PST和CT检测技术在青东5块透空式进海路工程中的应用

姜则才

摘要：青东5块产能建设工程透空式进海路，在施工过程中，部分盖梁受到了船舶的撞击，造成不同程度的损伤。为确保桥梁结构质量，需要对损伤桥桩及盖梁进行检测以确定其损伤程度，并决定如何处理。而常规桥梁检测中的外观检查、回弹仪检测和小应变检测等方法均无法实现检测目的，采用PST成桥桩病害检测和CT检测等无损检测技术，对损伤桥桩及盖梁进行检测分析并提出合理的处理意见，实施后保证了桥梁结构质量安全。

关键词：PST、CT检测技术；青东5块；透空式进海路；应用

1 前言

青东 5 块新区产能建设地面工程拟建滩涂道路、透空式进海路及滩海陆岸平台一座。项目地处山东东营莱州湾西部极浅海海域，透空式进海路起点为青东5深水段实体进海路桩号K6+180处，终点与青东5滩海陆岸平台相接，桩号K8+472.95，全长2.29km。其中K6+180～K8+370 段采用跨度10m 的管桩桥涵式结构进海路。

在施工过程中有三架盖梁曾遭受船舶撞击，受到不同程度的损伤。为确保桥梁结构安全，需要对损伤桥桩及盖梁进行检测以确定其损伤程度并决定如何处理。常规桥梁检测中的外观检查、回弹仪检测和小应变检测等手段均无法实现检测目的，因此采用了PST成桥桩病害检测和CT检测等无损检测技术对损伤桥桩与盖梁进行检测。

根据现场损坏程度，我们选择了第58、第59及第210排三个盖梁和第210排的左、中、右三根桩进行检测试验。盖梁长9m，宽1.8m，高1.3m，混凝土强度等级为C50。桥桩为高强度预应力混凝土管桩，管桩直径1.2m，管桩壁厚12.5cm，混凝土强度等级为C80，管桩在盖梁施工前就已进行填芯混凝土的浇筑。盖梁与桥桩的损伤情况如下图1～图4。

2 检测方法及其技术特点

此次检测主要针对被撞混凝土盖梁和桥桩的混凝土强度和撞击影响范围。盖梁检测采用混凝土CT技术，桥桩检测采用PST成桥桩检测技术，对第210排的中桩截面同时也进行CT检测。

2.1 桥梁混凝土CT检测

CT检测是以二维截面为单位，将三维结构分解成二维的组合，再将二维的结果合成为三维的结构。CT技术通过对混凝土弹性波速成像，可以了解混凝土的结构完整性、密实性和强度分布，用于混凝土的质量和损伤影响评价。该方法分辨率高、可靠性好、图像直观，可有效解决工程病害评价问题。

混凝土CT检测技术的技术特点是以混凝土的波速作为质量评价的定量指标，波速与弹性模量、强度、密实性正相关，低波速异常与疏松、缺陷、损伤有关。它的突出特点是能检测出混凝土结构内部的缺陷和损伤。

2.2 PST成桥桩病害检测

PST是基于声波散射的成桥桩检测技术，专为具有上部结构的桥桩无损检测开发的，它能有效区分上部结构的反射波与桩身缺陷的反射波，实现对桩体结构、缺陷与基础结构成像，用于评价桩体损伤的部位和程度，适用于声速管和小应变不能胜任的工况。

PST检测方式沿桩侧面布置多道检波器，根据记录波场中上行波、下行波，进行波场分离，分别进行偏移成像。

桥桩损伤检测将PST技术与CT技术相结合，用于各类桥桩损伤部位与损伤程度的检测，它具有如下独到的特点。

· PST技术通过使用16通道的接收电缆，记录桩体中上行波、下行波传播的时间-空间特征；

· PST技术有效地区分和分离出上行波与下行波场，分别对上部结构与下部结构及其损伤部位成像；

· PST技术可检测桩体混凝土强度、变截面、损伤部位、桩长以及基础地质结构；

· PST设备可对桩体截面进行CT成像，通过图像提取展现桩体中的宏观与微观损伤裂隙分布，精细地判断桩体的损伤程度。

3 检测仪器和观测布置

混凝土CT和桥桩PST检测均采用北京同度工程物探技术公司开发的PST成桥桩检测仪，PST 仪器配置16通道，配有检波电缆，电缆内检波器间距25cm。

3.1 检测仪器

仪器及配套见下表1中PST检测仪器。

3.2 观测布置

盖梁CT 的检测布置是将检波电缆布置在盖梁上边缘，敲击点布置在下边缘与两端。检波器间距25cm，敲击点间距也是25cm。为保证射线的正交性，在两端补布检波器，在下边缘补充敲击点。观测布置点如下图6～图8。

第210 排中间桩体截面的CT检测，检波电缆围绕桩身一圈，在电缆检波之间敲击。完成一圈后，将检波器电缆与敲击点一起移动12.5cm，重复敲击，达到加密检测的目的。检测布置点如下图9。

桥桩检测的布置是检波器电缆紧贴桥桩垂入海水中，电缆底端配有重物，上部固定，使检波电缆靠近桩身。敲击点在检波器电缆上方，距电缆第1 个检波器距离25cm。敲击点距盖梁下界面65cm。检测布置点如下图10、图11。

4 檢测结果及数据分析

试验检测共完成三架盖梁的CT成像，一个桥桩的横截面CT成像和三根桥桩的PST 成像。现分类对检测结果做以分析。

4.1 盖梁的检测结果

本次检测三架盖梁，分别为第58、第59和第210排。按照外观受损的严重程度排序，第210排被船舶撞击最严重，第59排被船舶撞击次严重，两者目视均有可见破损、缺失、裂缝，第58排外观无明显损坏。三架盖梁的波速CT图像依次如下图12中，其中第59排因外观破损少检测了1m。

混凝土CT的工程解释遵循下列原则：图像中红色为高波速区，波速4300m/s以上，黄色为中高波速区，波速在4000m/s-4300m/s之间，这两种颜色的区域混凝土密实完整，混凝土强度达到C50标准，未受撞击影响。绿色区为中等波速区，波速在3400m/s-4000m/s之间，混凝土强度达到C40 标准，未受撞击影响；天蓝色区域为低波速区，波速在2000-3400m/s之间，混凝土强度低于C20-C30，属于低强度区，浇筑质量偏低；蓝色与深蓝色区域为松散混凝土区，波速低于2000m/s，为裂缝与微裂隙发育区。其中波速在1000-2000m/s的区域为微裂隙发育区，外观看不到宏观裂缝，但波速明显偏低；波速低于1000m/s的区域为裂缝发育区，肉眼可现明显的宏观裂缝。根据上述判别原则，对3 架盖梁的CT检测结果做出如下解释判断。

4.1.1 第58 排盖梁：

第58 排盖梁CT图像长9m，高1.3m。图中90%以上的区域都是红黄色区，少量绿色区，未见天蓝和深蓝色区。该盖梁混凝土基本密实完整，混凝土强度达到C50标准，没有损伤痕迹。

4.1.2 第59 排盖梁：

第59 排盖梁的CT 图像长8m，高1.3m，右端由于外观破损少检测了1m。梁体中部混凝土强度较高，完整性好，波速4000m/s以上，混凝土强度达到C50 标准；梁体两端的面积都是绿色区域，波速在3400-4000m/s 范围，混凝土仅达到C40标准，强度稍低，但混凝土较均匀，检测部分未见损伤痕迹。该盖梁的桩体支撑部位未见低速区，外观破损不影响承载力。

4.1.3 第 210 排盖梁：

第210排盖梁的CT 图像长9m，高1.3m。图像反映混凝土结构极不均匀。梁体左部5.5m范围内，混凝土强度较高，完整性好，波速4000m/s 以上，没有损伤痕迹；梁体右端3.5m范围内，波速低于2000m/s，说明混凝土内部有微裂隙发育，混凝土结构松散，特别是右下角1.5m范围内，波速低于1000m/s，外观有宏观裂缝。第210排盖梁右端3.5m的范围为撞击损伤影响区，梁体右角明显撞击开裂。梁体损伤影响区约占梁体长度的40%，建议对该盖梁进行更换。

4.2 截面 CT检测结果

对第210 排中间位置的桩体进行了一个截面的CT 检测试验。截面位置在盖梁下方0.55m处。截面CT 图像如下图13。从该图像中可以清楚地看到，桩体中心区的波速比边缘低。边缘混凝土的波速，在4000m/s 以上，达到了C80标准。中心区的波速在2800-3500m/s 范围。在桩体正北方和东南方向存在低速区，波速低于2800m/s，表明桩体的外壳已遭到损伤，与PST 检测发现有损伤的是同一根桩。

4.3 PST成桥桩检测结果

本次检测第210排盖梁下的三根桩，按位置命名为右、中、左桩。桩体地上高度6～7m，直径1.2m，为空心桩，桩内已用混凝土填充。三根桩的偏移图像与上行波数据分别如下图14～图16。

三根桩的结果对比如下图17，桥桩检测结果解释原理如下：PST 检测提供的是桩体结构的偏移图像，图像的原点是盖梁和桩的交界面。纵坐标是从交界面算起的深度。不同深度上的横向线条表示反射界面的位置，线条横向的长度表示界面反射强度的大小。线条长表示反射强，界面两侧差异大。线条红色表示介质波阻抗变大、刚度上升的界面，蓝色表示波阻抗变小、刚度下降的界面。偏移图像中波阻抗变化的界面包含多种物理对象，结构缺陷、裂缝、桩身截面积变化、桩体周围地层界面等都在偏移图像中有所反映。根据PST 图像进行结构缺陷解释时，首先根据设计资料排除桩体结构变化界面，再根据地质资料排除地层界面，除去这些反射界面之后，余下的基本都是结构损伤界面。本次检测的桩身结构比较简单，都是预制压入的单桩，桩之间没有系梁，下部结构的正常反射只有桩底。虽然桩周围的地质资料不清，但因为桩位接近，可以将3根桩的偏移图像放在一起进行分析比较，确定地层反射界面的位置。

根据上述解释原则，对图17中的3根桩的偏移图像进行分析和比对可以发现一些共同的特点。

4.3.1 上图17中3 幅偏移图像中最上部的蓝色反射界面在2m处，为水面的位置；

4.3.2 上图17中3 幅图中最强的反射界面位于6.5m处，是海底界面的反射；

4.3.3 上图17中海底界面以下，还存在9组反射界面，这些界面在3 根桩的图像中位置是一致的，推断为地层界面；

4.3.4 桩底界面的反射在24m左右，其中左侧和中间的两根桩底界面很清楚，右侧的桩底界面不清楚。

上述分析比较确定了结构与地层的反射界面位置，剔除这些共同的反射界面后可以发现，中桩在3.0m的位置还存在一个较强的反射面，其它两根桩在这个位置上无反射。该反射面具有先蓝后红的特点，推断该处存在损伤面。检测时损伤面在水下1m 位置，即距离盖梁和桩的交界面3m处。

5 检测分析结论和建议

综合盖梁CT检测、PST 桥桩检测和桥桩截面CT 检测的结果，可以得出如下结论：

（1）第210排盖梁右段3.5m長度内遭受了撞击损伤，混凝土波速低于2000m/s，存在微裂隙与宏观裂缝，混凝土遭受了破坏；

（2）第210排中间位置的桩体，在距盖梁3.0m 的位置存在损伤，截面CT 的检测结果也证明该桩体外壳遭受损伤；

综上所述，建议对第210排盖梁进行更换，对中桩进行加固、修补处理。

6 结束语

按检测意见，对第210排盖梁拆除后重新进行了浇筑，并对第210排中间桩基进行了加固处理，处理后经过检测达到了合格标准，确保了桥梁结构安全，取得了成功应用。

综上所述，PST成桥桩病害检测以及混凝土桥梁CT检测技术应用到桥梁施工质量控制、运营桥梁的运维保诊断及病害治理效果评价等各个环节，都将发挥特殊的作用，具有独特的技术优势。

参考文献：

[1]《在役桥桩病害导波无损检测的数值模拟与实验研究》，中国知网，中国地质大学（北京），李学军；

[2]《CT检测技术及其资料分析在混凝土结构检测中的应用》，中国知网，聊城市建设工程质量监督站，陈瑞云；

[3]《冲击弹性波技术在水工混凝土结构无损检测中的应用研究》，中国知网，中国水利水电科学研究院，孙其臣。