A1040 MIRA 混凝土三維超聲波成像儀在地鐵隧道道床安全檢測(cè)中的應(yīng)用
1工程概況
某項(xiàng)目基坑施工完成后，對(duì)附近的地鐵線路段進(jìn)行了二次橢圓度掃描。掃描結(jié)果顯示，靠近基坑側(cè)和車輛進(jìn)出處隧道的橢圓度增大6.46%、橫斷面的相對(duì)變形值增大8.6%、隧道沉降量增大22%、隧道收斂增大4.8%。
由地基的變形及內(nèi)部應(yīng)力、外部荷載的變化而產(chǎn)生變形和沉降，將會(huì)引起地鐵線路的軌道變形，整體道床破損和開(kāi)裂，道床混凝土與主體結(jié)構(gòu)混凝土分離，迅速發(fā)展形成道床病害。鑒于盾構(gòu)隧道變形已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)變形控制標(biāo)準(zhǔn)，為保證盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全，2017年5月對(duì)該地鐵線路段區(qū)間隧道進(jìn)行了道床脫空情況的檢測(cè)，檢測(cè)里程共235環(huán)，約300米。
2測(cè)試設(shè)備
此次地鐵隧道道床脫空情況檢測(cè)，采用的設(shè)備是超聲波檢測(cè)設(shè)備生產(chǎn)廠家——俄羅斯ACSYS公司生產(chǎn)的超聲波斷層掃描成像儀MIRA A1040，由歐美大地儀器設(shè)備中國(guó)有限公司代理并提供技術(shù)支持和售后服務(wù)。該設(shè)備采用合成孔徑聚焦成像方法(SAFT)，具有分辨率高、能在近場(chǎng)區(qū)工作的優(yōu)點(diǎn)，是超聲成像領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，在無(wú)損探傷領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
圖1 A1040 MIRA一體式主機(jī)
MIRA超聲波斷層掃描成像儀測(cè)試原理：
A1040 MIRA 超聲波探頭由4×12個(gè)干點(diǎn)換能器陣列和一個(gè)控制單元組成，換能器為信號(hào)發(fā)射和接收裝置，可發(fā)射周期脈沖。探頭內(nèi)的控制單元激活一排換能器作為信號(hào)發(fā)射端，而其它排的換能器作為信號(hào)接收端。上圖表示第一排換能器發(fā)射信號(hào)，其它換能器接收信號(hào)。圖中顯示了信號(hào)傳播路徑。此后，下一排換能器發(fā)生信號(hào)，其右側(cè)的換能器接收信號(hào)。此過(guò)程循環(huán)重復(fù)，直至前11排換能器都已經(jīng)激發(fā)過(guò)信號(hào)為止。
圖2 A1040 MIRA 超聲信號(hào)傳播與接收示意圖
如果構(gòu)件內(nèi)部的混凝土-空氣界面足夠大，一部分發(fā)射的超聲波脈沖信號(hào)會(huì)被該缺陷提前反射。因?yàn)槁窂蕉蹋扇毕莘瓷涞男盘?hào)會(huì)早于構(gòu)件底面反射的信號(hào)到達(dá)接收端。信號(hào)處理軟件依據(jù)每排換能器接收到的反射脈沖的到達(dá)時(shí)間，來(lái)推斷構(gòu)件內(nèi)部缺陷的位置。
圖3 存在缺陷時(shí)A1040 MIRA超聲信號(hào)傳播與接收示意圖
MIRA超聲波成像儀技術(shù)特點(diǎn)：
1、陣列式系統(tǒng)：MIRA的控制器是一個(gè)陣列式的控制器，由12個(gè)模塊組成，每一個(gè)模塊包含4個(gè)橫波傳感器。當(dāng)超聲波信號(hào)發(fā)出后，接受到信號(hào)的會(huì)被控制器進(jìn)行處理，然后轉(zhuǎn)移到電腦用合適的軟件進(jìn)行處理。
2、合成孔徑聚焦超聲成像：通過(guò)將陣列小探頭接收的超聲信號(hào)合成處理而得到與較大孔徑探頭等效的聲學(xué)圖像，對(duì)接收到的信號(hào)作適當(dāng)?shù)穆晻r(shí)延遲或相位延遲后再合成得到的被成像物體的逐點(diǎn)聚焦的聲學(xué)圖像，其特點(diǎn)是可以獲得較好的橫向分辨率。
3、干耦合換能器：傳統(tǒng)的換能器需要使用耦合劑才能與混凝土表面緊密接觸。干耦合即不使用耦合劑，通過(guò)彈簧彈力實(shí)現(xiàn)與被測(cè)表面的耦合。使用干耦合換能器加快了檢測(cè)速度，并消除了耦合劑涂抹不均勻?qū)y(cè)量結(jié)果的影響。
4、橫波檢測(cè)：固體中的聲波有縱波、橫波和表面波三種類型。傳統(tǒng)方法只利用縱波，橫波和表面波攜帶的信息被忽略。改用橫波檢測(cè)有以下優(yōu)點(diǎn)：
· 信噪比高：超聲橫波在混凝土中的散射比縱波弱，因而橫波檢測(cè)的噪聲更低;
· 分辨能力有所增強(qiáng)：識(shí)別越小的細(xì)節(jié)需要的波長(zhǎng)越短，而混凝土中橫波的波長(zhǎng)大約是同頻率縱波波長(zhǎng)的60%;
· 缺陷的反映更明顯：因流體中的聲波只有縱波，橫波遇到欠密實(shí)、縫隙和空洞等缺陷后幾乎全被反射，其反射系數(shù)大于縱波。
5、成像顯示：數(shù)據(jù)采集得到的實(shí)時(shí)二維圖像。用不同的顏色表示不同強(qiáng)度的反射。也可以使用idealViwer 3D軟件將在多個(gè)位置測(cè)量的結(jié)果整合，在計(jì)算機(jī)中上生成三維圖像，直觀。
技術(shù)參數(shù)：
· 干點(diǎn)接觸剪切波換能器，帶陶瓷防磨帽
· 25～85 kHz中心頻率
· 換能器裝載有彈簧，保證在不平整表面順利工作
· 相控陣天線，帶48個(gè)換能器，呈4×12排列，尺寸365×115×125 mm，重量4.5 kg
· 測(cè)試深度：50～2000 mm
· 可充電電池，5小時(shí)工作時(shí)長(zhǎng)
· 每測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集處理時(shí)間：不大于3 s
· Idealviewer軟件用于3 D成像
· 工作溫度 -10°C至50°C
3現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
對(duì)在運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的檢測(cè)必須事先向相關(guān)部門申請(qǐng)，并且在夜間進(jìn)行，時(shí)間緊工作量大。2017年5月分別進(jìn)行了兩次隧道道床安全檢測(cè)。
圖4 隧道檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)
圖5 用MIRA進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)
首先在測(cè)試表面標(biāo)記一系列平行的測(cè)線，測(cè)線間的間距必須與在Setting模式中設(shè)置的“horizontal step”一致。此次檢測(cè)，綜合現(xiàn)場(chǎng)有限的檢測(cè)時(shí)間和較大的工作量等實(shí)際情況，測(cè)線間距設(shè)置為200mm。另一組與測(cè)線垂直的線的間距設(shè)置為100mm，也必須與設(shè)備中的“vertical step”一致。
4數(shù)據(jù)分析
此次檢測(cè)的地鐵隧道道床采用了整體道床型式，具有整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)耐久、軌道幾何形位易于保持等優(yōu)點(diǎn)。交通破壞從整體道床的結(jié)構(gòu)看，其基礎(chǔ)主要承受的是車體的反復(fù)作用，線路的主體結(jié)構(gòu)由于地基的變形及內(nèi)部應(yīng)力、外部荷載的變化而產(chǎn)生變形和沉降，這些因素最終將會(huì)引起地鐵線路的軌道變形，整體道床破損和開(kāi)裂。
A1040 MIRA現(xiàn)場(chǎng)采集的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)(2D圖像)存儲(chǔ)在MIRA主機(jī)中用戶命名的文件夾內(nèi)。測(cè)試結(jié)束后，將MIRA中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到裝有idealViwer 3D軟件的筆記本電腦中進(jìn)行處理。idealViwer軟件將2D圖像拼接成被測(cè)結(jié)構(gòu)的3D模型。如圖6所示為地鐵240環(huán)處道床的3D重建模型。
用戶可以在軟件中旋轉(zhuǎn)觀察3D模型，也可從不同的正交方向以切片方式觀察模型。三個(gè)正交方向的視圖都有正式的名稱。C-scan表示不同深度與Z軸垂直的平面，即反射體的水平視圖;B-scan是由MIRA在測(cè)試時(shí)直接產(chǎn)生的圖像，是與測(cè)線方向垂直的平面;D-scan是與B-scan垂直的平面。用戶可在3D模型特定的切片模式觀察模型：沿Z軸觀察C-scan，沿Y軸觀察B-scan，沿X軸觀察D-scan。下圖顯示地鐵道床結(jié)構(gòu)的3D切片視圖的實(shí)例。 C-scan中顯示截面中有強(qiáng)烈的反射。B-scan中在100mm左右深度的位置可見(jiàn)3個(gè)直徑80mm左右高振幅信號(hào)，顯示紅色，指示此處很有可能存在內(nèi)部中空的埋設(shè)管線，對(duì)比設(shè)計(jì)圖紙確為預(yù)埋設(shè)的管道。鋼筋混凝土道床與底板之間(300mm-400mm)反射信號(hào)均勻、穩(wěn)定，未見(jiàn)強(qiáng)烈反射信號(hào)，未出現(xiàn)道床脫空情況。底板與隧道環(huán)片結(jié)構(gòu)之間(500mm-600mm)的弧形空氣分界層振幅強(qiáng)烈，存在明顯的空氣分隔界面。
圖6 240環(huán)片道床B-Scan 、C-Scan、D-Scan、3D成像圖(彩色色譜圖)
圖7為隧道320環(huán)片道床的3D成像圖，從圖中可見(jiàn)，右側(cè)超聲波可進(jìn)入結(jié)構(gòu)體，反射層清晰可見(jiàn);但左側(cè)超聲波反射信號(hào)紊亂、大部分能量在表層～300mm之間散射衰減掉，而無(wú)法進(jìn)入混凝土體內(nèi)部，反映出該環(huán)片處的道床床體質(zhì)量存在一定問(wèn)題，混凝土澆注工藝較差，導(dǎo)致道床面層剝落、損壞情況較為明顯。300環(huán)至360環(huán)之間均存在同樣的問(wèn)題。
圖7 320環(huán)片道床B-Scan 、C-Scan、D-Scan、3D成像圖(黑白色譜圖)
圖8 320環(huán)片道床3D成像圖(彩色色譜圖)
5總結(jié)與思考
1)A1040 MIRA可為建筑結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估提供良好的檢測(cè)，相對(duì)于其它混凝土超聲波檢測(cè)產(chǎn)品，MIRA優(yōu)勢(shì)明顯，可檢測(cè)厚度更大的鋼筋混凝土構(gòu)件，提供分辨率更高的解析圖像，能夠很好地用于查找混凝土、鋼筋混凝土或自然石塊中的外來(lái)包體、孔洞、空隙、分層、充填泄露等。通過(guò)本次對(duì)地鐵隧道的檢測(cè)，反映該設(shè)備在隧道道床脫空情況的檢測(cè)上有較好的應(yīng)用。
2)與舊款MIRA相比，新款MIRA不需要進(jìn)行體混凝土聲速的校準(zhǔn)，直接通過(guò)Scan模式表面可自動(dòng)根據(jù)剪切橫波Cs速度進(jìn)行波速計(jì)算，大大簡(jiǎn)化了測(cè)試流程。然而，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工況條件多樣復(fù)雜，檢測(cè)對(duì)象物理特性可能不穩(wěn)定，如混凝土的大骨料出現(xiàn)沉淀下部，混凝土表層性質(zhì)不均一或者存在雜質(zhì)，超聲波本身衰減是非常敏感、快速的，可能會(huì)對(duì)波速造成較大的影響。對(duì)于需要準(zhǔn)確知道鋼筋、缺陷或底面位置的測(cè)試，聲速非常重要。參照此次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，道床澆筑的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C28，MIRA自動(dòng)計(jì)算速度為1850 m/s(剪切橫波Cs)，根據(jù)該波速，圖形計(jì)算得到底板空氣反射層深度約為500mm;對(duì)比設(shè)計(jì)圖紙，底板深度為550mm，此時(shí)應(yīng)該對(duì)波速進(jìn)行調(diào)整，手動(dòng)輸入2050m/s的波速。因此建議用戶測(cè)試操作前，在條件允許的情況下，如根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，或者其它明顯的參考物進(jìn)行波速標(biāo)定，以切合實(shí)際工況。
3)對(duì)于各參數(shù)的設(shè)置，首先，增益值的選擇，色彩增益值過(guò)高或者過(guò)低，都會(huì)導(dǎo)致不同介質(zhì)之間的超聲波振幅無(wú)法區(qū)分，需要不同材質(zhì)、強(qiáng)度的混凝土波速進(jìn)行調(diào)整。此次檢測(cè)色彩增益值設(shè)置為25dB，模擬增益值設(shè)置為27dB。對(duì)于其它強(qiáng)度的混凝土，可在此分貝值基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)。期數(shù)的選擇，A1040 MIRA的超聲波期數(shù)可設(shè)范圍為1-9，依舊需要跟檢測(cè)物的性質(zhì)進(jìn)行選擇，對(duì)于混凝土這種材質(zhì)性質(zhì)，期數(shù)值需設(shè)置為1.0。對(duì)于發(fā)射脈沖停頓時(shí)間的設(shè)置(開(kāi)或關(guān))，只有對(duì)某些檢測(cè)物(非混凝土材質(zhì))超聲波波速傳播緩慢，或者厚度大的物件時(shí)才進(jìn)行設(shè)置，通常設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)。
