基于應力波反射法的地鐵錨桿無損檢測試驗研究

司 磊，趙 碩

（1.青島市市政公用工程建設發展中心，山東 青島 266500；2.山東科技大學，山東 青島 266500）

引言

錨桿錨固支護廣泛應用于隧道、邊坡等領域，是結構初期支護穩定性的重要保障。錨桿錨固效果的檢測以破壞性拉拔試驗、鉆孔取芯、預埋應力計等方法為主，但會影響結構受力，應用受到一定的限制[1]。近年來，基于應力波反射原理的無損檢測技術不斷發展成熟，結合一維桿波傳導理論開發的錨桿無損檢測設備也越來越多地應用到工程建設中。采用錨桿錨固質量無損檢測技術開展錨固質量普查，輔以破壞性試驗進行驗證，不僅可以擴大檢測范圍、有效管控施工質量，還可以通過分析缺陷類型指導施工工藝的優化和提升[2-8]。

錨桿錨固質量無損檢測技術已發展多年，研究和工程應用多集中在煤礦巷道中，結合地鐵隧道工程建設的特性，通過分析波形能量損耗、振幅特征、相位變化研究復雜圍巖條件下的錨桿錨固質量識別技術，為地鐵工程中錨桿錨固質量無損檢測提供借鑒。

1 基本原理

錨桿錨固體由錨桿、錨固材料兩部分組成，在錨固體中傳播的應力波波長與錨固體半徑之比≥10時，可忽略柱狀體的三維效應，將其簡化為一維桿模型進行分析。地鐵隧道錨桿均在4 m 以上，錨固體半徑在0.15～0.20 m之間，檢測所用震源產生的縱波波長遠大于錨桿半徑，因此，可將錨桿錨固體簡化為一維桿，將錨固體與圍巖的接觸簡化為摩阻力約束，忽略系統的橫向位移，并通過求解縱向波波動方程，判斷錨桿系統內部的動力響應。

據應力波一維桿傳導理論，應力波由大阻抗介質進入小阻抗介質時，反射波相位不變；應力波由小阻抗介質進入大阻抗介質時，反射波相位反轉。錨固體缺陷和錨桿桿底均會造成阻抗變化，因此，應力波在錨桿中傳播時，在桿底或錨固缺陷處也會有波形畸變[10]。錨固長度（缺陷深度）可以根據時域圖中錨固段起始端反射波和錨固底端（缺陷位置）反射波的時間差進行換算，波速可通過已知長度的錨固體進行標定：

式中：L—錨固長度，m；Vp—錨固體內界面波波速，m/s；t0—錨固段起始端反射時間，s；t1—錨固段底端反射時間，s。

2 模型試驗

2.1 試驗構件

地鐵隧道錨桿通常是以一定的角度傾斜插入圍巖，并通過水泥砂漿（強度約15 MPa）進行錨固，錨固長度一般為4～10 m。因此，煤礦巷道等采用的1～2 m水泥錨固體模型不適用于地鐵隧道錨桿模型試驗。

本研究中錨固體采用Φ75～160 mm PVC管成型，見圖1，最小錨固長度4 m。模型制作時，通過墊塊固定錨桿桿體，分段澆筑砂漿，并根據需要調整密實度；缺陷設置時，在PVC管上部縱向開槽，并設置封堵，形成無漿液區域。

圖1 錨固體模型制作與缺陷設置

2.2 試驗方法

在錨桿錨固質量測試中，采集得到的信號為界面波[11]，界面波波速即應力波在錨固體系中的傳播速度。因此，在定位缺陷位置時采用的波速為界面波波速。采用雙通道沖擊回波儀在試件兩端設置傳感器測定應力波傳導波速，測試得出空桿波速約為5 200 m/s，錨固體波速約3 200 m/s。

模型檢測方法：（1）在錨桿頂端施加一個瞬態沖擊荷載，該荷載在錨桿內激發應力波，應力波在錨固體系內傳導時會根據阻抗的變化發生反射、透射、繞射；（2）錨桿頂端的傳感器將收集反射波并記錄采集試件；（3）應力波的激發與采集裝置均位于錨桿頂端，可以將該反射波簡化為垂直反射波，通過分析信號的相位、幅值變化判斷錨固長度及錨固質量。本研究分別采用手錘、定頻震源開展測試。部分典型模型參數見表 1。

表1 典型模型參數

2.3 結果分析

由圖2可知，試件a桿底位置波形變化不明顯，將相位圖中存在相位變化的位置標記，計算點幅值比，幅值比最小處即能量衰減最大處，可近似確定為桿底位置。

圖2 試件a時域圖及相位圖

由圖3可知，b試件時域圖整體波形近似空桿波形，但其幅值有所變化，證明仍有頻散現象；c試件較其它試件的錨固體密度低，時域圖中的桿底反射更為明顯；d試件缺陷位置處的波形有明顯的畸變；e試件桿底反射明顯。

圖3 試件b～e時域

（1）由圖2（a）與圖3（a）對比，錨桿與錨固劑的黏結強度對反射波的波形有顯著影響，幅值比隨著黏結強度的增加而減小，超過一定范圍后桿底反射在時域圖中表現不明顯。（2）由圖2（a）、圖3（b）、圖3（c）三組對比，同一密實度下，應力波波速對錨固砂漿的強度的變化并不敏感，密實度對應力波波速影響較大，隨著密實度增大，波速逐漸降低，最終近似于混凝土內的應力波波速，具體關系有待進一步研究分析。（3）由圖3（b）、圖3（d）對比，模型長度和模型直徑變化不會對試驗結果產生較大影響，進而證明了應力波反射法的適用性，錨固長度的檢測結果的計算值見表3。

表3 錨固長度檢測結果

將Φ75 mm、Φ110 mm、Φ160 mm的錨桿錨固體模型進行了對比測試，發現模型直徑的變化主要影響激振能量衰減的速度，波形幾乎不發生改變，對缺陷和桿底的識別影響較小。

3 結語

（1）經試驗論證，當錨桿錨固密度＞90%時，僅根據反射波的時域圖分析錨固長度難度較大，結合頻域、相位圖分析后可以提高準確度，測試的4 m 錨桿長度檢測誤差在0.7 %以內。（2）錨固體內部存在缺陷時，反射波時域圖中振幅變化最為明顯，根據振幅變化判斷缺陷起點位置具有較高的準確度。（3）在一定范圍內，錨固試件模型的直徑對檢測結果影響較小，小直徑模型更有利于模型制作和激振能量控制。（4）錨桿無損檢測技術在實際工程應用時，應根據不同的圍巖和錨固條件，制作模擬模型標定波速、明確測試有效長度，以此提高檢測的準確度。