基于SASW法的隧道襯砌狀態評估研究

蘇國鋒 于鵬程 熊洪強 金 洲

(1.成都西南交大研究院有限公司 四川成都 610031；2.京沈鐵路客運專線遼寧有限責任公司 遼寧沈陽 110006)

1 引言

近年來，我國隧道與地下工程建筑發展迅速，越來越多的隧道工程投入運營，但是隧道完工后肉眼無法看清內部狀態且隨著運營年限的增加存在一定程度的老化現象，預防性安全維修措施要求隧道業主定期檢測隧道襯砌[1]。為了徹底便捷地獲取襯砌內部狀態，準確劃分隱患區段，工程科技工作者仍在尋求評估隧道襯砌結構完整性的便捷的可靠技術[2]。目前超聲波、紅外圖像、探地雷達等技術已應用于實際隧道工程中，但很難確認其老化程度，仍需對混凝土襯砌進行取芯來評價其抗壓強度[3-6]。SASW方法最初是由Nazarian和Stokoe等人于1986年提出的一種為檢測土層和路面的剪切波傳播性能的地震波測試分析方法[7-9]。近年來該方法逐漸被應用于水利工程[10]、基礎工程[11]，但很少應用于隧道工程領域，本文將SASW無損檢測方法應用于評估襯砌狀態，只需將檢波器置于隧道襯砌表面且只通過一次激振錘沖擊即可獲取待測介質沿著深度范圍內的傳播速度、彈性模量(楊氏模量)等信息，參數可快速便捷地評價隧道襯砌狀態。

對于均勻的彈性混凝土襯砌，當其結構表面受到豎向沖擊時，介質中一般會產生三種類型的波，即縱波、橫波和瑞雷波(Rayleigh wave，簡稱R波)。R波質點運動方向為橢圓形的平面運動軌跡，且影響的范圍大約在一個波長的深度范圍內，相對于橫波和縱波的衰減，瑞雷波傳播慢[12]。SASW法主要采集R波信號進行反演分析獲得介質中的剪切波速，從而實現襯砌質量的表面波法檢測。

2 SASW理論及襯砌測試原理

SASW方法采用兩道傳感器接收表面波信號，單個波動組分在時間上的頻度稱為頻率，而在空間(距離)上的頻度稱為波數。由頻率波數譜中某個波動組分的頻率和波數，可以確定它的周期和波長，由這個波動組分正弦和余弦分量的振幅，可以合成該組分的譜振幅，這反映了該組分傳播的彈性能量的振幅大小。將空間—時間域上的R波數據進行二維傅里葉變換分析，轉換為頻率—波數域上的幅值信息，再根據R波在頻率—波數域上振幅能量最大特點，提取R波頻散曲線。測試的關鍵因素取決于表面波能量的產生和激發源與檢波器間距離的測定，襯砌層狀介質中，表面波的傳播主要決定于頻率(波長)，不同頻率波速度的變換就會產生頻散。頻散曲線包含了襯砌結構中重要的工程性質屬性，如二次襯砌和初期支護等。一般情況下，襯砌結構包括部分圍巖的總深度大致在1 m的淺層范圍內，這正好可以用高頻分量的特征反映相關信息。文章采用SASW法的試驗設備主要包括震源、檢波器、通道高通濾波模塊、表面波頻譜分析模塊、平臺主機計算機輔助系統和Wintfs數據分析軟件。SASW測試襯砌的布置如圖1所示。置于襯砌表面的兩個垂直檢波器可檢測到所通過的表面波，檢波器接受到的信號被數字化并由動態信號分析儀記錄，使用快速傅立葉變換(FFT)將每個時間信號變換到頻率域中，由兩個信號之間的相位差(φR)計算出每一頻率，則檢波器間的走時(tR)可通過下式獲得。

圖1 SASW測試襯砌的布置原理

式中每個頻率的相位差(φR)和頻率(f)是在每秒的周期內循環的，由于檢波器間的距離(D)是已知的，則表面波速度(vR)由下式計算:

相應地，表面波的波長(λR)可以確定:

針對每個頻率進行累計計算，最后將計算結果以頻散曲線的形式表示出來。

3 模型試驗

3.1 模筑混凝土模型試驗

模型試驗主要針對模筑混凝土厚度和強度開展，預制強度等級為C20的試驗模型:300 cm(長度)×200 cm(寬度)×30 cm(高度)，模型四周邊為鋼筋混凝土結構，中間上部為素混凝土，下部為鋼筋混凝土。試驗設置了兩種測試工況:(1)模筑混凝土在自然干燥工況下測試；(2)模筑混凝土在露雨天后(6 h中雨)工況下測試，潮濕的模型可以模擬滲漏水劣化病害襯砌，自然干燥的模型可以模擬正常狀態的襯砌。現場試驗模型結構如圖2所示。

圖2 模筑混凝土試驗模型

在設定的模型區域獲取SASW數據的波形初始部分應用Exponential函數進行指數濾波，相位角遮蔽是獲取高質量SASW數據的關鍵，應用相位角遮蔽方法拾取干燥工況和潮濕工況相位頻譜循環函數圖。兩種工況下波速隨深度變化趨勢如圖3所示，二維傅里葉變換后提取的R波頻散曲線如圖4所示。

圖3 兩種工況下的波速變化趨勢

圖4 模型在兩種工況下的Young’s Modulus-Wavelength頻散曲線

R波在襯砌模型測試中的頻散特點明顯，頻散結果表明:(1)頻散曲線的“之”字形頻散效果很容易分辨出30 cm的模型厚度。(2)自然干燥工況下模型混凝土介質中的波速在1 800～2 450 m/s之間，平均波速為2 231.21 m/s，而雨天后潮濕工況下波速在1 420～2 450 m/s之間，平均波速為1 840.80 m/s。(3)淋雨后10 cm以內濕度明顯大于下部結構，且隨著混凝土濕度在厚度方向的遞減，表面波波速逐漸遞增，彈性模量(楊氏模量)逐漸遞增；潮濕的混凝土表面波速度較低，其強度也相應的降低；兩組Young’s Modulus-Wavelength頻散曲線表明干燥條件下混凝土的強度高于潮濕的情況。(4)兩種工況下波速隨深度變化的斜率顯然不同，假定工況能很好地反映襯砌劣化工況，潮濕工況下頻散曲線的斜率變化更快，表明SASW對襯砌劣化程度是敏感的，符合頻散理論。

3.2 隧道模型內測試試驗

模筑混凝土模型試驗之后，在隧道模型內進行了測試試驗，如圖5所示。該隧道模型是一個邊墻部位襯砌斷面變化的模型，斷面變化前后厚度差為20 cm，隧道模型襯砌由一層曲面混凝土材料構成，混凝土材料背后是支撐鋼模板，拱頂混凝土內部因預埋多個傳感器存在多處裂縫，混凝土強度等級為C20。在斷面變化附近邊墻和拱頂部位分別布置了測區，提取數據質量的一致性良好的相位數據，隧道實體模型內R波頻散結果如表1和圖6所示。

圖5 隧道模型內邊墻和拱頂SASW測試

表1 隧道實體模型測試Young’Modulus-Wavelength頻散曲線關鍵點特征值 MPa

圖6 隧道實體表面波Velocity-Wavelength頻散曲線

隧道邊墻和拱頂兩個部位的Velocity-Wavelength頻散曲線和Young’s Modulus-Wavelength頻散結果變化趨勢分別保持一致。邊墻的測試結果反映了襯砌的分層界面，所在測線處邊墻襯砌厚度為30 cm，在0.3 m處有一個層位分界面，0.2 m處的拐點與襯砌斷面的變化相互對應；0.2 m之前，波速在2 200～2 400 m/s之間，襯砌平均波速為2 344.63 m/s；楊氏模量在35 000～40 000 MPa之間，模量均值為37 530.52 MPa，且為遞減趨勢；0.2～0.3 m之間，波速保持在2 200 m/s，楊氏模量保持在35 000 MPa，表現出高度的一致性，可以判定墻體內部介質均勻。隧道拱頂測區頻散曲線在0.15 m和0.2 m深度處“之”型變化表明內部存在多個分層界面，正好應證了拱頂混凝土內部因預埋多個傳感器存在多處裂縫的工況。拱頂襯砌的波速保持在2 100～2 350 m/s之間，平均波速為2 263.48 m/s；楊氏模量保持在31 000～38 000 MPa之間，模量平均值為34 860 MPa，波速和模量均在0.2 m深度處開始穩步回升直至0.3 m開始迅速衰減，與拱頂襯砌30 cm厚度的結果一致。

4 結束語

(1)隧道襯砌近似于半無限體，SASW測試結果與試驗模型的各種工況相符，根據SASW理論以及室外模筑混凝土襯砌模型、隧道整體模型測試試驗均可表明SASW理論確定的頻散曲線評估襯砌狀態具有一定的可靠度。

(2)SASW測試方法獲得的剪切波速—深度剖面圖可以較準確拾取隧道襯砌厚度以及內部裂縫等分層缺陷。SASW測試方法獲得的楊氏模量—深度剖面圖可以較準確拾取襯砌強度隨深度的變化，從而可評估隧道襯砌劣化程度。

(3)高頻SASW測試技術是一種簡單、便捷的新型無損檢測技術，有望成為新型隧道襯砌無損檢測技術，為隧道常態化檢測提供參考。