張長亮， 李松輝， 張 龑， *， 彭英俊， 劉勛楠， 白 冰

(1. 深中通道管理中心， 廣東 中山 528400； 2. 中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室， 北京 100038)

0 引言

鋼殼混凝土組合結構最早由日本引入沉管隧道的建設中，這種新型結構形式充分利用了鋼和混凝土2種材料的優(yōu)勢[1]，即以鋼殼作為抗彎和抗剪的主要構件兼作防水層，以混凝土作為承載結構承受壓力[2-6]。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構相比，其具有承載力高、延性高、抗震和防水性能優(yōu)異、施工便利、施工速度快等優(yōu)點，能夠適應大回淤、高水壓等復雜工程環(huán)境，在保護結構、地下結構、海洋結構中具有極大的應用前景[7-9]。2017年，港珠澳大橋海底沉管隧道最終接頭采用了鋼殼混凝土結構，是中國沉管隧道首次采用鋼殼混凝土的案例。

工程實踐和大量試驗資料表明： 鋼殼混凝土結構在鋼板與混凝土交界面處極易出現脫空缺陷。一方面，由于施工中鋼殼內縱橫隔板、加勁肋等構件密布、交錯，對混凝土漿體的流動和氣體排出產生阻礙作用；另一方面，受施工工藝、混凝土流變特性等多因素影響，導致隔板、剪力連接件等部位出現脫空缺陷。這些脫空缺陷會削弱鋼板與混凝土的協(xié)同受力作用，顯著降低結構承載能力，產生局部屈曲等問題，影響主體結構的耐久性和服役壽命[10-11]。因此，準確檢測鋼殼混凝土的脫空缺陷，對缺陷位置進行注漿補強，對于提高鋼殼混凝土沉管的安全穩(wěn)定性和服役壽命至關重要。

然而，鋼殼混凝土脫空檢測技術的發(fā)展應用面臨諸多挑戰(zhàn)： 其一，鋼殼混凝土結構中鋼板作為鋼殼混凝土結構的承力構件，為滿足受力要求，鋼板厚度一般在14 mm以上，在超寬管節(jié)的局部位置鋼板厚度甚至可達40 mm。因此，脫空檢測時須穿過數cm厚的鋼板，到達脫空缺陷區(qū)，并攜帶缺陷信息返回鋼板表面；且鋼殼內部鋼肋等抗剪構件密集，極大地增加了檢測難度。其二，已有研究表明，為確保鋼殼混凝土的穩(wěn)定性和承載力，應避免脫空深度大于5 mm的情況[12]，要求檢測精度達到5 mm級。深中通道海底隧道是當前世界上規(guī)模最大的沉管隧道[13]，由32節(jié)管節(jié)組成，平均單個管節(jié)的底板待檢測面積為14 000 m2左右； 檢測任務龐大，對脫空檢測的效率提出新的挑戰(zhàn)。綜上所述，厚鋼板覆蓋、mm級檢測精度、鋼殼混凝土沉管隧道的高效率檢測是當前世界級技術難題[14-18]。

隨著鋼殼混凝土結構的推廣應用，其澆筑缺陷檢測問題逐漸受到關注。學者們嘗試采用人工敲擊法、超聲波法、紅外線熱成像法、沖擊彈性波法、打音法、中子法和沖擊映像法等，實現厚鋼板、高精度、大規(guī)模、高效率的鋼殼混凝土脫空檢測。人工敲擊法具有設備簡單、檢測方法容易掌握等優(yōu)點，但檢測結果人為影響大，且無法對脫空程度進行定量估計，因此在實際的工程應用中僅作為初篩或輔助檢測手法。超聲波法、紅外線熱成像法、沖擊彈性波法、打音法大多只能定性判別有無缺陷，對缺陷的種類和形狀不能很好地分辨，無法定量評估缺陷的脫空高度，且抗環(huán)境干擾性能差，檢測精度、檢測效率以及可操作性難以滿足工程需求[19-22]。而沖擊映像法是基于彈性波反射原理的無損檢測方法[23]，其利用鋼質錘或球等機械方式在檢測構件表面激發(fā)彈性波場，通過分析波形特性判斷是否存在缺陷，具有數據采集快、工作環(huán)境適應性廣等優(yōu)點，目前已在注漿密實度檢測、混凝土內部裂縫檢測等領域得到應用。例如： 龔衛(wèi)鋒等[24]采用沖擊映像法檢測分析某大型調水工程地雙向預應力混凝土立墻的劈裂問題； 彭冬等[25]采用沖擊映像法檢測分析天津濱海海河沉管隧道底板注漿效果； 王求等[26]基于沖擊映像法開展田基沙水閘脫空檢測。目前，沖擊映像法的應用研究均集中在大體積混凝土內部裂隙檢測、隧道襯砌脫空檢測和沉管隧道基礎灌砂實時監(jiān)測等方面，在鋼殼混凝土沉管隧道的脫空缺陷檢測方面尚無有效的研究與應用[11]。此外，沖擊映像法仍存在許多亟待解決的問題，如評價方法不一致、主觀性強等[25]。

本文基于沖擊映像法的大型沉管隧道鋼殼混凝土脫空質量檢測方法開展研究。首先，通過研究近源波場響應特性變化規(guī)律，研究包括設備、軟件及模型在內的鋼殼混凝土脫空檢測技術。然后，在此基礎上，開展鋼殼混凝土脫空質量評價指標的研究，確定脫空檢測標準。最后，通過對足尺模型澆筑工藝試驗后的檢測實施，對該方法的效果進行驗證，為深中通道高質量建設和結構優(yōu)化提供技術支撐。

1 工程概況

深圳至中山跨江通道(簡稱“深中通道”)，是連接廣東自貿區(qū)三大片區(qū)、溝通珠三角“深莞惠”與“珠中江”兩大功能組團的重要交通紐帶，是粵東通往粵西乃至大西南的便捷通道。深中通道是世界級超大的“橋、島、隧、地下互通”集群工程，路線起于廣深沿江高速機場互通立交，向西跨越珠江口，終于橫門互通，全長24 km。深中通道海底隧道是目前世界上規(guī)模最大的全“三明治”鋼殼混凝土沉管隧道，是舉世矚目的國家“十三五”重大工程之一[27]。

深中通道采用“東隧西橋”方案，隧道部分埋于礬石水道，全線呈“W”型(見圖1)，采用兩孔一管廊結構，左、右側為主行車孔，中管廊從上至下分別為排煙道、安全通道、管線通道。沉管段樁號為K7+330～K12+065，長度5 035 m，共有32節(jié)管節(jié)，自西向東依次編號為E1—E32，分為標準管節(jié)(見圖2)和非標準管節(jié)(見圖3)。其中，標準管節(jié)尺寸為長165.0 m、寬46.0 m、高10.6 m，非標準管節(jié)尺寸為長123.8 m、寬46.0～55.46 m、高10.6 m。最終接頭設置在E22和E23之間，長度2.2 m[28]。

圖1 主線隧道平縱布置圖(單位： m)Fig. 1 Horizontal and vertical layout of main tunnel (unit: m)

圖2 標準管節(jié)(單位： cm)Fig. 2 Standard pipe joint (unit: cm)

圖3 非標準管節(jié)(單位： cm)Fig. 3 Non-standard pipe joint (unit: cm)

沉管隧道隔艙結構見圖4。沉管隧道鋼殼構造主要由內外面板、橫縱隔板、橫縱加勁肋及焊釘組成。為加強澆筑混凝土與鋼殼結構的協(xié)同受力作用，在隔艙的底板和頂板上均設置抗剪構件，在隔艙頂板預留澆筑孔和排氣孔。根據隔艙尺寸的不同，排氣孔的布置數量和位置也不同。

圖4 隔艙結構示意圖(單位： m)Fig. 4 Schematic of bulkhead (unit: m)

2 檢測方法

2.1 沖擊映像法檢測原理

當擊打檢測物件表面時，在檢測物件內部會激發(fā)彈性波動場，包括面波、縱波、橫波等，如圖5所示。檢測物件表面的彈性波動場分布是檢測物件內部結構在其表面的映像。當混凝土與鋼板存在脫空時，鋼板表面的彈性波動場分布特性發(fā)生變化，包括能量衰減、波形特性與頻譜特性等。通過對檢測物件表面的波動場分布進行反映射分析，即可推斷檢測物件的內部結構。

D為激勵和測點的距離； X0為激勵和激勵的距離。圖5 沖擊映像法基本原理Fig. 5 Basic principle of impact imaging method

距離震源D處的波動場，其變化情況對缺陷大小和深度的敏感度各有不同。由于無法預先獲知缺陷狀態(tài)，實際作業(yè)時將布置多個檢波器，獲取多個震源偏移距的沖擊響應波形數據，進而對缺陷大小和深度進行綜合分析。

2.2 檢測設備

單點型沖擊映像法的現場數據采集系統(tǒng)由錘擊開關、振動傳感器、動態(tài)信號分析系統(tǒng)、控制電腦組成。本次檢測工作所用儀器包括國產的動態(tài)信號采集儀、100 Hz速度型垂直分量檢波器和質量為100 g的鋼質沖擊力錘，見圖6。具體參數和儀器設備如表1所示。

圖6 沖擊映像法儀器設備Fig. 6 Impact imaging instrument equipment

表1 沖擊映像法所用儀器參數Table 1 Parameters of instrument used in impact imaging method

2.3 采集方法

檢測工作開始前，應進行測線測點布置。以所檢管節(jié)左行車道向右行車道為x軸正向，以深圳側向中山側為y軸正向，建立正交坐標系。每個隔艙的測線沿T肋方向布置，測線、測點間距均為10 cm，測點密度為10 cm×10 cm。隔板及T肋兩側5 cm、15 cm處加密測線，測點密度5 cm×10 cm。測線布置結束后，對儀器運行及參數設置情況進行檢查，確保無誤后開始數據采集。沖擊映像法采用機械方式擊打檢測物件表面，在檢測物件內部產生彈性波動場，在距離激發(fā)點10 cm處，用檢波器(間隔X0)接收檢測物件表面的彈性波動，采集到的波形如圖7所示。然后保持偏移距、擊打方向和擊打力度不變，將激發(fā)-檢波系統(tǒng)移至下一個檢波點，并重復以上數據采集過程。當所有檢波點的數據采集完成后，對原始數據進行時間域、頻率域的濾波、降噪等處理，并通過分析波動場特征(包括波形特征和/或頻譜特征)隨檢波點的變化，進而推測介質內部結構變化。

圖7 沖擊映像法采集到的波形剖面示例Fig. 7 Sample waveform profiles collected by impact imaging method

2.4 采集參數設置

根據本試驗采集的數據分析彈性波在鋼板介質中的傳播特性、波速及頻率等設定采集參數： 檢波器間距0.1 m、震源偏移距測線0.1 m、激發(fā)方式為沖擊力錘敲擊、道數為單道、采樣間隔50 μs、記錄長度為128 ms、檢測點密度為1點/0.1 m。該組參數對本項目不同鋼板厚度均適用。

2.5 采集步驟

1)現場準備。熟悉現場環(huán)境及模型狀態(tài)，對檢測表面進行清理，使待檢區(qū)域表面清潔、平整、干燥、無焊渣、無料渣；檢查儀器設備情況，確保各部件完整可靠，處于正常工作狀態(tài)。

2)進行測線布置、參數設置。

3)檢波器布設。將檢波器平整地放置于檢測點上，準備好激發(fā)工作。

4)激發(fā)。采用質量為100 g的沖擊力錘擊打鋼殼結構作為震源。

5)數據采集。激發(fā)產生的震動能量以波的形式向四面?zhèn)鞑?，檢波器接收信號并傳送給記錄設備，記錄完畢后，進行下次敲擊，以此類推，直至該條測線檢測完畢。

數據采集與記錄過程如圖8所示。

(a) 表面清潔 (b) 測線布置

(c) 檢波器布設及激發(fā) (d) 數據采集及記錄圖8 數據采集與記錄Fig. 8 Data acquisition and recording

2.6 數據處理分析流程

數據處理是對檢測數據進行編輯、濾波和數學變換等，去除或壓制噪音，并把有用信息按特定的形式表現出來，主要包括數據分析和數值模擬，具體處理流程見圖9。

圖9 沖擊映像法數據處理流程Fig. 9 Data processing flowchart of impact imaging method

2.6.1 數據分析

1)數據預處理。進行有效數據提取、重新排列和格式變換，并加入位置信息。

2)數據歸一化。將沖擊錘上傳感器記錄的沖擊力數據進行歸一化處理，以去除敲擊力度不一致的影響，確保激發(fā)強度相同。

3)波形處理。包括非正常數據處理、時窗切除和濾波。首先，將數據存在的異常部分切除，并用相鄰數據進行內插。然后，對干擾信號與檢測信號的時間段不一致的數據，設計合適的時間窗口，切除時間窗口以外的數據。最后，設計各種頻率濾波器(低通、高通、帶阻等)，在頻率域對噪音數據進行壓制。

4)波場分離與響應強度分析。將振動信號的面波、縱波直達波、縱波反射波和橫-縱轉換波等進行分離與轉換，比選合適的信號進行響應強度、卓越頻率和頻譜等的處理，并與數值模擬的評價標準進行比對與優(yōu)化。例如： 響應特征方面，建立密實、2～3 mm脫空、3～5 mm脫空、5 mm以上脫空與相對應的信號響應強度值對應情況數據庫。頻率與頻譜方面，響應波形信號能量基本分布在頻段0～2 000 Hz內，故將0～2 000 Hz平均分為9個頻率區(qū)間，通過搜索波形信號在每個區(qū)間內頻譜的最大振幅值作為此頻率區(qū)段的特征值等，建立脫空與信號的量化關系。

5)響應強度分布圖。根據波形持續(xù)時間比選合適的時間段，并計算沖擊響應強度，生成沖擊響應強度分布圖。

2.6.2 數值模擬

1)建立構造數學模型： 用適當的數學方法建立實體結構的三維有限元模型，設置多種脫空形式，包括厚度、面積等，以吸收邊界條件。

2)建立檢測方法數學模型： 結合數據擬合的方法，借用已知領域的數學模型建立檢測方法。

3)波動方程模擬： 通過輸入激振信號，進行三維波動方程模擬。

4)計算理論沖擊響應強度： 運用沖擊響應有限元仿真計算的理論依據，從而計算理想狀況下的數值。

5)建立脫空判斷標準： 對接收信號進行多維度的分析，與既定的缺陷形式進行匹配，建立脫空評判標準。

2.6.3 沖擊響應強度反映射

沖擊響應強度不僅與脫空有關，還與隔艙的內部結構(如加勁肋附近)有關。根據隔艙的內部結構建立理論模型，通過反映射處理消除內部結構的影響。

2.6.4 生成缺陷平面分布圖

將消除內部結構影響后的沖擊響應強度分布圖與預先設定的判斷標準進行比對與解釋，最終生成缺陷平面分布圖。

2.6.5 缺陷構成比例統(tǒng)計

針對缺陷分布圖中的各種物性構成占比情況進行計算，統(tǒng)計出各分量的組成情況。

2.7 試驗介紹

根據深中通道的結構形式，制作了體型、結構、材料完全一致的足尺模型。該足尺模型試驗是為驗證和穩(wěn)定混凝土澆筑施工工藝實施。澆筑試驗完成后，通過隨機抽選取檢測點開蓋檢驗澆筑效果和脫空檢測效果，其中包括24個小模型和3個足尺模型。足尺模型現場見圖10。

(a) 整體

(b) 局部圖10 足尺模型現場Fig. 10 Full-scale model site

2.8 測線布設

設定管節(jié)長度方向(縱向)為x軸，寬度方向(橫向)為y軸。沖擊映像法測點密度10 cm×10 cm，易出現脫空區(qū)域T肋及隔板兩側5 cm和15 cm進行測線加密，每條T肋及隔板兩側增加4條測線，測點密度0.05 m×0.1 m。標準格艙為長3.5 m×寬3.0 m，測線布置如圖11所示。

圖11 標準隔艙測點布置示意圖Fig. 11 Schematic of standard silo measuring point layout

3 脫空質量評價指標

3.1 技術指標

根據深中通道鋼殼混凝土的澆筑質量要求和對脫空檢測的技術要求，制定以下技術標準：

1)鋼殼自密實混凝土結構頂面脫空技術指標主要包括脫空高度、脫空面積比等；

2)混凝土允許脫空高度≤5 mm，針對底板頂和頂板頂進行分格脫空檢測，分格規(guī)格為30 cm×30 cm；

3)T肋位置的分格需要以T肋為中心、跨T肋進行(30 cm的分格須保證在T肋兩側各15 cm間隔)；

4)騎跨T肋的單個分格(不連成片)等效脫空高度大于5 mm時需要進行注漿補強；

5)騎跨T肋的分格出現相鄰的2個及以上分格等效脫空高度均大于3 mm時需要進行注漿補強；

6)非T肋位置的分格等效脫空高度大于5 mm時需要進行注漿補強；

7)沖擊映像法要求對底板頂和頂板頂進行100%檢測，采用沖擊映像法檢測出“分格存在脫空大于5 mm的單點”或“分格中脫空大于3 mm的面積大于30%”進行復測。

3.2 評價指標

通過對振動信號進行濾波、波形處理等，對信號的頻率、頻譜峰值、振幅等進行數值化處理，對沖擊響應強度進行歸一化處理，獲得標準化沖擊響應強度I。將參數I分為4個等級，分別采用藍色、黃色、橙色和紅色表示，表征鋼板與混凝土的貼合狀態(tài)，具體如表2所示。對檢測數據進行處理，分別采用藍色、綠色、黃色和紅色表示，相應的貼合狀態(tài)： 密實、脫空高度2～3 mm、脫空高度3～5 mm和脫空高度>5 mm。

表2 評價指標與解釋Table 2 Evaluation indicators and explanations

4 檢測過程與結果分析

4.1 試驗檢測完成鋼板開蓋后脫空測量方法

通過計算位置符合率是否存在脫空、面積符合率是否滿足要求，以及脫空高度符合率等3項驗證指標來進行檢測。

4.1.1 脫空高度測量方法

以鋼板頂面作為脫空高度測量的基準面，采用測量架裝置(見圖12)，用游標卡尺測量。測量時，用游標卡尺主尺的尾端卡在測量架橫梁的頂部，將游標卡尺的深度尺插至混凝土表面，然后在游標卡尺的主尺上(2個外測量爪之間)讀出深度。

實際脫空高度=游標卡尺讀數-鋼板厚度-測量架橫梁高度。

圖12 脫空高度測量Fig. 12 Void height measurement

4.1.2 脫空面積測量

檢測時，在隔艙鋼板表面按10 cm×10 cm畫網格；開蓋后，將該網格投影到混凝土表面，脫空面積按網格數計算。

4.1.3 缺陷位置測量

根據檢測時用的坐標系，用尺子或數網格的方法測量缺陷區(qū)域的中心點坐標。考慮到缺陷形狀的隨意性與復雜性，此處所述缺陷位置僅僅為方便描述缺陷部位時所用，實際計算位置符合率的方法后述。

4.1.4 缺陷量測量

以鋼板頂平面作為缺陷量測量的基準面，使用可塑性較強的橡皮泥填充開蓋部位，利用鋼尺將橡皮泥表面削平，使其與基準面平齊。取出橡皮泥放入預先加水的塑料量杯中(加水量保證能完全淹沒橡皮泥且不會溢水)，如圖13所示。放入前，讀取容積Q1，放入后讀取體積Q2，則橡皮泥體積Q=Q2-Q1。

圖13 脫空缺陷測量Fig. 13 Void defect measurement

實際缺陷量=Q-開蓋長×開蓋寬×鋼板厚度。

4.2 試驗驗證結果

結果驗證采用盲檢開蓋的方式，即檢測結束以后，根據檢測結果，隨機打開鋼殼，檢查檢測結果與實際澆筑效果的差別。共選擇10個隔艙，每個隔艙選擇6處開蓋位置進行驗證。圖14為某一典型隔艙檢測結果與現場開蓋情況對比，其中圖14(a)中的測點顏色對應表2的脫空程度。圖15為1#—6#鋼殼蓋板檢測結果與現場開蓋情況對比。

(a) 沖擊映像法結果

(b) 現場開蓋位置圖14 檢測結果與現場開蓋位置Fig. 14 Impact imaging results and opening locations at site

(a) 1# (b) 2# (c) 3#

(d) 4# (e) 5# (f) 6#圖15 1#—6#鋼殼蓋板檢測結果與現場開蓋情況對比Fig. 15 Comparison between impact imaging results and opening condition of steel case Nos. 1 to 6

由圖15可知： 1#開蓋位置，檢測結果為密實；開蓋結果為密實，對應較好。 2#開蓋位置，檢測結果為T肋左側有脫空，其中脫空面積為0.035 m2(7個測點，單個測點面積為0.05 m2)；實際開蓋情況為T肋左側脫空，T肋右側密實，與檢測結果對應較好，經現場測量，T 肋左側脫空面積為0.032 m2。 3#開蓋位置，檢測結果為密實；開蓋結果為密實，對應較好。4#開蓋位置，檢測結果為輕微脫空，開蓋結果為輕微脫空。5#開蓋位置，檢測結果為T肋左側有脫空，脫空面積為0.03 m2(6個測點，單個測點面積為0.05 m2)，T肋右側檢測結果為密實；實際開蓋T肋左側脫空，T肋右側為密實，與檢測結果對應較好，經現場測量，T肋左側脫空面積為 0.027 m2。6#開蓋位置，檢測結果為T肋右側有脫空，脫空面積為 0.04 m2(8個測點，單個測點面積為0.05 m2)，T肋左側檢測結果為密實；實際開蓋T肋右側脫空，T肋左側密實，與檢測結果對應較好，經現場測量，T肋左側脫空面積為0.045 m2。

通過對所有隔艙開蓋位置的檢測結果進行驗證，計算開蓋驗證實際脫空>5 mm的數量與沖擊映像法定義脫空疑似>5 mm的數量之比，經驗證后求得檢測結果的準確率為91%。

5 結論與建議

1)通過波形可視化處理、沖擊響應能量及頻譜處理相結合的方法，采用沖擊映像法能夠很好地把握鋼殼混凝土病害分布狀況，可以定量化評價脫空狀況。

2)現場實施效果表明，對底板頂和頂板頂采用沖擊映像法進行100%檢測，T肋位置由于結構特性需要進行網格細分，分格評價規(guī)格為30 cm×30 cm。檢測出“分格存在脫空>5 mm的單點”或“分格中脫空>3 mm的面積大于30%”區(qū)域進行復測，這一技術要求具有檢測可實施性。

3)沖擊映像法采用沖擊響應強度值的形式來表示缺陷狀況，并通過密實、2～3 mm、3～5 mm及5 mm以上等4種評價指標表明鋼板與混凝土之間的貼合狀態(tài)?，F場開蓋驗證情況表明，采用標準化沖擊響應能量值可以準確反映鋼板與混凝土間缺陷的空間分布情況。

4)通過盲檢開蓋的方式進行鋼殼混凝土隧道足尺試驗脫空檢測驗證，經統(tǒng)計，檢測結果的準確率為91%。

5)提出的檢測方法已應用于深中通道鋼殼混凝土沉管隧道工程中，共完成30個管節(jié)檢測，包括44 499個隔艙和65 960 310個測點。通過總結脫空規(guī)律，提出如調整澆筑速度、高溫季節(jié)施工時降低混凝土入艙溫度等改進澆筑工藝的意見，建議在保證結構受力安全性和造價經濟性的前提下，應減少隔艙內部T肋結構的設置，并增加排氣孔的數量。