沖擊映像法在深中通道沉管隧道鋼殼混凝土界面脫空檢測(cè)的應(yīng)用研究

張長(zhǎng)亮， 李松輝， 張 龑， *， 彭英俊， 劉勛楠， 白 冰

(1. 深中通道管理中心， 廣東 中山 528400； 2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100038)

0 引言

鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)最早由日本引入沉管隧道的建設(shè)中，這種新型結(jié)構(gòu)形式充分利用了鋼和混凝土2種材料的優(yōu)勢(shì)[1]，即以鋼殼作為抗彎和抗剪的主要構(gòu)件兼作防水層，以混凝土作為承載結(jié)構(gòu)承受壓力[2-6]。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，其具有承載力高、延性高、抗震和防水性能優(yōu)異、施工便利、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)大回淤、高水壓等復(fù)雜工程環(huán)境，在保護(hù)結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、海洋結(jié)構(gòu)中具有極大的應(yīng)用前景[7-9]。2017年，港珠澳大橋海底沉管隧道最終接頭采用了鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)，是中國(guó)沉管隧道首次采用鋼殼混凝土的案例。

工程實(shí)踐和大量試驗(yàn)資料表明： 鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)在鋼板與混凝土交界面處極易出現(xiàn)脫空缺陷。一方面，由于施工中鋼殼內(nèi)縱橫隔板、加勁肋等構(gòu)件密布、交錯(cuò)，對(duì)混凝土漿體的流動(dòng)和氣體排出產(chǎn)生阻礙作用；另一方面，受施工工藝、混凝土流變特性等多因素影響，導(dǎo)致隔板、剪力連接件等部位出現(xiàn)脫空缺陷。這些脫空缺陷會(huì)削弱鋼板與混凝土的協(xié)同受力作用，顯著降低結(jié)構(gòu)承載能力，產(chǎn)生局部屈曲等問(wèn)題，影響主體結(jié)構(gòu)的耐久性和服役壽命[10-11]。因此，準(zhǔn)確檢測(cè)鋼殼混凝土的脫空缺陷，對(duì)缺陷位置進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)于提高鋼殼混凝土沉管的安全穩(wěn)定性和服役壽命至關(guān)重要。

然而，鋼殼混凝土脫空檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn)： 其一，鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)中鋼板作為鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)的承力構(gòu)件，為滿足受力要求，鋼板厚度一般在14 mm以上，在超寬管節(jié)的局部位置鋼板厚度甚至可達(dá)40 mm。因此，脫空檢測(cè)時(shí)須穿過(guò)數(shù)cm厚的鋼板，到達(dá)脫空缺陷區(qū)，并攜帶缺陷信息返回鋼板表面；且鋼殼內(nèi)部鋼肋等抗剪構(gòu)件密集，極大地增加了檢測(cè)難度。其二，已有研究表明，為確保鋼殼混凝土的穩(wěn)定性和承載力，應(yīng)避免脫空深度大于5 mm的情況[12]，要求檢測(cè)精度達(dá)到5 mm級(jí)。深中通道海底隧道是當(dāng)前世界上規(guī)模最大的沉管隧道[13]，由32節(jié)管節(jié)組成，平均單個(gè)管節(jié)的底板待檢測(cè)面積為14 000 m2左右； 檢測(cè)任務(wù)龐大，對(duì)脫空檢測(cè)的效率提出新的挑戰(zhàn)。綜上所述，厚鋼板覆蓋、mm級(jí)檢測(cè)精度、鋼殼混凝土沉管隧道的高效率檢測(cè)是當(dāng)前世界級(jí)技術(shù)難題[14-18]。

隨著鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用，其澆筑缺陷檢測(cè)問(wèn)題逐漸受到關(guān)注。學(xué)者們嘗試采用人工敲擊法、超聲波法、紅外線熱成像法、沖擊彈性波法、打音法、中子法和沖擊映像法等，實(shí)現(xiàn)厚鋼板、高精度、大規(guī)模、高效率的鋼殼混凝土脫空檢測(cè)。人工敲擊法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、檢測(cè)方法容易掌握等優(yōu)點(diǎn)，但檢測(cè)結(jié)果人為影響大，且無(wú)法對(duì)脫空程度進(jìn)行定量估計(jì)，因此在實(shí)際的工程應(yīng)用中僅作為初篩或輔助檢測(cè)手法。超聲波法、紅外線熱成像法、沖擊彈性波法、打音法大多只能定性判別有無(wú)缺陷，對(duì)缺陷的種類和形狀不能很好地分辨，無(wú)法定量評(píng)估缺陷的脫空高度，且抗環(huán)境干擾性能差，檢測(cè)精度、檢測(cè)效率以及可操作性難以滿足工程需求[19-22]。而沖擊映像法是基于彈性波反射原理的無(wú)損檢測(cè)方法[23]，其利用鋼質(zhì)錘或球等機(jī)械方式在檢測(cè)構(gòu)件表面激發(fā)彈性波場(chǎng)，通過(guò)分析波形特性判斷是否存在缺陷，具有數(shù)據(jù)采集快、工作環(huán)境適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，目前已在注漿密實(shí)度檢測(cè)、混凝土內(nèi)部裂縫檢測(cè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如： 龔衛(wèi)鋒等[24]采用沖擊映像法檢測(cè)分析某大型調(diào)水工程地雙向預(yù)應(yīng)力混凝土立墻的劈裂問(wèn)題； 彭冬等[25]采用沖擊映像法檢測(cè)分析天津?yàn)I海海河沉管隧道底板注漿效果； 王求等[26]基于沖擊映像法開展田基沙水閘脫空檢測(cè)。目前，沖擊映像法的應(yīng)用研究均集中在大體積混凝土內(nèi)部裂隙檢測(cè)、隧道襯砌脫空檢測(cè)和沉管隧道基礎(chǔ)灌砂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等方面，在鋼殼混凝土沉管隧道的脫空缺陷檢測(cè)方面尚無(wú)有效的研究與應(yīng)用[11]。此外，沖擊映像法仍存在許多亟待解決的問(wèn)題，如評(píng)價(jià)方法不一致、主觀性強(qiáng)等[25]。

本文基于沖擊映像法的大型沉管隧道鋼殼混凝土脫空質(zhì)量檢測(cè)方法開展研究。首先，通過(guò)研究近源波場(chǎng)響應(yīng)特性變化規(guī)律，研究包括設(shè)備、軟件及模型在內(nèi)的鋼殼混凝土脫空檢測(cè)技術(shù)。然后，在此基礎(chǔ)上，開展鋼殼混凝土脫空質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究，確定脫空檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。最后，通過(guò)對(duì)足尺模型澆筑工藝試驗(yàn)后的檢測(cè)實(shí)施，對(duì)該方法的效果進(jìn)行驗(yàn)證，為深中通道高質(zhì)量建設(shè)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

深圳至中山跨江通道(簡(jiǎn)稱“深中通道”)，是連接廣東自貿(mào)區(qū)三大片區(qū)、溝通珠三角“深莞惠”與“珠中江”兩大功能組團(tuán)的重要交通紐帶，是粵東通往粵西乃至大西南的便捷通道。深中通道是世界級(jí)超大的“橋、島、隧、地下互通”集群工程，路線起于廣深沿江高速機(jī)場(chǎng)互通立交，向西跨越珠江口，終于橫門互通，全長(zhǎng)24 km。深中通道海底隧道是目前世界上規(guī)模最大的全“三明治”鋼殼混凝土沉管隧道，是舉世矚目的國(guó)家“十三五”重大工程之一[27]。

深中通道采用“東隧西橋”方案，隧道部分埋于礬石水道，全線呈“W”型(見圖1)，采用兩孔一管廊結(jié)構(gòu)，左、右側(cè)為主行車孔，中管廊從上至下分別為排煙道、安全通道、管線通道。沉管段樁號(hào)為K7+330～K12+065，長(zhǎng)度5 035 m，共有32節(jié)管節(jié)，自西向東依次編號(hào)為E1—E32，分為標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)(見圖2)和非標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)(見圖3)。其中，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)尺寸為長(zhǎng)165.0 m、寬46.0 m、高10.6 m，非標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)尺寸為長(zhǎng)123.8 m、寬46.0～55.46 m、高10.6 m。最終接頭設(shè)置在E22和E23之間，長(zhǎng)度2.2 m[28]。

圖1 主線隧道平縱布置圖(單位： m)Fig. 1 Horizontal and vertical layout of main tunnel (unit: m)

圖2 標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)(單位： cm)Fig. 2 Standard pipe joint (unit: cm)

圖3 非標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)(單位： cm)Fig. 3 Non-standard pipe joint (unit: cm)

沉管隧道隔艙結(jié)構(gòu)見圖4。沉管隧道鋼殼構(gòu)造主要由內(nèi)外面板、橫縱隔板、橫縱加勁肋及焊釘組成。為加強(qiáng)澆筑混凝土與鋼殼結(jié)構(gòu)的協(xié)同受力作用，在隔艙的底板和頂板上均設(shè)置抗剪構(gòu)件，在隔艙頂板預(yù)留澆筑孔和排氣孔。根據(jù)隔艙尺寸的不同，排氣孔的布置數(shù)量和位置也不同。

圖4 隔艙結(jié)構(gòu)示意圖(單位： m)Fig. 4 Schematic of bulkhead (unit: m)

2 檢測(cè)方法

2.1 沖擊映像法檢測(cè)原理

當(dāng)擊打檢測(cè)物件表面時(shí)，在檢測(cè)物件內(nèi)部會(huì)激發(fā)彈性波動(dòng)場(chǎng)，包括面波、縱波、橫波等，如圖5所示。檢測(cè)物件表面的彈性波動(dòng)場(chǎng)分布是檢測(cè)物件內(nèi)部結(jié)構(gòu)在其表面的映像。當(dāng)混凝土與鋼板存在脫空時(shí)，鋼板表面的彈性波動(dòng)場(chǎng)分布特性發(fā)生變化，包括能量衰減、波形特性與頻譜特性等。通過(guò)對(duì)檢測(cè)物件表面的波動(dòng)場(chǎng)分布進(jìn)行反映射分析，即可推斷檢測(cè)物件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

D為激勵(lì)和測(cè)點(diǎn)的距離； X0為激勵(lì)和激勵(lì)的距離。圖5 沖擊映像法基本原理Fig. 5 Basic principle of impact imaging method

距離震源D處的波動(dòng)場(chǎng)，其變化情況對(duì)缺陷大小和深度的敏感度各有不同。由于無(wú)法預(yù)先獲知缺陷狀態(tài)，實(shí)際作業(yè)時(shí)將布置多個(gè)檢波器，獲取多個(gè)震源偏移距的沖擊響應(yīng)波形數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)缺陷大小和深度進(jìn)行綜合分析。

2.2 檢測(cè)設(shè)備

單點(diǎn)型沖擊映像法的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由錘擊開關(guān)、振動(dòng)傳感器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)、控制電腦組成。本次檢測(cè)工作所用儀器包括國(guó)產(chǎn)的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀、100 Hz速度型垂直分量檢波器和質(zhì)量為100 g的鋼質(zhì)沖擊力錘，見圖6。具體參數(shù)和儀器設(shè)備如表1所示。

圖6 沖擊映像法儀器設(shè)備Fig. 6 Impact imaging instrument equipment

表1 沖擊映像法所用儀器參數(shù)Table 1 Parameters of instrument used in impact imaging method

2.3 采集方法

檢測(cè)工作開始前，應(yīng)進(jìn)行測(cè)線測(cè)點(diǎn)布置。以所檢管節(jié)左行車道向右行車道為x軸正向，以深圳側(cè)向中山側(cè)為y軸正向，建立正交坐標(biāo)系。每個(gè)隔艙的測(cè)線沿T肋方向布置，測(cè)線、測(cè)點(diǎn)間距均為10 cm，測(cè)點(diǎn)密度為10 cm×10 cm。隔板及T肋兩側(cè)5 cm、15 cm處加密測(cè)線，測(cè)點(diǎn)密度5 cm×10 cm。測(cè)線布置結(jié)束后，對(duì)儀器運(yùn)行及參數(shù)設(shè)置情況進(jìn)行檢查，確保無(wú)誤后開始數(shù)據(jù)采集。沖擊映像法采用機(jī)械方式擊打檢測(cè)物件表面，在檢測(cè)物件內(nèi)部產(chǎn)生彈性波動(dòng)場(chǎng)，在距離激發(fā)點(diǎn)10 cm處，用檢波器(間隔X0)接收檢測(cè)物件表面的彈性波動(dòng)，采集到的波形如圖7所示。然后保持偏移距、擊打方向和擊打力度不變，將激發(fā)-檢波系統(tǒng)移至下一個(gè)檢波點(diǎn)，并重復(fù)以上數(shù)據(jù)采集過(guò)程。當(dāng)所有檢波點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集完成后，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間域、頻率域的濾波、降噪等處理，并通過(guò)分析波動(dòng)場(chǎng)特征(包括波形特征和/或頻譜特征)隨檢波點(diǎn)的變化，進(jìn)而推測(cè)介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。

圖7 沖擊映像法采集到的波形剖面示例Fig. 7 Sample waveform profiles collected by impact imaging method

2.4 采集參數(shù)設(shè)置

根據(jù)本試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)分析彈性波在鋼板介質(zhì)中的傳播特性、波速及頻率等設(shè)定采集參數(shù)： 檢波器間距0.1 m、震源偏移距測(cè)線0.1 m、激發(fā)方式為沖擊力錘敲擊、道數(shù)為單道、采樣間隔50 μs、記錄長(zhǎng)度為128 ms、檢測(cè)點(diǎn)密度為1點(diǎn)/0.1 m。該組參數(shù)對(duì)本項(xiàng)目不同鋼板厚度均適用。

2.5 采集步驟

1)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備。熟悉現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及模型狀態(tài)，對(duì)檢測(cè)表面進(jìn)行清理，使待檢區(qū)域表面清潔、平整、干燥、無(wú)焊渣、無(wú)料渣；檢查儀器設(shè)備情況，確保各部件完整可靠，處于正常工作狀態(tài)。

2)進(jìn)行測(cè)線布置、參數(shù)設(shè)置。

3)檢波器布設(shè)。將檢波器平整地放置于檢測(cè)點(diǎn)上，準(zhǔn)備好激發(fā)工作。

4)激發(fā)。采用質(zhì)量為100 g的沖擊力錘擊打鋼殼結(jié)構(gòu)作為震源。

5)數(shù)據(jù)采集。激發(fā)產(chǎn)生的震動(dòng)能量以波的形式向四面?zhèn)鞑?，檢波器接收信號(hào)并傳送給記錄設(shè)備，記錄完畢后，進(jìn)行下次敲擊，以此類推，直至該條測(cè)線檢測(cè)完畢。

數(shù)據(jù)采集與記錄過(guò)程如圖8所示。

(a) 表面清潔 (b) 測(cè)線布置

(c) 檢波器布設(shè)及激發(fā) (d) 數(shù)據(jù)采集及記錄圖8 數(shù)據(jù)采集與記錄Fig. 8 Data acquisition and recording

2.6 數(shù)據(jù)處理分析流程

數(shù)據(jù)處理是對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、濾波和數(shù)學(xué)變換等，去除或壓制噪音，并把有用信息按特定的形式表現(xiàn)出來(lái)，主要包括數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬，具體處理流程見圖9。

圖9 沖擊映像法數(shù)據(jù)處理流程Fig. 9 Data processing flowchart of impact imaging method

2.6.1 數(shù)據(jù)分析

1)數(shù)據(jù)預(yù)處理。進(jìn)行有效數(shù)據(jù)提取、重新排列和格式變換，并加入位置信息。

2)數(shù)據(jù)歸一化。將沖擊錘上傳感器記錄的沖擊力數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，以去除敲擊力度不一致的影響，確保激發(fā)強(qiáng)度相同。

3)波形處理。包括非正常數(shù)據(jù)處理、時(shí)窗切除和濾波。首先，將數(shù)據(jù)存在的異常部分切除，并用相鄰數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插。然后，對(duì)干擾信號(hào)與檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間段不一致的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)合適的時(shí)間窗口，切除時(shí)間窗口以外的數(shù)據(jù)。最后，設(shè)計(jì)各種頻率濾波器(低通、高通、帶阻等)，在頻率域?qū)υ胍魯?shù)據(jù)進(jìn)行壓制。

4)波場(chǎng)分離與響應(yīng)強(qiáng)度分析。將振動(dòng)信號(hào)的面波、縱波直達(dá)波、縱波反射波和橫-縱轉(zhuǎn)換波等進(jìn)行分離與轉(zhuǎn)換，比選合適的信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)強(qiáng)度、卓越頻率和頻譜等的處理，并與數(shù)值模擬的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)與優(yōu)化。例如： 響應(yīng)特征方面，建立密實(shí)、2～3 mm脫空、3～5 mm脫空、5 mm以上脫空與相對(duì)應(yīng)的信號(hào)響應(yīng)強(qiáng)度值對(duì)應(yīng)情況數(shù)據(jù)庫(kù)。頻率與頻譜方面，響應(yīng)波形信號(hào)能量基本分布在頻段0～2 000 Hz內(nèi)，故將0～2 000 Hz平均分為9個(gè)頻率區(qū)間，通過(guò)搜索波形信號(hào)在每個(gè)區(qū)間內(nèi)頻譜的最大振幅值作為此頻率區(qū)段的特征值等，建立脫空與信號(hào)的量化關(guān)系。

5)響應(yīng)強(qiáng)度分布圖。根據(jù)波形持續(xù)時(shí)間比選合適的時(shí)間段，并計(jì)算沖擊響應(yīng)強(qiáng)度，生成沖擊響應(yīng)強(qiáng)度分布圖。

2.6.2 數(shù)值模擬

1)建立構(gòu)造數(shù)學(xué)模型： 用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法建立實(shí)體結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，設(shè)置多種脫空形式，包括厚度、面積等，以吸收邊界條件。

2)建立檢測(cè)方法數(shù)學(xué)模型： 結(jié)合數(shù)據(jù)擬合的方法，借用已知領(lǐng)域的數(shù)學(xué)模型建立檢測(cè)方法。

3)波動(dòng)方程模擬： 通過(guò)輸入激振信號(hào)，進(jìn)行三維波動(dòng)方程模擬。

4)計(jì)算理論沖擊響應(yīng)強(qiáng)度： 運(yùn)用沖擊響應(yīng)有限元仿真計(jì)算的理論依據(jù)，從而計(jì)算理想狀況下的數(shù)值。

5)建立脫空判斷標(biāo)準(zhǔn)： 對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行多維度的分析，與既定的缺陷形式進(jìn)行匹配，建立脫空評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

2.6.3 沖擊響應(yīng)強(qiáng)度反映射

沖擊響應(yīng)強(qiáng)度不僅與脫空有關(guān)，還與隔艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如加勁肋附近)有關(guān)。根據(jù)隔艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)建立理論模型，通過(guò)反映射處理消除內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。

2.6.4 生成缺陷平面分布圖

將消除內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響后的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度分布圖與預(yù)先設(shè)定的判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)與解釋，最終生成缺陷平面分布圖。

2.6.5 缺陷構(gòu)成比例統(tǒng)計(jì)

針對(duì)缺陷分布圖中的各種物性構(gòu)成占比情況進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)出各分量的組成情況。

2.7 試驗(yàn)介紹

根據(jù)深中通道的結(jié)構(gòu)形式，制作了體型、結(jié)構(gòu)、材料完全一致的足尺模型。該足尺模型試驗(yàn)是為驗(yàn)證和穩(wěn)定混凝土澆筑施工工藝實(shí)施。澆筑試驗(yàn)完成后，通過(guò)隨機(jī)抽選取檢測(cè)點(diǎn)開蓋檢驗(yàn)澆筑效果和脫空檢測(cè)效果，其中包括24個(gè)小模型和3個(gè)足尺模型。足尺模型現(xiàn)場(chǎng)見圖10。

(a) 整體

(b) 局部圖10 足尺模型現(xiàn)場(chǎng)Fig. 10 Full-scale model site

2.8 測(cè)線布設(shè)

設(shè)定管節(jié)長(zhǎng)度方向(縱向)為x軸，寬度方向(橫向)為y軸。沖擊映像法測(cè)點(diǎn)密度10 cm×10 cm，易出現(xiàn)脫空區(qū)域T肋及隔板兩側(cè)5 cm和15 cm進(jìn)行測(cè)線加密，每條T肋及隔板兩側(cè)增加4條測(cè)線，測(cè)點(diǎn)密度0.05 m×0.1 m。標(biāo)準(zhǔn)格艙為長(zhǎng)3.5 m×寬3.0 m，測(cè)線布置如圖11所示。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)隔艙測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig. 11 Schematic of standard silo measuring point layout

3 脫空質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)深中通道鋼殼混凝土的澆筑質(zhì)量要求和對(duì)脫空檢測(cè)的技術(shù)要求，制定以下技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

1)鋼殼自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)頂面脫空技術(shù)指標(biāo)主要包括脫空高度、脫空面積比等；

2)混凝土允許脫空高度≤5 mm，針對(duì)底板頂和頂板頂進(jìn)行分格脫空檢測(cè)，分格規(guī)格為30 cm×30 cm；

3)T肋位置的分格需要以T肋為中心、跨T肋進(jìn)行(30 cm的分格須保證在T肋兩側(cè)各15 cm間隔)；

4)騎跨T肋的單個(gè)分格(不連成片)等效脫空高度大于5 mm時(shí)需要進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)；

5)騎跨T肋的分格出現(xiàn)相鄰的2個(gè)及以上分格等效脫空高度均大于3 mm時(shí)需要進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)；

6)非T肋位置的分格等效脫空高度大于5 mm時(shí)需要進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)；

7)沖擊映像法要求對(duì)底板頂和頂板頂進(jìn)行100%檢測(cè)，采用沖擊映像法檢測(cè)出“分格存在脫空大于5 mm的單點(diǎn)”或“分格中脫空大于3 mm的面積大于30%”進(jìn)行復(fù)測(cè)。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波、波形處理等，對(duì)信號(hào)的頻率、頻譜峰值、振幅等進(jìn)行數(shù)值化處理，對(duì)沖擊響應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理，獲得標(biāo)準(zhǔn)化沖擊響應(yīng)強(qiáng)度I。將參數(shù)I分為4個(gè)等級(jí)，分別采用藍(lán)色、黃色、橙色和紅色表示，表征鋼板與混凝土的貼合狀態(tài)，具體如表2所示。對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別采用藍(lán)色、綠色、黃色和紅色表示，相應(yīng)的貼合狀態(tài)： 密實(shí)、脫空高度2～3 mm、脫空高度3～5 mm和脫空高度>5 mm。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)與解釋Table 2 Evaluation indicators and explanations

4 檢測(cè)過(guò)程與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)檢測(cè)完成鋼板開蓋后脫空測(cè)量方法

通過(guò)計(jì)算位置符合率是否存在脫空、面積符合率是否滿足要求，以及脫空高度符合率等3項(xiàng)驗(yàn)證指標(biāo)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。

4.1.1 脫空高度測(cè)量方法

以鋼板頂面作為脫空高度測(cè)量的基準(zhǔn)面，采用測(cè)量架裝置(見圖12)，用游標(biāo)卡尺測(cè)量。測(cè)量時(shí)，用游標(biāo)卡尺主尺的尾端卡在測(cè)量架橫梁的頂部，將游標(biāo)卡尺的深度尺插至混凝土表面，然后在游標(biāo)卡尺的主尺上(2個(gè)外測(cè)量爪之間)讀出深度。

實(shí)際脫空高度=游標(biāo)卡尺讀數(shù)-鋼板厚度-測(cè)量架橫梁高度。

圖12 脫空高度測(cè)量Fig. 12 Void height measurement

4.1.2 脫空面積測(cè)量

檢測(cè)時(shí)，在隔艙鋼板表面按10 cm×10 cm畫網(wǎng)格；開蓋后，將該網(wǎng)格投影到混凝土表面，脫空面積按網(wǎng)格數(shù)計(jì)算。

4.1.3 缺陷位置測(cè)量

根據(jù)檢測(cè)時(shí)用的坐標(biāo)系，用尺子或數(shù)網(wǎng)格的方法測(cè)量缺陷區(qū)域的中心點(diǎn)坐標(biāo)。考慮到缺陷形狀的隨意性與復(fù)雜性，此處所述缺陷位置僅僅為方便描述缺陷部位時(shí)所用，實(shí)際計(jì)算位置符合率的方法后述。

4.1.4 缺陷量測(cè)量

以鋼板頂平面作為缺陷量測(cè)量的基準(zhǔn)面，使用可塑性較強(qiáng)的橡皮泥填充開蓋部位，利用鋼尺將橡皮泥表面削平，使其與基準(zhǔn)面平齊。取出橡皮泥放入預(yù)先加水的塑料量杯中(加水量保證能完全淹沒橡皮泥且不會(huì)溢水)，如圖13所示。放入前，讀取容積Q1，放入后讀取體積Q2，則橡皮泥體積Q=Q2-Q1。

圖13 脫空缺陷測(cè)量Fig. 13 Void defect measurement

實(shí)際缺陷量=Q-開蓋長(zhǎng)×開蓋寬×鋼板厚度。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

結(jié)果驗(yàn)證采用盲檢開蓋的方式，即檢測(cè)結(jié)束以后，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，隨機(jī)打開鋼殼，檢查檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際澆筑效果的差別。共選擇10個(gè)隔艙，每個(gè)隔艙選擇6處開蓋位置進(jìn)行驗(yàn)證。圖14為某一典型隔艙檢測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)開蓋情況對(duì)比，其中圖14(a)中的測(cè)點(diǎn)顏色對(duì)應(yīng)表2的脫空程度。圖15為1#—6#鋼殼蓋板檢測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)開蓋情況對(duì)比。

(a) 沖擊映像法結(jié)果

(b) 現(xiàn)場(chǎng)開蓋位置圖14 檢測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)開蓋位置Fig. 14 Impact imaging results and opening locations at site

(a) 1# (b) 2# (c) 3#

(d) 4# (e) 5# (f) 6#圖15 1#—6#鋼殼蓋板檢測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)開蓋情況對(duì)比Fig. 15 Comparison between impact imaging results and opening condition of steel case Nos. 1 to 6

由圖15可知： 1#開蓋位置，檢測(cè)結(jié)果為密實(shí)；開蓋結(jié)果為密實(shí)，對(duì)應(yīng)較好。 2#開蓋位置，檢測(cè)結(jié)果為T肋左側(cè)有脫空，其中脫空面積為0.035 m2(7個(gè)測(cè)點(diǎn)，單個(gè)測(cè)點(diǎn)面積為0.05 m2)；實(shí)際開蓋情況為T肋左側(cè)脫空，T肋右側(cè)密實(shí)，與檢測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)較好，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，T 肋左側(cè)脫空面積為0.032 m2。 3#開蓋位置，檢測(cè)結(jié)果為密實(shí)；開蓋結(jié)果為密實(shí)，對(duì)應(yīng)較好。4#開蓋位置，檢測(cè)結(jié)果為輕微脫空，開蓋結(jié)果為輕微脫空。5#開蓋位置，檢測(cè)結(jié)果為T肋左側(cè)有脫空，脫空面積為0.03 m2(6個(gè)測(cè)點(diǎn)，單個(gè)測(cè)點(diǎn)面積為0.05 m2)，T肋右側(cè)檢測(cè)結(jié)果為密實(shí)；實(shí)際開蓋T肋左側(cè)脫空，T肋右側(cè)為密實(shí)，與檢測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)較好，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，T肋左側(cè)脫空面積為 0.027 m2。6#開蓋位置，檢測(cè)結(jié)果為T肋右側(cè)有脫空，脫空面積為 0.04 m2(8個(gè)測(cè)點(diǎn)，單個(gè)測(cè)點(diǎn)面積為0.05 m2)，T肋左側(cè)檢測(cè)結(jié)果為密實(shí)；實(shí)際開蓋T肋右側(cè)脫空，T肋左側(cè)密實(shí)，與檢測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)較好，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，T肋左側(cè)脫空面積為0.045 m2。

通過(guò)對(duì)所有隔艙開蓋位置的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算開蓋驗(yàn)證實(shí)際脫空>5 mm的數(shù)量與沖擊映像法定義脫空疑似>5 mm的數(shù)量之比，經(jīng)驗(yàn)證后求得檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率為91%。

5 結(jié)論與建議

1)通過(guò)波形可視化處理、沖擊響應(yīng)能量及頻譜處理相結(jié)合的方法，采用沖擊映像法能夠很好地把握鋼殼混凝土病害分布狀況，可以定量化評(píng)價(jià)脫空狀況。

2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果表明，對(duì)底板頂和頂板頂采用沖擊映像法進(jìn)行100%檢測(cè)，T肋位置由于結(jié)構(gòu)特性需要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，分格評(píng)價(jià)規(guī)格為30 cm×30 cm。檢測(cè)出“分格存在脫空>5 mm的單點(diǎn)”或“分格中脫空>3 mm的面積大于30%”區(qū)域進(jìn)行復(fù)測(cè)，這一技術(shù)要求具有檢測(cè)可實(shí)施性。

3)沖擊映像法采用沖擊響應(yīng)強(qiáng)度值的形式來(lái)表示缺陷狀況，并通過(guò)密實(shí)、2～3 mm、3～5 mm及5 mm以上等4種評(píng)價(jià)指標(biāo)表明鋼板與混凝土之間的貼合狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)開蓋驗(yàn)證情況表明，采用標(biāo)準(zhǔn)化沖擊響應(yīng)能量值可以準(zhǔn)確反映鋼板與混凝土間缺陷的空間分布情況。

4)通過(guò)盲檢開蓋的方式進(jìn)行鋼殼混凝土隧道足尺試驗(yàn)脫空檢測(cè)驗(yàn)證，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率為91%。

5)提出的檢測(cè)方法已應(yīng)用于深中通道鋼殼混凝土沉管隧道工程中，共完成30個(gè)管節(jié)檢測(cè)，包括44 499個(gè)隔艙和65 960 310個(gè)測(cè)點(diǎn)。通過(guò)總結(jié)脫空規(guī)律，提出如調(diào)整澆筑速度、高溫季節(jié)施工時(shí)降低混凝土入艙溫度等改進(jìn)澆筑工藝的意見，建議在保證結(jié)構(gòu)受力安全性和造價(jià)經(jīng)濟(jì)性的前提下，應(yīng)減少隔艙內(nèi)部T肋結(jié)構(gòu)的設(shè)置，并增加排氣孔的數(shù)量。