彈性波CT 技術(shù)在鐵路橋梁零號塊無損檢測中的應(yīng)用

孫 巍，羅 強，易 翠

江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計院，江西 南昌 330001

0 引言

近十年來，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅猛發(fā)展，以掛籃法為主的現(xiàn)澆連續(xù)梁施工占據(jù)了鐵路現(xiàn)澆梁施工相當(dāng)大的比重。在掛籃法中，零號塊底板混凝土澆筑因鋼筋密集，結(jié)構(gòu)尺寸大使得澆筑質(zhì)量的控制成為了難點。傳統(tǒng)混凝土缺陷檢測之一的地質(zhì)雷達法因鋼筋屏蔽影響在零號塊底板混凝土檢測上寸步難行，超聲波法也因散射效應(yīng)明顯，衰減快很難穿透大體積混凝土。近年來，沖擊彈性波以激振頻率低、激振能量大且集中成為了混凝土大尺寸結(jié)構(gòu)缺陷檢測的有效方法。

彈性波層析掃描(CT)技術(shù)就是基于沖擊彈性波發(fā)展起來的一種新的無損檢測方法。該方法根據(jù)混凝土中彈性波傳播速度與混凝土密實程度的相關(guān)性，通過采集傳播時間獲得彈性波在混凝土結(jié)構(gòu)中的傳播速度，結(jié)合CT 技術(shù)進行反演成像，以二維成像的方式反映混凝土檢測斷面中的內(nèi)部特征，從而達到質(zhì)量檢測的目的。

本文以作者參與的某在建高鐵線路零號塊底板混凝土澆筑質(zhì)量監(jiān)督抽檢為實例，對彈性波CT 的應(yīng)用效果進行分析評價，展示了彈性波CT 技術(shù)的高效、無損、高分辨率等特點。

1 工程概況

該條高鐵是“八縱八橫”高速鐵路主通道之一“沿海通道”的重要組成部分，位于江蘇境內(nèi)，正線全長156.686km，共6 個施工標段，跨公路、跨河的現(xiàn)澆連續(xù)梁數(shù)量眾多，現(xiàn)澆連續(xù)梁零號塊底板施工質(zhì)量引人關(guān)注。本人有幸參與了該線橋梁工程實體檢測監(jiān)督抽檢工作，利用彈性波CT 方法對零號塊底板混凝土澆筑質(zhì)量進行現(xiàn)場檢測。本文擬介紹彈性波CT 方法在該次零號塊底板混凝土澆筑質(zhì)量檢測的應(yīng)用和效果。

2 彈性波CT 的解析方法

沖擊彈性波在混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的P 波是彈性波CT 技術(shù)主要測試媒介，每個激振點可以形成多條P 波射線，當(dāng)P 波射線遇到混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷時，P 波波速就會降低，通過提取P波首波的達到時刻，利用計算機層析技術(shù)反算測試區(qū)域的波速，即可檢測出結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷。

由投影函數(shù)反演目標函數(shù)最常見的近似方法是擬投影法(簡稱 BPT 法)，BPF 法的原理是依據(jù)“走時成像原理”將速度函數(shù)作為投影數(shù)據(jù)，利用同時迭代重建技術(shù)和約束最小二乘類算法等反演算法求解方程以計算速度的分布，即實現(xiàn)CT 斷層掃描成像。若測試斷面存在空洞、不密實等異常區(qū)域，則P 波傳播時間會增加，兩點距離不變反演的速度會降低。射線越多，CT 解析精度和分辨率越。

3 應(yīng)用實例

3.1 零號塊抽檢概況

按監(jiān)督站要求，在每個施工標段選取一個齡期超過56d 的零號塊進行底板混凝土澆筑質(zhì)量的無損檢測。首先，施工單位提供零號塊澆筑臺賬，監(jiān)督站按遠離高壓線，方便檢測工作開展的原則選取一個符合齡期要求的零號塊。其次，檢測單位根據(jù)零號塊結(jié)構(gòu)特點按檢測方案對配合人員進行檢測準備工作交底。因為從斷面選擇到測點布置再到數(shù)據(jù)采集和解析，整個過程基本一致，故本文以具有典型性特征的某標段動車走行線特大橋跨滬陜高速連續(xù)梁72#墩零號塊為例進行詳細說明。

3.2 斷面選擇及測點布置

動車走行線特大橋跨滬陜高速連續(xù)梁72#墩零號塊混凝土設(shè)計標號為C55，澆筑時間是2019 年05 月22 日，零號塊底板厚度為1.56m，兩個平行鼓包距離為8.4m，鼓包順橋方向長度（兩斜面倒角之間距離）為3.3m。該底板為鋼筋密集型大體積混凝土結(jié)構(gòu)。

根據(jù)零號塊結(jié)構(gòu)受力情況及彈性波CT 檢測特點，在零號塊混凝土底板厚度范圍內(nèi)選取三個斷面為檢測面，從下往上分別為1-1 斷面，2-2 斷面，3-3 斷面，其中1-1 斷面距離底板外側(cè)10cm，每個斷面間距10cm。每個檢測面與底板在橋梁縱向形成兩條測線，其中實際檢測長度3.2m，測線上共設(shè)置9 個彈性波波速檢測點，測點間距為40cm。CT 掃描檢測方向從大里程到小里程，左側(cè)為激震位置，右側(cè)為接收位置。測點布置見表1，斷面布置示意圖見圖1。

表1 測點布置一覽表

圖1 零號塊底板斷面布置示意圖

3.3 測試技術(shù)及方法

本次檢測所采用的設(shè)備是由四川升拓檢測技術(shù)有限責(zé)任公司研發(fā)生產(chǎn)的“SCE-MATS-S 型混凝土多功能無損檢測儀”。該設(shè)備設(shè)有2 個接收通道，最大采集頻率500kHz，最大采集點數(shù)20000 個，分辨率為16Bit，浮點插值補償至24 位，最小采樣間隔2μs。該設(shè)備具有比較均衡的性能，能夠充分滿足沖擊彈性波的各種測試要求。

圖2 是測點布置及射線掃描示意圖，激振點設(shè)置在下面的水平方向?qū)嵕€上，從左向右依次是F1～F9，接收點設(shè)置在上面的水平方向?qū)嵕€上，從左向右依次是J1～J9。實際檢測時，接收點不動，激振點移動方式采集數(shù)據(jù)。即首先把接收探頭放到J1點不動，激振錘在F1～F9 點上依次激振，形成第一組9 條射線。再把接收探頭依次放到J2～J9 位置，接收探頭每放一個位置，激振錘在F1～F9 點上依次激振一遍。這樣在該檢測斷面上共形成81 條射線，每條射線產(chǎn)生2 個波形（時域波形圖見圖3），共產(chǎn)生162 個波形。

圖2 彈性波CT 射線掃描示意圖

圖3 彈性波CT 射線時域波形圖

3.4 數(shù)據(jù)解析

由圖3 可以看出，每條射線產(chǎn)生兩個原始波形，CH0 為激振信號通道，CH1 位接收信號通道，信號起跳點明顯，沒有雜波和串信情況，在波形圖上容易拾取首波時刻。根據(jù)波形圖拾取的射線首波時刻反演該段波速，在該檢測斷面最終形成波速等值線圖。下面就該零號塊所選取的三個斷面波速等值線圖進行具體說明。

3.4.1 1-1 斷面

圖4 1-1 斷面波速等值線圖

1-1斷面平均波速為4.45km/s，最高波速為5.04km/s，最低波速為3.96km/s。從平均波速看此斷面混凝土較為密實，整體澆筑質(zhì)量較好，基本符合C55 的混凝土強度等級要求。從波速分布來看，在4.35～4.65km/s區(qū)域占比為69.8%，其他存在近30%的區(qū)域在此波分布范圍以外，說明此斷面混凝土均勻性一般。從最高波速來看，波速超過了5km/s，說明骨料這次特別集中，反映出混凝土均勻性一般。從最低波速看，波速低于4km/s，與平均波速相比，波速差超過10%，可以認為該區(qū)域為低波速異常區(qū)域。從等值線圖可以看到，該低波速區(qū)集中在X方向（1～1.3m），Y 方向（0～1.4m）的區(qū)域內(nèi)，同時我們也注意到以這塊低波速區(qū)為基礎(chǔ)，波速低于4.15km/s的藍色區(qū)域基本貫穿8.4m的兩個測試鼓包。這個現(xiàn)象引起了我們的興趣，經(jīng)與施工方確認，該區(qū)域為橫向預(yù)應(yīng)力孔道位置。預(yù)應(yīng)力孔道注漿料強度為M50，零號塊混凝土強度為C55，可以看出兩種材料的絕對強度、密實性以及齡期對彈性波波速存在一定程度的影響。

3.4.2 2-2 斷面

圖5 2-2 斷面波速等值線圖

2-2斷面平均波速為4.47km/s，最高波速為4.98km/s，最低波速為4.16km/s。從平均波速看此斷面混凝土較為密實，整體澆筑質(zhì)量較好，基本符合C55 的混凝土強度等級要求。從波速分布來看，在4.35～4.65km/s區(qū)域占比為76.4%，其他存在近25%的區(qū)域在此波分布范圍以外，說明此斷面混凝土均勻性一般。最低波速為4.16km/s，可以看出該斷面無孔洞或蜂窩狀區(qū)域存在，也不存在不密實區(qū)域。

3.4.3 3-3 斷面

圖6 3-3 斷面波速等值線圖

3-3 斷面平均波速為4.47km/s，最高波速為4.75km/s，最低波速為4.03km/s。從平均波速看此斷面混凝土較為密實，整體澆筑質(zhì)量較好，基本符合C55 的混凝土強度等級要求。從波速分布來看，在4.35～4.65km/s 區(qū)域占比為88.3%，說明此斷面混凝土均勻性較好。最低波速為4.03km/s，可以看出該斷面不會存在明顯的孔洞或蜂窩狀區(qū)域，最低波速區(qū)域位于X 方向（1～1.3m），Y 方向（0～1.68m）。

3.4.4 綜述

綜合對比上述三個斷面等值線圖，在X 方向（1～1.3m），Y方向（0～1.4m）形成的區(qū)域范圍內(nèi)均存在波速較低情況，說明在該零號塊底板30cm 的測試高度范圍存在一個具有一定延伸長度的低速體。這個低速體位于彈性波CT 檢測的激振面，我們再次回到檢測現(xiàn)場，對該區(qū)域進行了錘擊，從聲音上很難發(fā)現(xiàn)與其他區(qū)域混凝土的差異。與施工方溝通，得知該位置因橫向預(yù)應(yīng)力施工，進行過局部鑿除，后已補強。這才讓我們豁然開朗！由此可以看出彈性波CT 技術(shù)在探查混凝土差異的有效性。

4 結(jié)論

本文通過對現(xiàn)澆連續(xù)梁零號塊底板混凝土的彈性波CT 探測，不僅可以從二維平面反映各CT 測試斷面不同介質(zhì)或結(jié)構(gòu)差異的存在，也可以從三維立體反映零號塊整體局部區(qū)域的澆筑質(zhì)量狀況。相信彈性波CT 技術(shù)的高效、無損、高分辨率特點將會成為探查大體積、復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土內(nèi)部質(zhì)量的重要手段。