超声横波成像检测隧洞衬砌质量的响应分析与实践

杨建喜 ，张盛行，汤 雷，李 军，潘文明

(1.广东粤海珠三角供水有限公司，广东 广州 510000；
2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

1990 年，中国工程建设标准化协会颁布了《超声法检测混凝土缺陷技术规程》[1]，规范化了国内超声法检测混凝土质量的应用，几十年的发展使超声波检测技术对缺陷的定位、定性及定量精度不断提高[2]。当前超声检测混凝土内部缺陷多采用透射法，将收、发换能器分别置于相对的测试面上，通过获取透射波的声时、波幅等信息对混凝土内部质量进行判别[3]，因此仅适用于具有相互平行测试面的混凝土结构，而对于隧洞衬砌等仅具备单面检测条件的混凝土结构，该方法则不适用。超声波横波成像技术是通过分析在传播过程中折射的超声波进行判别，能够在单面对混凝土结构进行质量检测[4]。

以超声横波反射理论为基础的超声层析成像技术是当前国内外无损检测混凝土缺陷的前沿技术，可实现对混凝土内部缺陷及其形态特征的精确成像[5-7]。已有学者对该技术的适用性进行了研究：罗骐先等[8]通过试验证明，用横波法检测裂缝深度比纵波法更深，且能够消除流体的干扰。刘兆勇等[9]探讨了钢筋对超声横波三维成像检测结果的影响，得出了竖向钢筋和斜向钢筋反射产生假异常的特点。朱燕梅等[10]研究了超声横波波速、频率等对检测精度的影响。崔士起等[11]将其应用于装配式混凝土结构，研究了不同灌浆工况下钢筋连接套筒的灌浆饱满度的检测效果。张晋峰等[12]对超声层析成像技术和电磁波雷达技术检测构件内部缺陷效果进行了对比研究。胡绕[13]基于炮检互易定理，建立了超声横波反射数据成像的处理方法，提高了成像分辨率。董官炯[14]使用超声横波层析成像技术检测了预应力混凝土渡槽灌浆效果，并结合取芯进行了验证。张军等[15]引入阵列超声成像法，根据缝底反射超声波的传播时间进行裂缝深度检测研究。王冠等[16]提出基于全聚焦算法的混凝土超声阵列检测方法，提升了检测分辨率和信噪比。

但针对工程中具体结构，如隧洞混凝土衬砌等，尚未有系统研究不同超声横波频率对检测效果的影响，也缺乏该技术在工程现场对内部缺陷定量辨识的方法。通过模型试验分析了不同频率下超声横波成像对素混凝土、钢筋混凝土的响应特征，提出了隧洞衬砌结构典型的响应图谱和内部脱空缺陷定量辨识方法，并在实际隧洞衬砌中进行实践，通过钻孔内窥镜对判定结果进行了验证。

1.1 检测仪器

试验采用俄罗斯公司生产的A1040 MIRA 低频超声断面成像仪，如图1。该设备采用射线理论构建波形图像，获得直观的超声反射图谱。设备共有48个超声横波换能器，呈4行12列阵列式排布，发射频率可在10 kHz～100 kHz之间调节。换能器为收发一体式，仪器工作时，首先第一排发射超声脉冲波，其他换能器接收信号；
然后第二排发射超声脉冲波，其右侧的换能器接收信号；
以此类推，直至前11排换能器都已经激发过信号为止。

与传统的超声法相比，阵列超声成像法有如下特点：(1) 采用是横波换能器，与纵波相比，相同频率下其波长更小，分辨率更高，但也正因如此，对不均匀介质频散更明显；
(2) 使用时无需耦合剂与被测面耦合；
(3) 通过逐点测试，实现区域图像重构，能够以冷暖色域不同直观反映被检体的内部质量。

图1 A1040 MIRA低频超声断面成像仪

1.2 试验模型

制作了素混凝土模型和钢筋混凝土两类模拟体，均采用C40二级配混凝土浇筑。素混凝土模型长2.0 m，宽2.0 m，高度为0.2 m；
钢筋混凝土模型参照某隧洞工程衬砌设计制造，混凝土板厚500 mm，内部配双层钢筋网，横向钢筋直径为12 mm，间距为200 mm；
纵向钢筋直径为14 mm，间距为250 mm，并在混凝土底部制作尺寸长200 mm、宽200 mm、高200 mm的空洞模拟缺陷。模型如图2、图3。

图2 素混凝土板模型

图3 钢筋混凝土板模型

1.3 试验介绍

混凝土作为多相材料，不同频率的超声波在内部传播时，会发生不同程度的频散，导致接收波形畸变而影响检测结果。选定素混凝土和钢筋混凝土模型中的无缺陷位置处进行重复检测，以步进间隔5 kHz调整10 kHz～100 kHz之间发射频率，获取不同超声频率下的响应图谱，分析其变化规律。然后通过测试钢筋混凝土有缺陷部位，获得有缺陷的标准三维超声响应图谱，总结其定量辨识的特征。

2.1 不同频率下素混凝土响应分析

不同频率下素混凝土板典型超声成像如图4。可见：①不同频率的超声成像图谱中，深度200 mm附近均存在强反射，这与素混凝土板200 mm厚度基本一致；
但在不同发射频率的图谱中，400 mm及600 mm位置附近还存在多次波反射，而且呈现出随频率增加多次波在图像中的范围逐渐减小，这是由于频率越高，发射超声波的波长越短，衰减速度也就越快，故多次波的影响也就越弱。②超声发射频率较低时，层底在检测图谱中呈现“晕状”反射，晕状中心所处的深度与板厚基本吻合，但强反射区域较大，说明频率较低时，检测的精度也较差；
随着超声波发射频率逐渐增加，晕状反射区域逐渐趋于扁平化，反射振幅逐渐变大，说明精度逐渐提高。③当发射频率大于65 kHz时，除层底有清晰反射外，其它部位也出现了不同程度、不均匀的散布“亮斑”，这是由于混凝土本身为非均质体，由粗、细骨料构成，超声波发射频率较大时，其发射波长变小，对小尺寸介质敏感性增加，因而混凝土非均质性在图像中产生了“亮斑”。因此，从超声成像图谱来看，若使用该方法检测素混凝土的精度达到2 cm级，即由界面反射造成的在图谱中“晕状”厚度≤2 cm时，发射频率应不小于45 kHz。

2.2 不同频率下钢筋混凝土响应分析

不同频率下钢筋混凝土模型典型超声成像如图5。可见：①模型层底在检测图谱中呈现“晕状”反射，晕状中心所处的深度与模型厚度基本吻合，这与素混凝土模型图谱规律一致。②随着超声波发射频率逐渐增加，晕状反射区域逐渐扁平化，但当频率>75 kHz时，底面反射已不能清晰判断，这是由于频率越高，发射超声波的波长越短，频散效应增强，衰减速度也就越快，已不能有效获取深度为500 mm界面的反射信号。③当频率不超过20 kHz时，内部钢筋无明显反射；
当频率超过25 kHz时，图谱中开始出现明显的首层钢筋反射，且随着频率增长，反射强度逐渐增强；
但所有试验频率的图谱中，混凝土内第二层钢筋均没有明显的信号；
④当频率超过60 kHz时，随着频率增大，超声图像中“亮斑”逐渐增多且变亮，说明干扰反射逐渐增强，钢筋反射逐渐畸变，使超声图像可读性降低。因此，综合考虑检测精度和检测图像的可读性，推荐超声横波成像在钢筋混凝土检测频率区间应为45 kHz～55 kHz。

图5 钢筋混凝土板超声横波成像图谱

通过素混凝土、钢筋混凝土检测结果的对比分析，超声横波成像对二者的底面均能较为准确检出，且受钢筋影响较小。当发射频率超过55 kHz时，二者皆出现“亮斑”干扰，这是因为该试验混凝土横波波速约为2 600 m/s，当频率超过55 kHz时，其波长小于4.7 cm，通常以半波长作为有效分辨尺度，而模型建造采用二级配，使用粗骨料范围为5 mm～20 mm和20 mm～40 mm，大粒径骨料在高频发射频率作用下将产生明显反射信号，造成图像中的“亮斑”。若要消除该干扰且兼顾分辨能力，对于本试验模型内部缺陷检测最优的超声横波发射频率区间为45 kHz～55 kHz。通常，C30～C50常规混凝土横波波速一般在2 200 m/s～2 700 m/s，骨料粒径基本标准化(一级配或二级配)，与本试验模型的工况差异较小，因此该推荐频率对于常规混凝土具备一般性，但也可根据实测波速、骨料粒径及检测精度要求按照本思路进行调整。

2.3 典型检测图谱和判别标准

选用50 kHz超声发射频率，在钢筋混凝土模型上进行检测试验，通过两块模型板叠合，并在中间填充水泥砂浆，使两块板贴合紧密。得到无缺陷部位的图谱如图6，对有缺陷部位进行三维成像如图7。可见：①阵列式超声成像图谱中，钢筋、混凝土及缺陷间色彩区分度明显，容易识别，钢筋对缺陷的检出没有明显影响。②无缺陷图谱中表层钢筋反射清晰，间距、位置与实际吻合，当混凝土层底与下方结构贴合紧密且阻抗相近时，二者之间无明显反射或仅有轻微反射；
对比2.2节图5中50 kHz图谱，当混凝土层底与下方结构贴合不紧密或有小间隙时，二者之间则会出现较明显反射。③有缺陷部位的三维图像在缺陷区域出现了异常反射，该反射异常的深度、位置、水平尺寸与预设缺陷一致，但图谱中缺陷区域反射仅为实际缺陷顶部位置的反射，其下方(缺陷深度范围内)并未出现强反射。

图6 无缺陷的超声图谱

图7 缺陷区域的超声图谱

因此，在检测混凝土内部缺陷时，超声图谱中的异常反射区域能够说明缺陷的位置和水平尺寸，对于缺陷深度方向的大小不能准确识别。但对于隧洞二衬脱空缺陷，深度方向一般表现为从脱空层表面至隧洞初支表面均为脱空，脱空厚度可按照式(1)进行计算:

D=H-L

(1)

式中:D为脱空层厚，cm；
H为衬砌正常厚度，cm；
L为异常反射出现的深度，cm。

故对于隧洞衬砌脱空检测，可根据超声成像确定异常反射区域确定脱空缺陷的部位，根据异常反射出现的深度和正常衬砌厚度，计算脱空缺陷的厚度，从而实现对衬砌内部缺陷的定量辨识。

某隧洞衬砌采用C40混凝土，骨料级配为二级配。采用超声横波成像技术对某输水隧洞二衬内部脱空情况进行抽检。该隧洞洞径6.4 m，一衬使用厚度为0.4 m的混凝土预制管片，二衬采用厚度为0.55 m的现浇混凝土，内设双层钢筋网。经抽检，该隧洞左拱顶部位存在反射异常，如图8，异常反射位置(图8中白色虚线)反射距离混凝土表面约500 mm，而隧洞二衬实际厚度为550 mm，推测该部位存在脱空等内部缺陷。为验证检测结果的准确性，采用钻孔内窥镜进行孔内摄像，钻孔孔位避开内部钢筋和钢绞线，内窥镜镜头为长线镜头，伸入孔内观察进行拍摄，拍摄异常部位如图9，可见现浇混凝土与管片之间存在约5 cm厚的缺陷。

缺陷局部为管片与现浇混凝土不接触，即脱空；
局部为骨料填充、少浆、较破碎。内窥镜实拍结果与超声成像定量辨识结果基本一致。

图8 衬砌超声检测图谱

图9 钻孔内窥镜实拍图

(1) 根据模型试验结果，超声横波成像检测混凝土结构时，随着超声波发射频率逐渐增加，精度提高，但频率过高时，图谱中会出现散布“亮斑”，导致图谱可读性降低。综合考虑检测精度和检测图像的可读性时，超声横波成像对常规混凝土检测频率区间推荐为45 kHz～55 kHz。

(2) 超声成像图谱中，钢筋、混凝土及缺陷交界面的色彩区分度明显。可根据超声成像图谱中色域界线所构成的范围确定脱空的水平投影尺寸、位置确定脱空缺陷的位置，根据异常反射出现的深度和正常衬砌厚度，计算脱空缺陷的厚度，实现对衬砌内部脱空缺陷定量辨识。

(3) 在实际隧洞工程中采用超声横波法进行实测，通过钻孔内窥镜验证，超声横波成像能够有效检测出隧洞衬砌脱空等内部缺陷。

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