于洋

（中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司，濟(jì)南 250000）

1 引言

錨桿作為復(fù)合式襯砌隧道支護(hù)中的重要組成部分，可以有效約束圍巖變形和保證施工期間的作業(yè)安全。同時(shí)，在錨桿施工質(zhì)量的檢測(cè)過程中，傳統(tǒng)檢測(cè)方法常配合使用鉆孔、拉拔等破壞性方式，適用范圍較窄。近年來，隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，錨桿無損檢測(cè)技術(shù)在隧道錨桿檢測(cè)中得到了大量的應(yīng)用。錨桿無損檢測(cè)主要是對(duì)施工后錨桿的桿體長(zhǎng)度和錨固段灌漿密實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，常用的方法為沖擊彈性波法[1]。通過對(duì)濾波信號(hào)的頻譜分析，能夠較為準(zhǔn)確地確定缺陷的種類和數(shù)量[2]，進(jìn)而提高檢測(cè)的效率。

2 錨桿無損檢測(cè)原理

在錨桿無損監(jiān)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中，其基本原理為：通過振源在錨桿頂部激發(fā)一個(gè)沖擊彈性波，彈性波沿著錨桿向桿底方向傳播，當(dāng)傳播到存在錨固缺陷或桿底時(shí)會(huì)發(fā)生反射形成回波信號(hào)被安裝在桿頭的傳感器接收，同時(shí)在傳播過程中沖擊彈性波的能量會(huì)向錨桿周圍介質(zhì)中輻射和衰減。反射回波的能量強(qiáng)度和到達(dá)時(shí)間取決于錨桿長(zhǎng)度及灌漿質(zhì)量，通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，可以對(duì)錨桿長(zhǎng)度和灌漿密實(shí)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

通過大量試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了注漿均勻密實(shí)錨桿以及各種缺陷錨桿的圖譜及頻譜特征。各類狀態(tài)下的圖像如圖1 所示，通過對(duì)波形進(jìn)行分析，可以對(duì)注漿缺陷的位置進(jìn)行判斷。在注漿飽滿密實(shí)的條件下，其入射能量衰減較快，波形較為規(guī)則，一般不會(huì)出現(xiàn)奇異點(diǎn)、等波形[3]。通過對(duì)質(zhì)點(diǎn)波形圖像的分析可以預(yù)判錨桿注漿情況。

圖1 錨桿檢測(cè)分析圖

3 隧道錨桿無損檢測(cè)工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

葛干隧道為宣城至績(jī)溪高速鐵路單洞雙線隧道，隧址下伏基巖為鈣質(zhì)頁巖，巖體較完整，邊墻采用普通φ22 mm 砂漿錨桿。本文錨桿無損檢測(cè)對(duì)象選擇此隧道進(jìn)口段邊墻砂漿錨桿，檢測(cè)儀器選擇RSM-RBT(A)型錨桿無損檢測(cè)儀。每次測(cè)試時(shí)，對(duì)隧道內(nèi)的同一錨桿進(jìn)行3 次敲擊試驗(yàn)，試驗(yàn)樣本量90 個(gè)。通過對(duì)錨桿檢測(cè)圖像波形進(jìn)行分析，可以得到錨桿的注漿密實(shí)情況，進(jìn)而能夠得到現(xiàn)場(chǎng)錨桿的錨固質(zhì)量，對(duì)各種注漿質(zhì)量下的波形進(jìn)行信號(hào)處理可以得到相應(yīng)的頻譜信息。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 檢測(cè)信號(hào)FFT分析

快速傅里葉變換(FFT)是對(duì)時(shí)變信號(hào)分析的常用方式，能夠較好地完成信號(hào)的時(shí)頻域轉(zhuǎn)換，首先對(duì)試驗(yàn)使用濾波軟件進(jìn)行濾波降噪處理，避免高頻雜波對(duì)后續(xù)計(jì)算分析的不良影響。在濾波處理過程中選擇低通濾波，上限截止頻率選擇8 000 Hz。通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可以有效了解不同注漿錨固質(zhì)量下振動(dòng)信號(hào)的頻域特征。當(dāng)前，快速傅里葉變換(FFT)是一種常用的振動(dòng)信號(hào)頻譜分析方法，它通過離散變換成功地解決了傳統(tǒng)傅里葉變換的缺點(diǎn)，極大地降低了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量。錨桿注漿效果較好的典型波形圖像和FFT 計(jì)算結(jié)果如圖2 和圖3 所示，錨桿注漿效果較差的典型波形圖像和FFT 計(jì)算結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖2 注漿效果較好的典型圖像（一）

圖3 注漿效果較好的典型圖像（二）

圖4 注漿效果較差的典型圖像（一）

圖5 注漿效果較差的典型圖像（二）

通過對(duì)注漿效果較好與較差的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，由圖2 和圖3 可以知，在水泥漿液能夠?qū)㈠^桿較好包裹的條件下，外部激勵(lì)在一維桿件中衰減較為明顯，入射彈性波衰減較快，因此，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)得到的實(shí)際振動(dòng)波形較為規(guī)則平滑，一般不會(huì)出現(xiàn)奇異點(diǎn)等圖像，衰減趨勢(shì)較為明顯；同時(shí)在此條件下，F(xiàn)FT 計(jì)算結(jié)果一般是呈現(xiàn)單峰圖像，振動(dòng)信號(hào)的能量較為集中，主要集中在主頻附近，所得振動(dòng)信號(hào)主頻主要集中在4 000~5 000 Hz。

由圖4 和圖5 可以發(fā)現(xiàn)，在水泥漿液能夠?qū)㈠^桿較差包裹的條件下，由于錨桿注漿效果較差，在軸向方向上存在不規(guī)則的缺陷，外部激勵(lì)產(chǎn)生的彈性波在注漿缺陷處會(huì)發(fā)生較為復(fù)雜的發(fā)射、折射等現(xiàn)象，入射彈性波衰減較為復(fù)雜。因此，所得圖像波形常出現(xiàn)奇異點(diǎn)等不規(guī)則圖像，波形走時(shí)較不規(guī)則，圖像較紊亂。同時(shí)在此條件下，振動(dòng)信號(hào)的FFT 計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)雙峰、多峰等現(xiàn)象，振動(dòng)信號(hào)的能量分布較為分散，振動(dòng)信號(hào)主頻的離散程度也相對(duì)較大。

4.2 檢測(cè)信號(hào)S 變換分析

由于在FFT 分析中，計(jì)算結(jié)果的頻率與時(shí)間的關(guān)系無法直接體現(xiàn)，S 變換在吸收了傅里葉變換和小波變換的優(yōu)點(diǎn)，其利用可變尺度的窗函數(shù)，計(jì)算結(jié)果能夠反映出時(shí)域與頻域的關(guān)系，能夠較好地反映信號(hào)的局部特征。對(duì)注漿效果較好的錨桿進(jìn)行S 變換分析，結(jié)算結(jié)果如圖6 所示。由計(jì)算結(jié)果可知，在頻率譜方向上，頻帶分布相對(duì)較集中，主要頻帶范圍較窄，信號(hào)能量比較集中，其他頻帶的信號(hào)能量很弱。在時(shí)間譜方向上，所得信號(hào)時(shí)域主要分布在0~1.20 ms 范圍內(nèi)，信號(hào)能量衰減較快，在1.20 ms 后圖像基本不再發(fā)生變化。

圖6 注漿較好錨桿時(shí)頻分析圖

對(duì)注漿效果較差的錨桿進(jìn)行S 變換分析。由計(jì)算結(jié)果可知，在頻率譜方向上，主頻頻帶較寬，能量集中不明顯，部分算例出現(xiàn)了較為紊亂的能量團(tuán)。在時(shí)間譜方向上，信號(hào)能量隨時(shí)間衰減較慢，存在強(qiáng)弱不均等現(xiàn)象，離散程度較高。上述現(xiàn)象是由于彈性波在傳遞過程中在注漿空洞處發(fā)生了復(fù)雜的反射、繞射等現(xiàn)象，使彈性波能量在桿體內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)不規(guī)則的能量團(tuán)。

5 結(jié)論

1）對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT 分析，注漿較好的錨桿FFT 計(jì)算結(jié)果一般是呈現(xiàn)單峰圖像，振動(dòng)信號(hào)的能量較為集中，主要集中在主頻附近，所得振動(dòng)信號(hào)主頻主要集中在4 000~5 000 Hz。注漿效果較差的錨桿FFT 計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)雙峰、多峰等現(xiàn)象，振動(dòng)信號(hào)的能量分布較為分散，振動(dòng)信號(hào)主頻的離散程度也相對(duì)較大。

2）對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行S 變換，注漿效果較好的錨桿在頻率譜方向上，頻帶分布相對(duì)較集中，主要頻帶范圍較窄；在時(shí)間譜方向上，信號(hào)能量隨時(shí)間衰減較快。注漿效果較差的錨桿，主頻頻帶較寬，能量集中不明顯。在時(shí)間譜方向上，信號(hào)能量隨時(shí)間衰減較慢，存在強(qiáng)弱不均等現(xiàn)象。

3）在葛干隧道的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，分析檢測(cè)信號(hào)的波形走時(shí)圖像的同時(shí)，綜合對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果的FFT 變換、S 變換頻譜特征判斷錨桿注漿狀態(tài)，可以有效地判斷注漿效果及錨桿錨固效果，為錨桿檢測(cè)提供了有效的數(shù)據(jù)支撐，應(yīng)用后實(shí)際檢測(cè)效率提高了31%，顯著提高了錨桿檢測(cè)效率，可為類似工程提供借鑒。