錨桿無(wú)損檢測(cè)在高速公路隧道中研究和應(yīng)用

1、錨桿無(wú)損檢測(cè)在高速公路隧道中研究和應(yīng)用摘要：錨桿支護(hù)已日益成為巖土工程加固的主要方 法之一，基于一維彈性波理論的錨桿無(wú)損檢測(cè)豐富了錨桿錨 固質(zhì)量檢測(cè)的方法，其操作簡(jiǎn)單方便，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。文章 結(jié)合工程實(shí)例，分析在高速公路隧道中的應(yīng)用切實(shí)可行，值 得大力推廣。關(guān)鍵詞：隧道；錨桿；無(wú)損檢測(cè)1引言在隧道開(kāi)挖支護(hù)等施工工藝中，錨桿支護(hù)成為最常用的 支護(hù)方式之一。錨桿施工到巖土體內(nèi)與巖土體形成一個(gè)新的 復(fù)合體，從而使得巖土體自身的承載能力大大加強(qiáng)，故其施 工質(zhì)量對(duì)整個(gè)隧道的安全有著重大的意義。錨桿檢測(cè)傳統(tǒng)的 方法是“拉拔法”，但是拉拔屬于破壞性試驗(yàn)，且操作麻煩， 對(duì)于隧道拱頂?shù)腻^桿拉拔難以實(shí)現(xiàn)。而基于一

2、維彈性波理論 的錨桿無(wú)損檢測(cè)，操作方便，隧道內(nèi)任意位置均可檢測(cè)，且 方便快捷，不影響施工進(jìn)度。2檢測(cè)基本原理2.1錨桿無(wú)損檢測(cè)研究發(fā)展錨桿施工質(zhì)量檢測(cè)的研究很早就開(kāi)始了，上個(gè)世紀(jì)八十 年代初，瑞典的相關(guān)研究人員已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)了錨桿錨固質(zhì)量 無(wú)損檢測(cè)儀器boltometer0儀器原理是從錨桿外露端頭激發(fā) 一次超聲波，同時(shí)在此端頭用一個(gè)傳感器接收從錨桿另一端 頭反射回來(lái)的超聲波，而注漿密實(shí)度是根據(jù)從錨桿底部端頭 反射回波的幅值評(píng)價(jià)。上世紀(jì)八十年代，我國(guó)鐵道科學(xué)院曾 在效仿瑞典boltometer檢測(cè)儀的基礎(chǔ)上，采用能量相對(duì)穩(wěn) 定的激振，改進(jìn)研制了 m-7錨桿檢測(cè)儀。到2009年出臺(tái)了 兩本錨桿無(wú)損檢

3、測(cè)技術(shù)規(guī)程，標(biāo)志著錨桿無(wú)損檢測(cè)技術(shù)正式 步入成熟階段。2.2工作原理當(dāng)工程的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸為圓柱體且其直徑d遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 其長(zhǎng)度l時(shí)，即l»d,則此構(gòu)件完全可以作為彈性波中的一 維桿件理論分析處理。錨桿是鋼筋與錨固材料膠結(jié)在一起， 與周?chē)鷩鷰r（土）存在較大的彈性波波阻抗差異，因此，應(yīng) 用彈性波理論對(duì)錨桿進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，可以視錨桿為一維彈性 桿件，用一維彈性桿件來(lái)檢測(cè)分析錨桿的質(zhì)量，即鋼筋與錨 固材料的膠結(jié)質(zhì)量、錨固材料與圍巖（土）的膠結(jié)質(zhì)量（也 就是錨桿的密實(shí)度）及錨桿的長(zhǎng)度。當(dāng)錨桿錨固體系存在波 阻抗（z=pva）差異的界面時(shí)（如空漿、欠密實(shí)、欠長(zhǎng)度等）, 彈性波在該界面將發(fā)生反射。根據(jù)

4、檢測(cè)到的反射信號(hào)的頻 率、幅值及反射波的時(shí)間等特征，可以確定錨桿的錨固狀態(tài) 及施工缺陷。2.3彈性波傳播機(jī)理與桿系波速?gòu)椥圆ㄔ诠こ体^桿中傳播時(shí)，彈性波的能量分成了兩部分向前傳播，一部分沿錨桿傳播，其頻率較高，但衰減較快; 另一部分沿錨固體傳播，其頻率較低，能量衰減較慢，最后 經(jīng)桿底或缺陷反射到傳感器，被接收的是經(jīng)錨桿和錨固體傳 播的混合波，混合波的速度高于錨固介質(zhì)，低于錨桿。按照 彈性波在粘滯彈性介質(zhì)中傳播的理論，傳播速度不僅取決于 材料的力學(xué)性質(zhì)，還與彈性波的頻率有關(guān)。所以，錨桿的桿 體波速與桿系波速是不同的，一般桿體波速高于桿系波速， 波速差異的因素與聲波波長(zhǎng)、錨桿直徑、膠粘物厚度、膠粘

5、物波速及聲波尺度效應(yīng)等有關(guān)。因此錨桿長(zhǎng)度計(jì)算時(shí)采用的 波速平均值應(yīng)考慮密實(shí)度的影響。由于桿系平均波速受多方 面因素的影響，尚無(wú)法準(zhǔn)確地確定與密實(shí)度的關(guān)系，但在實(shí) 際檢測(cè)工作中應(yīng)考慮桿長(zhǎng)檢測(cè)精度與密實(shí)度有關(guān)。3錨桿錨固質(zhì)量評(píng)價(jià)3. 1錨桿長(zhǎng)度錨桿桿體長(zhǎng)度不小于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的95%,且不足長(zhǎng)度不超 過(guò)0. 5m,可評(píng)定錨桿長(zhǎng)度合格，反之不合格。3.2錨固密實(shí)度評(píng)價(jià)當(dāng)錨固體存在嚴(yán)重的空漿段時(shí)，可通過(guò)空漿段的長(zhǎng)度計(jì) 算其錨固密實(shí)度，否則通過(guò)反射波與入射波的能量對(duì)比進(jìn)行錨固密實(shí)度的計(jì)算。4工程實(shí)例分析廣東韶關(guān)某高速公路隧道工程按新奧法原理進(jìn)行洞身 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼架組成初 期支護(hù)

6、與二次模筑混凝土相結(jié)合的復(fù)合襯砌形式。在iii圍巖 區(qū)域，初期支護(hù)采用3m長(zhǎng)，22藥卷錨桿；iv圍巖區(qū)域初 期支護(hù)采用4m長(zhǎng)，25中空注漿錨桿。下面結(jié)合典型波形 圖進(jìn)行分析。4. 1自由錨桿分析自由錨桿就是置于空氣中的錨桿，由于彈性波振動(dòng)能量 不會(huì)向空氣透射，因此彈性波在錨桿頂端和底端之間來(lái)回反 射，能量衰減較緩慢，底端反射波與入射波相位相同，波形 相似。在工地材料倉(cāng)庫(kù)內(nèi)，對(duì)22藥卷錨桿和25中空注 漿錨桿這兩種類(lèi)型的錨桿在自由狀態(tài)下進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)測(cè)波 形圖如圖1、圖2所示。從圖中看出桿底反射信號(hào)非常明顯, 幅值大于入射信號(hào)，這也驗(yàn)證了 一維彈性理論中兩端自由時(shí) 的理論。且在后續(xù)波形中也很清楚

7、地看到2次、3次的桿底 反射信號(hào)。圖125中空自由錨桿波形圖圖222藥卷自由錨 桿波形圖4.2錨固質(zhì)量好的錨桿錨桿施工后，錨固質(zhì)量好表現(xiàn)為桿體與漿液膠結(jié)較好且 均勻，無(wú)空漿現(xiàn)象，注漿密實(shí)達(dá)90%以上。實(shí)測(cè)波形特點(diǎn)為 入射波能量衰減快，幾乎呈指數(shù)衰減態(tài)勢(shì)，但桿底反射微弱 或無(wú)反射，波形最后甚至回歸基線，頻譜集中且為單峰。典 型波形如圖3所示。圖3錨固質(zhì)量好的錨桿波形圖圖4錨固欠密實(shí)的錨桿波形圖4.3錨固欠密實(shí)的錨桿錨桿施工后，由于漿液不達(dá)標(biāo)造成錨固強(qiáng)度低，但無(wú)空 漿現(xiàn)象，注漿密實(shí)度，一般為75%90%之間。實(shí)測(cè)波行特點(diǎn) 為入射波能量衰減較快，一般有清晰的底端反射，桿底反射 與入射波相似且幅值較大

8、。典型波形如圖4所示。4.4存在空漿缺陷的錨桿錨桿施工過(guò)程中，由于注漿時(shí)出現(xiàn)漏漿、空漿等情況， 造成錨桿的錨固局部不密實(shí)或空洞等缺陷段。在缺陷部位截 面面積減小，造成波阻抗減小，入射波在此臨界面將出現(xiàn)反 射波，在時(shí)間域信號(hào)上表現(xiàn)為相位變化，波幅疊加，而缺陷 的嚴(yán)重程度與反射波的幅值相關(guān)。典型波形如圖5所示。5錨桿無(wú)損檢測(cè)中注意事項(xiàng)(1)在錨桿測(cè)試前應(yīng)盡量多收集資料，了解隧道地質(zhì) 情況、錨桿類(lèi)型，施工工藝等。(2)測(cè)試前先測(cè)試自由狀態(tài) 下的錨桿，了解應(yīng)力波在該種材質(zhì)的錨桿中的傳播波速。(3) 錨桿外露長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，確保錨桿頭平整、干凈，傳感器與 錨桿頭粘結(jié)牢靠，且垂直于錨桿頭。(4)檢測(cè)過(guò)程中停止施 工，避免噪音振動(dòng)等干擾；采集波形光滑，不應(yīng)毛刺，避免 高頻振蕩，并且一致性好。(5)對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，充 分考慮到錨固密實(shí)程度對(duì)波速的影響。并結(jié)合聲時(shí)、幅值、 波形衰減的形態(tài)特征、頻譜等綜合分析，使得解譯的結(jié)果更 為準(zhǔn)確可靠。6結(jié)束語(yǔ)隨著高速公路的大量建設(shè)，隧道錨桿無(wú)損檢測(cè)解決了傳 統(tǒng)錨桿檢測(cè)方法單一的