应力波反射法在杭州市第二水源千岛湖配水工程锚杆检测中的运用分析

高海峰，刘晓远，付 磊

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.乐清市水利局，浙江 乐清 325600）

1 问题的提出

杭州市第二水源千岛湖配水工程输水线路长112 km，以输水隧洞为主。该工程输水线路长，且围岩类型复杂，地下水系丰富，工程布置锚杆数量众多，达80多万根。锚杆在复杂环境下，易受地下水侵蚀而产生锈蚀，从而失去锚固作用，影响隧洞支护体系的结构安全。因此，加强锚杆锚固质量控制非常必要。

锚杆锚固质量常规检测方法是通过拉拔试验检测锚杆的拉拔力。拉拔法是一种破坏性的检测方法，而且工作量大、操作不方便，只适合对少量的描杆进行抽查，不适用于大范围的普查[1]。此外，抗拔力不能完全反映锚杆的锚固状态，对于锚固较好的锚杆只要锚固段长于钢筋直径的40倍或高强钢筋的42倍时，拉拔力不在随锚固长度增加而增加[2]，因此锚杆拉拔力试验不能全面、客观地反映锚杆锚固长度和注浆密实度。为更加快速、便捷、准确的批量检测锚杆质量，该工程采用应力波反射法检测锚杆注浆质量及锚杆长度。

2 检测原理

应力波反射法主要理论模型为一维弹性杆，当给予杆件一个激振声波信号，实测锚杆加速度或者速度响应曲线，依据波动理论进行分析，评价锚杆锚固质量[3]。

锚杆杆体为均匀介质，与周围砂浆包裹层、岩土层的波阻抗存在一定差异，两者的波阻抗差异越大，模型越接近理论模型。实际工程中，由于包裹介质不同的包裹厚度、配合比、强度、密实度等都会产生不同的波阻抗，对锚固段波速影响较大，检测前应做室内模拟试验[4-5]。

3 室内模拟试验

室内模拟试验主要测定裸杆波速，同时率定仪器参数设置以及检验仪器对锚杆缺陷位置及锚杆密实度判定的准确性。中国科学院武汉岩土力学研究所的刘明贵研究员等人[6-8]，利用自制的RSM智能仪器，做了大量的现场试验和理论研究，研制的锚杆无损检测系统在三峡工程中得到应用。本次模拟试验仪器采用的是RSM-RBT锚杆质量检测仪。

3.1 裸杆试验

选取1根长2.00 m的Ф25钢筋进行试验，杆体波速设定为5 150 m/s，试验采集6次，检测结果见图1。

由图1可看出各波形杆底反射明显，通过时域反射波法来确定锚杆长度。实测锚杆长度为2.00 m，与实际锚杆长度一致，且反射波波形有规律性衰减，说明设定的杆体波速合理，锚杆实际的传播速度和理论值几乎一致。

图1 2.00 m长锚杆裸杆检测曲线图

3.2 室内标准件试验

制作4根钢筋长1.60 m的Ф25钢筋标准件，采用长1.50 mPVC管模拟孔道，灌入M20砂浆。标准件设置为：①密实度100%完全锚固锚杆I，钢筋外露0.16 m，管内钢筋长1.44 m。PVC管内砂浆完全包裹密实；②密实度50%锚固锚杆II（中部缺陷0.70 m套软管，距PVC顶端40 cm）。钢筋外露0.18 m，管内钢筋长1.42 m。PVC管内砂浆完全包裹密实；③密实度75%锚固锚杆III（中部缺陷0.33 m套软管，距PVC顶端52 cm）。钢筋外露0.20 m，管内钢筋长1.40 m。PVC管内完成砂浆包裹密实；④密实度90%锚固锚杆IV（底端缺陷0.15 m套软管）。钢筋外露0.19 m，管内钢筋长1.41 m。PVC管内完成砂浆包裹密实。标准件设置具体情况见表1。

表1 标准件设置表

7 d后对I ～ IV锚杆进行检测，检测后的锚杆波形见图2 ～ 8。

图2 I号锚杆检测曲线图

图3 II号锚杆检测曲线图

图4 III号锚杆检测曲线图

图5 IV号锚杆检测曲线图

从图2 ～ 5可看出，I号锚杆波形规则，呈快速衰减，持续时间短，有较明显的杆底反射。II号、III号、IV号锚杆分别距离杆头0.80 ～ 1.50，1.00 ～ 1.30，1.25 ～ 1.40 m处均有明显缺陷反射曲线，波峰也不按指数曲线衰减，同时杆底均出现较为明显的杆底反射。

4根锚杆检测波形图中的缺陷位置及砂浆密实度检测成果与杆件设置基本吻合，模拟效果较好。但4根锚杆杆系实测波速为3 900 ～ 4 300 m/s，与类似工程实际波速差异较大。分析认为造成差异的主要原因为模拟杆件与工程实际锚杆的边界条件不一致导致。本次模拟的杆件为直径20 mmM20砂浆包裹的杆系，而实际工程锚杆杆系为砂浆及外围岩土层胶结形成的密实半无限体，能较快的吸收能力和传播速度，同时杆底反射不明显。而模拟杆件砂浆包裹量有限且砂浆强度一般，杆系传播速度较慢。另一方面，由于室内条件限制，模拟杆件只有1.60 m，与现场锚杆实际长度4.50 m及锚固长度差距较大，对检测带来一定的影响。因此要通过现场试验来确定锚杆杆系波速。

4 现场试验

杭州市第二水源千岛湖配水工程III类、IV类围岩采用长4.50 m、直径Ф25锚杆进行锚固。在隧洞现场选取4根约4.50 m长锚杆进行现场样杆试验，检测结果见图6 ～ 9。

被检4根锚杆都是密实度100%的密实杆，锚杆均呈指数快速衰减，杆底均无明显的反射，实测波速为4 900，4 700，4 850，4 650 m/s。可见该工程全密实杆波速不是定值，而有一定的波动范围，数值为4 600 ～ 4 900 m/s。若不是密实杆，其波速值更小，结合室内标准件试验成果分析，该工程锚杆锚固段波速分布在4 450 ～ 4 900 m/s。

分析室内试杆跟现场试杆检测波形图不难发现，室内试杆有明显的杆底反射，而现场试杆杆底均无明显反射，同时室内试杆收到多次反射曲线，而4根试杆只收到1次反射，试验结果也验证了工程实际锚杆为砂浆及外围岩土层胶结形成的密实半无限体，能较快的吸收能力和传播速度，同时杆底反射不明显的结论。

图6 现场1#样杆波检测曲线图

图7 现场2#样杆波检测曲线图

图8 现场3#样杆波检测曲线图

图9 现场4#样杆波检测曲线图

5 工程运用

5.1 全密实锚杆检测波形

结合上述4根试杆和现场1#密实杆检测曲线（见图10）、2#密实杆检测曲线（见图11），全密实杆波形均有规律地呈指数快速衰减，杆底均无明显的反射或有一点微弱的反射。

图10 现场1#密实杆检测曲线图

图11 现场2#密实杆检测曲线图

5.2 不密实锚杆检测波形

不密实锚杆波形基本规律，一般有清晰的杆底反射，不密实部位波形略有畸变，波峰波谷无明显峰点，呈现扁片状（见图12 ～ 13）。

图12 现场1#不密实杆检测曲线图

图13 现场2#不密实杆检测曲线图

5.3 空浆缺陷锚杆

此类锚杆波形不规律，有清晰的杆底反射，在空浆位置波形畸变或反射明显（见图14 ～ 15）。

图14 现场3#空浆缺陷杆检测曲线图

图15 现场4#空浆缺陷杆检测曲线图

5.4 外露杆件过长锚杆

锚杆外露杆件过长或孔口不密实，则外露杆体杆底易形成多次强反射，干扰有效信号，影响有效信号识别、判断（见图16），不易分析锚杆实际杆长及缺位位置及大小。因此，现场检测时尽量避免待检锚杆外露过长，若有特殊要求，应进行同类型的锚杆模拟试验。

图16 锚杆外露杆件过长检测曲线图

6 结 语

应力波反射法的确能快速检测锚杆锚固质量，但由于锚杆杆底反射极不明显，且波速分布有一定的范围，一定要通过室内、现场试杆试验，率定仪器参数，确定波速范围，以免锚杆长度误判。同时，尽量避免外露锚杆过长带来的干扰。应力波反射法对锚杆锚杆长度的判断仍存在一定的不确定性，所以在施工过程中还必须加强施工工程的监控，切不能全依赖检测，而忽视施工过程的管理与监督。