姜 勇，吳佳曄，馮 源

(1.中國鐵路總公司 工程質(zhì)量監(jiān)督管理局，北京 100038；2.四川升拓檢測技術(shù)股份有限公司，四川 成都 610045;3.四川輕化工大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

隧道襯砌的主要質(zhì)量問題有強(qiáng)度、厚度不足，整體性缺陷(如脫空、空洞)等。在山體應(yīng)力、凍融、列車風(fēng)壓等作用下，初期的質(zhì)量問題會隨著鐵路運(yùn)營時間的推移而逐漸放大，最后可能導(dǎo)致襯砌脫落等嚴(yán)重病害。1999年6月日本山陽新干線的福岡隧道就發(fā)生了襯砌混凝土脫落(見圖1)，脫落的混凝土塊(約2.0 m×0.5 m×0.5 m)砸在高速運(yùn)行的列車(新干線光號)頂部，造成重大事故。我國在2017年某客運(yùn)專線隧道發(fā)生了襯砌拱頂?shù)魤K，也給鐵路隧道的質(zhì)量、安全敲響了警鐘。

圖1 山陽新干線襯砌脫落

現(xiàn)行的TB 10223—2004《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》[1]規(guī)定：鐵路隧道襯砌“檢測內(nèi)容包括襯砌的厚度、強(qiáng)度、背后回填密實(shí)度和內(nèi)部缺陷”(第1.0.2條);“地質(zhì)雷達(dá)法和聲波法可根據(jù)不同的檢測內(nèi)容和要求選用”(第1.0.3條);“地質(zhì)雷達(dá)法適用于檢測襯砌厚度、襯砌背后的回填密實(shí)度和襯砌內(nèi)部鋼架、鋼筋等分布”(第4.1.1條)而“(聲波)反射法適用于檢測隧道襯砌混凝土厚度、內(nèi)部缺陷等”(第5.1.1條)。由此可見，在現(xiàn)行規(guī)程中已經(jīng)要求地質(zhì)雷達(dá)法和聲波法聯(lián)合應(yīng)用，而對于襯砌混凝土本身的缺陷要求采用聲波法檢測。

但是，由于技術(shù)等方面的原因，聲波法在鐵路隧道襯砌缺陷的檢測中幾乎沒有得到應(yīng)用，而地質(zhì)雷達(dá)法因?yàn)榫哂袩o損、快速、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)成為幾乎唯一的選擇。然而，該方法存在一定的檢測盲區(qū)(如雙層鋼筋網(wǎng)或鋼筋保護(hù)層厚度較薄)，以及鈍感區(qū)域(如表層脫空、脫空層厚度較小、不密實(shí)缺陷等)，因此經(jīng)常造成缺陷漏判或誤判。為此，鐵路部門引入了敲擊法(也稱打聲法、聲振法等)檢測襯砌混凝土缺陷，但由于敲擊法過分依靠作業(yè)人員的主觀判斷、難以定量、測試深度淺等原因，該方法的應(yīng)用也面臨諸多問題。

近年來，沖擊彈性波法的技術(shù)和設(shè)備發(fā)展迅速，并在土木工程無損檢測中得到廣泛應(yīng)用。其中，沖擊回波(Impact Echo,IE)法作為其代表方法之一，在混凝土內(nèi)部缺陷檢測中發(fā)揮了重要作用[2-6]。該方法對材料的力學(xué)特性敏感，受混凝土內(nèi)鋼筋、水的影響較小，適合于隧道襯砌的質(zhì)量檢測。實(shí)際上，沖擊彈性波法即為TB 10223—2004中聲波法的一個分支。

本文首先分析了地質(zhì)雷達(dá)法和沖擊回波法的基本原理，然后比較了2種方法對襯砌脫空的敏感性，再結(jié)合隧道襯砌巡檢對2種方法進(jìn)行了全面的比較和驗(yàn)證，論證2種方法的聯(lián)合應(yīng)用可以有效提高對襯砌缺陷的檢出率。最后，還簡要介紹了正在研究開發(fā)中的沖擊聲頻回波法(Impact Acoustic Echo,IAE)法。

1 地質(zhì)雷達(dá)法及沖擊回波法的測試原理

1.1 地質(zhì)雷達(dá)法原理

地質(zhì)雷達(dá)法是利用介質(zhì)對電磁波的反射特性，對介質(zhì)內(nèi)部的構(gòu)造和缺陷(或其他不均勻體)進(jìn)行探測的一種無損檢測方法。當(dāng)發(fā)射天線發(fā)射的電磁波遇到介電常數(shù)不同的界面時，產(chǎn)生反射回波，由接收天線對反射回波進(jìn)行接收，通過分析接收到的反射回波的時間和形式來確定反射界面距頂面的距離及判定反射體的可能性質(zhì)[7-8]。

決定反射與否的因素取決于材料的介電常數(shù)ε(或者波速)的變化。同時，電磁波的頻率也影響探測深度和分辨率。通常，頻率越低，探測深度越深而分辨率越低。

1.2 沖擊回波法原理

沖擊回波法是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來的，針對結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的一種非常有效的檢測手段。Carino and Sansalone(1984)通過對各類技術(shù)手段的對比，認(rèn)為基于沖擊彈性波的檢測技術(shù)由于波長較長且能夠反映力學(xué)特性而適合用作混凝土缺陷檢測。其研究成果則由于沖擊回波法而廣為人知。1997年，Sansalone和Streett發(fā)表的著作中全面闡述了沖擊回波法的理論、室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，20世紀(jì)90年代末期，NIST 和康奈爾大學(xué)共同發(fā)布了沖擊回波法的標(biāo)準(zhǔn)草案，并于1998年成為ASTM標(biāo)準(zhǔn)(ASTM C 1383)。

沖擊回波法所采用的媒介為沖擊彈性波[2](通常采用其中的P波成分)，由激振裝置在固體表面擊打而產(chǎn)生彈性波?？梢杂扇斯舸蛞部梢杂秒姶?、機(jī)械式裝置激發(fā),如圖2所示。

圖2 擊打產(chǎn)生彈性波

沖擊回波法(見圖3)的一大特點(diǎn)是利用彈性波在被測體中多次反射的特性，通過頻譜分析的手段來獲取結(jié)構(gòu)的厚度、材質(zhì)和缺陷信息。

圖3 沖擊回波法的基本概念

通常，沖擊回波法采用FFT(快速傅里葉變換)作為頻譜分析的手段。為了提高分辨力同時兼顧穩(wěn)定性，開發(fā)了MEM(最大熵法)并取得了良好的成效[2]。

沖擊彈性波是否產(chǎn)生反射取決于材料的機(jī)械阻抗z的變化。

2 針對脫空等缺陷的檢測分辨率

如前所述，無論地質(zhì)雷達(dá)還是沖擊回波法，都要依靠缺陷處的反射信號的有無以及強(qiáng)弱來識別缺陷。入射信號的反射率越高則檢測分辨率越高。

2.1 不同介質(zhì)條件下反射率的理論分析

根據(jù)波動理論，傳播的波(無論是電磁波還是彈性波)在遇到不同介質(zhì)的交界面時，會發(fā)生反射和折射。

對于雙層介質(zhì)，當(dāng)波從介質(zhì)1傳播到介質(zhì)2時，其反射率R計(jì)算式為

(1)

對于有夾層的情況,如圖4,反射率計(jì)算式見式(2)。

圖4 有夾層時波的傳播與反射

(2)

式中：k2為介質(zhì)2中的波數(shù)，k2=2πf/v2，f為頻率;v2為介質(zhì)2中的波速;L為介質(zhì)2的長度。

2.2 對混凝土缺陷檢測分辨率的理論分析

混凝土中的缺陷，其介質(zhì)主要是水和空氣。表1比較了電磁波和彈性波的阻抗。表2比較了從混凝土入射到其他介質(zhì)時的反射系數(shù)。

表1 電磁波和彈性波的阻抗

表2 混凝土中電磁波和彈性波的反射系數(shù)

由表1、表2可以看出：

1)金屬對電磁波以及空氣對彈性波是全反射，因此，地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波對鋼筋、彈性波對空氣(空洞、脫空)更為敏感；

2)空氣和水對電磁波的反射信號的相位是相反的，因此，地質(zhì)雷達(dá)在遇到空氣、水的混合體時，其反射信號會相互抵消，進(jìn)而削弱檢測分辨率。而空氣和水對彈性波的反射相位相同，不存在降低分辨率的問題。

更一般地，下文對混凝土結(jié)構(gòu)中不同脫空厚度對彈性波和電磁波的反射率進(jìn)行分析。

以混凝土強(qiáng)度為C50，脫空層厚度0.01 mm為例，用不同激振錘在同一脫空區(qū)域進(jìn)行測試，計(jì)算不同激振錘產(chǎn)生的彈性波在脫空區(qū)域的反射率，見表3?？梢钥闯?，即使是0.01 mm的脫空厚度，其反射率也接近全反射。

表3 典型條件下不同頻率彈性波在脫空區(qū)域的反射率

圖5 脫空厚度對微波雷達(dá)以及沖擊彈性波反射率的影響

同樣對電磁波進(jìn)行計(jì)算。圖5給出了 1.6 GHz 和 400 MHz 天線的雷達(dá)在不同厚度脫空層時的反射率，并與沖擊彈性波反射率予以對比。其中，微波波速取100 m /μs。可見，地質(zhì)雷達(dá)對脫空的識別能力受脫空厚度的影響很大。在某些條件(特定的厚度，水、氣共存)下，甚至?xí)霈F(xiàn)檢測盲區(qū)。

3 隧道襯砌檢測中2種方法的應(yīng)用比較

結(jié)合隧道襯砌施工質(zhì)量巡檢，對地質(zhì)雷達(dá)法和沖擊回波法的聯(lián)合應(yīng)用進(jìn)行了探索，并對2種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較和驗(yàn)證。

對于同樣的測線分別采用地質(zhì)雷達(dá)法和沖擊回波法(見圖6)予以檢測，缺陷的檢出情況見表4?？梢?，盡管對于大多數(shù)缺陷(約78%)，2種方法均可檢出，但仍有22%左右的缺陷地質(zhì)雷達(dá)法無法檢出。

圖6 地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場檢測沖擊彈性波現(xiàn)場檢測

缺陷判定一致沖擊回波法判定而地質(zhì)雷達(dá)法未判定地質(zhì)雷達(dá)法未判定/開孔驗(yàn)證有缺陷73處20處12處/11處

3.1 典型對比實(shí)例及驗(yàn)證

3.1.1 拱頂襯砌混凝土不密實(shí)(雷達(dá)信號不明顯)

1)實(shí)例1(K771—K773)

圖7 K771—K773段檢測結(jié)果及驗(yàn)證情況

圖7(a)為地質(zhì)雷達(dá)模擬圖像(橫軸為測點(diǎn)距離，縱軸為深度或反射時間)，圖中無明顯缺陷反射，且襯砌層厚度并不明顯。圖7(b)為沖擊回波法檢測結(jié)果(MEM頻譜云圖，橫軸為反射時間，縱軸為測點(diǎn)距離)。圖中方框內(nèi)彈性波反射時間明顯滯后，故判定為不密實(shí)缺陷。經(jīng)開孔驗(yàn)證，該處確實(shí)存在不密實(shí)缺陷，見圖7(c)。

2)實(shí)例2(K888)

如圖8(a)所示，K888處地質(zhì)雷達(dá)剖面上缺陷不明顯，無法判定是否存在缺陷，而沖擊回波剖面(圖8(b))中彈性波反射位置雜亂,為不密實(shí)缺陷。經(jīng)鉆孔驗(yàn)證該處為不密實(shí)缺陷。

圖8 K888處檢測結(jié)果

3.1.2 鋼筋網(wǎng)下混凝土不密實(shí)(雷達(dá)信號受鋼筋屏蔽嚴(yán)重)

1)實(shí)例1

如圖9所示，K779—K783段雷達(dá)波信號被鋼筋網(wǎng)屏蔽，信號在鋼筋保護(hù)層間多次反射，無法有效對鋼筋網(wǎng)下結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效檢測。沖擊彈性波信號受鋼筋影響小，能準(zhǔn)確反映襯砌層厚度及缺陷位置。

2)實(shí)例2

如圖10所示，K792—K794段雷達(dá)信號無法透過鋼筋，而沖擊回波剖面中反射波有明顯滯后現(xiàn)象且在邊界上突變，故排除襯砌厚度變化的情況判定為不密實(shí)缺陷。

3.1.3 拱頂襯砌脫空

1)實(shí)例1

如圖11所示，K798拱頂沖擊回波剖面反映該處存在脫空，現(xiàn)場驗(yàn)證時施工方確認(rèn)該處為空洞，而地質(zhì)雷達(dá)法檢測未判出此處空洞。

圖9 K779—K783段檢測結(jié)果

圖10 K792—K794段檢測結(jié)果

圖11 K798拱頂沖擊回波檢測結(jié)果

2)實(shí)例2

如圖12所示，K556—K557段彈性波圖中波形滯后，經(jīng)敲擊驗(yàn)證后確認(rèn)為表層脫空。而第三方用地質(zhì)雷達(dá)法檢測未判定此處缺陷。

圖12 K556—K557段拱頂

3.2 2種檢測方法的對比分析

通過本次的對比驗(yàn)證，可以得到：

1)超過70%的缺陷，地質(zhì)雷達(dá)法和沖擊回波法的判定結(jié)果一致。

2)地區(qū)雷達(dá)法的優(yōu)勢在于檢測效率高，每分鐘可測10 m 左右，還可以透過防水板，測試初期支護(hù)的狀況。其劣勢在于受鋼筋網(wǎng)的影響大，對表層脫空、薄層脫空、混凝土不密實(shí)以及水、氣共存時的缺陷不敏感。

3)沖擊回波法的優(yōu)缺點(diǎn)恰好與地質(zhì)雷達(dá)法互補(bǔ)，其受鋼筋、水分影響小，對脫空及缺陷的檢測分辨率高。但由于采用固定式的信號接收方法，使得測試效率低，同時受防水板的影響，難以測試初期支護(hù)及背后巖體狀況。

4 聲頻檢測技術(shù)——沖擊聲頻回波法

在隧道襯砌檢測中，盡管沖擊回波法顯示了其對缺陷的檢出分辨率高等特點(diǎn)，但其問題也非常突出。最大的問題在于需要將傳感器固定在襯砌表面，使得：①測試效率低下，每分鐘僅可測試五六個點(diǎn)；②傳感器的固定狀態(tài)對測試結(jié)果影響大，特別是當(dāng)襯砌表面不平、有泥皮時影響更大；③傳感器系統(tǒng)本身有共振周期，當(dāng)反射信號的周期與其接近時，會扭曲頻譜圖形，造成誤判。

因此，結(jié)合敲擊檢測(打聲法)與沖擊回波法的長處，研究開發(fā)了一種全新的無損檢測技術(shù)，稱之為沖擊聲頻回波法(IAE)。

IAE法最大的特點(diǎn)是采用特制的聲頻接收裝置，通過換算可以非接觸地采集激振產(chǎn)生的振動信號，并用于與沖擊回波法同樣的分析。由于拾音器探頭與襯砌表面不接觸，因此可以用于移動式檢測，從而提高測試效率，并避免測試表面不平整、泥皮等的影響，有助于提高檢測精度。

在巡檢中，也對開發(fā)的IAE原型機(jī)進(jìn)行了適用性驗(yàn)證。圖13是對同一條測線，分別采用IAE法和IE法測試分析得到的圖像。

圖13 IAE法和IE法測試結(jié)果

可以看出，IAE法與IE法成像反映的變化規(guī)律基本一致，而IAE法的銳度、穩(wěn)定性均優(yōu)于IE法。需要指出的是，里程樁號K939處，IE法及地質(zhì)雷達(dá)法均判定該處為脫空缺陷。而在IAE法中該處無缺陷特征，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，該處無明顯缺陷。

盡管IAE法作為一種嶄新的無損檢測方法，還存在著許多需要改進(jìn)的地方，但其體現(xiàn)出的優(yōu)越性使其在隧道襯砌檢測中具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

5 結(jié)論

1)通過理論分析和現(xiàn)場應(yīng)用、驗(yàn)證，論證了在隧道襯砌質(zhì)量檢測中，聯(lián)合應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)法和沖擊回波法對提高襯砌(特別是二次襯砌)內(nèi)缺陷的檢出率有利。同時，對現(xiàn)行的《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》的貫徹也有相應(yīng)的推進(jìn)作用。

2)地質(zhì)雷達(dá)法測試效率高，是鐵路隧道襯砌無損檢測中最常用的技術(shù)手段，但其受鋼筋、水影響大，對小、薄及表層缺陷不敏感。而沖擊回波法可以有效彌補(bǔ)地質(zhì)雷達(dá)法的上述缺點(diǎn)，在明顯缺陷上2種檢測方法可相互印證。

3)針對沖擊回波法的一些固有缺點(diǎn)，開發(fā)了一種全新的無損檢測方法——沖擊聲頻回波法。該方法吸取了沖擊回波法和打聲法的優(yōu)點(diǎn)，在初步驗(yàn)證中取得了良好的效果，有望成為新一代隧道襯砌無損檢測技術(shù)。