锚杆无损检测在高速公路隧道中的分析与应用

陈斌强

摘 要：锚杆支护已日益成为岩土工程加固的主要方法之一，基于一维弹性波理论的锚杆无损检测丰富了锚杆锚固质量检测的方法，其操作简单方便，结果准确可靠。文章结合工程实例，分析在高速公路隧道中的应用切实可行，值得大力推广。

关键词：隧道；锚杆；无损检测

1 引言

在隧道开挖支护等施工工艺中，锚杆支护成为最常用的支护方式之一。锚杆施工到岩土体内与岩土体形成一个新的复合体，从而使得岩土体自身的承载能力大大加强，故其施工质量对整个隧道的安全有着重大的意义。锚杆检测传统的方法是“拉拔法”，但是拉拔属于破坏性试验，且操作麻烦，对于隧道拱顶的锚杆拉拔难以实现。而基于一维弹性波理论的锚杆无损检测，操作方便，隧道内任意位置均可检测，且方便快捷，不影响施工进度。

2 检测基本原理

2.1 锚杆无损检测研究发展

锚杆施工质量检测的研究很早就开始了，上个世纪八十年代初，瑞典的相关研究人员已经开始开发了锚杆锚固质量无损检测仪器Boltometer。仪器原理是从锚杆外露端头激发一次超声波，同时在此端头用一个传感器接收从锚杆另一端头反射回来的超声波，而注浆密实度是根据从锚杆底部端头反射回波的幅值评价。上世纪八十年代，我国铁道科学院曾在效仿瑞典Boltometer检测仪的基础上，采用能量相对稳定的激振，改进研制了M-7锚杆检测仪。到2009年出台了两本锚杆无损检测技术规程，标志着锚杆无损检测技术正式步入成熟阶段。

2.2 工作原理

当工程的结构构件的尺寸为圆柱体且其直径d远远小于其长度L时，即L>>d，则此构件完全可以作为弹性波中的一维杆件理论分析处理。锚杆是钢筋与锚固材料胶结在一起，与周围围岩（土）存在较大的弹性波波阻抗差异，因此，应用弹性波理论对锚杆进行无损检测，可以视锚杆为一维弹性杆件，用一维弹性杆件来检测分析锚杆的质量，即钢筋与锚固材料的胶结质量、锚固材料与围岩（土）的胶结质量（也就是锚杆的密实度）及锚杆的长度。当锚杆锚固体系存在波阻抗（Z=PVA）差异的界面时（如空浆、欠密实、欠长度等），弹性波在该界面将发生反射。根据检测到的反射信号的频率、幅值及反射波的时间等特征，可以确定锚杆的锚固状态及施工缺陷。

2.3 弹性波传播机理与杆系波速

弹性波在工程锚杆中传播时，弹性波的能量分成了两部分向前传播，一部分沿锚杆传播，其频率较高，但衰减较快；另一部分沿锚固体传播，其频率较低，能量衰减较慢，最后经杆底或缺陷反射到传感器，被接收的是经锚杆和锚固体传播的混合波，混合波的速度高于锚固介质，低于锚杆。按照弹性波在粘滞弹性介质中传播的理论，传播速度不仅取决于材料的力学性质，还与弹性波的频率有关。所以，锚杆的杆体波速与杆系波速是不同的，一般杆体波速高于杆系波速，波速差异的因素与声波波长、锚杆直径、胶粘物厚度、胶粘物波速及声波尺度效应等有关。因此锚杆长度计算时采用的波速平均值应考虑密实度的影响。由于杆系平均波速受多方面因素的影响，尚无法准确地确定与密实度的关系，但在实际检测工作中应考虑杆长检测精度与密实度有关。

3 锚杆锚固质量评价

3.1 锚杆长度

锚杆杆体长度不小于设计长度的95%，且不足长度不超过0.5m，可评定锚杆长度合格，反之不合格。

3.2 锚固密实度评价

当锚固体存在严重的空浆段时，可通过空浆段的长度计算其锚固密实度，否则通过反射波与入射波的能量对比进行锚固密实度的计算。

4 工程实例分析

广东韶关某高速公路隧道工程按新奥法原理进行洞身结构设计，以系统锚杆、喷射混凝土、钢筋网、钢架组成初期支护与二次模筑混凝土相结合的复合衬砌形式。在Ⅲ围岩区域，初期支护采用3m长，Φ22药卷锚杆；Ⅳ围岩区域初期支护采用4m长，Φ25中空注浆锚杆。下面结合典型波形图进行分析。

4.1 自由锚杆分析

自由锚杆就是置于空气中的锚杆，由于弹性波振动能量不会向空气透射，因此弹性波在锚杆顶端和底端之间来回反射，能量衰减较缓慢，底端反射波与入射波相位相同，波形相似。在工地材料仓库内，对Φ22药卷锚杆和Φ25中空注浆锚杆这两种类型的锚杆在自由状态下进行了测试，实测波形图如图1、图2所示。从图中看出杆底反射信号非常明显，幅值大于入射信号，这也验证了一维弹性理论中两端自由时的理论。且在后续波形中也很清楚地看到2次、3次的杆底反射信号。

图1 Φ25中空自由锚杆波形图 图2 Φ22药卷自由锚杆波形图

4.2 锚固质量好的锚杆

锚杆施工后，锚固质量好表现为杆体与浆液胶结较好且均匀，无空浆现象，注浆密实达90%以上。实测波形特点为入射波能量衰减快，几乎呈指数衰减态势，但杆底反射微弱或无反射，波形最后甚至回归基线，频谱集中且为单峰。典型波形如图3所示。

图3 锚固质量好的锚杆波形图 图4 锚固欠密实的锚杆波形图

4.3 锚固欠密实的锚杆

锚杆施工后，由于浆液不达标造成锚固强度低，但无空浆现象，注浆密实度，一般为75%～90%之间。实测波行特点为入射波能量衰减较快，一般有清晰的底端反射，杆底反射与入射波相似且幅值较大。典型波形如图4所示。

4.4 存在空浆缺陷的锚杆

锚杆施工过程中，由于注浆时出现漏浆、空浆等情况，造成锚杆的锚固局部不密实或空洞等缺陷段。在缺陷部位截面面积减小，造成波阻抗减小，入射波在此临界面将出现反射波，在时间域信号上表现为相位变化，波幅叠加，而缺陷的严重程度与反射波的幅值相关。典型波形如图5所示。

5 锚杆无损检测中注意事项

（1）在锚杆测试前应尽量多收集资料，了解隧道地质情况、锚杆类型，施工工艺等。（2）测试前先测试自由状态下的锚杆，了解应力波在该种材质的锚杆中的传播波速。（3）锚杆外露长度不宜过长，确保锚杆头平整、干净，传感器与锚杆头粘结牢靠，且垂直于锚杆头。（4）检测过程中停止施工，避免噪音振动等干扰；采集波形光滑，不应毛刺，避免高频振荡，并且一致性好。（5）对实测信号进行分析时，充分考虑到锚固密实程度对波速的影响。并结合声时、幅值、波形衰减的形态特征、频谱等综合分析，使得解译的结果更为准确可靠。

6 结束语

随着高速公路的大量建设，隧道锚杆无损检测解决了传统锚杆检测方法单一的局面。以面的方式检测隧道成环状的锚杆锚固质量，可以和锚杆拉拔试验互为补充，无损检测为面，拉拔试验为点，为支护工程施工质量建立起有力的保障，值得大力推广。

参考文献

[1]尹程.隧道锚杆无损检测技术在长基岭隧道的应用研究[Z].

[2]黄华林，等.锚杆锚固质量无损检测技术研究[Z].