超聲波測井儀在地下連續(xù)墻工程中的應(yīng)用

李輝龍，卜云峰

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700)

近幾年，在水利、橋梁、電力等地下連續(xù)墻工程項(xiàng)目中，對墻體有效厚度和垂直度的要求越來越高，而對上述兩項(xiàng)的控制和檢測，在保證機(jī)械設(shè)備本身的規(guī)格要求前提下，主要采用超聲波測井儀對墻體有效厚度和垂直度進(jìn)行監(jiān)控。

已完工的江蘇潤揚(yáng)公路長江大橋北錨碇和武漢陽邏長江大橋南錨碇地下連續(xù)墻工程以及正在施工的南水北調(diào)中線穿黃工程北岸鋼筋混凝土豎井和上海500 kv靜安世博輸變電地下連續(xù)墻工程，都采用了超聲波測井儀對墻體有效厚度和垂直度進(jìn)行控制和檢測，對地下連續(xù)墻的施工起到了很好的指導(dǎo)作用，為確保地下連續(xù)墻施工質(zhì)量奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 超聲波測井儀的構(gòu)造及檢測原理

1.1 主要構(gòu)造及組成

DM684型超聲波測井儀主要由孔口裝置和控制面板兩部分組成，前者用于安裝傳感器及其電纜和承載鋼絲等，后者用于控制傳感器提升、下放及停止、打印測量記錄、調(diào)整圖譜效果和設(shè)置測量參數(shù)等。兩部分由數(shù)據(jù)線相連。

1.1.1 孔口裝置

如圖1所示，孔口裝置主要由電纜絞輪、鋼絲絞輪、傳感器、數(shù)據(jù)線接口、限位器和鋼框架組成。其中電纜絞輪所纏繞的黑色電纜線用于傳感器電源和采集數(shù)據(jù)傳輸，該電纜線一端與傳感器相連，另一端與數(shù)據(jù)線接口相連;鋼絲絞輪共有兩個，分別在限位器左右兩側(cè)，且同步轉(zhuǎn)動，選用Φ2無鈕矩鋼絲繩提升和下放傳感器，以免電纜線承重受損;傳感器由水平橫梁和鋼絲吊起，保證其鉛垂，該傳感器共有4個方向的信號發(fā)射源，分別為 X、X’、Y、Y’，標(biāo)識于限位器外殼上，可以同時測量前、后、左、右4個方向，并對應(yīng)控制面板上的記錄紙打印各方向的測量結(jié)果，即圖譜;數(shù)據(jù)線接口為15針插孔，位于裝置側(cè)面，用于連接控制面板與孔口裝置，以供給傳感器電源和數(shù)據(jù)傳輸;限位器位于傳感器上方，有兩個限位開關(guān)，一個用于傳感器提升限位，一個用于傳感器下放至孔底后自動停止;鋼框架用固定和防護(hù)各部件。裝置側(cè)面安裝一套固定傳動比的齒輪，用鏈條相連，由限位器內(nèi)的馬達(dá)提供動力，以實(shí)現(xiàn)鋼絲絞輪和電纜較輪的同步運(yùn)動。

1.1.2 控制面板

如圖2所示，控制面板主要由左、中、右三部分組成，左側(cè)為電源控制部分，右側(cè)為測量參數(shù)設(shè)置部分，中間為測量記錄部分。共有9個旋鈕和4個開關(guān)，其名稱和主要用途見表1。

圖1 DM684型超聲波測井儀孔口裝置

圖2 DM684型超聲波測井儀控制面板

DM684型超聲波測井儀通過信號電路由傳感器向待測孔壁發(fā)射脈沖信號，再通過振蕩電路對待測孔壁反射的信號進(jìn)行處理，并直接將處理后的信號傳送至記錄筆，由記錄筆打印待測孔壁的圖譜。

1.2 檢測原理

2 檢測及保養(yǎng)

2.1 檢測過程

1)超聲波測井儀運(yùn)至現(xiàn)場開始使用前，應(yīng)做空氣介質(zhì)校準(zhǔn)檢測，其方法是在地表將孔口裝置架高約1m，在傳感器四周約60cm處放置四塊同規(guī)格的光滑木板(亦或是鋼板，作為假定孔壁)，下放傳感器，打印檢測記錄，調(diào)整初始記錄校準(zhǔn)旋鈕(CALIBRATION)，校準(zhǔn)圖譜間距與預(yù)設(shè)標(biāo)記線接近，調(diào)整圖譜套鈕(STC和GAIN)，使圖譜清晰連續(xù)。

表1 DM684型超聲波測井儀控制面板各部件組成及用途表

2)在導(dǎo)墻上放置兩塊承臺板，間距70cm左右，將超聲波測井儀的孔口裝置放于承臺板之上，使傳感器位于導(dǎo)墻中心，調(diào)平穩(wěn)定。

3)將超聲波測井儀的控制面板部分放于離孔口裝置約5m的位置，保證操作人員能夠看清傳感器，以便控制傳感器的運(yùn)動。

4)在控制面板上設(shè)置檢測參數(shù)，主要包括測量半徑及輻度、走紙速度和寬度標(biāo)記，檢查控制面板上所有開關(guān)均位于關(guān)閉狀態(tài)，所有旋鈕均處于最小位置。

5)連接孔口裝置和控制面板之間的數(shù)據(jù)線，該數(shù)據(jù)線為15針對接插線，連接和斷開時注意保持針頭與插孔平行，并定時清理污物，保持清潔。

6)將控制面板上的所有開關(guān)均置于關(guān)閉狀態(tài)，除初始記錄校準(zhǔn)旋鈕、測量半徑(輻度)旋鈕和走紙速度旋鈕為預(yù)先設(shè)定外，其他可調(diào)旋鈕均置于最小位置。

7)連接控制面板主電源，打開左上方主電源開關(guān)，此時電壓表顯示工作電壓110 V，將傳感器動作開關(guān)(WINCH)拔至DOWN位，右旋傳感器運(yùn)動速度旋鈕(SPEED)至3檔，此時傳感器開始向下運(yùn)動。

8)當(dāng)傳感器下放至槽口時，將記錄筆電源開關(guān)(RECORDER POWER)拔至ON檔，此時記錄筆開始打印孔壁圖譜，調(diào)整圖譜套鈕(STC和GAIN)，使圖譜清晰連續(xù)。

9)當(dāng)傳感器下放至孔底時，由限位器控制傳感器自動停止，將記錄筆電源開關(guān)拔至 OFF檔，傳感器動作開關(guān)(WINCH)拔至STOP位，此時記錄筆停止記錄。

10)檢查打印記錄，若圖譜清晰連續(xù)，可將傳感器動作開關(guān)(WINCH)拔至UP位，提升傳感器至孔口，若圖譜效果不好，可將記錄筆電源開關(guān)(RECORDER POWER)拔至ON檔，傳感器動作開關(guān)(WINCH)拔至UP位，實(shí)現(xiàn)自下而上檢測。

11)為消除泥漿浮力對檢測效果的影響，通常采用自下而上的方法檢測，同時，為減少泥漿中的氣泡或有機(jī)物形成的氣層對發(fā)射波的屏蔽作用，建議施工設(shè)備從孔內(nèi)提出后，靜置15min后再開始用超聲波測井儀進(jìn)行檢測。

2.2 儀器保養(yǎng)維護(hù)

1)傳感器提出孔口后，左旋傳感器運(yùn)動速度旋鈕(SPEED)至1檔，降低傳感器提升速度，使之緩慢接觸限位器開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動停止。

2)用清水沖洗干凈電纜絞輪、鋼絲絞輪和傳感器，用限位器兩側(cè)的掛鉤吊起傳感器，使承重鋼絲處于松馳狀態(tài)，斷開主電源，拔掉數(shù)據(jù)電纜并清洗干凈。

3)檢測結(jié)束后，用濕布擦凈控制面板上的污垢和泥漿，保持各開關(guān)、旋鈕和記錄筆干凈清潔，給孔口裝置上所有軸承涂上黃油和潤滑油進(jìn)行保養(yǎng)。

4)將孔口裝置的外鋼架和控制面板箱擦洗干凈，放置在水平干燥的地方，有條件的應(yīng)放在指定的辦公室內(nèi)，避免風(fēng)吹日曬。

5)在任何時候切斷電源之前，必須確?？刂泼姘宓乃虚_關(guān)均處于關(guān)閉狀態(tài)。

6)超聲波測井儀屬精密儀器，應(yīng)輕拿輕放，搬運(yùn)時避免撞擊。

3 數(shù)據(jù)分析及對施工的指導(dǎo)

3.1 數(shù)據(jù)分析

超聲波測井儀最終的成果是測量記錄，即被測槽壁的圖譜及相關(guān)數(shù)據(jù)，包括測量孔深、設(shè)計(jì)孔寬(墻厚)和打印比例等。數(shù)據(jù)分析就是對超聲波測井儀打印的測量記錄進(jìn)行計(jì)算分析，從而得出被測孔壁的各深度偏差值及相應(yīng)垂直度(即孔斜率)，用以判斷被測孔壁是否滿足設(shè)計(jì)要求，同時指導(dǎo)施工設(shè)備如何進(jìn)行糾偏。

3.2 對施工的指導(dǎo)作用

實(shí)際施工過程中，根據(jù)槽段長度可以對已成槽孔前后和兩端的孔壁進(jìn)行檢測，以判斷該槽孔各單孔的垂直度?，F(xiàn)以上海500 kV靜安世博輸變電地下連續(xù)墻工程為例，選取具有代表性的一期槽孔和二期槽孔檢測的圖譜，分析檢測記錄反映的槽孔情況以及對下一步造孔施工的指導(dǎo)作用。

該工程地下連續(xù)墻呈圓周型，墻體外邊直徑130 m，設(shè)計(jì)墻厚120 cm，設(shè)計(jì)墻深57.5 m，設(shè)計(jì)槽孔垂直度≤1/600。成槽選用液壓抓斗和液壓雙輪銑，分一、二期施工，下設(shè)鋼筋籠，墻體連接采用工字鋼剛性接頭，工字鋼焊接在一期槽孔鋼筋籠兩端，根據(jù)施工設(shè)備性能結(jié)合鋼筋籠重量，一期槽孔長6.2 m，二期槽孔長6.5 m。地下連續(xù)墻軸線區(qū)域地層主要為上部黏土層和下部砂層，上部黏土層由液壓抓斗分三抓直接抓取，下部砂層由液壓雙輪銑銑分三銑削至孔底。施工過程中采用膨潤土泥漿護(hù)壁，成槽驗(yàn)收合格后采用液壓雙輪銑正循環(huán)清孔換漿。成槽驗(yàn)收前，對槽孔的孔形(孔寬、墻厚、垂直度等)使用DM684型超聲波測井儀進(jìn)行自檢，一期槽孔檢測3個斷面，如圖3所示，共檢測A～H共8個方向的孔壁情況，A、B、C、D、E 和 F 方向分別為1、2、3 號單孔位置前后孔壁，G和H方向?yàn)樵瓲畹貙樱瑱z測這兩個方向以保證有效的槽孔長度和鋼筋籠順利下放至孔底。二期槽孔檢測3個斷面，如圖4所示，檢測A～F共6個方向的孔壁情況，G和H方向?yàn)楣ぷ咒摻宇^，檢測這兩個方向的主要目的是檢測工字鋼的垂直度、判斷一期槽孔澆筑混凝土是否會產(chǎn)生繞流和調(diào)整二期鋼筋籠尺寸。

槽孔施工過程中，按照施工細(xì)則要求對單孔進(jìn)行限孔深檢測，即在單孔成槽每10 m檢測一次，發(fā)現(xiàn)偏斜立刻進(jìn)行糾偏處理，終孔驗(yàn)收前進(jìn)行整孔檢測做為驗(yàn)收資料存檔。一期槽孔檢測情況如圖5所示，圖中每條豎線間距代表實(shí)際10 cm(可以根據(jù)實(shí)際需要通過控制面板上的SHIFT旋鈕調(diào)整該比例)，每條橫線間距代表實(shí)際5 m(可見左側(cè)孔深標(biāo)記)。

從圖6可以看出，傳感器位于槽孔中心線上，距離設(shè)計(jì)孔端70 cm，檢測深度為35 m，孔端圖譜顯示，該孔自孔深10 m處開始向槽孔內(nèi)偏斜，至35 m處偏斜30 cm，計(jì)算垂直度約為1/117，已經(jīng)超出設(shè)計(jì)要求，需對該槽孔進(jìn)行糾偏，槽壁圖譜顯示，該孔右側(cè)孔壁自孔深10m處向左側(cè)偏斜，至35 m處偏斜10 cm，計(jì)算垂直度約為1/350，超出設(shè)計(jì)要求，需糾偏。如圖6所示，液壓抓斗在導(dǎo)板前后左右共安裝12塊糾偏板，其中前后各4塊，左右各2塊，糾偏板由液壓油缸控制伸出和收回。對于上述槽孔孔端糾偏，應(yīng)將斗體放至10 m后，伸出4號和5號糾偏板，使整個斗體上部向左傾斜下部向右傾斜，從而對右側(cè)孔端進(jìn)行強(qiáng)制糾偏。對于前后槽壁的糾偏，應(yīng)將斗體放至10 m后，伸出1號和2號糾偏板，同時伸出7號和8號對面的糾偏板，使整個斗體上部向右傾斜下部向左傾斜，從而對右側(cè)孔壁進(jìn)行強(qiáng)制糾偏。當(dāng)孔深超過35 m以下發(fā)生偏斜時，由液壓雙輪銑進(jìn)行糾偏，其糾偏原理同液壓抓斗相同，僅在糾偏所需區(qū)間上有所不同，這與二者的導(dǎo)板長度有關(guān)，液壓抓斗在5 m左右，液壓雙輪銑在12 m左右。

二期槽孔檢測情況見圖7所示，從圖中可以看出，傳感器位于槽孔中心線上，距離設(shè)計(jì)工字鋼接頭60 cm，檢測深度為57.5 m，工字鋼接頭圖譜顯示，相鄰一期槽孔鋼筋籠下設(shè)時向左偏斜，同時工字鋼整體發(fā)生彎曲變形，自孔深36 m至43 m段內(nèi)有近40 cm混凝土繞流，需使用沖擊鉆機(jī)對其進(jìn)行處理，處理時應(yīng)注意工字鋼整體向左偏斜，糾偏前可以在沖擊鉆具上焊接導(dǎo)向定位，以保證鉆具沖擊時穩(wěn)定，有效沖擊繞流混凝土，提高處理速度。槽壁圖譜顯示，該孔左側(cè)孔壁自孔深30 m至36 m處槽壁有近20 cm突起，而相對應(yīng)的右側(cè)槽壁比較平滑，加之該段為淤泥質(zhì)黏土層和砂層的交界帶，因此，可以初步判斷該段發(fā)生縮孔，為保證鋼筋籠的順利下設(shè)，需使用液壓銑對該段進(jìn)行處理，將銑頭放至30 m后，降低銑頭轉(zhuǎn)動和下放速度，緩慢銑削，直到36 m左右即可停止。

4 經(jīng)驗(yàn)及建議

1)超聲波測井儀是目前對孔壁檢測較為準(zhǔn)確的儀器，儀器本身雖然存在測量誤差，加之該儀器無法直接計(jì)算孔壁垂直度，需由檢測人員手工量取圖譜尺寸計(jì)算，難免會出現(xiàn)不同人員計(jì)算出不同的孔壁垂直度的現(xiàn)象，但完全可以作為指導(dǎo)施工的依據(jù)。

2)被測槽孔泥漿的比重對超聲波測井儀的測量有過程中一定影響，根據(jù)本工程經(jīng)驗(yàn)，如果泥漿比重＞1.20 g/cm3，打印的圖譜會發(fā)黑并含有大量砂點(diǎn)，通過調(diào)整聲波強(qiáng)度可以減少砂點(diǎn)，但若效果仍不理想，就必須減小泥漿比重或直接更換新泥漿。

3)根據(jù)本工程測量實(shí)踐，施工設(shè)備剛提出槽孔后，不適宜馬上進(jìn)行測量，因?yàn)榇藭r泥漿中會含有氣泡或地層中含有大量的有機(jī)物而形成氣層，導(dǎo)致聲波無法透過此氣層而被屏蔽，在記錄圖譜上會呈現(xiàn)麻點(diǎn)狀或空白區(qū)使記錄模糊不清，通常可靜置10～15 min后再測量。

圖3 一期槽孔檢測工況圖

圖4 二期槽孔檢測工況圖

圖5 一期槽孔檢測圖譜

圖6 液壓抓斗糾偏裝置

圖7 二期槽孔檢測圖譜(二)