声波检测法在郑济高铁桩基检测中的应用

王鸿志

（中国建筑土木建设有限公司，山东 临沂 273400）

0 引言

如今的中国已经迈入高速化阶段，大量的高速铁路正在建设中，工程中的桩基质量是重点，而声波透射法是桩基质量检测中最常用的方式。本文首先介绍了声波透射法的定义及原理，其次介绍了声波透射法在现实中遇到的问题及其处理方法，最后采用郑济高铁 3 个典型的桩基为例，对其桩基质量进行判断分析，为桩基质量的判定提供参考。

1 声波检测法

1.1 声波检测法的定义

1.2 声波检测法的优势

在郑济铁路 2 标段中，在聊城市东昌府区境内的正线线路长度为 46 km。短短的 46 km 有 7 000 多个桩基。数量如此庞大的桩基需要检测，声波检测法的优势非常明显。

首先声波检测法极为高效，是当前所有桩基检测方法中效率最高速度最快的检测方法，检测环境在施工灌注时就已经具备，桩基数量如此惊人，检测的速度和效率尤为重要。其次，声波检测法不会破坏桩基的物理和化学结构，检测完成后不会影响桩基质量，不会影响到高铁的运行稳定性。加上目前我国高铁的桩基建设采用的是钻孔浇筑的方法，而声波检测法刚好需要预留检测孔，所以使用该方法进行检测具有先天性优势。

1.3 声波检测法的原理和方法

高铁铁路桩基的材质为钢筋混凝土，声波检测法利用了超声波穿透能力强的特点，利用超声波在穿透高铁桩基的过程中遇到了缺陷时会产生波形、主频和振幅变化的特点，从而分析高铁桩基在灌注的过程中是否出现了断桩、截面局部夹泥或缩颈、混凝土离析、分散性泥团及蜂窝状缺陷、集中性气孔、桩底沉渣和桩头强度偏低等影响桩基质量和承载能力的问题。通常情况下，在高铁铁路桩基施工灌注之前，会在桩内预埋若干条声测管，作为超声波接受和发射换能器的通道。

利用声波检测法检测时，在每个检测管内放入接收超声波的探头，探头由底部向上同步上升，仪器记录探头所在的检测管之间的桩基切面的超声波声学特征，根据声波的到达时间、振幅以及频率的变化，从而分析判定被检测的高铁桩基的钢筋混凝土结构是否存在一系列的质量问题。

1.4 声波检测方法与判定依据

目前，国家还没有相关高铁桩基声波检测的质量判定硬性要求，在日常监测中通常是根据经验来判断合格与否，可以参照 TB 10218－2019《铁路工程基桩检测技术规程》中各声学临界值，判断依据为声速、振幅以及频率 3 个主要参数。

1.4.1 声速分析判定

1.4.2 振幅分析判定

振幅分析运用了声波在介质中透传传播时，能量会不断衰减，声波振幅会随着透传的桩基钢筋混凝土的厚度变大而规律性变小。当声波通过问题区域时，振幅变化将失去规律，波能比例衰减的规律会被打破，故而发现桩基的质量隐患。利用振幅变小的规律性作为参照，比利用声速判定更加灵敏，对桩基问题的反应更为准确。

1.4.3 波形判定

波形判定的方式较为通俗易懂，利用了超声波穿透均匀介质时，波形会呈现中间大两头小的形状，且频率同等。若声波波形变化不大，则说明被检测高铁桩基没有问题或问题不大；若波形变化明显则说明问题比较严重。

1.4.4 PSD 判定

PSD 是一种辅助判定方式，主要检测高铁桩基中的疑似问题区域，通常作为问题区域的具体定位或参照判定标准。PSD 判定法没有规定临界值，具体方法为测定相邻两个点的声波穿透时间Tx和Tx-1，同时测定这两个相邻点在桩基中的深度Zx和Zx-1，PSD=（Tx-Tx-1）2/（Zx-Zx-1），当随着被测试点X变化时 PSD 数值变化开始明显，则说明该相邻两个点之间可能存在问题。

声波检测法的 4 种判定方法单独使用，都存在不足和不精确的问题，多方法配合检测的可靠性还是很高的。

2 实际检测中的问题和对策

在数量庞大的高铁桩基检测日常作业中，往往会遇到很多的问题，检测人员在日常检测中通过经验的积累，遇到问题能及时解决问题，能很大程度提高检测效率，避免检测过程中出现停滞的现象。以下罗列了几个日常作业中常见的问题，并说明高效简单的解决方法。

2.1 放线与放线平衡的问题

在日常监测作业中，两个检测管里的声波发生器和声波接收器需要同时放下，并且需要一直保持在同一高度，也就是在高铁桩基中处于同一深度。如果在放线下探头的过程中出现不平衡的情况，那么声波穿透的距离会变长，并且会随着放线的进行出现变化，从而直接改变测量结果，波速和振幅严重变小，影响对桩基质量的判定。

如果采用机器放线，即用电机等机器，匀速将绑着3 个探头的线同时放下，则会出现新的问题。首先，机器运转过程中会有震动，从而引发高铁桩基的钢筋混凝土共振，直接影响声波，使测量到的声波数据严重偏差，甚至直接测量不到数据；其次，探头在下放的过程中有可能会出现卡顿的情况，一旦任一探头出现卡顿，那么测量出来的结果将毫无意义。

结合该问题，作业人员采用了人工加滑轮辅助的方法，大致俯视图如图 1 所示。

图1 桩基检测滑轮放置示意图

3 个小滑轮大致高出高铁桩基 10～15 cm，且两边一致，3 个检测孔分别放线下放发生器和接收器，3 根线再连接到大滑轮，同时手握着 3 根线同时下放，这样可以保证三边放线的速度一致，探头所处的桩基深度一致。如果出现了探头卡在检测孔的情况，则对应的线将出现松动，作业人员可以在第一时间发现。

2.2 检测孔的清洗

在日常高铁桩基的施工中，虽然检测孔为预留，但是难免混入杂质，较为常见的是泥沙雨水附着在检测孔内壁，或小的混凝土块沾染在检测孔内壁，影响声波透传的距离和密度，从而直接影响测量和判定结果。所以，在进行桩基声波检测作业之前，务必将检测孔内壁进行清洗。

清洗一般使用高压水枪或者空压机产生的高压气体，对内壁进行高压冲洗。在采用高压水枪冲洗的时候，必须使用清水，不含任何杂质和泥沙，以免新的杂质进入内壁影响测量判定结果。在清洗完成后，将检测管内部灌满清水，使用木塞或者布遮住检测孔，防止清洗后的检测孔被新的杂质污染，从而造成测量判定不准确或无价值的返工。

2.3 卡探头的处理

探头卡在检测孔管内上下不能动是非常棘手的情况，并且造成卡探头的因素有多种。首先，部分桩基几十米长，声测管是多根空心钢管焊接而成，如果在焊接的过程中接口处处理不当，则非常容易造成卡探头的情况。通常情况下，先采用破旧探头采用试探头的方式，提前排除隐患，可以采用专业声测管钻机对问题声测管进行处理［1-2］。

如果是混凝土或其他杂质附着在检测孔内壁，通常采用轻轻上下抖动提拉探头连接线的方法，释放提拉，将探头取出并重新清洗内壁。如果该方法失效，探头仍然不能取出，可以在连接线上套一个与探头直径一样的金属环，放下探头，然后再往上拉，利用金属环为探头清除上升障碍，从而在不损坏探头的情况下取出探头。

也可以将另一个探头伸入这个检测管当中，适当的上下碰撞卡住的探头，如果在卡的不严重的情况下，很容易将其处理，但是这个方法应适当使用，因为此法可能会损坏两个探头。

还可以将水管通入声测管当中，然后用高压气枪或高压水枪的压力冲击探头，清洗声测管内壁，清洗完成后顺着水管或者气管取出探头。

由于实际作业中卡探头的情况非常复杂，造成的原因也有很多，工作人员往往在遇到这种情况时会随机应变，针对实际问题情况采用最为简单直接的方法，保证在不损坏探头的情况下以最快速度取出探头。

2.4 其他需要注意的问题

由于在清洗的过程中，检测管内壁被高压水枪冲洗过，内壁往往会有水残留，所以整个测量过程中检测管内是灌满水的。探头下放的时候会有水溢出，在提拉到检测管口的时候，探头的上部将没有水，所以在这种情况下需要向检测孔加水进行耦合，这样才不会影响到波形波速以及振幅，不会影响测量和判定的结果。

在检测作业中，环境相对比较恶劣，泥沙和混凝土颗粒比较多，且全程都有水，所以一定要对检测仪、探头和滑轮进行清洗，对检测仪和滑轮的清洗结束后还应该进行干燥处理，从而保证设备运行的稳定性和测量判定的精准性，同时延长设备的使用寿命［3-6］。

3 实际工程检测案例

本文选取郑济铁路高铁路段桩基中几个具有代表性的测量对象，通过检测数据和结果判定，直观地展现了声波检测法在实际高铁桩基中的检测实际数据和判定依据。

本文展现的为 3 个具有代表性的高铁桩基，分别为：郑济高铁东昌府特大桥内，桩深 31 m，检测数据有偏差但判定为不影响高铁安全运行能力和承载能力的桩基，这里命名为桩基 a；同路段东昌府特大桥 64 m 深桩基，检测数据偏差较大具有很大的安全性和稳定性隐患，命名为桩基 b；东昌府特大桥 62 m 深桩基，检测数据没有发现任何异常，命名为桩基 c。

3.1 案例 1

桩基a的测点间距为 0.25 m，测量 3 个剖面的检测管间距分别为 1.14、0.87 和 0.87 m。其测试得到的深度、振幅随深度变化曲线及 PSD 曲线如图 2 所示。

图 2 桩基 aPSD 曲线图

为了更加直观地看到该被检高铁桩基的具体异常，如表 1～表 3 所示。

表1 a 桩基 1 号剖面异常点（检测孔间距 1.14 m）

表2 a 桩基 2 号剖面异常点（检测孔间距 0.87 m）

表3 a 桩基 3 号剖面异常点（检测孔间距 0.87 m）

通过桩基 a 地声波检测数据可以看出，1 号剖面有 4 个测试点的振幅略低于正常水平，2 号剖面有 6 个测试点的振幅略低于正常水平，3 号剖面有 5 个点振幅略低于正常水平。但是这些振幅偏低的测试点波时和波形均正常，由此可以推断出在该高铁桩基中只有少量的细小气泡，或者只有极小局部的混凝土料较其他正常区域有非常细小的偏差，根据作业人员的判断，这种细小的偏差不会影响到高铁桩基的结构完整性，从而不会影响高铁铁路的安全运行能力和承载能力。

3.2 案例 2

桩基 b 的测点间距为 0.25 m，测量 3 个剖面的检测管间距分别为 0.58、0.59 和 0.6 m。其测试得到的深度、振幅随深度变化曲线及 PSD 曲线如图 3 所示。

图3 桩基 b PSD 曲线图

根据测量得到的数据，工作人员对桩基 b 的测量结果进行了临界值计算，根据临界值计算公式，得到的 3 个剖面波速临界值分别为 1.602、2.864 和 2.649 km/h，3 个剖面的波速临界值差距较大，明显不符合正常误差范围，主要原因是声波穿透的钢筋混凝土密度不同。从测量图中可以明显地看出，在桩深 21～42 m 段，波形变形严重，大部分曲线显示的波速低于 3 km/h，波形振幅明显较低，PSD 数值在桩深 40 m 处偏大很多。由此判断，桩基 b 在 21～42 m 段有很明显的缺陷，该段钢筋混凝土密度明显大于该桩其他位置，鉴于这种情况，工作人员将对该桩进行抽芯检查，确定问题后对桩基进行维修。

3.3 案例 3

桩基 c 的测点间距也为 0.25 m，测量 3 个剖面的检测管间距分别为 0.62、0.61 和 0.62 m。其测试得到的深度、振幅随深度变化曲线及 PSD 曲线如图 4 所示。

图4 桩基 c PSD 曲线图

从桩基 c 的测量数据中可以看出，3 个剖面的测量结果曲线几乎一模一样，且声波振幅变化不大，趋于稳定的演变曲线。通过数据的计算得到了 3 个剖面的波速临界值分别为 4.198、4.171 和 4.176 km/h，3 个剖面的波速临界值相差非常小，处于正常误差范围之内，所以检测作业人员可以判定被检高铁桩基 c 的状态正常，桩基体内不存在明显气泡或混凝土位移、密度分布不均匀的情况。

3.4 实际测量中的情况

在实际测量中，作业人员会对每个高铁桩基在计算机系统中进行编号排序，然后再按照制定好的测量顺序挨个对桩基进行单次测量。由于我国高铁铁路施工的严谨和高品质的特性，通常对于类似桩基 c，会直接判定为质量合格。对于桩基 a，会进行部分抽样抽芯检测。对于桩基 b，会进行第二次测试，二次测试认为不合格的桩基再逐一抽芯检测，一般情况下这种桩基抽芯检测也会是不合格，检测人员将按照相关规章制度进行上报，再由专门的人员对质量不合格桩基进行维修。

4 结论

高铁建设和稳定运营的重要性关乎到基本的基建和民生问题，其桩基质量检测至关重要。声波检测法作为一种高效、客观的检测方法，在如今的高铁桩基质量检测中得到了广泛的应用。

高铁桩基高度比较高，检测长度较长，常规的检测方法很难达到检测要求，且很难满足检测的高效率要求。声波检测法包含了波速、波形、振幅和 PSD 4 种检测手段，能非常客观地检测出高铁桩基中存在的缺陷，能做到精准定位并给出相对应的维修整改建议。目前该方法已广泛运用到我国的高铁铁路桩基检测中，为我国高铁铁路桩基建设和高铁发展做出了不可磨灭的贡献，该方法应被广泛推广和运用到各类基建质量检测中。Q