錨桿無損檢測在高速公路隧道中研究和應用

1、錨桿無損檢測在高速公路隧道中研究和應用摘要：錨桿支護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損檢測豐富了錨桿錨 固質量檢測的方法，其操作簡單方便，結果準確可靠。文章 結合工程實例，分析在高速公路隧道中的應用切實可行，值 得大力推廣。關鍵詞：隧道；錨桿；無損檢測1引言在隧道開挖支護等施工工藝中，錨桿支護成為最常用的 支護方式之一。錨桿施工到巖土體內與巖土體形成一個新的 復合體，從而使得巖土體自身的承載能力大大加強，故其施 工質量對整個隧道的安全有著重大的意義。錨桿檢測傳統(tǒng)的 方法是“拉拔法”，但是拉拔屬于破壞性試驗，且操作麻煩， 對于隧道拱頂?shù)腻^桿拉拔難以實現(xiàn)。而基于一

2、維彈性波理論 的錨桿無損檢測，操作方便，隧道內任意位置均可檢測，且 方便快捷，不影響施工進度。2檢測基本原理2.1錨桿無損檢測研究發(fā)展錨桿施工質量檢測的研究很早就開始了，上個世紀八十 年代初，瑞典的相關研究人員已經(jīng)開始開發(fā)了錨桿錨固質量 無損檢測儀器boltometer0儀器原理是從錨桿外露端頭激發(fā) 一次超聲波，同時在此端頭用一個傳感器接收從錨桿另一端 頭反射回來的超聲波，而注漿密實度是根據(jù)從錨桿底部端頭 反射回波的幅值評價。上世紀八十年代，我國鐵道科學院曾 在效仿瑞典boltometer檢測儀的基礎上，采用能量相對穩(wěn) 定的激振，改進研制了 m-7錨桿檢測儀。到2009年出臺了 兩本錨桿無損檢

3、測技術規(guī)程，標志著錨桿無損檢測技術正式 步入成熟階段。2.2工作原理當工程的結構構件的尺寸為圓柱體且其直徑d遠遠小于 其長度l時，即l»d,則此構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在一起， 與周圍圍巖（土）存在較大的彈性波波阻抗差異，因此，應 用彈性波理論對錨桿進行無損檢測，可以視錨桿為一維彈性 桿件，用一維彈性桿件來檢測分析錨桿的質量，即鋼筋與錨 固材料的膠結質量、錨固材料與圍巖（土）的膠結質量（也 就是錨桿的密實度）及錨桿的長度。當錨桿錨固體系存在波 阻抗（z=pva）差異的界面時（如空漿、欠密實、欠長度等）, 彈性波在該界面將發(fā)生反射。根據(jù)

4、檢測到的反射信號的頻 率、幅值及反射波的時間等特征，可以確定錨桿的錨固狀態(tài) 及施工缺陷。2.3彈性波傳播機理與桿系波速彈性波在工程錨桿中傳播時，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，低于錨桿。按照 彈性波在粘滯彈性介質中傳播的理論，傳播速度不僅取決于 材料的力學性質，還與彈性波的頻率有關。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、錨桿直徑、膠粘物厚度、膠粘

5、物波速及聲波尺度效應等有關。因此錨桿長度計算時采用的 波速平均值應考慮密實度的影響。由于桿系平均波速受多方 面因素的影響，尚無法準確地確定與密實度的關系，但在實 際檢測工作中應考慮桿長檢測精度與密實度有關。3錨桿錨固質量評價3. 1錨桿長度錨桿桿體長度不小于設計長度的95%,且不足長度不超 過0. 5m,可評定錨桿長度合格，反之不合格。3.2錨固密實度評價當錨固體存在嚴重的空漿段時，可通過空漿段的長度計 算其錨固密實度，否則通過反射波與入射波的能量對比進行錨固密實度的計算。4工程實例分析廣東韶關某高速公路隧道工程按新奧法原理進行洞身 結構設計，以系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼架組成初 期支護

6、與二次模筑混凝土相結合的復合襯砌形式。在iii圍巖 區(qū)域，初期支護采用3m長，22藥卷錨桿；iv圍巖區(qū)域初 期支護采用4m長，25中空注漿錨桿。下面結合典型波形 圖進行分析。4. 1自由錨桿分析自由錨桿就是置于空氣中的錨桿，由于彈性波振動能量 不會向空氣透射，因此彈性波在錨桿頂端和底端之間來回反 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。在工地材料倉庫內，對22藥卷錨桿和25中空注 漿錨桿這兩種類型的錨桿在自由狀態(tài)下進行了測試，實測波 形圖如圖1、圖2所示。從圖中看出桿底反射信號非常明顯, 幅值大于入射信號，這也驗證了 一維彈性理論中兩端自由時 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。圖125中空自由錨桿波形圖圖222藥卷自由錨 桿波形圖4.2錨固質量好的錨桿錨桿施工后，錨固質量好表現(xiàn)為桿體與漿液膠結較好且 均勻，無空漿現(xiàn)象，注漿密實達90%以上。實測波形特點為 入射波能量衰減快，幾乎呈指數(shù)衰減態(tài)勢，但桿底反射微弱 或無反射，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錨固質量好的錨桿波形圖圖4錨固欠密實的錨桿波形圖4.3錨固欠密實的錨桿錨桿施工后，由于漿液不達標造成錨固強度低，但無空 漿現(xiàn)象，注漿密實度，一般為75%90%之間。實測波行特點 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程中，由于注漿時出現(xiàn)漏漿、空漿等情況， 造成錨桿的錨固局部不密實或空洞等缺陷段。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，在時間域信號上表現(xiàn)為相位變化，波幅疊加，而缺陷 的嚴重程度與反射波的幅值相關。典型波形如圖5所示。5錨桿無損檢測中注意事項(1)在錨桿測試前應盡量多收集資料，了解隧道地質 情況、錨桿類型，施工工藝等。(2)測試前先測試自由狀態(tài) 下的錨桿，了解應力波在該種材質的錨桿中的傳播波速。(3) 錨桿外露長度不宜過長，確保錨桿頭平整、干凈，傳感器與 錨桿頭粘結牢靠，且垂直于錨桿頭。(4)檢測過程中停止施 工，避免噪音振動等干擾；采集波形光滑，不應毛刺，避免 高頻振蕩，并且一致性好。(5)對實測信號進行分析時，充 分考慮到錨固密實程度對波速的影響。并結合聲時、幅值、 波形衰減的形態(tài)特征、頻譜等綜合分析，使得解譯的結果更 為準確可靠。6結束語隨著高速公路的大量建設，隧道錨桿無損檢測解決了傳 統(tǒng)錨桿檢測方法單一的