地反映了頂管施工過(guò)程中的注漿質(zhì)量，但對(duì)泥漿厚度的探測(cè)方面還有待研究，將來(lái)可開(kāi)展數(shù)值仿真試驗(yàn)研究，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)一步細(xì)化和量化，從而使注漿成本更低。

參考文獻(xiàn)：

[1]? CHENG W C， WANG L， XUE Z F， et al. Lubrication performance of pipejacking in soft alluvial deposits [J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2019， 91： 102991.

[2] 王雙， 夏才初， 葛金科. 考慮泥漿套不同形態(tài)的頂管管壁摩阻力計(jì)算公式[J]. 巖土力學(xué)， 2014， 35（1）： 159-166，174.

WANG S， XIA C C， GE J K. Formulae of lateral friction resistance for pipe-jacking considering different forms of mud screen [J]. Rock and Soil Mechanics， 2014， 35（1）： 159-166，174. （in Chinese）

[3] 魏綱， 徐日慶， 邵劍明， 等. 頂管施工中注漿減摩作用機(jī)理的研究[J]. 巖土力學(xué)， 2004， 25（6）： 930-934.

WEI G， XU R Q， SHAO J M， et al. Research on mechanism of reducing friction through injecting slurry in pipe jacking [J]. Rock and Soil Mechanics， 2004， 25（6）： 930-934. （in Chinese）

[4] 楊燁旻. 頂管施工注漿作用及環(huán)境效應(yīng)研究[D]. 上海： 上海交通大學(xué)， 2010.

YANG Y M. Research on grouting mechanism and enviromental effects of pipe jacking [D]. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University， 2010. （in Chinese）

[5] 劉月， 陳誠(chéng)， 陳紹龍， 等. 長(zhǎng)距離頂管施工中觸變泥漿應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 施工技術(shù)， 2018， 47（Sup1）： 853-855.

LIU Y， CHEN C， CHEN S L， et al. The research on application technology of thixotropic slurry in long distancepipe jacking construction [J]. Construction Technology， 2018， 47（Sup1）： 853-855. （in Chinese）

[6] ZHOU S， WANG Y Y， HUANG X C. Experimental study on the effect of injecting slurry inside a jacking pipe tunnel in silt stratum [J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2009， 24（4）： 466-471.

[7] BORGHI F X. Soil conditioning for pipe jacking and tunnelling [D]. Cambridge： University of Cambridge， 2006.

[8] 王明勝， 劉大剛. 頂管隧道工程觸變泥漿性能試驗(yàn)及減阻技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2016， 53（6）： 182-189.

WANG M S， LIU D G. Test of thixotropic slurry properties and study of resistance-reducing technology for pipe jacking tunnel construction [J]. Modern Tunnelling Technology， 2016， 53（6）： 182-189. （in Chinese）

[9] 張立新. 大直徑超長(zhǎng)距離頂管觸變泥漿減阻技術(shù)的應(yīng)用[J]. 特種結(jié)構(gòu)， 2013， 30（2）： 100-102.

ZHANG L X. Resistance-reducing technology with thixotropic mud in large diameter super-long distance pipe jacking [J]. Special Structures， 2013， 30（2）： 100-102. （in Chinese）

[10] 嚴(yán)國(guó)仙. 超長(zhǎng)距離大口徑鋼頂管泥漿減阻系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 建筑施工， 2012， 34（1）： 20-21.

YAN G X. Design of mud friction reduction system for jacking of large diameter steel pipe with super long-distance [J]. Building Construction， 2012， 34（1）： 20-21. （in Chinese）

[11] 張鵬， 馬保松， 曾聰， 等. 深埋曲線鋼頂管接觸壓力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)分析[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2016， 44（5）： 93-97.

ZHANG P， MA B S， ZENG C， et al. Site monitoring analysis of contact pressure during steel curved pipe jacking with larger buried depth [J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology （Natural Science Edition）， 2016， 44（5）： 93-97. （in Chinese）

[12] 顧長(zhǎng)虹. 深埋長(zhǎng)距離頂管推進(jìn)管土漿相互作用關(guān)系與減阻技術(shù)[D]. 江蘇 徐州： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)， 2020.

GU C H. Interaction relationship of pipe-slurry-soil and resistance reduction technology during deep pipe jacking with long distance [D]. Xuzhou， Jiangsu： China University of Mining and Technology， 2020. （in Chinese）

[13] ZHANG F S， XIE X Y， HUANG H W. Application of ground penetrating radar in grouting evaluation for shield tunnel construction [J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2010， 25（2）： 99-107.

[14] 寇磊， 朱新華， 白云， 等. 頂管管節(jié)壁后觸變泥漿探地雷達(dá)探測(cè)研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2016， 12（2）： 477-483.

KOU L， ZHU X H， BAI Y， et al. Application of GPR to detect thixotropic clay slurry outside the tube of pipe jacking [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2016， 12（2）： 477-483. （in Chinese）

[15] ZHAO Y H， WU J S， XIE X Y， et al. Ground-penetrating radar measurement of the distribution of thixotropic slurry behind large-diameter segments in long-distance pipe-jacking construction [J]. Near Surface Geophysics， 2016， 14（2）： 171-181.

[16] TIAN X S， ZHAO W G， DU Y L， et al. Detection of mortar defects in ballastless tracks of high-speed railway using transient elastic wave method [J]. Journal of Civil Structural Health Monitoring， 2018， 8（1）： 151-160.

[17] STAWIARSKI A， BARSKI M， PAJK P. Fatigue crack detection and identification by the elastic wave propagation method [J]. Mechanical Systems and Signal Processing， 2017， 89： 119-130.

[18] KOBAYASHI Y， TAKAHASHI Y， KAMADA T， et al. Corrosion assessment of aging drinking water pipes by impact elastic-wave method [J]. Water Practice and Technology， 2010， 5（3）：52-58.

[19] CHE A L， ZHU R J， FAN Y M， et al. An impact imaging method for monitoring on construction of immersed tube tunnel foundation treated by sand-filling method [J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2019， 85： 1-11.

（編輯 王秀玲）