应力波反射法在隧道工程中锚杆锚固质量检测的应用

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　　【摘要】:隧道锚杆的施工质量检测在规范中只有提到检测抗拔力，不过一般一根锚杆只要头子上有50-100cm的锚固剂就可以满足抗拔力的要求，所以采用抗拨力检测是不能完全反映出施工中锚杆锚固质量的，应用一维弹性波反射原理，通过弹性波在锚固体系中的传播、散射、反射和衰减特性来检测分析锚杆与浆液、浆液与围岩的胶结质量及锚杆的长度、缺陷位置，有效的真实反映锚杆锚固质量，通过以云景二标项目部2个隧道的现场检测，论述无损检测技术在锚杆施工质量检测中的可行性及可靠性，为推广无损检测技术在隧道锚杆施工质量控制中的应用提供一些参考。
　　【关键词】 锚杆水泥净浆施工控制锚杆检测
　　【正文】
　　一、前言
　　锚杆施工是隧道施工过程中维护围岩稳定，保证施工安全的重要支护手段之一。施工完成后，在一定程度上还可作为永久支护的一部分发挥作用。因此，在施工中如何保证和检查锚杆的施工质量，是极为重要的，但从目前施工状况看，锚杆施工中主要存在以下几个问题：
　　⑴、 钻孔困难：由于作业空间狭小，岩层强度高钻到底困难。
　　⑵、注浆困难：因隧道围岩破碎，水泥净浆稠度小、强度低，注浆持续时间短，而且很容易倒流，或者过段时间沿缝隙流走，造成空洞。水泥净浆稠度稠施工中注浆压力不足，很难注浆到位。
　　⑶、锚杆安装困难：因隧道围岩破碎，锚杆钻孔内很容易掉渣、掉块，使锚杆安装不到位或无法安装。
　　⑷、垫板安装困难：因边墙锚杆杆体多采用直径为22mm的螺纹钢筋，尾端不能直接安装垫板，需要焊接专门加工的有丝扣的尾端，质量难于保证。
　　由以上的施工困难造成锚杆长度不足、不配置垫板、布置不合理、砂浆充填不密实等诸多质量隐患，甚至“长锚短打”现象也时有发生。采用抗拨力检测不能有效的检测锚杆的锚固质量的，采用JL-MG(C)锚杆质量检测仪检测能有效的检测锚杆的长度及注浆的饱满度。
　　二、工作原理及检测数据分析与判定
　　JL-MG(C)锚杆质量检测仪由采集仪、发射震源、检波器和分析处理软件组成。发射震源产生的弹性波，沿着锚杆传播并向锚杆周围辐射能量，检波器检测到反射回波，并由检测仪对信号进行分析与存储。反射信号的能量强度和到达时间取决于锚索周围或端部的灌浆状况。通过对信号进行处理和分析，可以确定锚杆长度以及灌浆的整体质量。
　　1.1锚杆杆体长度计算应符合下列规定：
　　1） 锚杆杆底反射信号识别可采用时域反射波法、幅频域频差法等。
　　2）杆底反射波与杆端入射首波波峰间的时间差即为杆底反射时差，若有多次杆底反射信号，则取各次时差的平均值。
　　3）时间域杆体长度应按下式计算：
　　
　　
　　式中：L ――杆体长度；Cm――同类锚杆的波速平均值，若无锚杆模拟试验资料，其取值原则如下：当锚固密实度＜30%时，取杆体波速(Cb)平均值；当锚固密实度≥30%时，取杆系波速(Ct)平均值（m/s）；△te――时域杆底反射波旅行时。
　　4）频率域杆体长度应按下式计算：
　　
　　
　　式中：△f――幅频曲线上杆底相邻谐振峰间的频差。
　　1.2 杆体波速和杆系波速平均值的确定应符合下列规定：
　　1) 以现场锚杆检测同样的方法，在自由状态下检测工程所用各种材质和规格的锚杆杆体波速值，杆体波速应按下式计算平均值：
　　
　　
　　式中：Cb ――相同材质和规格的锚杆杆体波速平均值（m/s）；
　　 Cbi――相同材质和规格的第 i 根锚杆的杆体波速值（m/s），且：
　　
　　
　　L――杆体长度（m）；△te――杆底反射波旅行时（s）；
　　△f――幅频曲线上杆底相邻谐振峰间的频差（Hz）；
　　n ――参加波速平均值计算的相同材质和规格的锚杆数量（n≥3）。
　　2) 宜在现场锚杆试验中选取不少于5根相同材质和规格的同类型锚杆的杆系波速值按下式计算平均值：
　　
　　
　　式中： Ct――杆系波速的平均值（m/s）；
　　 Cti――第 i 根试验杆的杆系波速值（m/s），且：
　　
　　
　　L――杆体长度（m）；△te――杆底反射波旅行时（s）；
　　△f――幅频曲线上杆底相邻谐振峰间的频差（Hz）；
　　n ――参加波速平均值计算的试验锚杆的数量（n≥5）。
　　2）锚固密实度可根据下式按长度比例估算。
　　
　　
　　式中：D――锚固密实度；Lr――锚杆入岩深度；Lx――锚固不密实段长度。
　　锚固质量判定：首先，锚杆杆体长度不小于设计长度的95%，且不足长度不超过0.5m，可评定锚杆长度合格；其次再根据密实度划分为 ≥90%为优、80%～90%为良、75%～80%为合格、＜75%为不合格。
　　三、锚杆的模拟检测
　　为了真实可靠的检测锚杆的长度和注浆饱满度，现场进行了模拟试验，模拟试验在西周岭隧道的边墙上进行，按试验检测规范要求，分别按注浆灌注饱满度为100%，75%，50%，无注浆为制作试验锚杆，钻孔深度为3.4M，锚杆外露0.1M，制作试验锚杆，锚杆应平直，不能有弯曲现象（锚杆制作要求见图1-图4），待注浆达到龄期后（指试件标准养护28天）采用JL-MG(C)锚杆质量检测仪对试验锚杆进行检测，从检测结果（图5-图8）分析得出：锚杆长度和注浆饱满的误差在5%。
　　
　　
　　
　　
　　 对以上的1、3、4种情况的锚杆分别进行了拉拨力试验检测，结果抗拨力全部都能达到设计要求（云景二标的隧道锚杆设计拉拨力为≥90KN），因此本人感觉拉拨力试验不能完全反映隧道锚杆在施工中的真实情况，采用JL-MG(C)锚杆质量检测仪检测锚杆能更有效的反映锚杆锚固质量。
　　四、工地隧道锚杆实测分析及对应抗拨力
　　本项目总共两座隧道，Ⅲ、Ⅳ类围岩层多，因受地质构造影响，该两座隧道共有14条断层，其中有6条断层对隧道影响范围较大对围岩完整影响较强烈。且部分路段存在着岩暴，为了安全施工隧道的开挖后应及时进行初支，而锚杆的锚固质量就更为的重要。而按照规范及设计要求采用抗拨力检测不能及时快速的反映锚杆的锚固质量，为了不影响工程进度，为此我项目部采购JL-MG(C)锚杆质量检测仪对隧道的锚杆锚固质量进行检测，及时的有效的控制施工质量，对过程中发现问题及时进行了补强，对公路隧道锚杆施工质量有了稳步的提高。在检测的过程中也对无损检测结果和抗拨力检测进行了对比，以下是几个典形的波形分析与对应的锚杆拉拨力（未进行破坏拉拨）。
　　① 、锚固质量优的波形及抗拨力
　　图9的锚杆波形采自溪口隧道的边墙锚杆，从图中看出波速在锚固质量为优的锚固系统中波形规则呈指数快速衰减，持续时间短，2L/Cm 时刻前无缺陷反射波，杆底反射波信号微弱或没有呈单峰形态，或可见微弱的杆底谐振峰，其相邻频差△f≈2L/Cm ，密实度≥90%。图9设计长度为3.5m, 实测长度为3.372m,饱满度为95%；经抗拨力检测结果107.5KN。锚固质量为优的其抗拨力能满足设计要求。
　　②、锚固质量为良的波形及抗拨力
　　图10的波形采自己于西周岭隧道，从图中我们可以看出其波速在其锚固质量为良的系统中波形较规则，呈较快速衰减，持续时间较短，2L/Cm 时刻前有较弱的缺陷反射波，或可见较清晰的杆底反射波，呈单峰或不对称的双峰形态，或可见较弱的谐振峰，其相邻频差△f≥2L/Cm，密实度80%～90%。图10设计长度为3.5m, 实测长度为3.549m,饱满度为86%；经抗拨力检测结果97.7KN。锚固质量为良的其抗拨力能满足设计要求。

　　
　　
　　③、锚固质量为合格的波形及抗拨力
　　图11的波形采自己于溪口隧道，从图中我们可以看出其波速在其锚固质量为合格的系统中波形欠规则，呈逐步衰减或间歇衰减趋势形态，持续时间较长，2L/Cm 时刻前可见明显的缺陷反射波或清晰的杆底反射波，但无杆底多次反射波，呈不对称多峰形态，可见谐振峰，其相邻频差△f≥2L/Cm，密实度75%～80%。图11设计长度3.0m,实测长度为2.971m,饱满度为79%；经抗拨力检测结果97.7KN。质量为合格的其抗拨力也能满足设计要求。
　　④、锚固质量为长度不合格的波形及抗拨力
　　图12的波形采自己于溪口隧道，从图中我们可以看出杆底反射信号一般为正相位，特别是出现多个同相位反射波信号时，频谱呈等间隔多峰形态，由此计算的杆长明显小于设计长度。图12设计长度为3.0m, 实测长度为1.152m,饱满度为75%；经抗拨力检测结果78.0KN（不合格）。
　　
　　
　　⑤、锚固质量为密实度不合格的波形及抗拨力
　　图13的波形采自己于西周岭隧道，从图中我们可以看出其波速在其锚固质量为不合格的系统中波形不规则，呈慢速衰减或间歇增强后衰减形态，持续时间长，2L/Cm 时刻前可见明显的缺陷反射波及多次反射波，或清晰的、多次杆底反射波信号，呈多峰形态，杆底谐振峰明显、连续，或相邻频差△f＞2L/Cm，密实度＜75%。图13设计长度为3.5m, 实测长度为3.571m,饱满度为50%；经抗拨力检测结果78.0KN（不合格）。
　　⑥、锚固质量为长度和密实度都不合格的波形及抗拨力
　　图14的波形采自己于西周岭隧道，以上④、⑤两点总合。图14设计长度为4.0m, 实测长度为3.497m,饱满度为50%；经抗拨力检测结果92.8KN（合格）。
　　
　　
　　从上述我们可以看出当用JL-MG(C)锚杆质量检测仪检测锚杆锚固质量检测结果在合格及以上，采用抗拨力检测还是能反映出锚杆的锚固质量，当其结果不合格时，采用抗拨力检测就不能完全反映出锚杆的锚固质量。所以采用抗拨力检测是不能完全反映锚杆锚固质量的真实情况，采用应力波检测可以弥补其缺点，两种方法相结合才能更有效的检测锚杆的锚固质量。
　　五、总结
　　经过现场的多次检测以及抗拉拨力的检测的对比，无损检测的结果比较能够符合现场的实际情况，而抗拉拨力检测就无法做到这一点，表明该检测方法在检测锚杆锚固质量中具有一定的应用价值。但是在实际检测中我们发现由于无损检测使用的是电子元件，极易受到以下几个方面的影响：
　　1) 检测前锚杆的端头有没有清理干净，安装传感器时应该清理探头，以免影响接收信号。
　　2) 采集信号时应该选取较好的信号保存，所采集较好的信号应该是：多次采集的重复性好，波形光滑不应含毛刺或振荡性波形，波形最后应趋近于基线。
　　3) 在软件中分析锚杆对其底部的反射波应判断准确，不然对锚杆的长度会影响很大的。
　　隧着高速公路的高速发展，隧道的锚杆检测越其的重要，也就需要一种新的成熟的检测技术对其检测，应力无损检测作为一种工程质量管理辅助手段，具有现场操作简单、人力少、时间短、不影响工程进度，能为隧道施工建设提供更好质量保证，在以后能得到广泛的应用。
　　注：文章中涉及的公式和图表请用PDF格式打开

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