沖擊回波法精細(xì)探測公路隧道襯砌空洞的模型試驗(yàn)及分析

方曉正, 薛亞東

(1. 同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092； 2. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系， 上海 200092)

0 引言

近些年來，隨著經(jīng)濟(jì)和城市化的快速發(fā)展，國內(nèi)公路隧道發(fā)展迅速。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2016年底，國內(nèi)公路總里程達(dá)到4 693萬km，高速公路總里程達(dá)到13.10萬 km，國內(nèi)共有公路隧道15 181處，總里程超過14 000 km[1]。隨著公路隧道規(guī)模的增大，既有隧道的病害缺陷嚴(yán)重影響公路隧道的運(yùn)營安全，因此，也逐漸成為研究的熱點(diǎn)。

隧道襯砌空洞是公路隧道的常見病害之一， 會引起隧道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低、出現(xiàn)滲漏水、穩(wěn)定性降低等[2]。為準(zhǔn)確探測隧道襯砌空洞病害，不少研究者已經(jīng)采用了不同的方法進(jìn)行嘗試和研究。Gao等[3]用微震法現(xiàn)場檢測襯砌空洞，并進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值模擬計(jì)算；王繼飛[4]研發(fā)了可用于隧道空洞探測的探地雷達(dá)天線；楊睿等[5]采用探地雷達(dá)設(shè)備對隧道壁后空洞進(jìn)行了現(xiàn)場探測效果驗(yàn)證，并建立相關(guān)的數(shù)值模型。

沖擊回波法由于具有操作方便、檢測深度大等特點(diǎn)，在檢測混凝土病害缺陷方面得到了廣泛的研究及應(yīng)用。沖擊回波法(impact-echo method，也被稱為IE法)是從20世紀(jì)80年代開始興起的一種新型無損檢測方法。目前國內(nèi)外已有很多關(guān)于沖擊回波法檢測混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的研究。肖國強(qiáng)等[6]采用沖擊回波法研究了混凝土構(gòu)件的表面裂縫深度、厚度和構(gòu)件密實(shí)度等質(zhì)量缺陷。顧軼東等[7]利用沖擊回波法探測了混凝土試件的厚度和表面裂縫深度。張景奎等[8]研究了不同齡期和不同強(qiáng)度的混凝土對沖擊回波法檢測結(jié)果的影響，并對沖擊回波法檢測方法的影響因素和適用范圍進(jìn)行了詳細(xì)研究。Hsiaoa等[9]采用沖擊回波法研究了瞬時荷載作用下在有缺陷和無缺陷條件下混凝土構(gòu)件的振動特征，并進(jìn)行了模型試驗(yàn)和模擬計(jì)算。文獻(xiàn)[10]采用超聲波和沖擊回波法對混凝土構(gòu)件的內(nèi)部缺陷進(jìn)行了聯(lián)合探測。文獻(xiàn)[11]基于沖擊回波法采用一種移動式振動特征分析儀對混凝土板節(jié)理面中的潛在缺陷進(jìn)行了評估。馬民等[12]采用小波分析方法對沖擊回波法測得的振動信號進(jìn)行了分析與研究。溫一波等[13]通過對比沖擊回波法的理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果，提出沖擊回波法仍存在改進(jìn)的空間。喬瑞社等[14]通過模塊試驗(yàn)研究了沖擊回波法檢測缺陷尺寸與缺陷深度時所必須滿足的條件。陳敏等[15]采用沖擊回波法對火災(zāi)后的混凝土結(jié)構(gòu)受損狀況進(jìn)行了檢測。方志等[16]基于沖擊回波法中主頻和頻譜的變化規(guī)律對預(yù)應(yīng)力孔道注漿脫黏缺陷進(jìn)行了研究。

目前沖擊回波法的檢測大多集中在對不同缺陷類型的檢測，而對缺陷尺寸的大小可能造成的影響機(jī)制與程度尚缺少充分的研究。此外，關(guān)于檢測點(diǎn)和震源點(diǎn)的位置對檢測結(jié)果的影響、沖擊回波法的檢測精度研究也較少。為此，本文設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一系列混凝土模型試驗(yàn)，對采用沖擊回波法檢測隧道襯砌空洞的不同影響因素進(jìn)行了研究，以期能夠進(jìn)一步提高沖擊回波法的檢測精度和效率。

1 沖擊回波法

1.1 應(yīng)力波的傳播特點(diǎn)

沖擊回波法是基于由彈性沖擊產(chǎn)生的瞬時應(yīng)力波理論，采用激振器沖擊混凝土表面作為震源，在待測的混凝土上產(chǎn)生應(yīng)力波。應(yīng)力波在混凝土中的傳播具有以下特征：

1)混凝土表面受到振動荷載作用后，會產(chǎn)生向四周傳播的3種不同的應(yīng)力波，即縱波(也被稱作P波)、剪切波(也被稱作S波)和表面波(也被稱作Rayleigh波)，如圖1所示。

2)質(zhì)點(diǎn)的振動方向在P波的波前面上與P波的傳播方向平行，力學(xué)上表現(xiàn)為在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉壓應(yīng)力； 質(zhì)點(diǎn)的振動方向在S波的波前面上與S波的傳播方向垂直，力學(xué)上表現(xiàn)為在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生剪切應(yīng)力； Rayleigh 波的振動特征形式為橢圓。

3)P波和S波在混凝土內(nèi)部呈球面狀傳播，Rayleigh 波則只在混凝土表面上呈放射狀傳播。在傳播過程中，縱波在混凝土中的傳播速度最快，引起的質(zhì)點(diǎn)位移比剪切波、表面波大。因此，縱波是沖擊回波法中檢測混凝土病害的主要類型。

4)分界面是指2種具有不同聲學(xué)性質(zhì)的材料之間的交界面。應(yīng)力波在材料的分界面上會產(chǎn)生折射與反射，其中，折射波與反射波的組成比例取決了交界面2種材料聲學(xué)性質(zhì)的差異性大小。應(yīng)力波在混凝土-空氣交界面上幾乎會全反射，折射的應(yīng)力波可忽略不計(jì)。

圖1 應(yīng)力波的組成

1.2 沖擊回波法的檢測原理

在混凝土表面施加一瞬時沖擊荷載，從而產(chǎn)生應(yīng)力波，縱波是其中考慮的主要應(yīng)力波?？v波在混凝土襯砌內(nèi)部傳播，遇到混凝土內(nèi)部缺陷(如蜂窩、空洞等)時，會產(chǎn)生反射波。反射波傳回混凝土表面，其信號會被預(yù)先布設(shè)在混凝土表面的傳感器接收。反射波在混凝土表面會產(chǎn)生新的反射波，重新傳到混凝土襯砌內(nèi)部。如此往復(fù)的多次反射會使波形具有明顯的周期性，在頻譜上可分解為眾多不同頻率和峰值的波。由于混凝土襯砌的內(nèi)部缺陷會改變縱波的傳播路徑以及混凝土局部剛度和質(zhì)量等，因此，應(yīng)力波的峰值頻率也會發(fā)生變化，進(jìn)而可以通過對檢測信號進(jìn)行頻譜分析判斷混凝土襯砌內(nèi)部是否存在缺陷病害。

2 模型試驗(yàn)

2.1 模型試件

根據(jù)現(xiàn)行的混凝土試驗(yàn)規(guī)程的基本要求，按常用配合比制作強(qiáng)度等級為C30的素混凝土試塊來模擬襯砌管片?；炷猎噳K的幾何尺寸(長×寬×高)為50 cm×50 cm×20 cm，如圖2所示。

2.2 襯砌空洞的模擬

在素混凝土試件底面借助大功率水鉆機(jī)開設(shè)3種不同尺寸的空洞，空洞深度均為50 mm，形狀為圓柱形，直徑分別為30、40、50 mm。將開設(shè)空洞的混凝土試塊放置于另一混凝土試塊上面，上下混凝土表面接觸良好，形成較為封閉的空間，用以模擬隧道襯砌中的壁后空洞。

圖2 混凝土試塊(單位： cm)

2.3 測試方案與儀器

為提高測試的準(zhǔn)確度，測試前對襯砌試件的表面進(jìn)行清潔和平整。在試件的表面分別沿橫向和縱向均勻布置間距相等的測點(diǎn)，形成了一個4×4、網(wǎng)格大小約為12 cm×14 cm的測試網(wǎng)，如圖3所示。測試網(wǎng)與試件四周邊緣的距離為3～7 cm，空洞缺陷位于節(jié)點(diǎn)10正下方。測試時，將網(wǎng)格的4個節(jié)點(diǎn)作為傳感器的布置點(diǎn)，分別記為A、B、C和D。將2個傳感器先后置于A與B、C與D2對布置點(diǎn)上，然后依次置于其余14個節(jié)點(diǎn)上對襯砌混凝土試件施加瞬時振動荷載。在試驗(yàn)過程中，采用人工激振的方式，即試驗(yàn)人員手持激振器在混凝土板表面施加能量為2.207 J的瞬時激振荷載，激振器采用ZC3-A型回彈儀，如圖4所示。傳感器為日本富士陶瓷公司的BA24CM型號壓電傳感器，信號采樣頻率設(shè)為6 400 Hz，選定的采樣點(diǎn)數(shù)量為4 000個。

(a) 網(wǎng)格劃分

(b) 測試點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)標(biāo)記

圖4 激振器

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1 原始數(shù)據(jù)

試驗(yàn)測得的具有不同尺寸空洞的混凝土試件的振動數(shù)據(jù)如圖5—7所示。

(a) 測點(diǎn)A、B處的原始信號

(b) 測點(diǎn)C、D處的原始信號

Fig. 5 Original signal at monitoring point when void diameter is 30 mm

3.2 數(shù)據(jù)處理

將測得的原始數(shù)據(jù)以4 000個數(shù)據(jù)點(diǎn)為間隔進(jìn)行分段，提取每次激振后混凝土板的振動波信號，按傳感器所在測點(diǎn)和激振所在節(jié)點(diǎn)依次記為測試點(diǎn)A.2，A.3，A.4，…，D.15，其中，字母A、B、C、D代表傳感器所在的測試點(diǎn)，數(shù)字1，2，3，…，16代表施加激振荷載的節(jié)點(diǎn)。

采用Matlab R2014a軟件將測得的每個波的信號先后進(jìn)行去線性、均一化處理后，再把波信號進(jìn)行快速傅里葉變換，進(jìn)而得到每個波的頻域信號，并將頻域中的低頻信號(為混凝土板的自振頻率)與峰值較低的頻域信號進(jìn)行過濾，得到每個波的峰值頻域信號，例如空洞直徑為30 mm時處理后的測點(diǎn)信號如圖8—9所示。

(a) 測點(diǎn)A、B處的原始信號

(b) 測點(diǎn)C、D處的原始信號

圖6空洞直徑為40 mm時測點(diǎn)處的原始信號

Fig. 6 Original signal at monitoring point when void diameter is 40 mm

(a) 測點(diǎn)A、B處的原始信號

(b) 測點(diǎn)C、D處的原始信號

圖7空洞直徑為50 mm時測點(diǎn)處的原始信號

Fig. 7 Original signal at monitoring point when void diameter is 50 mm

(a) 測點(diǎn)A處的信號

(b) 測點(diǎn)B處的信號

1)圖(a)中第1行圖示出每一個網(wǎng)格點(diǎn)激振后測點(diǎn)A所采集到的每個波形的均一化信號，橫坐標(biāo)為數(shù)列序號，縱坐標(biāo)為均一化的信號； 2)圖(a)中第2行圖示出將測點(diǎn)A均一化后的信號進(jìn)行傅里葉變換后的結(jié)果，橫坐標(biāo)為頻率，單位Hz，縱坐標(biāo)為信號幅值，單位為1； 3)圖(b)中情況同圖(a)； 4)下同。

圖8空洞直徑為30 mm時處理后的A、B測點(diǎn)處的信號

Fig. 8 Frequency domain signal of monitoring pointsAandBwhen void diameter is 30 mm

3.3 數(shù)據(jù)分析

通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得到以下結(jié)果。

1)當(dāng)混凝土試件內(nèi)部存在空洞時，選擇的激振點(diǎn)位置會對測得的應(yīng)力波信號產(chǎn)生明顯影響。當(dāng)激振點(diǎn)距離缺陷較遠(yuǎn)時(如在網(wǎng)格的邊緣節(jié)點(diǎn)處)，應(yīng)力波的峰值頻率處于1 400～1 500 Hz，如圖10—11所示； 而當(dāng)激振點(diǎn)距離缺陷較近時(如節(jié)點(diǎn)6、10、11等)，應(yīng)力波則在2 500 Hz附近產(chǎn)生新的峰值頻率，如圖12—13所示。在實(shí)際探測中可通過分析激振點(diǎn)對應(yīng)的振動信號的頻域特征確定襯砌空洞的位置。當(dāng)振動信號的頻域分布中出現(xiàn)新的峰值頻率時，則表明該激振點(diǎn)附近可能存在空洞病害。

2)襯砌空洞的尺寸大小會影響測得的應(yīng)力波信號。當(dāng)空洞的尺寸較小時(如30 mm直徑空洞), 混凝土缺陷附近振動信號的峰值頻率較為分散，如圖14所示； 而當(dāng)空洞的尺寸較大時(如40 mm和50 mm直徑空洞)，缺陷附近振動信號的峰值頻率較為集中,如圖15—16所示。因此，可根據(jù)這一特點(diǎn)進(jìn)一步確定和提高沖擊回波法的檢測精度。當(dāng)激振點(diǎn)附近存在空洞缺陷時，可通過振動波頻域上峰值頻率的分布特征初步估計(jì)空洞缺陷的尺寸。當(dāng)振動波存在多個峰值頻率且峰值頻率彼此之間分布較為分散時，則表明襯砌內(nèi)部可能存在小尺寸的空洞病害；當(dāng)振動波的峰值頻率集中于某一頻率附近時，則表明襯砌內(nèi)部可能存在較為嚴(yán)重的空洞病害。

3)傳感器的布置位置也會對測得的應(yīng)力波信號產(chǎn)生一定的影響。傳感器與空洞距離較近時(如點(diǎn)A和點(diǎn)C)，測得的應(yīng)力波的頻域信號較為集中，如圖17—18所示； 當(dāng)傳感器與空洞距離大于25 cm時(如點(diǎn)B和點(diǎn)D),應(yīng)力波的頻域信號分布較為分散，如圖19—20所示。在實(shí)際檢測過程中，為提高襯砌空洞病害的檢測效率，傳感器應(yīng)盡量成對、對稱布置，這有利于快速定位襯砌空洞病害的位置。此外，為避免邊緣效應(yīng)對檢測結(jié)果的影響，在對大體積混凝土襯砌的病害檢測中，傳感器的布置點(diǎn)距離襯砌邊緣的距離應(yīng)大于混凝土板的厚度。

(a) 測點(diǎn)C處的信號

(b) 測點(diǎn)D處的信號

(a) 均一化信號

(b) 頻域信號

圖10空洞直徑為30 mm時處理后的C.1測點(diǎn)的信號

Fig. 10 Frequency domain signal of monitoring pointC.1 when void diameter is 30 mm

(a) 均一化信號

(b) 頻域信號

圖11空洞直徑為50 mm時處理后的A.3測點(diǎn)的信號

Fig. 11 Frequency domain signal of monitoring pointA.3 when void diameter is 50 mm

(a) 均一化信號

(b) 頻域信號

圖12空洞直徑為40 mm時處理后的C.6測點(diǎn)信號

Fig. 12 Frequency domain signal of monitoring pointC.6 when void diameter is 40 mm

(a) 均一化信號

(a) 均一化信號

(a) 均一化信號

(a) 均一化信號

(a) 均一化信號

(b) 頻域信號

圖17空洞直徑為40 mm時處理后的測點(diǎn)A.10信號

Fig. 17 Frequency domain signals of monitoring pointA.10 when void diameter is 40 mm

(a) 均一化信號

(b) 頻域信號

圖18空洞直徑為40 mm時處理后的測點(diǎn)C.10信號

Fig. 18 Frequency domain signals of monitoring pointC.10 when void diameter is 40 mm

(a) 均一化信號

(b) 頻域信號

圖19空洞直徑為40 mm時處理后的測點(diǎn)B.10信號

Fig. 19 Frequency domain signals of monitoring pointB.10 when void diameter is 40 mm

(a) 均一化信號

(b) 頻域信號

圖20空洞直徑為40 mm時處理后的測點(diǎn)D.10的信號

Fig. 20 Frequency domain signals of monitoring pointD.10 when void diameter is 40 mm

4 結(jié)論與體會

在已有研究成果的基礎(chǔ)上，通過檢測具有不同缺陷的混凝土板的振動信號，對采用沖擊回波法檢測隧道襯砌空洞的不同影響因素進(jìn)行了一系列的研究。本文通過在混凝土中開設(shè)不同直徑的空洞，采用了雙通道傳感器和網(wǎng)格化測點(diǎn)的探測方案，有效控制了試驗(yàn)的影響因素，保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

采用沖擊回波法測得的振動信號與激振位置、缺陷尺寸、檢測點(diǎn)位置等因素有關(guān)。當(dāng)激振點(diǎn)位置附近存在缺陷時，應(yīng)力波在頻域信號上2 500 Hz附近產(chǎn)生新的峰值頻率; 當(dāng)缺陷尺寸從30 mm擴(kuò)大至50 mm時，應(yīng)力波的頻域信號逐漸向新的峰值頻率集中; 當(dāng)檢測點(diǎn)位置與空洞缺陷的距離超過30 cm時，應(yīng)力波的頻域信號較為分散。因此，在實(shí)際檢測中，需合理布置測線之間的間距，保證應(yīng)力波信號的精準(zhǔn)度。

沖擊回波法能夠快速、有效地檢測隧道襯砌中存在的空洞缺陷。相比其他的無損檢測方法(如雷達(dá)探測等)，沖擊回波法可以從位置和尺寸2方面探測隧道襯砌中的空洞缺陷，其定位精度在cm級別，尺寸的檢測精度可實(shí)現(xiàn)mm級別，從而實(shí)現(xiàn)了隧道襯砌的精細(xì)探測。因此，實(shí)際應(yīng)用中可利用這一特征來判斷隧道襯砌空洞缺陷的定位和嚴(yán)重程度，也可利用這一特征來確定沖擊回波法的檢測精度。

目前的病害檢測方法仍以人工分析信號為主，檢測效率較低，且依賴于檢測人員的經(jīng)驗(yàn)。此外，快速傅里葉變換在分析非平穩(wěn)信號時也有其固有的缺陷性。近年來，深度學(xué)習(xí)在地下工程的病害缺陷檢測中不斷得到應(yīng)用，借此有望實(shí)現(xiàn)隧道襯砌病害檢測的自動化和快速化。另外，小波分析作為一種新的非平穩(wěn)信號分析方法也進(jìn)一步得到推廣，可用于分析隧道襯砌空洞的檢測信號。這些新技術(shù)和方法可以進(jìn)一步提高沖擊回波法的檢測精度和速度。