冲击弹性波法在辽宁长大隧道二衬质检的应用

刘政金

(辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

大量的理论研究与工程实践表明，水工隧道二衬脱空问题对隧道的永久运行埋下了巨大安全隐患。初期支护在隧道施工期间只是起到临时支护作用，隧道二衬则是工程运行的永久结构，承载着周围岩体的松散压力[1- 3]。二次衬砌能否结合固结灌浆、回填灌浆与周围岩体形成整体，至关重要。因此，二次衬砌背后的脱空检测是必须开展的[4]。目前，常用的检测方法分为有损检测与无损检测2大类。有损检测如通过在已衬砌部位钻芯，特点是效率低、代表性差、取后需修补，破坏其整体性；无损检测如冲击弹性波法、地质雷达法等，特点是效率高、可多组检测、分辨率高、不必破坏已衬砌结构[5- 6]。2类方法各有优缺点，有损检测虽检测结果直观、可靠，但其检测效率低下，且破坏了衬砌结构整体性，无损检测虽检测效率高、但其检测结果的准确性不如有损检测高，有时候需要依赖工程人员的工程经验，2种方法应辩证使用[7]。

1 二衬脱空危害及防治措施

1.1 二衬脱空危害

导致隧道二次衬砌脱空的原因可能有很多种，如紧前工序的初期支护面不平、型钢钢架背后喷射混凝土不密实、拱部预埋管不到位、补注浆不到位、液压钢模衬砌台车撑靴支撑不牢固、泵送口角度不合理、地泵压力不足、振捣不密实等。无论何种原因造成的隧道二衬脱空结果，都将会对隧道的安全运行产生极大的隐患[8]。

常规拱部设计不配置钢筋，一方面二衬顶拱脱空时，拱部可视为弯矩部位，由于脱空受拉，可导致开裂、渗水、钢筋腐蚀等现象，进而导致永久结构的破坏。另一方面衬砌混凝土的脱空，使得围岩失去应有的支撑，可增大徐变，造成岩体松弛，对洞室稳定极为不利。因此，需要对已完隧道二衬部位及早进行混凝土缺陷及脱空检测，及时发现问题、解决问题，只有这样才能使隧道长期、安全发挥正常使用功能[9]。

1.2 二衬脱空防治措施

隧道的很多部位属于隐蔽工程，工程完工后，短时期内很难通过外观发现质量问题，这样就需要建设者在施工过程中严格控制质量，才能满足设计对使用功能的要求。

(1)开挖阶段采用钻爆法施工时，需要根据不同围岩地质条件，科学合理设计爆破参数并结合爆破效果不断优化爆破参数，保证开挖断面符合设计质量要求。

(2)严格执行技术交底制度，在初期支护时设置好喷射混凝土厚度，施工过程中，严格控制初期支护厚度及喷射混凝土表面平整度。

(3)防水板安装时应保证松紧有度，严格按照设计要求布置固定点、相互间搭接长度，并施工到位。

(5)严格按照混凝土施工规范开展施工，严控浇筑工序、振捣质量等关键工序。

鉴于二衬脱空的危害性，在加强施工过程质量控制的同时，需要及时跟进质量检测，尤其是对结构不产生破坏的冲击弹性波无损检测方法的应用，隧道的质量控制显得尤为重要。

2 冲击弹性波法

2.1 弹性波的反射特性

弹性波在不同介质边界发生反射现象，这是隧道二次衬砌混凝土脱空检测所需要的。当弹性波遇结构材质变化或截面变化时，一般反映为机械阻抗变化：

z=ρ·c·A

(1)

式中，z—机械阻抗；ρ—结构材料质密度；c—弹性波传播速度；A—断面横截面积。

在机械阻抗发生变化的界面上，传播的弹性波将产生反射和透射现象[11- 12]。如图1所示。

图1 机械阻抗面变化时的反射和透过示意图

界面上，物体内部弹性波产生压力和粒子速度保持连续，则有：

P1+P3=P2

(2)

v1+v3=v2

(3)

若仅考虑一维情况，压力P可表示为：

基于OCS调制的可调谐多倍频毫米波信号发生器的结构如图1.方案中使用光场为 Ecexp(jωct)的可调谐激光器 (Tunable Laser, TL) 作为光源，射频(Radio Frequency, RF)信号通过一个双驱动马赫增德尔调制器(Dual-driving Mach-Zehnder modulator, DD-MZM)调制到光载波上.调节DD-MZM参数，使其工作在最小偏置点且两臂的相位差为π，以实现OCS调制.DD-MZM的输出信号的光场Eout表示为

P=EAε

(4)

由P=-ρ·c·A·v=-z·v，可得：

反射波：

(5)

透过波：

(6)

如果将反射波和透过波用振幅率表示，则有：

振幅反射率：

(7)

振幅透过率：

(8)

典型材料阻抗值见表1。由表1可见，就算媒介材料不同，而机械阻抗相同(z1=z2)，也不会产生波动；2种介质机械阻抗差别越大，反射率也越大。

表1 典型材料阻抗值表 单位：106kg/(m2·s)

2.2 同一媒介中有不同夹层情况

一种媒介中夹有其他材料时，在媒介1(z1=ρ1v1A1)和媒介2(z2=ρ2v2A2)交界处会产生透过和反射情况。有夹层时弹性波的反射示意图如图2所示。

图2 有夹层时弹性波的反射示意图

振幅的透过率T为：

(9)

式中，T—振幅的透过率(绝对值)；k2—媒介2的波数；L—媒介2的长度。

同样可以得到振幅反射率的绝对值R：

(10)

可见，在有不同媒介介入的场合下，反射(通过)率与频率有关，高频波容易反射；在特定的频率下，反射波消失。

当混凝土衬砌结构中存在厚度为D的脱空时，可视其为夹层。利用式(9)和式(10)，可以计算得到弹性波的反射率。因为空气密度很小、波速很低，其机械阻抗接近零，弹性波对空气夹层很敏感[3- 5]。

图3 脱空检测示意图

3 工程应用

3.1 概述

辽宁省重点输供水工程3段隧洞施工一标2#洞进口衬砌段，Ⅳ类围岩设计初期支护采用C30喷射混凝土设计厚度15cm，然后浇筑40cm厚的C35衬砌混凝土。由于施工过程中桩号C0+020—C0+032段抗浮稳定撑靴移动，为确定是否因为抗浮设施移动造成剥离缺陷，采用冲击弹性波法进行无损检测。如图3所示。

3.2 测试结果

分别选取受抗浮撑靴移动影响和未受任何影响的浇筑块各1个，每个浇筑块设置测点200个，沿隧道径向分20列，每列10个点，对测试数据分别进行IE分析和诱导振动分析。以顶拱为例，其脱空指数等值线云图如图4所示。

图4 混凝土脱空缺陷检测云图

可以看出，沿x轴方向脱空位置位于0.59～0.98m，沿y轴方向脱空位置位于0.22～0.68m，反射线路延长，说明该位置有脱空的可能性，其平面位置与脱空云图一致。

4 结论

(1)混凝土无损检测常用的冲击弹性波法具有能量大、测试距离远且适用于频谱分析等特点，可较为准确地检测混凝土结构内部缺陷。

(2)冲击弹性波法测试范围宽，从数厘米到数米，并可单面测试。波速易标定，受钢筋影响小，测试精度高。

(3)混凝土无损检测技术优点主要体现在不损害结构构件、方便、快捷，缺点是与标准方法(试块)做比较时，有一定误差，需要一定的人为施工经验。

(4)冲击弹性波有更广泛的适用范围，能够准确判定脱空位置及脱空面积，实现由线到面的检测评价，相对于其他无损检测方法更直观。对同类工程有一定的指导意义。