沖擊回波法識別盾構中注漿層質量的試驗研究

姚 菲 蘇建洪

(河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

·橋梁·隧道·

沖擊回波法識別盾構中注漿層質量的試驗研究

姚 菲 蘇建洪

(河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

介紹了沖擊回波法的原理，通過設計帶缺陷和不帶缺陷的S—G(管片—注漿)試件模型，模擬了盾構中使用沖擊回波法檢測注漿層質量問題的方法，分析探討了在不同注漿情況下的沖擊回波頻譜特征，得出了一些有意義的結論。

S—G模型，沖擊回波法，盾構，注漿層

盾構法具有安全快速、適用范圍廣以及對周圍地層擾動小等特點，在地下隧道建設中具有很大優勢。在盾構中施工擾動和爆破開挖等情況下，連同超挖造成地層變形和土體的再固結，支護結構與圍巖之間產生分離，使圍巖產生松弛，進而導致支護結構承載能力降低，威脅隧道的安全。壁后注漿通常被用于解決這一問題，通過注漿充填盾構中的超挖空隙，使其能夠防止圍巖的松動、管片漏水、減少地面沉降等現象。然而，注漿層會由于注漿不密實、配合比和尚未固結等原因，導致注漿層剛度受到影響而降低，繼而產生地層沉降和巖體坍塌等一系列安全問題。

本文通過沖擊回波試驗，分析對S—G試件施加瞬態沖擊后的響應，驗證了采用沖擊法識別不同剛度盾構注漿層缺陷的可行性，并總結了識別規律。

1 沖擊識別原理

沖擊回波法原理如圖1所示。即利用激振器沖擊混凝土表面，使其內部產生應力波，其中縱波(P波)在介質中的傳播速度CP由式(1)計算：

(1)

式中：E——楊氏彈性模量;

ρ——介質密度;

v——泊松比。

沖擊回波檢測過程中，如何確定可檢測的最小缺陷是一個關鍵點。隨著缺陷深度的加大，最小可檢測缺陷的大小也隨之加大。如圖2所示，該缺陷的沖擊回波數據經傅里葉變換后的頻域圖中將產生兩個峰值頻率：

1)板厚峰值頻率；

2)缺陷深度峰值頻率。根據文獻資料及試驗分析得知，當缺陷的深度T與橫向尺寸d之比小于3時，就能比較準確地檢測到缺陷的深度；當1.5T

2 試驗設計

盾構中管片與圍巖之間注漿層的剛度受缺陷、配合比和固結等因素影響而不同，試驗管片為來自南京力高管片有限公司制造的C50強度預制封頂管片，尺寸約為1 200 mm×1 200 mm。考慮到注漿層剛度受缺陷影響，在試件中埋置泡沫缺陷來模擬空洞情況。因此試件進行分類標號為SG-DE(detect)和SG-ND(no detect)，具體參數如表1所示。

表1 試件的參數特性

擬在試件左側埋置泡沫板缺陷，右側為無缺陷工況。由上節內容可知，混凝土管片厚度h=350 mm，為了能使埋置的泡沫板缺陷可以被檢測到，設置泡沫板寬度d=150 mm>h/3≈116.7 mm。泡沫板厚取為20 mm，埋置在離管片—注漿層界面30 mm處，如圖3所示。

3 相關參數的計算

應力波波速與頻率及厚度之間的關系如式(2)所示：

(2)

式中：fT——傳感器采集到動力時程曲線經FFT(快速傅里葉變換)之后得到的峰值頻率；

β——形狀系數，對于板取0.96；

Cp——應力波在該介質中的波速；

T——所測量試件的厚度。

當構件由兩種不同材料所組成時，底層底面到頂層表面的厚度頻率如式(3)所示：

(3)

式中：h1，h2——材料一與材料二的厚度；

Cp1，Cp2——材料一與材料二中的應力波波速。

利用式(2)及4節中IES沖擊回波儀測得管片密度，彈模等參數，管片中應力波波速為4 390 m/s。再由式(1)計算得注漿層波速，為1 354 m/s。根據上述理論，管片—注漿層界面相對應的厚度頻率f1根據式(4)計算：

(4)

注漿層—圍巖界面相對應的厚度頻率f2根據式(5)計算：

(5)

式中：T1，T2——混凝土管片與注漿層的厚度；

Cp1，Cp2——混凝土管片與注漿層中的應力波波速。

同樣，缺陷處厚度頻率f2′可根據式(6)求得:

(6)

式中：T1′,T2′——混凝土管片與管片—注漿層界面到缺陷表面的厚度;

Cp1′,Cp2′——混凝土管片與注漿層中的應力波波速。

4 試驗研究

儀器使用的是美國Olson公司制造的IES沖擊回波儀，如圖4所示，儀器包括主機，連接線以及激振器和信號接收傳感器集成在一起的滾動傳感器。設置儀器采樣頻率為2 048 Hz，每10 μs采集一個數據點。沖擊回波數據采用Butterworth濾波器和Bass Pass帶通濾波，并且設置Order階數為4階。S—G試件圖見圖5。

在厚度頻率有效區域范圍(由計算確定，本文中處于2 000 Hz～8 000 Hz之間)之內出現了明顯的峰值，在有效區域外的低頻區域也可能出現峰值，這些峰值是由于表面波或者其他噪聲干擾波引起，因此進行了以2 kHz左右為截止頻率的高通濾波，用于消除這些強烈的低頻信號。

對試件進行沖擊回波試驗后，對回波時程曲線進行FFT(快速傅里葉變換)后得出的頻域圖如圖6所示。

將圖6中峰值頻率列于表2。

表2 不同試件的峰值頻率 Hz

從表3中可以看出，理論值與試驗值吻合較好。對于SG-DE試件，注漿層底界面厚度頻率不明顯，是由于波在缺陷處反射所致。有缺陷試件與無缺陷試件頻域圖第一峰值存在差別。

5 結語

本文通過設計帶缺陷和不帶缺陷的S—G(管片—注漿)試件模型，來模擬盾構中使用沖擊回波法檢測注漿層質量問題的方法應用，分析了在不同注漿情況下的沖擊回波頻譜特征，得出如下結論：

1)盾構管片后的注漿層中的空洞空隙等缺陷的檢測受到最小尺寸限制，對于本文中試件尺寸，注漿層中的缺陷寬度需大于116.7 mm才能被沖擊回波法所檢測。

2)理論值與試驗值吻合較好。對于SG-DE試件，注漿層底界面厚度頻率不明顯，是由于波在缺陷處反射所致。有缺陷試件與無缺陷試件頻域圖第一峰值存在差別。

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The test research on impact-echo method identification of the grouting layer quality in shield

Yao Fei Su Jianhong

(CivilandTransportationCollege,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Introduces the principle of impact-echo method,impact-echo method is used to simulate detecting quality problems in grouting layer of shield tunnel by designing the defective and non-defective S—G(Segment-Grouting) specimen model. Spectral characteristics of the impact-echo method in different grouting situation are analyzed in this paper,some meaningful conclusions are drawn.

S—G model， impact-echo method,shield,grouting layer

2015-10-08

姚 菲(1983- )，女，博士，講師；蘇建洪(1991- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)36-0166-02

U455.43 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A