鋼殼混凝土管節組合結構注漿效果掃描成像評價方法研究

唐 寅，車愛蘭

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

鋼殼沉管隧道和混凝土沉管隧道分別起源于美國和歐洲。而日本在掌握這兩種隧道施工方法的基礎上又創造了鋼殼混凝土組合結構的沉管隧道工法[1]。鋼殼混凝土結構在防滲、結構抗震、質量控制等方面具有優勢，并且由于能夠實現工業化制造，近年來在我國部分重大工程項目中逐漸開始大規模應用。2017年，港珠澳大橋海底隧道的最終接頭方案采用了鋼殼混凝土結構，這是國內沉管隧道首次采用鋼殼混凝土的案例。武漢楊泗港長江大橋2號橋墩采用沉井基礎，其下部采用鋼殼混凝土結構，高度達到28 m[2]。泰州大橋在基礎方案的選擇中，考慮受力、工序和經濟等方面因素選用鋼殼混凝土結構為沉井基礎的下部結構。福建漳州雙魚島陸島連接橋成功將外包鋼殼混凝土結構應用到索塔結構中，充分利用其減少模板，加快施工進度的特點。綜上，鋼殼混凝土作為一種新的構形式，在大型工程項目中具有較好的應用前景。

然而在鋼殼混凝土施工中面臨的最大問題就是無法確保鋼殼內的混凝土充分填充。在澆筑過程中一方面由于澆筑速度和混凝土下落高度等施工工藝的不規范。造成鋼板與混凝土之間產生脫空。另一方面由于混凝土自身流動性不高，以及混凝土凝結收縮等原因，也會產生一定程度脫空，尤其在隔板及型鋼等構件處，脫空現象尤為嚴重。這些脫空的存在使得周圍的鋼板在受力作用下容易出現變形，尤其在肋板等重要部位，引起構件的承載力顯著下降[3-4]。此外，在沉管隧道中，一旦存在防水缺陷脫空處會與外界貫通，埋下鋼材被腐蝕的隱患。因此為了保證工程的安全，需要尋求較好的檢測手段來評價混凝土注漿效果，確定脫空的范圍及厚度，為后期二次注漿提供依據，避免安全隱患。

由于混凝土表面覆蓋有鋼殼，無法利用常規的目測法或電磁法進行注漿效果檢測，因此目前的檢測技術主要有基于彈性波技術的聲振法(聲波)、沖擊振動法和沖擊映像法，以及基于射線的中子法等。聲振法通過檢測聲諧振子各模式特性的變化判定缺陷是否存在及其位置等信息，但該方法卻無法定量測出脫空的大小[5]。沖擊振動法利用沖擊荷載作用下的時域動力響應來探測病害的位置。但無法確定病害的大小，且在面對大范圍檢測時效率低[6]。沖擊映像法是基于彈性波反射原理的無損檢測方法，利用彈性波的近源波場，具有能量大，信號強等特點。但存在評價方法不一致，主觀性強等問題[7]。中子法利用快中子慢化原理，通過探測快中子穿過鋼板與混凝土之間脫空時產生的熱中子分布異常現象，判斷脫空范圍和深度。但是該方法在針對內部鋼結構復雜的情況尚不能進行缺陷判斷，且不能滿足工程上快速數據處理的要求[8]。對于大體積鋼殼混凝土組合結構注漿效果評價問題，目前的檢測方法均存在主觀性強、檢測效率低、定量評價標準不明確等問題。

本文針對鋼殼混凝土組合結構中注漿效果評價問題，基于彈性波在層狀介質中的傳播特性，考慮鋼殼混凝土組合結構特點，提出一種三維陣列掃描成像方法。明確了該方法的基本原理、采集工藝、三維成像過程等。利用掃描成像方法對深中通道鋼殼混凝土管節模型進行缺陷檢測。現場實踐表明，該方法能夠實現掃描式快速數據采集，同時從三維空間角度實現對注漿效果準確評價。

1 基于組合結構特點的掃描成像方法

1.1 基本工作原理

將鋼殼混凝土組合結構視為多層層狀介質，介質中的某一層或多層的彈性參數發生變化時，彈性波場的傳播特性亦發生變化。當給介質表面施加一個沖擊力時，會在介質內部產生由縱波、橫波、瑞雷波和勒普波組成的彈性波動場。根據彈性波的反射系數公式，如式(1)，當彈性波在兩層介質中傳播時，反射波的反射系數由兩種介質的波阻抗(波速與密度的乘積)差決定。兩種介質材料的波阻抗相差越大，反射系數也越大，產生的反射波響應能量也就越強[9]。因此介質表面的彈性波場分布與介質內部的構造以及介質的物理性質密切相關。當介質內部結構發生變化，如內部存在裂縫或空洞，介質密度和波速都會降低[10]，形成反射界面，接收到的波形響應能量就會變強，當裂縫或空洞大小發生變化時，所接受的波形也會產生不一樣的響應特征。因此從波形的響應能量變化就可判斷介質內部是否存在缺陷，以及確定缺陷的大小。

(1)

式中：RPP為縱波反射系數；RSS為橫波反射系數；ρ1、VP1、VS1分別為介質1的密度、縱波速度、橫波速度；ρ2、VP2、VS2分別為介質2的密度、縱波速度、橫波速度。

1.2 鋼殼混凝土組合結構特點

鋼殼混凝土管節組合結構由鋼殼結構和充填于鋼殼結構中的混凝土組成。鋼殼結構由內、外側鋼板組成，橫向與縱向L型鋼和扁鋼焊接于鋼板內側，加強外殼強度及剛度。混凝土充填滿殼體內部以提高管節結構的整體剛度和強度。結構要求混凝土能夠完全緊密充填于鋼殼內部，形成一體化結構，提高結構的整體性能[11]，如圖1所示。

鋼殼混凝土組合結構的特點在于，縱橫排列的L型鋼和扁鋼將整個鋼殼混凝土管節劃分成多個相似的組合結構。各個組合結構由鋼板、L型鋼、扁鋼和混凝土組成，形成了三種不同的結構區域，如圖1所示。區域1、2和3分別表示L型鋼區域、扁鋼區域和單一鋼板區域。當在鋼殼混凝土表面三種結構區域激發沖擊力時，區域3可以認為是多層層狀介質，區域1和區域2受構件的影響，彈性波場的傳播特性非常復雜，在構件處會發生反射、折射、繞射等，導致三個區域的傳播特征存在差異，如圖2所示。因此，各個區域的波形響應亦會呈現不同的特征，需按照區域對采集的波形數據分別進行處理。

圖1 組合結構示意圖Fig.1 Diagram of composite structure

圖2 組合結構中彈性波傳播特性Fig.2 Elastic wave propagation in composite structure

基于彈性波在復雜介質中的傳播特性，并考慮鋼殼混凝土組合結構的特點，提出一種基于組合結構特點的掃描成像系統。該系統特征在于能夠分別采集三個區域的波形數據，自動識別對應的位置信息，實現不同區域波形數據的分類處理。同時利用各個組合結構性質相同的優勢，實現數據的掃描式快速采集。

1.3 基于組合結構特點的掃描成像系統

圖3為基于組合結構特點的掃描成像系統。將檢測區域根據組合結構的大小和形狀劃分成多個掃描單元，如圖4所示，每個組合結構相當于一個掃描單元。檢波器網格化連接形成陣列式組合裝置，陣列大小與掃描單元的大小相一致，設置為長a，寬b，檢波器沿陣列長方向道間距設置為dx，沿陣列寬方向道間距為dy。激發錘由電動機控制沿垂直方向依次下落激發，每個激發點位置設置在兩個相鄰檢波器的中心點，實現一次激發兩個檢波器同時接收，取兩個檢波器的平均值作為該激發點最終波形信息，并同時記錄該波形所對應的位置信息。激發高度H依據現場對激發能量的要求確定。完成一個單元數據的采集后，移動采集系統依次掃描各個單元，并將各單元的采集數據拼接在一起，進而可以快速獲取現場全部檢測數據。

圖3 基于組合結構特點的掃描成像系統Fig.3 Scanning imaging system based on the characteristic of composite structure

圖4 掃描式數據采集Fig.4 Scanning data collection

1.4 數據處理及三維成像方法

基于組合結構特點的掃描成像方法的特征在于能夠分類處理三個區域的波形數據以及記錄對應的位置信息，提高了數據處理的效率及結果的準確性。

1.4.1 波形信息識別與處理

對采集的波形數據按照區域進行分類，對同一區域的波形數據進行降噪、濾波處理。

1.4.2 響應能量放大系數分布

定義波形響應能量為波形振幅絕對值的平均值，對采集的所有波形數據進行響應能量分析，提取各點的響應能量值。為消除不同結構區域波形信息差異性，按區域對響應能量值進行處理，將每個測點響應能量值(Eij)除以對應區域內響應能量平均值(Ea)，得到該點的響應能量放大系數Mij=Eij/Ea(i，j=1,…,n)，以各點的響應能量放大系數作為三個區域缺陷判斷的統一標準。并根據記錄的位置信息將放大系數在檢測區域內展開，通過插值、平滑等處理后，得到二維的響應能量放大系數分布圖。通過分布圖可以觀察缺陷的分布情況。

1.4.3 建立脫空厚度與波形響應能量的關系

采用響應能量放大系數Mij作為脫空厚度hij的評價指標。通過模型試驗或數值模擬等方法確定脫空厚度與響應能量放大系數之間的函數關系。本文采用不同脫空厚度模型試驗的方法，設計多個脫空工況，分析脫空厚度與響應能量放大系數之間的相關性。

1.4.4 三維成像處理

根據脫空厚度與響應能量放大系數之間的函數關系，將二維的響應能量放大系數分布圖轉換成三維脫空厚度的空間分布圖。通過三維可視化成像處理，基于組合結構特點的掃描成像方法可以直觀的判斷缺陷的分布及大小，并選取脫空厚度hij以及檢測區域內的連續脫空體積Vi兩個參數，作為注漿效果的評價指標。

2 鋼殼混凝土脫空模型中彈性波傳播特性

為了研究彈性波在鋼殼混凝土脫空模型中的傳播特性以及獲取脫空厚度與波形響應能量之間的關系，開展了小倉格模型試驗。通過控制螺栓使混凝土表面與鋼板之間存在不同的脫空情況，分析各脫空情況下檢測區域的響應能量分布，得到脫空厚度與波形響應能量放大系數之間的定量關系。

2.1 模型試驗概況

根據鋼殼混凝土組合結構設計的要求，制作了小模型。試驗模型長寬高分別為2.1 m、2.1 m及0.5 m，除底面外，模型頂面及4個側面采用相同的鋼板厚度，均為18 mm，底部鋼殼厚度為12 mm，注漿孔直徑為30 cm。模型四周設置螺栓，通過調節螺栓抬升鋼板實現不同的脫空工況。考慮螺栓對數據采集的影響，試驗選取模型中間1.4 m×1.6 m區域為檢測區域，如圖5所示。考慮模型制作的方便，僅研究區域2的彈性波傳播特性，即可作為三個區域缺陷定量評價的標準，因此未設置L型鋼和扁鋼。

圖5 模型示意圖Fig.5 Diagram of model experiment

為獲取脫空厚度與波形響應能量之間的關系，共設計了3個模型試驗工況進行試驗。具體操作為旋轉螺栓控制頂部鋼板與混凝土上表面之間脫空厚度為0、0.50 cm和1.00 cm，試驗方案和參數設置如表1所示。

2.2 現場數據采集

數據采集系統由電瓶、外接計算機、數字地震儀、電纜、檢波器、激發錘等組成，如圖6所示。檢波器為速度型檢波器，固有頻率100 Hz，激發錘重量為10 g。由于檢測區域面積較小，且未設置L型鋼和扁鋼，因此采用單點激發單點接收的方式進行數據采集。試驗區域內以10 cm為間隔布設測點，共255個測點。

表1 試驗方案及參數設置Tab.1 Test scheme and parameter setting

圖6 數據采集設備Fig.6 Data collection equipment

2.3 彈性波在脫空模型中的傳播特性

在完成三個工況的全部數據采集后，對波形的響應能量進行了分析，圖7為工況1、2、3的典型的波形信息。可以看出，三個工況的波形形態基本一致，但是隨著脫空厚度的增加，波形的振幅有了明顯的變化，振幅呈現增大的趨勢，充分說明脫空對波形響應能量具有放大效應。

圖7 三個工況的波形例Fig.7 Waveform example of three cases

在對采集的所有測點波形進行響應能量分析后，計算出每個工況下檢測區域內255個測點的波形響應能量平均值。并以工況1作為完全密實的狀態，即響應能量放大系數M1=1.00，計算工況2的M2=1.51，工況3的M3=2.69，如下表2。

2.4 脫空厚度與波形響應能量的相關性

隨著脫空厚度的增加，響應能量放大系數也逐漸變大。將試驗結果通過數據擬合，獲得脫空厚度與響應能量放大系數之間的關系，如圖8所示。

表2 模型試驗結果Tab.2 Model test results

圖8 脫空厚度與響應能量放大系數的函數關系Fig.8 Function relationship between the thickness of filling-incompletion and the amplification coefficient of the response energy

同時根據曲線的變化趨勢，運用對數函數關系，擬合出脫空厚度與響應能量放大系數之間的函數關系式，如式(2)

hij=ln(1.04×Mij-0.02)

(2)

式中：Mij表示響應能量放大系數;hij表示脫空厚度，單位cm。

3 深中通道鋼殼混凝土管節模型試驗研究

針對深中通道沉管隧道工程，開展鋼殼混凝土管節模型試驗，旨在驗證方法的實際檢測效率，評價管節模型的注漿效果。

3.1 深中通道鋼殼混凝土管節模型概況

深中通道是世界級“隧-島-橋-水下互通”集群工程，通道總長度為6.8 km。其中特長雙向八車道海底鋼殼混凝土沉管隧道為世界首例，設計及施工難度大。每個標準管節的尺寸為46 m×10.6 m×165 m，共32個管節，每個管節用鋼量約1萬噸。

為確保后期工程中鋼殼混凝土管節混凝土注漿質量，開展了真實模型的混凝土注漿效果檢測研究。比例尺模型以一定比例真實反映了鋼殼混凝土管節的實際制作情況，模型長9.0 m，高7.0 m，上表面寬10.1 m，下表面寬15.8 m，如圖9所示，立面設計圖如圖10所示。本次試驗選取模型內側底面區域作為研究對象，模型內側底面區域大小為3 m×3 m，混凝土外側鋼板厚度為30 mm，鋼板內側設置L型鋼和扁鋼，如圖11所示。混凝土注漿口直徑20 cm，位于區域中心點左側30 cm處，在檢測區域的右上角預設缺陷，缺陷范圍60 cm×60 cm。設置的缺陷脫空厚度范圍在0.50 cm～1.00 cm。

圖9 鋼殼混凝土管節模型Fig.9 The model of steel and concrete composite immersed tunnel

圖10 模型立面設計圖(cm)Fig.10 The vertical design of the model(cm)

圖11 模型內側底面區域Fig.11 Interior bottom area of the model

3.2 現場數據采集

由于檢測區域較大，且設置L型鋼和扁鋼，因此采用掃描成像系統進行數據采集。采集設備及參數與2.2節一致，根據檢測區域底板加勁肋設計圖，如圖12所示。確定掃描單元大小為a=50 cm，b=60 cm，檢波器間距dx=dy=10 cm。所需檢波器為42個，依據現場對激發能量的要求確定激發高度H=15 cm。檢測區域共劃分為30個單元，移動采集系統依次掃描每個單元，完成全部區域的數據采集。

3.3 三維成像處理

圖13為檢測區域的響應能量放大系數分布，可以看出在預設的缺陷處，響應能量呈現不同程度的放大效應，檢測結果與預設缺陷的范圍有了較好的一致性。在沿L型鋼及扁鋼區域，響應能量放大系數較大，且出現大面積的連續放大現象，說明在該區域脫空現象尤為嚴重。

圖12 模型底板加勁肋設計圖(cm)Fig.12 The stiffener design of the model floor(cm)

圖13 響應能量放大系數分布圖Fig.13 Distribution diagram of the amplification coefficient of the response energy

根據模型試驗得出的脫空厚度與響應能量放大系數之間的函數關系，實現檢測區域脫空厚度的三維成像。如圖14所示，深色區域表示為密實狀態，其他區域顏色由淺變深依次表示脫空厚度的逐漸增大。從圖中可以直觀的看到缺陷的空間分布情況，脫空厚度小于0.50 cm的區域數量少、面積小，脫空厚度主要集中在0.50～1.00 cm，局部區域脫空厚度大于1.00 cm。脫空區域主要分布在構件處，存在連續貫通脫空區域。在預設缺陷的區域，三維成像結果顯示該區域脫空厚度在0.50～1.00 cm，與預設的脫空厚度基本吻合。

3.4 注漿效果評價

由三維成像處理結果可知，脫空厚度小于0.50 cm的區域離散性大，分布在非構件處，對結構性能影響小。大于0.50 cm的區域呈現面積大、連續性強、且分布在構件處的特點，本文采用脫空厚度0.50 cm作為注漿效果評價指標。如圖15表示除預設缺陷區域外其他區域不同脫空情況的面積占比，可以看出脫空厚度大于0.50 cm的區域達到檢測區域的20%，注漿效果欠佳。

圖14 脫空厚度hij空間分布Fig.14 Space distribution of the thickness of filling- incompletion hij

圖15 不同脫空厚度面積占比Fig.15 Area ratio of different thickness of filling-incompletion

連續脫空體積是指脫空區域的面積對脫空厚度積分而得到的數值。在脫空厚度評價的基礎上，該指標充分考慮脫空的貫通性和連續性對結構的影響，能夠進一步評價注漿效果。圖16為統計的檢測區域內連續脫空的分布情況。可以看出在檢測區域內，非構件處的脫空較少，共統計出6個連續脫空區域，且脫空區域體積小，多集中在25～200 cm3。而構件處的脫空較多，統計出13個連續脫空區域。這些區域存在體積大，連續性強的特點，體積大多集中在200～800 cm3，最大的連續脫空體積達到1 042.5 cm3，嚴重影響組合構件的作用效果，造成結構整體強度和剛度的下降。因此在實際工程項目中，從工程安全的角度考慮，針對鋼殼混凝土組合結構注漿效果的檢測是十分重要的，檢測的脫空位置和厚度為后期二次注漿提供重要的參考，保證了結構的安全。

圖16 檢測區域內連續脫空體積分布Fig.16 Distribution of continuous filling-incompletion volume in the detection area

4 結 論

(1)基于彈性波在層狀介質中的傳播特性，并考慮鋼殼混凝土組合結構的特點，提出一種掃描成像方法。明確了該方法的基本原理、采集工藝及三維成像方法，并提出脫空厚度以及檢測區域內的連續脫空體積兩個參數，作為注漿效果的評價指標。

(2)針對成像方法中脫空厚度定量評價問題，開展了模型試驗，設置三種不同的鋼板抬升工況。通過數據擬合得到脫空厚度與響應能量放大系數之間的關系，實現了缺陷的定量評價。

(3)針對深中通道沉管隧道工程，利用掃描成像方法，開展了鋼殼混凝土管節模型注漿效果的檢測。檢測結果表明，鋼殼混凝土組合結構受施工工藝以及混凝土自身性能等因素的影響，鋼材與混凝土之間易產生不同程度的脫空缺陷，脫空厚度大于0.50 cm的區域達到檢測區域的20%。且缺陷主要分布在組合構件區域，構件處最大的連續脫空體積達到1 042.5 cm3，導致結構強度、剛度和承載力下降，對工程造成安全隱患。通過預設缺陷，證明該方法可以快速評價鋼殼混凝土管節的注漿效果。檢測結果為二次注漿提供依據，保證了結構的安全。