姜勇 吳佳曄 馬永強(qiáng) 鄧立

（1.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司工程質(zhì)量監(jiān)督管理局，北京 100844；2.四川升拓檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，成都 610046；3.西南石油大學(xué)，成都 610500）

截至2019 年底，我國(guó)大陸有16 084 條全國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)隧道，全長(zhǎng)18 041 km；2 950 條在建隧道，全長(zhǎng)6 419 km，包括123 條特長(zhǎng)隧道，全長(zhǎng)1 689 km［1］。同時(shí)，新增運(yùn)營(yíng)線路鐵路隧道550 座，總長(zhǎng)1 005 km；在建鐵路隧道3 477 座，總長(zhǎng)7 465 km；規(guī)劃鐵路隧道6 327座，總長(zhǎng)15 634 km。由此可見(jiàn)，隧道工程的質(zhì)量和安全，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)有非常重要的意義，而隧道襯砌的質(zhì)量尤為重要，其質(zhì)量問(wèn)題多發(fā)，主要有襯砌過(guò)度變形、裂損、剝落掉塊；二次襯砌混凝土厚度不滿足設(shè)計(jì)要求；二次襯砌背后脫空；混凝土不密實(shí)、強(qiáng)度不足等［2］。

根據(jù)TB 10223—2004《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)規(guī)程》、TB 10417—2018《鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，隧道襯砌檢測(cè)方法主要為地質(zhì)雷達(dá)法、敲擊法和聲波法等。姜勇等［3］研究表明，地質(zhì)雷達(dá)法和沖擊回波法（聲波法的一種，Impact Echo）在隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中聯(lián)合運(yùn)用效果顯著，同時(shí)也指出了沖擊回波法在隧道襯砌檢測(cè)中存在的問(wèn)題，并提出沖擊回波聲頻法（Impact Acoustic Echo）這一新型無(wú)損檢測(cè)方法。

本文對(duì)沖擊回波法基本原理及存在的問(wèn)題進(jìn)行闡述，引出沖擊回波聲頻法的開(kāi)發(fā)背景，并對(duì)其理論基礎(chǔ)、測(cè)試對(duì)象和范圍、檢測(cè)實(shí)例及運(yùn)用進(jìn)行分析，以此驗(yàn)證沖擊回波聲頻法的有效性。

1 沖擊回波法基本原理及問(wèn)題

1.1 基本原理

沖擊回波法是一種針對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷檢測(cè)的有效手段，由激振裝置在固體表面擊打產(chǎn)生彈性波（圖1），利用此彈性波在被測(cè)體中多次反射的特性，通過(guò)頻譜分析（如快速傅里葉變換、最大熵法等方法）來(lái)獲取結(jié)構(gòu)厚度、材質(zhì)和缺陷信息［4］（圖2）。

圖2 沖擊回波法頻譜示意

由于所采用的媒介為沖擊彈性波中P 波成分，根據(jù)頻譜分析中對(duì)應(yīng)的反射周期可以得到相應(yīng)的襯砌厚度或缺陷深度為

式中：H為襯砌結(jié)構(gòu)厚度或缺陷深度計(jì)算值，m；VP為襯砌中傳播P波的波速，km/s，可通過(guò)標(biāo)定得到；T為頻譜圖上對(duì)應(yīng)的反射時(shí)間，s。

此外，當(dāng)二次襯砌內(nèi)部存在較大規(guī)模或較淺的脫空、平行及表面離縫時(shí)，從襯砌背面的入射波和反射波由于需要繞過(guò)離縫，其往復(fù)時(shí)間會(huì)有一定程度的延長(zhǎng)，如圖3所示。

綜合沖擊回波頻譜圖上對(duì)應(yīng)缺陷的反射信息及襯砌背面反射信號(hào)的變化，可以判定襯砌厚度、缺陷的有無(wú)及位置等信息。

圖3 離縫造成沖擊彈性波滯后

1.2 應(yīng)用中的問(wèn)題

盡管TB 10223—2004 已將聲波法（沖擊回波法）定義為鐵路隧道襯砌缺陷的檢測(cè)手段，但該方法幾乎沒(méi)有得到實(shí)際運(yùn)用。主要原因在于隧道襯砌測(cè)試條件比較惡劣：①隧道襯砌表面常有浮塵、泥等附著物；②檢測(cè)需要使用臺(tái)車(chē)，而且往往臺(tái)車(chē)一邊行駛，一邊設(shè)置傳感器。

在實(shí)際襯砌檢測(cè)過(guò)程中，往往難以保障傳感器的穩(wěn)定設(shè)置，而傳感器的設(shè)置對(duì)采集信號(hào)的頻譜特征有很大影響。圖4顯示了不同固定方式對(duì)傳感器系統(tǒng)頻譜特性的影響，當(dāng)傳感器卓越頻率與彈性波信號(hào)特征頻率接近時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而造成拾取信號(hào)的嚴(yán)重失真和沖擊回波法測(cè)試精度的降低。如圖5 所示，低頻區(qū)域（圖中靠右）有明顯的信號(hào)，卻不是襯砌背面的反射，因此可以推測(cè)是由于傳感器設(shè)置不當(dāng)造成的偽峰信號(hào)。

圖4 不同固定方式對(duì)傳感器頻譜特性的影響

圖5 鐵路隧道襯砌檢測(cè)MEM云圖

2 沖擊回波聲頻法原理及應(yīng)用

2.1 開(kāi)發(fā)背景

敲擊法和沖擊回波法一樣，通過(guò)擊打被測(cè)體表面引起振動(dòng)，進(jìn)而壓縮空氣形成擊打聲，并根據(jù)擊打聲的特性判斷結(jié)構(gòu)是否存在缺陷。敲擊法由于實(shí)施快捷，并能在一定程度上彌補(bǔ)地質(zhì)雷達(dá)法的不足，被列入TB 10416—2018。

敲擊法也存在很多不足之處，除了受環(huán)境噪聲影響大、測(cè)試客觀性差等問(wèn)題外，測(cè)試深度較淺也是一個(gè)大的固有問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，采用人工錘擊的方式，能夠測(cè)試到的缺陷深度為10 cm 左右，而鐵路二次襯砌厚度一般在35～60 cm。因此，敲擊法只能測(cè)試非常淺的脫空等缺陷。

為此，本文結(jié)合沖擊回波法與敲擊法的長(zhǎng)處，開(kāi)發(fā)了基于聲頻的非接觸、移動(dòng)式工程無(wú)損檢測(cè)方法“沖擊回波聲頻法”，為隧道質(zhì)量評(píng)估提供新的技術(shù)支撐，如圖6所示。

圖6 沖擊回波聲頻法概念及主要設(shè)備

2.2 理論基礎(chǔ)

沖擊回波聲頻法與沖擊回波法最大的不同在于用非接觸式拾音器（麥克風(fēng)），而不是傳感器來(lái)拾取敲擊點(diǎn)附近的振動(dòng)信號(hào)。對(duì)于拾振體系，可以簡(jiǎn)化為導(dǎo)波管，其氣柱的基本方程［5］為

式中：ρ(x，t)，v(x，t)分別為當(dāng)前位置、時(shí)間的空氣密度和流速。

由于氣體的流速很小，可以表示為靜止氣體密度ρ0和變化量ρ′(x，t)之和。同時(shí)，考慮由于氣體密度的變化會(huì)導(dǎo)致空氣壓力P和體積V變化，因此引入壓縮率κ來(lái)表述。

κ的倒數(shù)即為空氣的壓縮模量。同樣，壓力的變化也可以表示為靜止氣體壓力與變化量之和。

簡(jiǎn)化并忽略二次項(xiàng)后，氣體加速度a為

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)定律F=ma，可得

考慮到微小量可忽略，式（6）可簡(jiǎn)化為

式（7）表明，在振動(dòng)點(diǎn)附近，空氣加速度與氣壓變化的梯度成正比，這即為沖擊回波聲頻法拾振的理論基礎(chǔ)。

采用拾音器代替?zhèn)鞲衅魇罢瘢谝韵? 方面有明顯的優(yōu)勢(shì)：

1）由于是非接觸式拾振，可避免傳感器固定不良造成的信號(hào)失真；

2）由于拾音器構(gòu)造上的特點(diǎn)，使得其頻域范圍廣，頻譜特性好（圖7）。由圖7 可見(jiàn)，如果采用合適的拾音器，在較寬的頻域范圍（0.2～20 kHz，對(duì)應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)相當(dāng)于0.1～10 m）內(nèi)均可保持大致相同的增益，非常適合沖擊回波聲頻法的分析。

圖7 典型麥克風(fēng)頻譜曲線

2.3 測(cè)試對(duì)象和范圍

姜勇等［3］指出，沖擊回波法對(duì)混凝土內(nèi)脫空等缺陷較地質(zhì)雷達(dá)法更為敏感。由于沖擊回波聲頻法繼承并發(fā)揚(yáng)了沖擊回波法的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)隧道襯砌，可以檢測(cè)二次襯砌的厚度（或疑似強(qiáng)度不足）、密實(shí)情況、脫空等信息，如圖8和圖9所示。

圖8 襯砌本身完好類(lèi)型示意

圖9 襯砌缺陷類(lèi)型示意

圖10為沖擊回波聲頻法典型圖像，橫縱坐標(biāo)分別表示測(cè)試彈性波反射走時(shí)對(duì)應(yīng)的厚度值與坐標(biāo)里程，可根據(jù)設(shè)計(jì)厚度設(shè)定厚度標(biāo)定線（在標(biāo)定線左側(cè)則小于設(shè)計(jì)厚度，在標(biāo)定線右側(cè)則大于設(shè)計(jì)厚度）。

圖10 沖擊回波聲頻法典型圖像

2.4 檢測(cè)驗(yàn)證實(shí)例及運(yùn)用

沖擊回波聲頻法技術(shù)已在十余條鐵路在建項(xiàng)目近200 座隧道中得到驗(yàn)證和應(yīng)用，見(jiàn)表1。同時(shí)，采用鉆孔取芯對(duì)沖擊回波聲頻法的檢測(cè)精度驗(yàn)證過(guò)的隧道數(shù)量已達(dá)150多個(gè)，吻合度在95%以上。

表1 沖擊回波聲頻法運(yùn)用統(tǒng)計(jì)

2.4.1 典型實(shí)例驗(yàn)證

對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)密實(shí)且健全、不密實(shí)、厚度不足、脫空4類(lèi)典型實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

1）襯砌結(jié)構(gòu)密實(shí)且健全。由圖11（a）顯示的該襯砌底部反射信號(hào)可知，襯砌厚度與設(shè)計(jì)厚度基本吻合或略大于設(shè)計(jì)厚度，約為59 cm，判定該處為密實(shí)且健全。后進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，實(shí)測(cè)厚度55 cm，且混凝土密實(shí)，如圖11（b）所示。

圖11 襯砌結(jié)構(gòu)密實(shí)且健全驗(yàn)證

2）襯砌結(jié)構(gòu)不密實(shí)。圖12（a）顯示該襯砌局部反射信號(hào)紊亂，且不連續(xù)，判定該處為不密實(shí)。后在相關(guān)位置進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，觀察到該處混凝土松散、不密實(shí)，如圖12（b）所示。

3）襯砌結(jié)構(gòu)欠厚。圖13（a）顯示該襯砌底部反射信號(hào)早于設(shè)計(jì)值（45 cm）較多，判定該處為欠厚。后在相關(guān)位置進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，實(shí)測(cè)厚度僅36 cm，如圖13（b）所示。

圖12 襯砌結(jié)構(gòu)不密實(shí)驗(yàn)證

圖13 襯砌結(jié)構(gòu)欠厚驗(yàn)證

4）襯砌結(jié)構(gòu)脫空。圖14（a）顯示該襯砌局部存在低頻脫空振動(dòng)信號(hào)，判定該處為脫空。后經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，深度36 cm處開(kāi)始存在脫空，如圖14（b）所示。

圖14 襯砌結(jié)構(gòu)脫空驗(yàn)證

2.4.2 與地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)比驗(yàn)證

首先需要指出的是，上述4 處襯砌采用沖擊回波聲頻法進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)判定結(jié)果與鉆孔驗(yàn)證結(jié)果均吻合，而地質(zhì)雷達(dá)法當(dāng)時(shí)的判定結(jié)果與實(shí)際情況均存在較大差異。

當(dāng)襯砌層中存在密集鋼筋網(wǎng)尤其是雙層鋼筋網(wǎng)時(shí)，雷達(dá)波信號(hào)很難透過(guò)鋼筋網(wǎng)，從而無(wú)法有效對(duì)鋼筋網(wǎng)底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效檢測(cè)，而鋼筋層對(duì)彈性波幾乎不造成影響。

1）雙層鋼筋網(wǎng)下襯砌結(jié)構(gòu)超厚及欠厚。圖15 為一隧道某段相同測(cè)線的地質(zhì)雷達(dá)法與沖擊回波聲頻法檢測(cè)結(jié)果。地質(zhì)雷達(dá)圖中，強(qiáng)烈的鋼筋反射掩蓋了二次襯砌底部的反射，很難判定厚度情況。但根據(jù)沖擊回波聲頻法檢測(cè)云圖，二次襯砌底部反射信號(hào)清晰可見(jiàn)，可判定該段二次襯砌欠厚。后鉆孔驗(yàn)證，設(shè)計(jì)厚度50 cm，實(shí)測(cè)厚度37 cm，欠厚，與沖擊回波聲頻檢測(cè)結(jié)果一致。

圖15 雙層鋼筋網(wǎng)下襯砌結(jié)構(gòu)超厚及欠厚

2）單層鋼筋網(wǎng)下襯砌結(jié)構(gòu)脫空及欠厚。圖16 為某隧道襯砌（單層鋼筋網(wǎng)）的地質(zhì)雷達(dá)法與沖擊回波聲頻法檢測(cè)結(jié)果。在地質(zhì)雷達(dá)圖中，鋼筋網(wǎng)信號(hào)仍然反射明顯，使得難以對(duì)該段襯砌缺陷進(jìn)行明確判定。而沖擊回波聲頻法二次襯砌底部反射信號(hào)鮮明，反射時(shí)間小于設(shè)計(jì)值，且存在明顯低頻脫空振動(dòng)信號(hào)，可判定該段存在欠厚且存在脫空。后鉆孔驗(yàn)證，設(shè)計(jì)厚度為45 cm，實(shí)測(cè)厚度30 cm，二次襯砌后存在約20 cm脫空。

圖16 單層鋼筋網(wǎng)下襯砌結(jié)構(gòu)脫空及欠厚

3 結(jié)論

大量的鐵路隧道襯砌現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)證和應(yīng)用表明，沖擊回波聲頻法針對(duì)地質(zhì)雷達(dá)法的一些檢測(cè)盲區(qū)（如雙層鋼筋網(wǎng)），以及鈍感區(qū)域（如表層脫空、不密實(shí)缺陷等）有良好的補(bǔ)充效果，且具有如下明顯的優(yōu)點(diǎn)：

1）非接觸式檢測(cè)，對(duì)襯砌厚度、脫空、不密實(shí)等測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性、穩(wěn)定性很好；

2）受鋼筋、水分等影響小，測(cè)試精度高；

3）檢測(cè)結(jié)果圖識(shí)別簡(jiǎn)單明了。

沖擊回波聲頻法尚存在一些問(wèn)題，如測(cè)試效率仍低于地質(zhì)雷達(dá)法；僅能測(cè)試二次襯砌，無(wú)法透過(guò)防水板測(cè)試初期支護(hù)和圍巖的狀態(tài)；測(cè)試厚度的精度取決于彈性波波速的標(biāo)定精度等。在以后的應(yīng)用中應(yīng)進(jìn)一步改良，為我國(guó)土木工程行業(yè)的質(zhì)量、安全保障做出更大貢獻(xiàn)。