潘登黃民水，周麟，夏元友，黃凱

1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北　武漢　430074；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北　武漢　430070；3.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院，湖北　武漢　430070

基于聲時(shí)和聲幅的盾構(gòu)管片預(yù)緊力的監(jiān)測(cè)方法及應(yīng)用

潘登1，2*，黃民水1，周麟1，夏元友2，黃凱3

1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北武漢430074；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430070；3.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢430070

為準(zhǔn)確掌握地鐵隧道施工及營(yíng)運(yùn)期間盾構(gòu)管片間的預(yù)緊力狀態(tài)，根據(jù)盾構(gòu)管片及止水條、螺栓墊片在隧道襯砌結(jié)構(gòu)中的實(shí)際構(gòu)造，分析這些構(gòu)件在管片施工過(guò)程中的受力演變過(guò)程.確定了管片間預(yù)緊力是通過(guò)預(yù)緊螺栓、壓縮變形后的止水條及螺栓墊片來(lái)傳遞的.隨著預(yù)緊力增加，在管片間傳遞的超聲波聲時(shí)會(huì)逐漸減小.然而，隨著止水條壓縮固結(jié)，其對(duì)超聲波的衰減作用削弱，導(dǎo)致幅值逐步升高.設(shè)計(jì)研制了管片預(yù)緊室內(nèi)模擬裝置，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了不同等級(jí)預(yù)緊力與超聲波聲時(shí)、波幅之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.同時(shí)闡述超聲波在管片間傳遞的機(jī)理及其影響因素.依托市政工程（武漢市軌道交通3號(hào)線(xiàn)工程王家灣站—宗關(guān)站區(qū)間越江隧道）的盾構(gòu)管片為實(shí)際測(cè)試對(duì)象，對(duì)拼裝的盾構(gòu)管片間的預(yù)緊力進(jìn)行了監(jiān)測(cè).經(jīng)過(guò)分析測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果符合管片環(huán)在預(yù)緊狀態(tài)下的受力情況，最終探索出一種高效快捷的隧道管片預(yù)緊力監(jiān)測(cè)方法.

預(yù)緊力；聲時(shí)；聲幅；盾構(gòu)管片；監(jiān)測(cè)

1　引言

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，盾構(gòu)管片以其對(duì)周?chē)刭|(zhì)擾動(dòng)小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)、機(jī)械化施工等特點(diǎn)在軌道地質(zhì)環(huán)境較復(fù)雜的區(qū)間段廣泛應(yīng)用，如越江隧道等［1］.盾構(gòu)機(jī)憑借盾殼和預(yù)緊管片等襯砌結(jié)構(gòu)支撐隧道圍巖和土體，前端刀盤(pán)挖掘的土體由傳輸系統(tǒng)輸送到地表，其前進(jìn)動(dòng)力來(lái)自頂在管片環(huán)上的油缸，同時(shí)注漿系統(tǒng)在預(yù)緊管片環(huán)和隧道間隙注入水泥漿體.管片襯砌結(jié)構(gòu)依靠數(shù)量龐大的預(yù)緊螺栓連接，使管片通過(guò)預(yù)緊力組合成一個(gè)牢固整體.管片預(yù)緊拼裝中，施工不規(guī)范的人為因素，或隧道穿越各種巖層和土層等地質(zhì)因素，都會(huì)使預(yù)緊管片在施工及營(yíng)運(yùn)階段承受復(fù)雜的荷載環(huán)境，導(dǎo)致管片預(yù)緊程度不一致或不達(dá)標(biāo)，從而產(chǎn)生管片錯(cuò)位及滲漏等缺陷，影響隧道的正常使用；如管片局部螺栓脫落，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，將危及通行其中的列車(chē)的安全.可見(jiàn)管片預(yù)緊拼裝在整個(gè)隧道工程中起著至關(guān)重要的作用［2-5］.

由于管片環(huán)在預(yù)緊力作用下彼此緊密接觸，縫隙尺寸狹小，一般無(wú)法安裝標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力計(jì).而預(yù)緊力的大小又超過(guò)了薄膜型測(cè)力傳感器的量程.在某些必須實(shí)施安全監(jiān)測(cè)地段，可以將測(cè)力傳感器預(yù)埋進(jìn)管片混凝土中，但因需鋪設(shè)供電和信號(hào)傳送線(xiàn)路致使用成本過(guò)高，所以管片預(yù)緊力大規(guī)模檢測(cè)一直是個(gè)難題.本文探討一種新的管片預(yù)緊力的快速無(wú)損的檢測(cè)方法.

2　實(shí)驗(yàn)原理

混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)采用的超聲波是由儀器內(nèi)部電脈沖觸發(fā)聲源而產(chǎn)生的間歇性地發(fā)射出一組組超聲波，聲波在被檢測(cè)物體內(nèi)通過(guò)質(zhì)點(diǎn)的間歇脈沖振動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳遞［6］，根據(jù)聲波脈沖穿過(guò)混凝土的聲時(shí)和波幅的變化情況來(lái)判定被測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部彈性模量、強(qiáng)度和缺陷分布.隧道盾構(gòu)由管片和螺栓按照錯(cuò)縫方式拼裝而成，縱向螺栓為管片結(jié)構(gòu)提供預(yù)緊作用，每個(gè)縱向螺栓都有預(yù)緊影響區(qū)域，其預(yù)緊力隨距螺栓距離而減小［7］.管片間預(yù)緊力通過(guò)止水條和墊片的壓縮變形來(lái)傳遞.

在沒(méi)有外力作用時(shí)，止水條內(nèi)被大量管狀空隙所占據(jù)，而空氣對(duì)超聲波產(chǎn)生巨大衰減，導(dǎo)致聲波無(wú)法傳遞.隨著管片間預(yù)緊力的增大，止水條彈性模量不斷增加，超聲波的聲時(shí)不斷變化［8］，所以筆者以聲時(shí)作為評(píng)價(jià)管片預(yù)緊力的第一參數(shù).同時(shí)，止水條填塞封堵管片間透水縫隙.首波波幅是衡量超聲波衰減程度的指標(biāo)，在缺陷區(qū)波幅的變化要明顯于聲時(shí)變化［9-10］，隨著預(yù)緊力增加，止水條空隙的缺陷減少，波幅衰減也會(huì)收窄，所以筆者以信號(hào)幅值作為判定管片預(yù)緊力的第二參數(shù).

聲波儀所測(cè)得的測(cè)量聲時(shí)是由管片聲時(shí)和中間介質(zhì)（即止水條和螺栓墊片）聲時(shí)組成.而管片作為隧道的重要支護(hù)結(jié)構(gòu)，其生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量在預(yù)制場(chǎng)里受到嚴(yán)格控制，從而最大程度的保障了聲波在其中傳遞的高效性和一致性，也就是說(shuō)管片聲時(shí)是恒定不變的，決定測(cè)量聲時(shí)大小的因素是中間介質(zhì)聲時(shí).

管片預(yù)緊狀態(tài)示意圖如圖1所示.狀態(tài)a：低壓接觸，此時(shí)止水條彈性模量較小，超聲波未能通過(guò)，管片未預(yù)緊；狀態(tài)b：止水條壓縮預(yù)緊，超聲波從止水條通過(guò)，傳遞到鄰近管片，傳遞路徑為管片—止水條—管片的等腰三角形；狀態(tài)c：螺栓墊片壓縮預(yù)緊，超聲波以最短路徑通過(guò)壓緊墊片傳遞，傳遞路徑為管片—墊片內(nèi)邊緣—管片的等腰三角形.

圖1　管片預(yù)緊狀態(tài)示意圖Fig.1Schematic diagram of pre-tightening status of shield segment

3　結(jié)果與討論

3.1室內(nèi)模擬測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

為探求管片預(yù)緊力與超聲波聲時(shí)與波幅之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)如圖2所示的裝置進(jìn)行管片預(yù)緊施工的模擬.千斤頂提供水平荷載，模擬盾構(gòu)機(jī)軸向推力；實(shí)驗(yàn)室按管片配合比室內(nèi)預(yù)制2塊強(qiáng)度等級(jí)為C50的混凝土立方體試塊，尺寸為300 mm×300 mm×600 mm，用來(lái)模擬混凝土管片，其下用滑輪減小摩擦；右端為數(shù)字測(cè)力計(jì)，精度0.1 kN，測(cè)量試塊承受的水平荷載；2個(gè)振動(dòng)頻率為50 kHz聲波換能器，間距200 mm，跨縫對(duì)稱(chēng)布置，一個(gè)作為發(fā)射換能器，一個(gè)作為接收換能器；中介介質(zhì)采用三元乙丙橡膠止水條（高22.4 mm，邊長(zhǎng)46.38 mm）和螺栓墊片（厚度4 mm，邊長(zhǎng)200 mm）.它們?cè)谀M裝置中的位置，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況保持一致.試驗(yàn)時(shí)，記錄逐級(jí)荷載對(duì)應(yīng)的超聲波聲時(shí)與幅值［11］.

圖2　室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置圖Fig.2Diagram of indoor simulated test apparatus

圖3　（a）試驗(yàn)荷載-聲時(shí)、（b）荷載-波幅關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3Experimental relationship curves between（a）load and sound transit time and（b）load and sonic amplitude

表1　預(yù)緊力、聲時(shí)和波幅Tab.1Pre-tightening force，sound transit-time and sonic amplitude

圖3為根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)形成的試驗(yàn)荷載-聲時(shí)、荷載-波幅關(guān)系曲線(xiàn)，表1為室內(nèi)試驗(yàn)各級(jí)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的聲時(shí)和波幅.

從圖3得知：

1）荷載以1 kN為單位，逐級(jí)加載，荷載從0 kN增加到3 kN，聲時(shí)和波幅都為零，這時(shí)橡膠止水條彈性模量未達(dá)到閥值，聲波儀沒(méi)有接收到有效信號(hào).荷載增加至4 kN后聲時(shí)、波幅隨荷載增加分別均有明顯下降和上升趨勢(shì)，且都在10 kN處形成拐點(diǎn).

2）曲線(xiàn)在4 kN～10 kN荷載區(qū)間內(nèi)，面積為0.003 m2的止水條單獨(dú)承受軸向推力，相應(yīng)管片間止水條預(yù)緊處的應(yīng)力范圍為1.33 MPa～3.33 MPa.此時(shí)止水條內(nèi)空隙體積逐漸減小，直至為0，轉(zhuǎn)遞振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)排列逐漸緊密，其彈性模量不斷增加，超聲波聲時(shí)不斷減小.同時(shí)空隙缺陷對(duì)波幅吸收、分散衰減作用不斷減小，波形信號(hào)逐漸清晰穩(wěn)定，首波波幅增加［12］.

3）當(dāng)荷載增加到11 kN時(shí)，管片間的螺栓墊片開(kāi)始加入接觸預(yù)緊，且繼續(xù)增加的預(yù)緊力主要由螺栓墊片承擔(dān)，墊片應(yīng)力區(qū)間為0.04 MPa～0.15 MPa.測(cè)得聲時(shí)陡降為56.14 μs～51.03 μs，由圖1可知，這是墊片預(yù)緊后超聲波從墊片邊緣以最短路徑傳遞到鄰近試塊所致.該階段波幅提高到69.96 dB～72.43 dB，原因在于橡膠墊片材質(zhì)較止水條密實(shí)，且超聲波傳遞路徑大幅縮短，避開(kāi)了原有的缺陷，其衰減明顯降低.室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4.

構(gòu)建全程網(wǎng)格化監(jiān)管、食品藥品可追溯、技術(shù)支撐、社會(huì)共治“四個(gè)體系”。昆明市局率先在全省構(gòu)建了市縣食品藥品稽查體系，以政府購(gòu)買(mǎi)服務(wù)方式，配備工作人員4600多名，形成市縣鄉(xiāng)三級(jí)監(jiān)管機(jī)構(gòu)、市縣鄉(xiāng)村四級(jí)監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)。建立了生產(chǎn)管理、入市備案、進(jìn)銷(xiāo)記錄等制度，加強(qiáng)初始管控，構(gòu)建系統(tǒng)的溯源鏈條。此外，還建立了以市級(jí)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)為核心、縣級(jí)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)為支撐、鄉(xiāng)和市場(chǎng)快檢室為基礎(chǔ)的檢測(cè)體系。開(kāi)展立體式宣傳，連續(xù)13年組織家庭小藥箱清理暨用藥安全宣傳月活動(dòng)。

圖4　室內(nèi)測(cè)試圖片F(xiàn)ig.4Photos of indoor testing

3.2隧道內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及討論

試驗(yàn)地點(diǎn)位于武漢軌道交通3號(hào)線(xiàn)漢江至中間風(fēng)井區(qū)間.采用礦山法開(kāi)挖，盾構(gòu)空推管片通過(guò)，隧道基底依此位于中風(fēng)化灰?guī)r、中風(fēng)化石英砂巖、中風(fēng)化砂巖、泥質(zhì)砂巖.沿線(xiàn)地下水主要有上層滯水、潛水、承壓水等，均以長(zhǎng)江和漢江兩岸一級(jí)階地覆蓋層中空隙承壓水對(duì)本工程影響最為突出.測(cè)試地點(diǎn)為右線(xiàn)隧道Dk11+402處，以相鄰兩管片環(huán)接縫為測(cè)線(xiàn)，步距50 mm進(jìn)行跨縫聲波測(cè)試.發(fā)射和接收換能器間距200 mm，垂直接縫等距布置.由于數(shù)據(jù)量大，選取連續(xù)4 m測(cè)線(xiàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)形成曲線(xiàn)，如圖5所示.

1）現(xiàn)場(chǎng)研究小組用聲波儀測(cè)得的聲時(shí)、波幅曲線(xiàn)以1 m為周期規(guī)律波動(dòng).由管片襯砌的實(shí)際構(gòu)造可知，相鄰兩個(gè)管片環(huán)是由均勻布置于圓周內(nèi)測(cè)的16顆預(yù)緊螺栓縱向相連的，螺栓弧線(xiàn)間距1 m，且每個(gè)螺栓孔處設(shè)有邊長(zhǎng)200 mm、厚度4 mm的方形橡膠預(yù)緊螺栓墊，而止水條處于與橡膠墊片同一平面靠圓周外側(cè)的位置［13-14］.所以聲波儀沿跨縫環(huán)形測(cè)線(xiàn)所測(cè)得的聲時(shí)和幅值曲線(xiàn)就形成了具有規(guī)則周期的波形曲線(xiàn)，各螺栓間對(duì)稱(chēng)測(cè)試點(diǎn)的聲時(shí)值與波幅值應(yīng)趨于一致.超聲波在止水條處通過(guò)路徑最遠(yuǎn)，聲時(shí)也最大；而超聲波在螺栓墊片處通過(guò)時(shí)，路徑最短，聲時(shí)最?。?5］.可見(jiàn)測(cè)試曲線(xiàn)規(guī)則波動(dòng)符合管片環(huán)構(gòu)造規(guī)律.

2）聲時(shí)曲線(xiàn)峰值集中于136.06 μs～144.78 μs的區(qū)間，而這些測(cè)點(diǎn)的幅值在波幅曲線(xiàn)上集中在42.47 dB～51.71 dB之間，處于曲線(xiàn)的低值區(qū)，將其帶入由表1建立的預(yù)緊力與聲時(shí)數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行內(nèi)插，得出這些測(cè)點(diǎn)處管片間的預(yù)緊力區(qū)間為2.45 MPa～3.33 MPa.這些測(cè)點(diǎn)在環(huán)形測(cè)線(xiàn)上距離螺栓最遠(yuǎn)，處于相鄰螺栓孔中間位置，所以這些測(cè)點(diǎn)處的預(yù)緊力最小，可知實(shí)際管片環(huán)在止水條處的縱向預(yù)緊力在2.5 MPa以上.

3）由于實(shí)際工況復(fù)雜，導(dǎo)致整個(gè)管片襯砌結(jié)構(gòu)受力不均，會(huì)出現(xiàn)5（b）中2.5 m測(cè)點(diǎn)周邊的幅值下降區(qū)，最低點(diǎn)下降到29.92 dB，對(duì)應(yīng)預(yù)緊力為1.75 MPa.這表明該區(qū)域存在預(yù)緊力異常降低，應(yīng)該引起施工技術(shù)人員重視，查明原因，及時(shí)調(diào)整.現(xiàn)場(chǎng)管片拼裝測(cè)試見(jiàn)圖6.

圖6　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖片F(xiàn)ig.6Photos of field testing

4　結(jié)語(yǔ)

1）筆者對(duì)超聲波的聲時(shí)、波幅與管片拼裝預(yù)緊力對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了研究，證明超聲波在隧道管片施工質(zhì)量和營(yíng)運(yùn)期健康狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)的可行性.

2）該檢測(cè)方法無(wú)需在結(jié)構(gòu)中預(yù)埋測(cè)力傳感器及與其配套的供電設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，不會(huì)對(duì)管片結(jié)構(gòu)造成任何破壞，而且大幅削減了監(jiān)測(cè)費(fèi)用.

3）聲波換能器與盾構(gòu)管片接觸緊密程度等因素對(duì)于超聲波波幅波動(dòng)的影響需進(jìn)一步研究.

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本文編輯：陳小平

Monitoring Method Based on Sound Transit-Time and Sonic Amplitude of Shield Segment Pre-Tightening Force and Its Application

PAN Deng1，2*，HUANG Minshui1，ZHOU Lin1，XIA Yuanyou2，HUANG Kai3
1.School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；2.School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；3.CCCC Second Highway Consultant Co.Ltd，Wuhan 430070，China

To accurately grasp the pre-tightening force of the shield segments in subway tunnel，we analyzed the actual structure of the shield segment，water-stopper and rubber gasket in the tunnel structures，and the process of stress evolution of the above components.It was determined that the pre-tightening force in the shield segments is passed through the preloaded bolt，the compressed water-stopper and rubber gasket.The sound transit-time in the segment reduced gradually with the increase of pre-tightening force.However，the impact of ultrasonic attenuation is weakened，and the sonic amplitude improved gradually with the compression and consolidation of the water-stopper.We designed the indoor test device to simulate the segments pre-tightening force，and established the corresponding relations among the pre-tightening force，the sound transit-time and the sonic amplitude in different levels based on the test data.We also explored the ultrasonic transmission mechanism and the influencing factors of the shield segments.By taking the shield segment of the municipal engineering as a case（cross-river tunnel of Wuhan rail transit line 3 from Wangjiawan station to Zongguan station），the pre-tightening force of the assembled shield segments was monitored，which was consistent with the force situation of the pre-tightening shield segment.Finally，an efficient monitoring method of the shieldsegment pre-tightening force was proposed.

pre-tightening force；sound transit-time；sonic amplitude；shield segment；monitoring

U25

A

10.3969/j.issn.1674?2869.2016.05.012

1674-2869（2016）05-0471-05

2016-03-28

潘登，博士研究生，實(shí)驗(yàn)師.E-mail：179813945@qq.com