基于单平面UCT技术的综合管廊施工缝缺陷检测研究

郭成超，郭铸锋，马会环，*，常巨成，马军义

(1. 中山大学土木工程学院，广东 广州 510275; 2. 广东省地下空间开发工程技术研究中心，广东 广州 510275; 3. 南方工程检测修复技术研究院，广东 惠州 516007; 4. 白银市城市建设设计院，甘肃 白银 730900)

0 引言

随着城市化进程不断推进，地下空间建设成为城市规划中逐渐重要的布局。现阶段，我国城市地下综合管廊建设面临着需求与安全之冲突。一方面，城市综合管廊在全国范围迅速开展，规模宏大，承担着越来越大范围的城市资源供给任务[1]； 另一方面，城市地下综合管廊的运营管理遭遇严峻考验，地下结构的安全监测问题成为多年的研究热点，其中，因施工缝破坏带来的结构安全问题尤为明显。施工缝是囿于施工工艺及流水安排，无法连续浇筑而形成的结构缝，存在于先后浇筑的管廊节段之间。当施工缝黏结质量较差或内部缺陷明显时，会导致混凝土结构的整体承载能力[2]和防水性能大幅降低，容易发生安全事故。由于综合管廊建于地下空间，施工缝必然要承受土体作用力和渗水压力，结构发生失稳破坏和渗水破坏的可能性大大增加，这对依赖管廊供给的居民的正常生活和人身安全来说，无疑是一种威胁； 对研究管廊结构安全的学者来说，更是一种挑战。

随着工程需求越来越大，地下混凝土结构接缝缺陷检测技术得到不断发展。部分学者提出探地雷达[3]、声呐[4]、红外热成像、激光扫描[5]等结构接缝缺陷检测技术，但上述技术或方法在综合管廊施工缝缺陷检测中应用较少。原因在于： 1)探地雷达由于其主控机体积较大，在侧墙、顶板施工缝检测工作中操作流程繁琐； 探地雷达对钢筋的敏感程度高于蜂窝、孔洞等缺陷，当施工缝存在界面钢筋时其检测效果较差。2)声呐、红外热成像等技术通过监测结构缝渗漏水点位得到内部缺陷位置，其应用前提是施工缝内形成渗流，因此其无法判断无渗流施工缝内部的密实度。

我国规范[6-7]推荐采用超声波脉冲速度(UPV)法检测施工缝内部缺陷。超声波脉冲速度法是无损检测方法(NDT,non destructive testing)[8-11]的一种，其原理为通过测量超声波在已知路径上的传播特征来判断混凝土的相对状态，目前已广泛应用于地下结构工程勘察、灌注桩超声检测、大坝防渗墙质量检测及路桥路面病害检测等领域[12-15]。然而，UPV法存在以下缺点： 1)需要在施工缝测区选取2个相对应的检测面布设传感器。而在混凝土检测中，如综合管廊、沉井井壁等混凝土结构仅存在一个可测量平面的情况非常普遍[16]。在这种工况下，难以在2个相对应的检测面上布置传感器。2)只能通过分析所测UPV数据的变化特征间接获知施工缝的缺陷信息，不能直观地得到缺陷区域的位置和大小，且分析检测结果需要耗费大量的人力和物力[17]。

针对传统超声波脉冲速度(UPV)法的不足，Khazanovich等[18]、Shokouhi等[19]、Choi等[20]在应用超声波计算机断层扫描技术(UCT)[21-22]的基础上，选用单一平面作为测量区对混凝土结构进行质量检测，并取得了良好效果。然而，目前基于单一检测平面的UCT检测技术的应用关注点主要集中在道路、桥梁的分层、裂缝、钢筋腐蚀[23]等病害，对诸如综合管廊等复杂地下结构施工缝质量检测的研究仍在起步和探索阶段，因此需要更多的应用成果对其适应性做进一步验证。

为探讨基于单平面的UCT检测技术在现浇矩形箱式综合管廊施工缝缺陷检测及密实度评价上的应用效果，本文首先将综合管廊中含施工缝的细部节点简化为含水平施工缝及竖向施工缝的混凝土试件，以多通道声发射(AE,acoustic emission)采集仪作为信号采集主控机和单一检测平面布设观测系统，进行施工缝缺陷检测并评价其密实度； 在验证该检测技术的可行性后，对综合管廊缩尺模型中竖向施工缝进行缺陷检测，评价该检测技术的适用性及有效性，以期为类似综合管廊工程提供参考。

1 UCT检测原理

UCT检测思路是先检测出通过被测物体剖面的超声波走时(TOF,time of flight)，然后对声波走时数据处理后导入成像软件，再对测试剖面上UPV的分布情况进行反演。根据施工缝的UPV与其黏结质量间存在明显的正相关关系[24]，可以确定测试施工缝上的缺陷分布情况。

将检测区域的剖面分割成M个单元，剖面内共有N条超声波射线。设Vx,y为二维模型速度分布函数，当成像单元足够小时，由Radon公式可得第i条射线的走时Ti，见式(1)。

(1)

对式(1)求解可得测区内施工缝速度场反演图像及分布曲线，步骤如下：

1)应用反投影技术BPT(back projection technique)计算各单元的初始慢度均值S。

2)应用射线追踪算法获取射线在各单元内的长度和走时。由于采用单一平面作为观测系统，需布设大量的检测射线来提高检测精度，因此，选用的追踪算法为椭圆约束快速射线追踪法[25]。该算法以超声波激发点及接收点为焦点形成椭圆区域，进行射线追踪时优先求解椭圆区域内的离散点。由于椭圆内单元离散点数量远小于整个CT(computed tomography)剖面，因此追踪速率大大提升。

3)结合步骤2)所求得的射线长度及走时，应用SIRT算法校正各单元慢度值Sj。

4)重复步骤2)、3)。当走时误差或迭代次数达到允许值时，停止计算。

采用正演方法[26]求解所需的迭代次数。设置具有软弱层(施工缝)、孔洞缺陷的混凝土试块模型，采用单平面观测系统，通过速度场正演可求得该观测系统下各单元的射线数据。将射线数据导入UCT反演模块中，求解各测区内缺陷分布情况。

预设缺陷模型成像结果如表1所示。当模型预设缺陷类型为施工缝孔洞缺陷时，不同迭代次数下均能获得良好的反演结果； 当模型预设缺陷仅含施工缝且迭代次数为10时，UCT反演结果精度较高。综合考虑检测精度需求及计算机运算能力，最终选取迭代次数为10。

表1 预设缺陷模型成像结果

2 单平面UCT检测可行性研究

为了探讨基于单一平面测量区的UCT检测技术在施工缝缺陷检测中的应用效果，设计了多个内含孔洞缺陷的混凝土施工缝试件，并进行超声波检测。将TOF数据导入UCT成像模块中进行图像重建，获得试件施工缝UPV分布图像。

2.1 试件制备

考虑到标准混凝土立方体试件的外表面面积太小，无法设置足够的传感器探头以形成观测系统，本文设计了4个尺寸为300 mm×150 mm×150 mm的C30混凝土试件。

试件分2步进行浇筑：

1)首先将一半的混凝土浇筑入模，在标准养护室中养护28 d后拆模，此时试件尺寸为300 mm×150 mm×75 mm。

2)对试件进行人工凿毛，并涂刷表面处理剂，如图1(a)所示。选取其中2块试件，在预设的缺陷位置粘贴长11.5 cm的铝制气球，然后1个水平、另1个竖向放置于模具中，并浇筑另一半混凝土，形成含水平或竖向施工缝的混凝土试件。对于另外2个试件，直接浇筑另一半混凝土，不设缺陷。含施工缝的混凝土试件如图1所示。

(a) 试件预设缺陷示意图

(b) 试件浇筑流程

预设缺陷的2个试件分别被命名为含水平施工缝及气球缺陷试件-1(balloon defect specimen-1，简称bd-1)、含竖向施工缝及气球缺陷试件-2(balloon defect specimen-2，简称bd-2)； 无预设缺陷的2个试件分别被命名为含水平施工缝试件-1(construction joint specimen -1，简称cj-1)、含竖向施工缝试件-2(construction joint specimen -2，简称cj-2)。

2.2 试验流程

UCT设备连接示意图及信号采集和处理示意图如图2所示。该检测系统主要包括波形发射模块、高功率放大器、波形存储模块及UCT成像模块等。波形发射模块可以发射不同幅度、不同频率的超声波信号； 高功率放大器可以通过调节发射电压来增加信号的能量和幅度； 波形存储模块具有超声波信号的存储、滤波、旅行时间(TOF)校正、频谱分析等功能。UCT成像模块可以实现基于TOF的测区超声波波速场反演。

(a) 设备连接示意图

(b) 信号采集和处理示意图

UCT观测系统及布设示意如图3所示。采用试件的某一表面作为检测区域。在施工缝两侧放置相同数量的接收传感器，传感器接触面与混凝土试件之间涂抹耦合剂，形成对称分布观测系统(如图3(c)所示)。每次发射超声波时，检测信号同时经过完好区域(即直接从发射端到接收端)和含有缺陷的区域(即从发射端穿越施工缝后到接收端)，能迅速形成高密度、波速对比度明显的检测射线，提高了检测效率和精度。

(a) UCT观测系统

(b) 施工缝检测示意图

(c) 对称分布观测系统

由于高频超声波在穿越大型混凝土构件时容易大幅度衰减，传感器无法接收到所需的信号，考虑到该检测系统的实际应用效果，选用低频、低电压的超声波对小型混凝土试件进行测试。测试中使用的激发信号为40 kHz正弦波(传感器中心频率)，单次激发，发射电压为40 V，AE主机的采样率为3 MHz。超声波发射传感器位于两侧低频接收传感器之间，矩形检测区域的上下两侧以及施工缝两侧布设有超声波激发点。

2.3 可行性分析

单平面UCT试验结果见图4。

(b) 施工缝UPV分布曲线

(c) 施工缝UPV色带图

1)通过傅里叶变换和带通滤波，去除波形文件中频率为5～20 kHz的试验环境噪声。提取每条射线的TOF，导入CT成像模块，得到各试件的UCT反演图像如图4(a)所示。

由图4(a)可知： ①试件bd-1的缺陷面积明显小于试件bd-2，这是由于试件bd-1在浇注过程中气球局部受挤压，形成上下侧密实区。②普通施工缝试件UCT图像右侧出现许多低速区域，这是由于浇筑时间、工艺、振捣时间不同造成新旧混凝土试件强度不一致，在试件内部无明显缺陷的情况下，UCT会反馈强度较低的区域为低速区。

2)求解式(1)可得到施工缝UPV分布曲线(x=70～80 mm，z=0～150 mm，y=0～300 mm)，结果如图4(b)所示。

由图4(b)可知： ①试件bd-1和试件bd-2 UPV变化曲线有明显的下凹端，说明存在明显缺陷区。②各曲线的下凹段长度与实际施工缝内缺陷面积的最大纵向长度接近，误差在4.5 mm内，说明单平面UCT技术在施工缝缺陷检测中精度良好。③试件cj-1和试件cj-2 UPV变化曲线平坦，无明显下凹段； 试件cj-2 UPV变化曲线两端UPV较低，说明该区域施工缝的黏结质量较差，这与上述UCT成像结果一致。④在y=280～300 mm处，试件bd-2、cj-2的UPV最大值与最小值之差大于500 m/s，说明该区域施工缝两侧混凝土强度差异较大，部分混凝土浇筑质量较差，外荷载作用下容易导致局部混凝土破坏或剥落。

3)施工缝UPV色带如图4(c)所示。各试件的色带深浅度对应施工缝中UPV值的密度。色带的颜色越深，相应区间内UPV的数值点越多，占总数值的比例越大。

由图4(c)可知： ①水平施工缝的UPV标准差均大于竖向施工缝，说明水平施工缝黏结质量比竖向施工缝好。这是因为在水化过程中重力作用下水平施工缝试件的新旧混凝土界面内骨料接触密实，黏结力强；而竖向施工缝试件的接缝界面平行于重力方向，缺乏界面法向的挤压力，导致黏结质量较差。②试件cj-1、cj-2施工缝UPV标准差较小，为100～250 m/s； UPV极值较小，分别为790.71 m/s和960.50 m/s； 2 500～3 000 m/s处色带偏暗，没有明显的断续区，整体速度较高，说明试件cj-1和试件cj-2施工缝黏结质量较好。③试件bd-1和试件bd-2 UPV标准差均大于300 m/s，极值大于1 400 m/s，色带较长，低速区颜色较深，低速区与高速区之间存在明显的断续区，说明低速区(缺陷区)与高速区(密实区)之间波速过渡剧烈。这与缺陷的类型有关，气球缺陷试件的缺陷区域为气体填充，缺陷区边缘为气体-混凝土界面。而超声波在大气中传播时衰减效应明显，传播速度远小于在混凝土介质中的速度。因此，超声波穿越混凝土区域、气体-混凝土界面、缺陷区时，UPV的剧烈变化导致色带具有明显的断续区特征。将UPV的标准差250～450 m/s作为Ⅰ区间，即为密实度差的施工缝波速区间； 将UPV标准差0～250 m/s作为Ⅱ区间，即为密实度良好的施工缝波速区间。

综上，以单一平面为测区的UCT技术在施工缝缺陷检测及密实度评价上具有良好的应用效果。其中，UCT反演图像可以直观反馈混凝土施工缝的孔洞缺陷位置与大小，反演缺陷与实测缺陷的纵向尺寸误差小于4.5 mm； UPV色带图可为施工缝黏结质量评价提供依据，当UPV标准差小于250 m/s且色带图中未出现明显断续区时，说明施工缝黏结质量高，内部无明显缺陷。

3 综合管廊施工缝缺陷检测

通过混凝土试件试验已验证了单平面UCT技术在施工缝质量检测中的可行性，为综合管廊施工缝质量检测提供了新思路。但在实际工程中，若综合管廊施工缝内部存在界面连接钢筋，则检测超声波将在钢筋骨架处产生散射及折射；若综合管廊施工缝长度过大，则超声波在传播过程中会出现明显衰减。上述现象均可能致使UCT检测精度大幅度降低，从而出现缺陷区域漏判、误判。因此，为验证单平面UCT检测技术在综合管廊施工缝缺陷检测中的实用性，以综合管廊缩尺模型为检测对象，对竖向施工缝进行质量检测。综合管廊缩尺模型由不同的前期综合管廊和后浇综合管廊组成[27]，新旧混凝土之间的施工缝界面已经过凿毛处理，施工缝内存在等距的界面连接钢筋，如图5所示。

(a) 综合管廊缩尺模型

(b) 缩尺模型组成

3.1 试验流程

由于现场检测条件限制，无法设置对称分布观测系统，因此选用单平面分布观测系统，如图6所示。超声波检测信号采用单次激发、周期为40 kHz的正弦波，AE主机采样率为3 MHz。

图6 单平面分布观测系统(单位： mm)

试验过程分为4个阶段： 1)采用单平面UCT技术检测综合管廊模型施工缝的原始缺陷。2)进行闭水试验，即通过加压水泵向综合管廊内注水，使得腔体内整体水压保持在设计值内，然后观察施工缝是否发生渗漏破坏。整个过程按照规范[28]要求进行。3)采用聚氨酯高聚物注浆技术[29-30]修复施工缝的内部缺陷。4)因高聚物材料与混凝土材料的UPV存在显著差异(对比如表2所示)，采用单平面UCT技术评价施工缝注浆修复效果，并进行二次闭水试验。

表2 高聚物试件及混凝土试件的UPV比较

3.2 结果分析

注浆前测区UCT反演结果如图7(a)所示； 闭水试验中测区渗漏点位置及注浆修复示意如图7(b)所示； 注浆后测区UCT反演结果如图7(c)所示。

1)从图7(a)中UCT成像上看，测区左中侧和右下侧UPV较低(UPV=2 200～2 400 m/s)，考虑为1、2号明显缺陷区。

2)当综合管廊内水压上升到0.2 MPa时，测区发生渗水破坏。渗漏点见图7(b)。渗漏点1、2与UCT反演图像上的明显缺陷区1、2相对应，施工缝范围内没有渗水点出现，说明单平面UCT技术及色带区域的划分是准确和有效的。

3)对综合管廊渗漏点进行高聚物注浆修复，如图7(b)所示。通过定点打孔注浆对渗漏点1、2进行修复； 对于施工缝则从内部预设的注浆导管进行注浆修复。

4)待高聚物注浆材料完全发泡后，采用与初检相同的观测系统及检测区域进行超声波检测，结果如图7(c)所示。对比图7(a)和图7(c)，明显缺陷区1处和2处的UPV大大增强，从2 200～2 400 m/s增大至3 000～3 200 m/s，且测区的整体UPV也大大增强。

绘制施工缝UPV色带图及分布曲线，结果如图8所示。注浆前综合管廊施工缝的UPV平均值为3 188.69 m/s，标准差为241.99 m/s，处于区间Ⅰ、Ⅱ之间，说明施工缝整体密实度一般，但中下部位存在疑似缺陷区(UPV=2 700 m/s)； 色带内未发现明显断续区，说明施工缝内部不存在大范围的孔洞缺陷。

由图7和图8可知，通过注浆导管对施工缝进行高聚物注浆修复，修复后施工缝UPV的标准值和极差均明显降低，色带长度减少，底部低速区的UPV大大提高，施工缝的密实度得到改善。

(a) 施工缝UPV色带 (b) 注浆前后综合管廊施工缝UPV分布曲线

在进行二次闭水试验时，当将综合管廊内的水压加至0.2 MPa，原渗漏点不再出现渗漏水。可以认为高聚物注浆材料已起到了防渗堵漏的作用，修复效果良好，同时说明单平面UCT检测技术可以直观地评价注浆材料的修复效果。

4 结论与讨论

1)以单一平面为测区的UCT检测技术在混凝土试件及综合管廊模型的施工缝质量检测中取得了良好效果。UCT反演图像可以直观反馈混凝土施工缝的孔洞缺陷位置与大小，反演缺陷纵向尺寸误差小于4.5 mm。当施工缝缺陷区与密实区之间的UPV差值大于1 000 m/s时，可以认为施工缝内存在孔洞等明显缺陷。

2)当施工缝的UPV色带中断续区数量较多时，说明施工缝内部分布着大量微小缺陷； 当断续区范围较大时，说明超声波在内部传播时出现突变衰减，施工缝内部可能存在孔洞缺陷。当施工缝UPV色带越靠近Ⅰ区域左上角且色带中断续区越明显时，施工缝密实度越差，内部缺陷区域越多； 反之，当施工缝声速色带越靠近Ⅱ区域右下角，施工缝黏结质量越好。

3)高聚物注浆材料在综合管廊施工缝缺陷修复中具有良好的应用效果，抗渗堵漏效果明显。高聚物以及混凝土材料的UPV差异明显，UCT成像结果可以直观、实时地评价施工缝内注浆材料的扩散、填充效果。

4)本文只考虑了一种观测系统进行单平面UCT检测试验，并未对观测系统及检测深度之间的关系进行探讨。下一步研究需要针对被测结构体的构造特征采取不同的观测系统，以分析观测系统对检测深度的影响。