強(qiáng)光鵬

(安徽維尼檢測(cè)科技有限公司,安徽 合肥 230000 )

噴射混凝土凝結(jié)硬化時(shí)間短，噴射過(guò)程無(wú)須模板支撐即可達(dá)到成型效果，操作簡(jiǎn)便，加固效果良好[1]。隧道初期支護(hù)噴射混凝土，但隨著隧道修建規(guī)模和復(fù)雜性的增加，隧道施工中遇到的問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)峻[2-3]。因此噴射混凝土作為隧道系統(tǒng)的主要支護(hù)，需對(duì)其進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和施工管理，以保證施工安全和后期的有效維護(hù)。

為了評(píng)估噴射混凝土的質(zhì)量，經(jīng)常在現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣。但鉆孔的過(guò)程會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，修復(fù)鉆孔將增加成本，且隧洞工作面或臺(tái)階處爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波會(huì)影響隧洞工作面后的噴射混凝土。噴射混凝土從巖石表面脫離，并在噴射混凝土后面形成空隙，從而導(dǎo)致腐蝕、彎曲、斷裂等問(wèn)題。再考慮到噴射混凝土存在超挖、欠挖或明顯回彈等現(xiàn)象，厚度不規(guī)律。因此，對(duì)噴射混凝土黏結(jié)狀態(tài)及其厚度進(jìn)行一種經(jīng)濟(jì)、快捷的無(wú)損檢測(cè)是非常必要的。

目前已有學(xué)者[4-5]通過(guò)沖擊回波法、傅里葉變換法對(duì)噴射混凝土進(jìn)行了相關(guān)研究。且有學(xué)者應(yīng)用沖擊回波法結(jié)合短時(shí)傅里葉變換(IE-STFT)法來(lái)評(píng)價(jià)噴射混凝土在平面堅(jiān)硬巖石上的黏結(jié)狀態(tài)，并證明了該方法可應(yīng)用于特定條件。因此，本文基于探地雷達(dá)(GPR)進(jìn)行調(diào)查，并將其結(jié)果與先前基于短時(shí)傅里葉變換的試驗(yàn)研究進(jìn)行比較，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該方法的實(shí)用性。

1 無(wú)損檢測(cè)方法

1.1 沖擊回波法

沖擊回波(IE)法是一種基于應(yīng)力波傳播的混凝土結(jié)構(gòu)缺陷無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其原理如圖1所示。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)的相位和頻率進(jìn)行分析，應(yīng)力波的傳播特性可以評(píng)估質(zhì)量、估計(jì)厚度，并發(fā)現(xiàn)裂縫和空隙。

圖1 沖擊回波法

1.2 探地雷達(dá)

探地雷達(dá)(GPR)是一種較常見(jiàn)、可探索地下目標(biāo)的無(wú)損檢測(cè)方法。本文試驗(yàn)使用探地雷達(dá)系統(tǒng)的中心頻率為1000 MHz，該系統(tǒng)是專(zhuān)門(mén)為混凝土成像而設(shè)計(jì)的。

從本文試驗(yàn)研究中獲得了1024個(gè)離散時(shí)間信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)(即加速度信號(hào))，并對(duì)其進(jìn)行時(shí)頻域分析。將其最大振幅歸一化后，時(shí)頻信息以0.25間隔顯示在等高線(xiàn)圖中。諧振持續(xù)時(shí)間(TR)，即等高線(xiàn)在時(shí)間軸上的直徑距離為0.25。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

根據(jù)圖2所示黏結(jié)狀態(tài)制備IE試驗(yàn)測(cè)試樣品。巖樣為新鮮花崗巖，表面天然、有起伏，其縱波速度為4000 m/s，寬1.5 m，長(zhǎng)1.0 m，厚0.5 m。噴射混凝土由19.6%的硅酸鹽水泥、71.8%的砂和8.6%的水組成。將噴射混凝土應(yīng)用于不同黏結(jié)狀態(tài)的巖石上。(a)段包含噴射混凝土和巖石間的空隙：通過(guò)在噴射混凝土和巖石層間放置一塊聚苯乙烯泡沫塑料來(lái)模擬該空隙，噴射混凝土試樣分別澆注T=13 cm和T=18 cm兩種厚度。(b)段屬于脫黏狀態(tài)：這種情況是通過(guò)在噴射混凝土和巖石層間放置一層薄塑料膜進(jìn)行模擬。(c)段為完全黏結(jié)狀態(tài)：該狀態(tài)直接將噴射混凝土澆筑到巖石表面進(jìn)行模擬。每個(gè)測(cè)試截面寬0.5 m，長(zhǎng)1.0 m，高0.73 m。養(yǎng)護(hù)28 d后，噴射混凝土的縱波速度為4088 m/s。

圖2 噴射混凝土襯砌健康監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置(單位：m)

IE測(cè)試系統(tǒng)由加速度計(jì)、信號(hào)調(diào)節(jié)器/放大器、示波器和計(jì)算機(jī)組成。采用直徑為9.5 mm的鋼球作為沖擊源產(chǎn)生應(yīng)力，源被應(yīng)用到每個(gè)部分的中心處。將加速度計(jì)放置在距離震源2 cm處作為接收器，測(cè)量應(yīng)力波傳播5 ms的垂直響應(yīng)。信號(hào)調(diào)節(jié)器/放大器將測(cè)量信號(hào)放大10倍，通過(guò)示波器和計(jì)算機(jī)將放大后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化存儲(chǔ)。探地雷達(dá)試驗(yàn)在整個(gè)固化過(guò)程中持續(xù)進(jìn)行，7 d后無(wú)明顯變化。

2.2 IE測(cè)試結(jié)果

圖3為等高線(xiàn)圖中的時(shí)頻分析結(jié)果。在完全黏結(jié)狀態(tài)下(圖3(a))，輪廓線(xiàn)是非對(duì)稱(chēng)的，并具有平行于頻率軸的相對(duì)較長(zhǎng)的尾部。主諧振持續(xù)時(shí)間為1.0 ms，主頻率分量達(dá)到30 kHz；高于30 kHz 的頻率分量包含在此尾部。在脫黏狀態(tài)下(圖3(b))，輪廓線(xiàn)在時(shí)間軸和頻率軸上都形成了一個(gè)帶有小尾巴的圓形(對(duì)稱(chēng))形狀。諧振持續(xù)時(shí)間比完全黏結(jié)狀態(tài)長(zhǎng)1.3 ms，主頻率分量比完全黏結(jié)狀態(tài)小20 kHz。在空隙條件下(圖3(c)和圖3(d))，輪廓線(xiàn)是非對(duì)稱(chēng)的；與頻率軸相比，時(shí)間軸上的尾部相對(duì)較長(zhǎng)。兩種情況顯示了相同的模式：諧振持續(xù)時(shí)間比完全黏結(jié)和脫黏狀態(tài)下的時(shí)間長(zhǎng)1.5 ms(圖3(c))和2.0 ms(圖3(d))，主頻率分量比脫黏狀態(tài)下小15 kHz。

圖3 時(shí)頻域分析結(jié)果

總之，隨著噴射混凝土厚度的減小，等高線(xiàn)圖中沿時(shí)間軸的尾部長(zhǎng)度逐漸加長(zhǎng)。即隨著噴射混凝土厚度減小，能量損失減少，導(dǎo)致能量水平降低較少，因此對(duì)應(yīng)于諧振頻率的主能量諧振持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)。由此可知，本文試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致，表明IE法結(jié)合STFT分析可以估計(jì)隧道噴射混凝土的黏結(jié)狀態(tài)。

2.3 探地雷達(dá)圖像結(jié)果

圖4為固化28 d后的探地雷達(dá)圖像，圖中單位為m。從圖4為探地雷達(dá)三維圖像，可以清楚地探測(cè)到噴射混凝土和巖層之間的界面。圖5(a)為探地雷達(dá)平面圖，在距離噴射混凝土表面0.150～0.175 m處存在空隙，但不能明確區(qū)分無(wú)黏結(jié)和完全黏結(jié)的條件。圖5(b)和5(c)顯示了探地雷達(dá)的側(cè)視圖和正視圖圖像：從側(cè)面看，在距參考點(diǎn)0.4 m、距噴射混凝土表面0.13 m處檢測(cè)到一個(gè)空隙，無(wú)法區(qū)分完全黏結(jié)和脫黏狀態(tài)，但在距離噴射混凝土表面0.23 m處發(fā)現(xiàn)噴射混凝土和巖層之間的界面；從正面看，可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)不同的空隙，一個(gè)在左側(cè)深度為0.18 m處，另一個(gè)在右側(cè)深度為0.13 m處。

圖4 探地雷達(dá)三維圖像

圖5 探地雷達(dá)圖像(單位：m)

因此IE和探地雷達(dá)測(cè)試均可用于空隙檢測(cè)，但探地雷達(dá)不能評(píng)估黏結(jié)條件。當(dāng)噴射混凝土完全黏結(jié)在開(kāi)挖面上時(shí)，可用探地雷達(dá)評(píng)估噴射混凝土厚度，用IE區(qū)分黏結(jié)狀態(tài)。因此，IE可用于評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)噴射混凝土的質(zhì)量。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在安徽東部駟馬山進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，隧道采用鉆爆法開(kāi)挖，因此噴射混凝土的黏結(jié)狀態(tài)可能會(huì)受到爆破影響。在連接主隧道和服務(wù)隧道的交叉隧道附近選擇三個(gè)IE測(cè)試地點(diǎn)(即位置D、E和F)，如圖6所示。主隧道(位置D)和服務(wù)隧道(位置E、F)的噴射混凝土厚度分別為10 cm和5 cm。

圖6 三個(gè)IE測(cè)試地點(diǎn)

基于有限元方法的數(shù)值模擬結(jié)果可知，已有學(xué)者提出了考慮地面類(lèi)型、噴射混凝土厚度、表面起伏和沖擊源對(duì)IE-信號(hào)特征影響的噴射混凝土質(zhì)量控制評(píng)價(jià)圖。系統(tǒng)的主頻、阻尼比和諧振持續(xù)時(shí)間是主要參數(shù)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，結(jié)果如圖7(a)、7(b)和7(c)所示。根據(jù)評(píng)價(jià)圖對(duì)噴射混凝土襯砌狀態(tài)進(jìn)行分析。

從位置D(圖7(a))獲得的信號(hào)顯示其諧振頻率(fn)為9.6 kHz，系統(tǒng)阻尼比(DG)約為34%，諧振持續(xù)時(shí)間(TR)為0.85 ms，其等高線(xiàn)圖呈現(xiàn)出平行于頻率軸的較長(zhǎng)尾。由此可以得出：位置D處的噴射混凝土與堅(jiān)硬巖石完全黏結(jié)，堅(jiān)硬巖石比噴射混凝土更堅(jiān)硬，噴射混凝土厚度估計(jì)在10 cm 左右。

在位置E時(shí)(圖7(b))，分析的信號(hào)顯示平行于時(shí)間軸的相對(duì)較長(zhǎng)的尾部。具體信號(hào)特征如下：振動(dòng)的諧振頻率(fn)為18.8 kHz，系統(tǒng)的阻尼比(DG)為23.9%，諧振持續(xù)時(shí)間(TR)為0.95 ms。參考評(píng)估圖，估算噴射混凝土厚度為6 cm，地面阻抗小于噴射混凝土。此外，噴射混凝土的黏結(jié)狀態(tài)為完全黏結(jié)狀態(tài)。因此，可以得出E位置的噴射混凝土已完全黏結(jié)在軟巖上。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在位置F時(shí)(圖7(c))，考慮到噴射混凝土的諧振頻率和系統(tǒng)阻尼比分別為17.4 kHz和大約17%。噴射混凝土的黏結(jié)狀態(tài)估計(jì)為硬巖石上的部分空隙狀態(tài)，其厚度估計(jì)約為8.7 cm，并且等高線(xiàn)圖在時(shí)域和頻域軸處有一個(gè)圓形的小尾巴。

總而言之，實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)條件與估計(jì)的噴射混凝土狀態(tài)較吻合。因此，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了IE-STFT方法可用于評(píng)估噴射混凝土黏結(jié)狀態(tài)。然而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，建議進(jìn)一步研究評(píng)價(jià)噴射混凝土特性(如骨料或纖維含量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間)、地面與噴射混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)IE-STFT信號(hào)的影響。

3 結(jié) 論

為了評(píng)估噴射混凝土的質(zhì)量，本文聯(lián)合無(wú)損檢測(cè)方法、時(shí)頻域分析和試驗(yàn)研究了一種隧道噴射混凝土襯砌開(kāi)挖面的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，并得出以下結(jié)論：

(1)與探地雷達(dá)相比，IE-STFT法在監(jiān)測(cè)噴射混凝土健康方面呈現(xiàn)出更好的性能。

(2)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明IE-STFT方法監(jiān)測(cè)噴射混凝土襯砌健康是有效的。

(3)通過(guò)IE-STFT信號(hào)的主頻、阻尼比和諧振持續(xù)時(shí)間，可以估計(jì)隧道噴射混凝土(或黏結(jié))狀態(tài)、地基條件和噴射混凝土厚度。