基于單平面UCT技術的綜合管廊施工縫缺陷檢測研究

郭成超，郭鑄鋒，馬會環，*，常巨成，馬軍義

(1. 中山大學土木工程學院，廣東 廣州 510275; 2. 廣東省地下空間開發工程技術研究中心，廣東 廣州 510275; 3. 南方工程檢測修復技術研究院，廣東 惠州 516007; 4. 白銀市城市建設設計院，甘肅 白銀 730900)

0 引言

隨著城市化進程不斷推進，地下空間建設成為城市規劃中逐漸重要的布局。現階段，我國城市地下綜合管廊建設面臨著需求與安全之沖突。一方面，城市綜合管廊在全國范圍迅速開展，規模宏大，承擔著越來越大范圍的城市資源供給任務[1]； 另一方面，城市地下綜合管廊的運營管理遭遇嚴峻考驗，地下結構的安全監測問題成為多年的研究熱點，其中，因施工縫破壞帶來的結構安全問題尤為明顯。施工縫是囿于施工工藝及流水安排，無法連續澆筑而形成的結構縫，存在于先后澆筑的管廊節段之間。當施工縫黏結質量較差或內部缺陷明顯時，會導致混凝土結構的整體承載能力[2]和防水性能大幅降低，容易發生安全事故。由于綜合管廊建于地下空間，施工縫必然要承受土體作用力和滲水壓力，結構發生失穩破壞和滲水破壞的可能性大大增加，這對依賴管廊供給的居民的正常生活和人身安全來說，無疑是一種威脅； 對研究管廊結構安全的學者來說，更是一種挑戰。

隨著工程需求越來越大，地下混凝土結構接縫缺陷檢測技術得到不斷發展。部分學者提出探地雷達[3]、聲吶[4]、紅外熱成像、激光掃描[5]等結構接縫缺陷檢測技術，但上述技術或方法在綜合管廊施工縫缺陷檢測中應用較少。原因在于： 1)探地雷達由于其主控機體積較大，在側墻、頂板施工縫檢測工作中操作流程繁瑣； 探地雷達對鋼筋的敏感程度高于蜂窩、孔洞等缺陷，當施工縫存在界面鋼筋時其檢測效果較差。2)聲吶、紅外熱成像等技術通過監測結構縫滲漏水點位得到內部缺陷位置，其應用前提是施工縫內形成滲流，因此其無法判斷無滲流施工縫內部的密實度。

我國規范[6-7]推薦采用超聲波脈沖速度(UPV)法檢測施工縫內部缺陷。超聲波脈沖速度法是無損檢測方法(NDT,non destructive testing)[8-11]的一種，其原理為通過測量超聲波在已知路徑上的傳播特征來判斷混凝土的相對狀態，目前已廣泛應用于地下結構工程勘察、灌注樁超聲檢測、大壩防滲墻質量檢測及路橋路面病害檢測等領域[12-15]。然而，UPV法存在以下缺點： 1)需要在施工縫測區選取2個相對應的檢測面布設傳感器。而在混凝土檢測中，如綜合管廊、沉井井壁等混凝土結構僅存在一個可測量平面的情況非常普遍[16]。在這種工況下，難以在2個相對應的檢測面上布置傳感器。2)只能通過分析所測UPV數據的變化特征間接獲知施工縫的缺陷信息，不能直觀地得到缺陷區域的位置和大小，且分析檢測結果需要耗費大量的人力和物力[17]。

針對傳統超聲波脈沖速度(UPV)法的不足，Khazanovich等[18]、Shokouhi等[19]、Choi等[20]在應用超聲波計算機斷層掃描技術(UCT)[21-22]的基礎上，選用單一平面作為測量區對混凝土結構進行質量檢測，并取得了良好效果。然而，目前基于單一檢測平面的UCT檢測技術的應用關注點主要集中在道路、橋梁的分層、裂縫、鋼筋腐蝕[23]等病害，對諸如綜合管廊等復雜地下結構施工縫質量檢測的研究仍在起步和探索階段，因此需要更多的應用成果對其適應性做進一步驗證。

為探討基于單平面的UCT檢測技術在現澆矩形箱式綜合管廊施工縫缺陷檢測及密實度評價上的應用效果，本文首先將綜合管廊中含施工縫的細部節點簡化為含水平施工縫及豎向施工縫的混凝土試件，以多通道聲發射(AE,acoustic emission)采集儀作為信號采集主控機和單一檢測平面布設觀測系統，進行施工縫缺陷檢測并評價其密實度； 在驗證該檢測技術的可行性后，對綜合管廊縮尺模型中豎向施工縫進行缺陷檢測，評價該檢測技術的適用性及有效性，以期為類似綜合管廊工程提供參考。

1 UCT檢測原理

UCT檢測思路是先檢測出通過被測物體剖面的超聲波走時(TOF,time of flight)，然后對聲波走時數據處理后導入成像軟件，再對測試剖面上UPV的分布情況進行反演。根據施工縫的UPV與其黏結質量間存在明顯的正相關關系[24]，可以確定測試施工縫上的缺陷分布情況。

將檢測區域的剖面分割成M個單元，剖面內共有N條超聲波射線。設Vx,y為二維模型速度分布函數，當成像單元足夠小時，由Radon公式可得第i條射線的走時Ti，見式(1)。

(1)

對式(1)求解可得測區內施工縫速度場反演圖像及分布曲線，步驟如下：

1)應用反投影技術BPT(back projection technique)計算各單元的初始慢度均值S。

2)應用射線追蹤算法獲取射線在各單元內的長度和走時。由于采用單一平面作為觀測系統，需布設大量的檢測射線來提高檢測精度，因此，選用的追蹤算法為橢圓約束快速射線追蹤法[25]。該算法以超聲波激發點及接收點為焦點形成橢圓區域，進行射線追蹤時優先求解橢圓區域內的離散點。由于橢圓內單元離散點數量遠小于整個CT(computed tomography)剖面，因此追蹤速率大大提升。

3)結合步驟2)所求得的射線長度及走時，應用SIRT算法校正各單元慢度值Sj。

4)重復步驟2)、3)。當走時誤差或迭代次數達到允許值時，停止計算。

采用正演方法[26]求解所需的迭代次數。設置具有軟弱層(施工縫)、孔洞缺陷的混凝土試塊模型，采用單平面觀測系統，通過速度場正演可求得該觀測系統下各單元的射線數據。將射線數據導入UCT反演模塊中，求解各測區內缺陷分布情況。

預設缺陷模型成像結果如表1所示。當模型預設缺陷類型為施工縫孔洞缺陷時，不同迭代次數下均能獲得良好的反演結果； 當模型預設缺陷僅含施工縫且迭代次數為10時，UCT反演結果精度較高。綜合考慮檢測精度需求及計算機運算能力，最終選取迭代次數為10。

表1 預設缺陷模型成像結果

2 單平面UCT檢測可行性研究

為了探討基于單一平面測量區的UCT檢測技術在施工縫缺陷檢測中的應用效果，設計了多個內含孔洞缺陷的混凝土施工縫試件，并進行超聲波檢測。將TOF數據導入UCT成像模塊中進行圖像重建，獲得試件施工縫UPV分布圖像。

2.1 試件制備

考慮到標準混凝土立方體試件的外表面面積太小，無法設置足夠的傳感器探頭以形成觀測系統，本文設計了4個尺寸為300 mm×150 mm×150 mm的C30混凝土試件。

試件分2步進行澆筑：

1)首先將一半的混凝土澆筑入模，在標準養護室中養護28 d后拆模，此時試件尺寸為300 mm×150 mm×75 mm。

2)對試件進行人工鑿毛，并涂刷表面處理劑，如圖1(a)所示。選取其中2塊試件，在預設的缺陷位置粘貼長11.5 cm的鋁制氣球，然后1個水平、另1個豎向放置于模具中，并澆筑另一半混凝土，形成含水平或豎向施工縫的混凝土試件。對于另外2個試件，直接澆筑另一半混凝土，不設缺陷。含施工縫的混凝土試件如圖1所示。

(a) 試件預設缺陷示意圖

(b) 試件澆筑流程

預設缺陷的2個試件分別被命名為含水平施工縫及氣球缺陷試件-1(balloon defect specimen-1，簡稱bd-1)、含豎向施工縫及氣球缺陷試件-2(balloon defect specimen-2，簡稱bd-2)； 無預設缺陷的2個試件分別被命名為含水平施工縫試件-1(construction joint specimen -1，簡稱cj-1)、含豎向施工縫試件-2(construction joint specimen -2，簡稱cj-2)。

2.2 試驗流程

UCT設備連接示意圖及信號采集和處理示意圖如圖2所示。該檢測系統主要包括波形發射模塊、高功率放大器、波形存儲模塊及UCT成像模塊等。波形發射模塊可以發射不同幅度、不同頻率的超聲波信號； 高功率放大器可以通過調節發射電壓來增加信號的能量和幅度； 波形存儲模塊具有超聲波信號的存儲、濾波、旅行時間(TOF)校正、頻譜分析等功能。UCT成像模塊可以實現基于TOF的測區超聲波波速場反演。

(a) 設備連接示意圖

(b) 信號采集和處理示意圖

UCT觀測系統及布設示意如圖3所示。采用試件的某一表面作為檢測區域。在施工縫兩側放置相同數量的接收傳感器，傳感器接觸面與混凝土試件之間涂抹耦合劑，形成對稱分布觀測系統(如圖3(c)所示)。每次發射超聲波時，檢測信號同時經過完好區域(即直接從發射端到接收端)和含有缺陷的區域(即從發射端穿越施工縫后到接收端)，能迅速形成高密度、波速對比度明顯的檢測射線，提高了檢測效率和精度。

(a) UCT觀測系統

(b) 施工縫檢測示意圖

(c) 對稱分布觀測系統

由于高頻超聲波在穿越大型混凝土構件時容易大幅度衰減，傳感器無法接收到所需的信號，考慮到該檢測系統的實際應用效果，選用低頻、低電壓的超聲波對小型混凝土試件進行測試。測試中使用的激發信號為40 kHz正弦波(傳感器中心頻率)，單次激發，發射電壓為40 V，AE主機的采樣率為3 MHz。超聲波發射傳感器位于兩側低頻接收傳感器之間，矩形檢測區域的上下兩側以及施工縫兩側布設有超聲波激發點。

2.3 可行性分析

單平面UCT試驗結果見圖4。

(b) 施工縫UPV分布曲線

(c) 施工縫UPV色帶圖

1)通過傅里葉變換和帶通濾波，去除波形文件中頻率為5～20 kHz的試驗環境噪聲。提取每條射線的TOF，導入CT成像模塊，得到各試件的UCT反演圖像如圖4(a)所示。

由圖4(a)可知： ①試件bd-1的缺陷面積明顯小于試件bd-2，這是由于試件bd-1在澆注過程中氣球局部受擠壓，形成上下側密實區。②普通施工縫試件UCT圖像右側出現許多低速區域，這是由于澆筑時間、工藝、振搗時間不同造成新舊混凝土試件強度不一致，在試件內部無明顯缺陷的情況下，UCT會反饋強度較低的區域為低速區。

2)求解式(1)可得到施工縫UPV分布曲線(x=70～80 mm，z=0～150 mm，y=0～300 mm)，結果如圖4(b)所示。

由圖4(b)可知： ①試件bd-1和試件bd-2 UPV變化曲線有明顯的下凹端，說明存在明顯缺陷區。②各曲線的下凹段長度與實際施工縫內缺陷面積的最大縱向長度接近，誤差在4.5 mm內，說明單平面UCT技術在施工縫缺陷檢測中精度良好。③試件cj-1和試件cj-2 UPV變化曲線平坦，無明顯下凹段； 試件cj-2 UPV變化曲線兩端UPV較低，說明該區域施工縫的黏結質量較差，這與上述UCT成像結果一致。④在y=280～300 mm處，試件bd-2、cj-2的UPV最大值與最小值之差大于500 m/s，說明該區域施工縫兩側混凝土強度差異較大，部分混凝土澆筑質量較差，外荷載作用下容易導致局部混凝土破壞或剝落。

3)施工縫UPV色帶如圖4(c)所示。各試件的色帶深淺度對應施工縫中UPV值的密度。色帶的顏色越深，相應區間內UPV的數值點越多，占總數值的比例越大。

由圖4(c)可知： ①水平施工縫的UPV標準差均大于豎向施工縫，說明水平施工縫黏結質量比豎向施工縫好。這是因為在水化過程中重力作用下水平施工縫試件的新舊混凝土界面內骨料接觸密實，黏結力強；而豎向施工縫試件的接縫界面平行于重力方向，缺乏界面法向的擠壓力，導致黏結質量較差。②試件cj-1、cj-2施工縫UPV標準差較小，為100～250 m/s； UPV極值較小，分別為790.71 m/s和960.50 m/s； 2 500～3 000 m/s處色帶偏暗，沒有明顯的斷續區，整體速度較高，說明試件cj-1和試件cj-2施工縫黏結質量較好。③試件bd-1和試件bd-2 UPV標準差均大于300 m/s，極值大于1 400 m/s，色帶較長，低速區顏色較深，低速區與高速區之間存在明顯的斷續區，說明低速區(缺陷區)與高速區(密實區)之間波速過渡劇烈。這與缺陷的類型有關，氣球缺陷試件的缺陷區域為氣體填充，缺陷區邊緣為氣體-混凝土界面。而超聲波在大氣中傳播時衰減效應明顯，傳播速度遠小于在混凝土介質中的速度。因此，超聲波穿越混凝土區域、氣體-混凝土界面、缺陷區時，UPV的劇烈變化導致色帶具有明顯的斷續區特征。將UPV的標準差250～450 m/s作為Ⅰ區間，即為密實度差的施工縫波速區間； 將UPV標準差0～250 m/s作為Ⅱ區間，即為密實度良好的施工縫波速區間。

綜上，以單一平面為測區的UCT技術在施工縫缺陷檢測及密實度評價上具有良好的應用效果。其中，UCT反演圖像可以直觀反饋混凝土施工縫的孔洞缺陷位置與大小，反演缺陷與實測缺陷的縱向尺寸誤差小于4.5 mm； UPV色帶圖可為施工縫黏結質量評價提供依據，當UPV標準差小于250 m/s且色帶圖中未出現明顯斷續區時，說明施工縫黏結質量高，內部無明顯缺陷。

3 綜合管廊施工縫缺陷檢測

通過混凝土試件試驗已驗證了單平面UCT技術在施工縫質量檢測中的可行性，為綜合管廊施工縫質量檢測提供了新思路。但在實際工程中，若綜合管廊施工縫內部存在界面連接鋼筋，則檢測超聲波將在鋼筋骨架處產生散射及折射；若綜合管廊施工縫長度過大，則超聲波在傳播過程中會出現明顯衰減。上述現象均可能致使UCT檢測精度大幅度降低，從而出現缺陷區域漏判、誤判。因此，為驗證單平面UCT檢測技術在綜合管廊施工縫缺陷檢測中的實用性，以綜合管廊縮尺模型為檢測對象，對豎向施工縫進行質量檢測。綜合管廊縮尺模型由不同的前期綜合管廊和后澆綜合管廊組成[27]，新舊混凝土之間的施工縫界面已經過鑿毛處理，施工縫內存在等距的界面連接鋼筋，如圖5所示。

(a) 綜合管廊縮尺模型

(b) 縮尺模型組成

3.1 試驗流程

由于現場檢測條件限制，無法設置對稱分布觀測系統，因此選用單平面分布觀測系統，如圖6所示。超聲波檢測信號采用單次激發、周期為40 kHz的正弦波，AE主機采樣率為3 MHz。

圖6 單平面分布觀測系統(單位： mm)

試驗過程分為4個階段： 1)采用單平面UCT技術檢測綜合管廊模型施工縫的原始缺陷。2)進行閉水試驗，即通過加壓水泵向綜合管廊內注水，使得腔體內整體水壓保持在設計值內，然后觀察施工縫是否發生滲漏破壞。整個過程按照規范[28]要求進行。3)采用聚氨酯高聚物注漿技術[29-30]修復施工縫的內部缺陷。4)因高聚物材料與混凝土材料的UPV存在顯著差異(對比如表2所示)，采用單平面UCT技術評價施工縫注漿修復效果，并進行二次閉水試驗。

表2 高聚物試件及混凝土試件的UPV比較

3.2 結果分析

注漿前測區UCT反演結果如圖7(a)所示； 閉水試驗中測區滲漏點位置及注漿修復示意如圖7(b)所示； 注漿后測區UCT反演結果如圖7(c)所示。

1)從圖7(a)中UCT成像上看，測區左中側和右下側UPV較低(UPV=2 200～2 400 m/s)，考慮為1、2號明顯缺陷區。

2)當綜合管廊內水壓上升到0.2 MPa時，測區發生滲水破壞。滲漏點見圖7(b)。滲漏點1、2與UCT反演圖像上的明顯缺陷區1、2相對應，施工縫范圍內沒有滲水點出現，說明單平面UCT技術及色帶區域的劃分是準確和有效的。

3)對綜合管廊滲漏點進行高聚物注漿修復，如圖7(b)所示。通過定點打孔注漿對滲漏點1、2進行修復； 對于施工縫則從內部預設的注漿導管進行注漿修復。

4)待高聚物注漿材料完全發泡后，采用與初檢相同的觀測系統及檢測區域進行超聲波檢測，結果如圖7(c)所示。對比圖7(a)和圖7(c)，明顯缺陷區1處和2處的UPV大大增強，從2 200～2 400 m/s增大至3 000～3 200 m/s，且測區的整體UPV也大大增強。

繪制施工縫UPV色帶圖及分布曲線，結果如圖8所示。注漿前綜合管廊施工縫的UPV平均值為3 188.69 m/s，標準差為241.99 m/s，處于區間Ⅰ、Ⅱ之間，說明施工縫整體密實度一般，但中下部位存在疑似缺陷區(UPV=2 700 m/s)； 色帶內未發現明顯斷續區，說明施工縫內部不存在大范圍的孔洞缺陷。

由圖7和圖8可知，通過注漿導管對施工縫進行高聚物注漿修復，修復后施工縫UPV的標準值和極差均明顯降低，色帶長度減少，底部低速區的UPV大大提高，施工縫的密實度得到改善。

(a) 施工縫UPV色帶 (b) 注漿前后綜合管廊施工縫UPV分布曲線

在進行二次閉水試驗時，當將綜合管廊內的水壓加至0.2 MPa，原滲漏點不再出現滲漏水。可以認為高聚物注漿材料已起到了防滲堵漏的作用，修復效果良好，同時說明單平面UCT檢測技術可以直觀地評價注漿材料的修復效果。

4 結論與討論

1)以單一平面為測區的UCT檢測技術在混凝土試件及綜合管廊模型的施工縫質量檢測中取得了良好效果。UCT反演圖像可以直觀反饋混凝土施工縫的孔洞缺陷位置與大小，反演缺陷縱向尺寸誤差小于4.5 mm。當施工縫缺陷區與密實區之間的UPV差值大于1 000 m/s時，可以認為施工縫內存在孔洞等明顯缺陷。

2)當施工縫的UPV色帶中斷續區數量較多時，說明施工縫內部分布著大量微小缺陷； 當斷續區范圍較大時，說明超聲波在內部傳播時出現突變衰減，施工縫內部可能存在孔洞缺陷。當施工縫UPV色帶越靠近Ⅰ區域左上角且色帶中斷續區越明顯時，施工縫密實度越差，內部缺陷區域越多； 反之，當施工縫聲速色帶越靠近Ⅱ區域右下角，施工縫黏結質量越好。

3)高聚物注漿材料在綜合管廊施工縫缺陷修復中具有良好的應用效果，抗滲堵漏效果明顯。高聚物以及混凝土材料的UPV差異明顯，UCT成像結果可以直觀、實時地評價施工縫內注漿材料的擴散、填充效果。

4)本文只考慮了一種觀測系統進行單平面UCT檢測試驗，并未對觀測系統及檢測深度之間的關系進行探討。下一步研究需要針對被測結構體的構造特征采取不同的觀測系統，以分析觀測系統對檢測深度的影響。