無損檢測技術(shù)在高鐵特大橋梁工程中的應(yīng)用

劉志謀

（中鐵十九局集團(tuán)第七工程有限公司，廣東珠海 519000）

0 引言

高鐵特大橋普遍采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有施工便捷、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在缺陷時(shí)，將嚴(yán)重影響橋梁的正常使用，需準(zhǔn)確檢測、正確處理。鑒于此，以梅汕高鐵特大橋梁工程為背景，重點(diǎn)探討無損檢測技術(shù)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷檢測中的應(yīng)用方法。

1 工程概況

梅汕高鐵站前工程MSSG-2 標(biāo)段，全長45.829 km，主要建設(shè)內(nèi)容為路基（12.99 km）、橋梁（11.8 km）、涵洞（3 233.13 橫延米）、隧道（20.22 km）。沿線建設(shè)中，梅江特大橋采用掛籃懸臂澆筑連續(xù)梁技術(shù)，為重點(diǎn)工程，包含樁基350 根、墩臺(tái)39 座、橋跨38 跨。

2 高鐵橋梁的質(zhì)量問題

高速鐵路橋梁的質(zhì)量問題形式多樣，如空隙、蜂窩麻面等，均會(huì)嚴(yán)重影響橋梁的通行服務(wù)品質(zhì)以及安全性，且在特大橋梁中體現(xiàn)得更為明顯。若未及時(shí)采取處理措施，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋裸露，持續(xù)與潮濕空氣等外部環(huán)境接觸而發(fā)生銹蝕。不僅如此，受氧氣的影響，鋼筋由表及里還會(huì)逐步產(chǎn)生氧化鐵，且該部分物質(zhì)被推擠至混凝土中，造成脫落現(xiàn)象。

3 高鐵橋梁內(nèi)部缺陷無損檢測技術(shù)

高鐵橋梁內(nèi)部缺陷的檢測對(duì)技術(shù)水平提出較高的要求，在無損檢測技術(shù)范疇中，以超聲波CT 法和地質(zhì)雷達(dá)法較為典型，因?yàn)檫@兩種無損檢測技術(shù)可在不影響高鐵橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性的前提下準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)問題。

3.1 超聲波CT 檢測

超聲波在傳播期間，遇物體時(shí)將發(fā)生繞射、反射、衰減等現(xiàn)象。因此，超聲波檢測技術(shù)可巧妙地應(yīng)用到該原理，判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否存在缺陷。

施工單位在利用超聲波檢測時(shí)，通常采用的是穿透法。具體來說，就是以發(fā)射換能器為核心裝置，其發(fā)射的超聲波可以在混凝土結(jié)構(gòu)中傳播，遇結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫、空洞等缺陷時(shí)，對(duì)應(yīng)的高頻成分和振幅均會(huì)衰減，且在超聲波的反射、繞射現(xiàn)象之下，波形有畸變的情況。為準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷，應(yīng)從超聲波振幅、聲速、頻率等方面切入，經(jīng)綜合考慮后，對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷情況做出準(zhǔn)確的判斷。

3.1.2 內(nèi)部缺陷大小的計(jì)算方法

橋梁混凝土結(jié)構(gòu)存在缺陷后，還需進(jìn)一步考慮其發(fā)生的位置以及實(shí)際大小。結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的大小可采取量化計(jì)算與分析的方法：

式中，r 為空洞半徑，單位m；l 為測距，單位m；d 為換能器直徑，單位cm；tn和tm分別為繞空洞傳播的最大聲時(shí)、無缺陷混凝土平均聲時(shí)，單位dB。

根據(jù)已有數(shù)據(jù)展開計(jì)算，可以確定空洞的具體半徑，從而明確缺陷的大小。

3.1.3 數(shù)據(jù)分析

我們?cè)诿鎸?duì)田野資料時(shí)，必須考慮這些資料的生產(chǎn)過程。在田野中，無論是各類民間文獻(xiàn)還是口述資料，它都有一個(gè)生產(chǎn)的過程。在西方人類學(xué)領(lǐng)域，production是個(gè)非常重要的分析概念。我認(rèn)為，實(shí)踐民俗學(xué)也特別需要引入這個(gè)概念。田野資料的生產(chǎn)過程至少包含著兩個(gè)層面的內(nèi)涵：一是作為地方知識(shí)的田野資料有一個(gè)數(shù)十年、數(shù)百年的歷史生產(chǎn)和積累過程；二是被訪談人或受訪者的講述本身又是對(duì)這些地方性知識(shí)給予再生產(chǎn)的過程。

數(shù)據(jù)處理時(shí)，應(yīng)考慮聲時(shí)、聲速及振幅，確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)均具有完整性與準(zhǔn)確性，以免出現(xiàn)誤判、漏判的情況。具體至本次分析中，重點(diǎn)考慮的是過縫和不過縫兩種情況，將各自的數(shù)據(jù)加以排列統(tǒng)計(jì)，若結(jié)構(gòu)存在孔隙、疏松等問題，則該缺陷處將出現(xiàn)連續(xù)性脈沖波通過的情況，直接表現(xiàn)為超聲波的頻率和波幅均顯著下降，而聲時(shí)有略微提高的趨勢，根據(jù)此類特征，可以對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否存在缺陷做出準(zhǔn)確的判斷。

若測試數(shù)據(jù)較為離散或數(shù)據(jù)總量不足（此時(shí)缺乏代表性），則可以考慮超聲波通過以及不通過結(jié)合面各自的波幅值和聲速，根據(jù)兩項(xiàng)指標(biāo)也可以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷情況作出判斷。相較于超聲波通過結(jié)合面的波幅和聲速而言，若不通過結(jié)合面的兩項(xiàng)指標(biāo)均更大，則說明存在異常測點(diǎn)[1]。

3.1.4 檢測結(jié)果

檢測后匯總所得數(shù)據(jù)展開對(duì)比分析，從而生成準(zhǔn)確的判斷結(jié)果。肖維勒和格拉布斯法是較為典型的檢測結(jié)果分析方法，基本思路為：

（1）相同測區(qū)內(nèi)的測點(diǎn)均具有一致的測距，鑒于此特點(diǎn)，可將聲時(shí)作為重點(diǎn)判斷指標(biāo)，用于確定異常值。

（2）匯總各測點(diǎn)的聲時(shí)值，按大小關(guān)系排序，即t1≤t2≤t3……≤tn，在該關(guān)系下，位于后方且偏大的聲時(shí)值可以視為可疑值，再從中選取最小值，將該數(shù)據(jù)與前半部分的聲時(shí)值結(jié)合，分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)和平均值統(tǒng)計(jì)，根據(jù)所得結(jié)果確定異常值的臨界值（X0），具體計(jì)算方法：

若可疑值≤異常值的臨界值，此時(shí)異常值的選取范圍為可疑值及其后方的聲時(shí)值；在此基礎(chǔ)上，按照由后向前的順序依次判定存在于可疑值之前的聲時(shí)值，按照此方法操作，直至不存在異常值為止。至此，可以檢測出缺陷的發(fā)生位置以及實(shí)際數(shù)量。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)檢測

3.2.1 檢測原理

地質(zhì)雷達(dá)檢測是現(xiàn)階段橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部無損檢測的重要方法，其原理如圖1 所示。雷達(dá)發(fā)射天線向被測物發(fā)送脈沖式高頻電磁波，期間經(jīng)過電性差異（主要指介電常數(shù)和電導(dǎo)率均不同）的界面時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生反射波和投射波，可以由接收天線接收，并在電纜的“聯(lián)系”下傳輸至主機(jī)，從而通過人機(jī)交互界面顯示時(shí)間剖面信息。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測原理

收集反射波相關(guān)信息，可以根據(jù)到達(dá)時(shí)間展開計(jì)算，已確定電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，進(jìn)而判斷界面或目標(biāo)體的深度。此外，從反射波的形態(tài)及強(qiáng)弱等角度來看，可以對(duì)目標(biāo)體的性質(zhì)做出判斷[2]。

3.2.2 地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場檢測及結(jié)果

項(xiàng)目驗(yàn)收中發(fā)現(xiàn)橋梁第20 孔端部支座周邊區(qū)域有異常現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為敲擊空響問題。對(duì)此，引入地質(zhì)雷達(dá)法，根據(jù)檢測需求配置高頻天線，組織結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷檢測工作，用于判斷空響的區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)條件，項(xiàng)目采用的是LTD-2200 型地質(zhì)雷達(dá)+屏蔽天線（900 m）的方法，測線布置如圖2 所示。

圖2 測線布置示意

經(jīng)檢測后可知結(jié)構(gòu)存在不密實(shí)的情況，集中區(qū)域?yàn)榱旱鬃髠?cè)0～0.8 m、右側(cè)4.18～4.98 m。對(duì)此，采取注漿整治的方法，并于20 d 后再次檢測（此階段依然采用的是地質(zhì)雷達(dá)法），從而對(duì)注漿整治情況做出判斷。實(shí)測結(jié)果表明，雷達(dá)圖像無異常現(xiàn)象、結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋清晰可辨，表明注漿的方法具有可行性，可取得較佳的整治效果。

3.3 檢測應(yīng)用分析

通過超聲波CT 檢測方法的應(yīng)用，可以較為準(zhǔn)確且快速地確定橋梁及梁端的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，再根據(jù)此方面的數(shù)據(jù)推斷混凝土的密實(shí)情況。若采取地質(zhì)雷達(dá)法，則可以更為便捷地完成梁體局部缺陷的檢測工作，但在橋梁整體結(jié)構(gòu)或是大規(guī)格結(jié)構(gòu)的檢測中缺乏可行性。

兩種方法各有優(yōu)劣，因此可以采取兩種方法相結(jié)合的模式。例如，首先應(yīng)用超聲波CT 法，用于判斷橋梁的強(qiáng)度情況，初步界定缺陷部位；隨后，利用地質(zhì)雷達(dá)法做進(jìn)一步的檢測，將兩項(xiàng)結(jié)果對(duì)比分析、相互驗(yàn)證，最終準(zhǔn)確判斷質(zhì)量情況[3]。

4 注意事項(xiàng)

（1）準(zhǔn)備工作。工作人員需深入現(xiàn)場，確定具體的測試面，制定完善的方案，以便后續(xù)能夠合理應(yīng)用內(nèi)部缺陷無損檢測技術(shù)。期間，應(yīng)利用細(xì)砂紙打磨測試面，使其光滑度滿足要求，再結(jié)合尺寸情況，按特定的間距布設(shè)測點(diǎn)。

（2）數(shù)據(jù)的分析和處理。一方面，需準(zhǔn)確判斷聲時(shí)、聲速與振幅；另一方面，準(zhǔn)確判斷波形。以取得的數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷情況做出判斷，再進(jìn)一步制定整治方案，快速解決問題。

5 結(jié)語

綜上所述，在科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展背景下，無損檢測數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)寬，實(shí)踐表明，將其應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷檢測中具有可行性。現(xiàn)階段，超聲波法和地質(zhì)雷達(dá)法均取得廣泛的應(yīng)用，可作為判斷混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部質(zhì)量情況的關(guān)鍵依據(jù)。本文對(duì)主流無損檢測技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)展開分析，希望可作為類似工程的參考。