王鴻志

（中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司，山東 臨沂 273400）

0 引言

如今的中國(guó)已經(jīng)邁入高速化階段，大量的高速鐵路正在建設(shè)中，工程中的樁基質(zhì)量是重點(diǎn)，而聲波透射法是樁基質(zhì)量檢測(cè)中最常用的方式。本文首先介紹了聲波透射法的定義及原理，其次介紹了聲波透射法在現(xiàn)實(shí)中遇到的問題及其處理方法，最后采用鄭濟(jì)高鐵 3 個(gè)典型的樁基為例，對(duì)其樁基質(zhì)量進(jìn)行判斷分析，為樁基質(zhì)量的判定提供參考。

1 聲波檢測(cè)法

1.1 聲波檢測(cè)法的定義

1.2 聲波檢測(cè)法的優(yōu)勢(shì)

在鄭濟(jì)鐵路 2 標(biāo)段中，在聊城市東昌府區(qū)境內(nèi)的正線線路長(zhǎng)度為 46 km。短短的 46 km 有 7 000 多個(gè)樁基。數(shù)量如此龐大的樁基需要檢測(cè)，聲波檢測(cè)法的優(yōu)勢(shì)非常明顯。

首先聲波檢測(cè)法極為高效，是當(dāng)前所有樁基檢測(cè)方法中效率最高速度最快的檢測(cè)方法，檢測(cè)環(huán)境在施工灌注時(shí)就已經(jīng)具備，樁基數(shù)量如此驚人，檢測(cè)的速度和效率尤為重要。其次，聲波檢測(cè)法不會(huì)破壞樁基的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)，檢測(cè)完成后不會(huì)影響樁基質(zhì)量，不會(huì)影響到高鐵的運(yùn)行穩(wěn)定性。加上目前我國(guó)高鐵的樁基建設(shè)采用的是鉆孔澆筑的方法，而聲波檢測(cè)法剛好需要預(yù)留檢測(cè)孔，所以使用該方法進(jìn)行檢測(cè)具有先天性優(yōu)勢(shì)。

1.3 聲波檢測(cè)法的原理和方法

高鐵鐵路樁基的材質(zhì)為鋼筋混凝土，聲波檢測(cè)法利用了超聲波穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，利用超聲波在穿透高鐵樁基的過程中遇到了缺陷時(shí)會(huì)產(chǎn)生波形、主頻和振幅變化的特點(diǎn)，從而分析高鐵樁基在灌注的過程中是否出現(xiàn)了斷樁、截面局部夾泥或縮頸、混凝土離析、分散性泥團(tuán)及蜂窩狀缺陷、集中性氣孔、樁底沉渣和樁頭強(qiáng)度偏低等影響樁基質(zhì)量和承載能力的問題。通常情況下，在高鐵鐵路樁基施工灌注之前，會(huì)在樁內(nèi)預(yù)埋若干條聲測(cè)管，作為超聲波接受和發(fā)射換能器的通道。

利用聲波檢測(cè)法檢測(cè)時(shí)，在每個(gè)檢測(cè)管內(nèi)放入接收超聲波的探頭，探頭由底部向上同步上升，儀器記錄探頭所在的檢測(cè)管之間的樁基切面的超聲波聲學(xué)特征，根據(jù)聲波的到達(dá)時(shí)間、振幅以及頻率的變化，從而分析判定被檢測(cè)的高鐵樁基的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是否存在一系列的質(zhì)量問題。

1.4 聲波檢測(cè)方法與判定依據(jù)

目前，國(guó)家還沒有相關(guān)高鐵樁基聲波檢測(cè)的質(zhì)量判定硬性要求，在日常監(jiān)測(cè)中通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來判斷合格與否，可以參照 TB 10218－2019《鐵路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》中各聲學(xué)臨界值，判斷依據(jù)為聲速、振幅以及頻率 3 個(gè)主要參數(shù)。

1.4.1 聲速分析判定

1.4.2 振幅分析判定

振幅分析運(yùn)用了聲波在介質(zhì)中透?jìng)鱾鞑r(shí)，能量會(huì)不斷衰減，聲波振幅會(huì)隨著透?jìng)鞯臉痘摻罨炷恋暮穸茸兇蠖?guī)律性變小。當(dāng)聲波通過問題區(qū)域時(shí)，振幅變化將失去規(guī)律，波能比例衰減的規(guī)律會(huì)被打破，故而發(fā)現(xiàn)樁基的質(zhì)量隱患。利用振幅變小的規(guī)律性作為參照，比利用聲速判定更加靈敏，對(duì)樁基問題的反應(yīng)更為準(zhǔn)確。

1.4.3 波形判定

波形判定的方式較為通俗易懂，利用了超聲波穿透均勻介質(zhì)時(shí)，波形會(huì)呈現(xiàn)中間大兩頭小的形狀，且頻率同等。若聲波波形變化不大，則說明被檢測(cè)高鐵樁基沒有問題或問題不大；若波形變化明顯則說明問題比較嚴(yán)重。

1.4.4 PSD 判定

PSD 是一種輔助判定方式，主要檢測(cè)高鐵樁基中的疑似問題區(qū)域，通常作為問題區(qū)域的具體定位或參照判定標(biāo)準(zhǔn)。PSD 判定法沒有規(guī)定臨界值，具體方法為測(cè)定相鄰兩個(gè)點(diǎn)的聲波穿透時(shí)間Tx和Tx-1，同時(shí)測(cè)定這兩個(gè)相鄰點(diǎn)在樁基中的深度Zx和Zx-1，PSD=（Tx-Tx-1）2/（Zx-Zx-1），當(dāng)隨著被測(cè)試點(diǎn)X變化時(shí) PSD 數(shù)值變化開始明顯，則說明該相鄰兩個(gè)點(diǎn)之間可能存在問題。

聲波檢測(cè)法的 4 種判定方法單獨(dú)使用，都存在不足和不精確的問題，多方法配合檢測(cè)的可靠性還是很高的。

2 實(shí)際檢測(cè)中的問題和對(duì)策

在數(shù)量龐大的高鐵樁基檢測(cè)日常作業(yè)中，往往會(huì)遇到很多的問題，檢測(cè)人員在日常檢測(cè)中通過經(jīng)驗(yàn)的積累，遇到問題能及時(shí)解決問題，能很大程度提高檢測(cè)效率，避免檢測(cè)過程中出現(xiàn)停滯的現(xiàn)象。以下羅列了幾個(gè)日常作業(yè)中常見的問題，并說明高效簡(jiǎn)單的解決方法。

2.1 放線與放線平衡的問題

在日常監(jiān)測(cè)作業(yè)中，兩個(gè)檢測(cè)管里的聲波發(fā)生器和聲波接收器需要同時(shí)放下，并且需要一直保持在同一高度，也就是在高鐵樁基中處于同一深度。如果在放線下探頭的過程中出現(xiàn)不平衡的情況，那么聲波穿透的距離會(huì)變長(zhǎng)，并且會(huì)隨著放線的進(jìn)行出現(xiàn)變化，從而直接改變測(cè)量結(jié)果，波速和振幅嚴(yán)重變小，影響對(duì)樁基質(zhì)量的判定。

如果采用機(jī)器放線，即用電機(jī)等機(jī)器，勻速將綁著3 個(gè)探頭的線同時(shí)放下，則會(huì)出現(xiàn)新的問題。首先，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)有震動(dòng)，從而引發(fā)高鐵樁基的鋼筋混凝土共振，直接影響聲波，使測(cè)量到的聲波數(shù)據(jù)嚴(yán)重偏差，甚至直接測(cè)量不到數(shù)據(jù)；其次，探頭在下放的過程中有可能會(huì)出現(xiàn)卡頓的情況，一旦任一探頭出現(xiàn)卡頓，那么測(cè)量出來的結(jié)果將毫無意義。

結(jié)合該問題，作業(yè)人員采用了人工加滑輪輔助的方法，大致俯視圖如圖 1 所示。

圖1 樁基檢測(cè)滑輪放置示意圖

3 個(gè)小滑輪大致高出高鐵樁基 10～15 cm，且兩邊一致，3 個(gè)檢測(cè)孔分別放線下放發(fā)生器和接收器，3 根線再連接到大滑輪，同時(shí)手握著 3 根線同時(shí)下放，這樣可以保證三邊放線的速度一致，探頭所處的樁基深度一致。如果出現(xiàn)了探頭卡在檢測(cè)孔的情況，則對(duì)應(yīng)的線將出現(xiàn)松動(dòng)，作業(yè)人員可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)。

2.2 檢測(cè)孔的清洗

在日常高鐵樁基的施工中，雖然檢測(cè)孔為預(yù)留，但是難免混入雜質(zhì)，較為常見的是泥沙雨水附著在檢測(cè)孔內(nèi)壁，或小的混凝土塊沾染在檢測(cè)孔內(nèi)壁，影響聲波透?jìng)鞯木嚯x和密度，從而直接影響測(cè)量和判定結(jié)果。所以，在進(jìn)行樁基聲波檢測(cè)作業(yè)之前，務(wù)必將檢測(cè)孔內(nèi)壁進(jìn)行清洗。

清洗一般使用高壓水槍或者空壓機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體，對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行高壓沖洗。在采用高壓水槍沖洗的時(shí)候，必須使用清水，不含任何雜質(zhì)和泥沙，以免新的雜質(zhì)進(jìn)入內(nèi)壁影響測(cè)量判定結(jié)果。在清洗完成后，將檢測(cè)管內(nèi)部灌滿清水，使用木塞或者布遮住檢測(cè)孔，防止清洗后的檢測(cè)孔被新的雜質(zhì)污染，從而造成測(cè)量判定不準(zhǔn)確或無價(jià)值的返工。

2.3 卡探頭的處理

探頭卡在檢測(cè)孔管內(nèi)上下不能動(dòng)是非常棘手的情況，并且造成卡探頭的因素有多種。首先，部分樁基幾十米長(zhǎng)，聲測(cè)管是多根空心鋼管焊接而成，如果在焊接的過程中接口處處理不當(dāng)，則非常容易造成卡探頭的情況。通常情況下，先采用破舊探頭采用試探頭的方式，提前排除隱患，可以采用專業(yè)聲測(cè)管鉆機(jī)對(duì)問題聲測(cè)管進(jìn)行處理［1-2］。

如果是混凝土或其他雜質(zhì)附著在檢測(cè)孔內(nèi)壁，通常采用輕輕上下抖動(dòng)提拉探頭連接線的方法，釋放提拉，將探頭取出并重新清洗內(nèi)壁。如果該方法失效，探頭仍然不能取出，可以在連接線上套一個(gè)與探頭直徑一樣的金屬環(huán)，放下探頭，然后再往上拉，利用金屬環(huán)為探頭清除上升障礙，從而在不損壞探頭的情況下取出探頭。

也可以將另一個(gè)探頭伸入這個(gè)檢測(cè)管當(dāng)中，適當(dāng)?shù)纳舷屡鲎部ㄗ〉奶筋^，如果在卡的不嚴(yán)重的情況下，很容易將其處理，但是這個(gè)方法應(yīng)適當(dāng)使用，因?yàn)榇朔赡軙?huì)損壞兩個(gè)探頭。

還可以將水管通入聲測(cè)管當(dāng)中，然后用高壓氣槍或高壓水槍的壓力沖擊探頭，清洗聲測(cè)管內(nèi)壁，清洗完成后順著水管或者氣管取出探頭。

由于實(shí)際作業(yè)中卡探頭的情況非常復(fù)雜，造成的原因也有很多，工作人員往往在遇到這種情況時(shí)會(huì)隨機(jī)應(yīng)變，針對(duì)實(shí)際問題情況采用最為簡(jiǎn)單直接的方法，保證在不損壞探頭的情況下以最快速度取出探頭。

2.4 其他需要注意的問題

由于在清洗的過程中，檢測(cè)管內(nèi)壁被高壓水槍沖洗過，內(nèi)壁往往會(huì)有水殘留，所以整個(gè)測(cè)量過程中檢測(cè)管內(nèi)是灌滿水的。探頭下放的時(shí)候會(huì)有水溢出，在提拉到檢測(cè)管口的時(shí)候，探頭的上部將沒有水，所以在這種情況下需要向檢測(cè)孔加水進(jìn)行耦合，這樣才不會(huì)影響到波形波速以及振幅，不會(huì)影響測(cè)量和判定的結(jié)果。

在檢測(cè)作業(yè)中，環(huán)境相對(duì)比較惡劣，泥沙和混凝土顆粒比較多，且全程都有水，所以一定要對(duì)檢測(cè)儀、探頭和滑輪進(jìn)行清洗，對(duì)檢測(cè)儀和滑輪的清洗結(jié)束后還應(yīng)該進(jìn)行干燥處理，從而保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和測(cè)量判定的精準(zhǔn)性，同時(shí)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命［3-6］。

3 實(shí)際工程檢測(cè)案例

本文選取鄭濟(jì)鐵路高鐵路段樁基中幾個(gè)具有代表性的測(cè)量對(duì)象，通過檢測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果判定，直觀地展現(xiàn)了聲波檢測(cè)法在實(shí)際高鐵樁基中的檢測(cè)實(shí)際數(shù)據(jù)和判定依據(jù)。

本文展現(xiàn)的為 3 個(gè)具有代表性的高鐵樁基，分別為：鄭濟(jì)高鐵東昌府特大橋內(nèi)，樁深 31 m，檢測(cè)數(shù)據(jù)有偏差但判定為不影響高鐵安全運(yùn)行能力和承載能力的樁基，這里命名為樁基 a；同路段東昌府特大橋 64 m 深樁基，檢測(cè)數(shù)據(jù)偏差較大具有很大的安全性和穩(wěn)定性隱患，命名為樁基 b；東昌府特大橋 62 m 深樁基，檢測(cè)數(shù)據(jù)沒有發(fā)現(xiàn)任何異常，命名為樁基 c。

3.1 案例 1

樁基a的測(cè)點(diǎn)間距為 0.25 m，測(cè)量 3 個(gè)剖面的檢測(cè)管間距分別為 1.14、0.87 和 0.87 m。其測(cè)試得到的深度、振幅隨深度變化曲線及 PSD 曲線如圖 2 所示。

圖 2 樁基 aPSD 曲線圖

為了更加直觀地看到該被檢高鐵樁基的具體異常，如表 1～表 3 所示。

表1 a 樁基 1 號(hào)剖面異常點(diǎn)（檢測(cè)孔間距 1.14 m）

表2 a 樁基 2 號(hào)剖面異常點(diǎn)（檢測(cè)孔間距 0.87 m）

表3 a 樁基 3 號(hào)剖面異常點(diǎn)（檢測(cè)孔間距 0.87 m）

通過樁基 a 地聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，1 號(hào)剖面有 4 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的振幅略低于正常水平，2 號(hào)剖面有 6 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的振幅略低于正常水平，3 號(hào)剖面有 5 個(gè)點(diǎn)振幅略低于正常水平。但是這些振幅偏低的測(cè)試點(diǎn)波時(shí)和波形均正常，由此可以推斷出在該高鐵樁基中只有少量的細(xì)小氣泡，或者只有極小局部的混凝土料較其他正常區(qū)域有非常細(xì)小的偏差，根據(jù)作業(yè)人員的判斷，這種細(xì)小的偏差不會(huì)影響到高鐵樁基的結(jié)構(gòu)完整性，從而不會(huì)影響高鐵鐵路的安全運(yùn)行能力和承載能力。

3.2 案例 2

樁基 b 的測(cè)點(diǎn)間距為 0.25 m，測(cè)量 3 個(gè)剖面的檢測(cè)管間距分別為 0.58、0.59 和 0.6 m。其測(cè)試得到的深度、振幅隨深度變化曲線及 PSD 曲線如圖 3 所示。

圖3 樁基 b PSD 曲線圖

根據(jù)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，工作人員對(duì)樁基 b 的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了臨界值計(jì)算，根據(jù)臨界值計(jì)算公式，得到的 3 個(gè)剖面波速臨界值分別為 1.602、2.864 和 2.649 km/h，3 個(gè)剖面的波速臨界值差距較大，明顯不符合正常誤差范圍，主要原因是聲波穿透的鋼筋混凝土密度不同。從測(cè)量圖中可以明顯地看出，在樁深 21～42 m 段，波形變形嚴(yán)重，大部分曲線顯示的波速低于 3 km/h，波形振幅明顯較低，PSD 數(shù)值在樁深 40 m 處偏大很多。由此判斷，樁基 b 在 21～42 m 段有很明顯的缺陷，該段鋼筋混凝土密度明顯大于該樁其他位置，鑒于這種情況，工作人員將對(duì)該樁進(jìn)行抽芯檢查，確定問題后對(duì)樁基進(jìn)行維修。

3.3 案例 3

樁基 c 的測(cè)點(diǎn)間距也為 0.25 m，測(cè)量 3 個(gè)剖面的檢測(cè)管間距分別為 0.62、0.61 和 0.62 m。其測(cè)試得到的深度、振幅隨深度變化曲線及 PSD 曲線如圖 4 所示。

圖4 樁基 c PSD 曲線圖

從樁基 c 的測(cè)量數(shù)據(jù)中可以看出，3 個(gè)剖面的測(cè)量結(jié)果曲線幾乎一模一樣，且聲波振幅變化不大，趨于穩(wěn)定的演變曲線。通過數(shù)據(jù)的計(jì)算得到了 3 個(gè)剖面的波速臨界值分別為 4.198、4.171 和 4.176 km/h，3 個(gè)剖面的波速臨界值相差非常小，處于正常誤差范圍之內(nèi)，所以檢測(cè)作業(yè)人員可以判定被檢高鐵樁基 c 的狀態(tài)正常，樁基體內(nèi)不存在明顯氣泡或混凝土位移、密度分布不均勻的情況。

3.4 實(shí)際測(cè)量中的情況

在實(shí)際測(cè)量中，作業(yè)人員會(huì)對(duì)每個(gè)高鐵樁基在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行編號(hào)排序，然后再按照制定好的測(cè)量順序挨個(gè)對(duì)樁基進(jìn)行單次測(cè)量。由于我國(guó)高鐵鐵路施工的嚴(yán)謹(jǐn)和高品質(zhì)的特性，通常對(duì)于類似樁基 c，會(huì)直接判定為質(zhì)量合格。對(duì)于樁基 a，會(huì)進(jìn)行部分抽樣抽芯檢測(cè)。對(duì)于樁基 b，會(huì)進(jìn)行第二次測(cè)試，二次測(cè)試認(rèn)為不合格的樁基再逐一抽芯檢測(cè)，一般情況下這種樁基抽芯檢測(cè)也會(huì)是不合格，檢測(cè)人員將按照相關(guān)規(guī)章制度進(jìn)行上報(bào)，再由專門的人員對(duì)質(zhì)量不合格樁基進(jìn)行維修。

4 結(jié)論

高鐵建設(shè)和穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的重要性關(guān)乎到基本的基建和民生問題，其樁基質(zhì)量檢測(cè)至關(guān)重要。聲波檢測(cè)法作為一種高效、客觀的檢測(cè)方法，在如今的高鐵樁基質(zhì)量檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

高鐵樁基高度比較高，檢測(cè)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，常規(guī)的檢測(cè)方法很難達(dá)到檢測(cè)要求，且很難滿足檢測(cè)的高效率要求。聲波檢測(cè)法包含了波速、波形、振幅和 PSD 4 種檢測(cè)手段，能非?？陀^地檢測(cè)出高鐵樁基中存在的缺陷，能做到精準(zhǔn)定位并給出相對(duì)應(yīng)的維修整改建議。目前該方法已廣泛運(yùn)用到我國(guó)的高鐵鐵路樁基檢測(cè)中，為我國(guó)高鐵鐵路樁基建設(shè)和高鐵發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，該方法應(yīng)被廣泛推廣和運(yùn)用到各類基建質(zhì)量檢測(cè)中。Q