隧道超声波检测方法

隧道超声波检测方法
1 方法原理
1.1 超声波法的原理是利用超声波（声波）在介质中的传播特性及声时、声速、波幅和主频等声学参数，对介质特征和内部的构造与缺陷进行探测的方法。

1.2 超声波法属弹性波法的一种。

根据不同的检测目的和测试条件，可在结构和构件的表面、单孔孔内、单孔孔内与测试面间、跨孔孔间等进行观测，按发射和接收传感器所处相对位置，可以选用平测直达波法、对测和斜测直达（透射）波法、反射波法等观测方法。

2 适用范围及应用条件
2.1 适用范围
超声波法适用于检测隧道围岩支护构件、模筑混凝土等方面内容，主要包括锚杆的杆体长度和锚固密实度、混凝土强度等级、混凝土表面的裂缝深度、损伤层厚度、脱空、混凝土结构和构件的厚度、内部、结合面和背部（下部）的不密实、空洞、脱空、注浆效果等检测项目。

2.2 应用条件
如下：
a) 检测内部缺陷时，测试范围除应大于有怀疑的区域外还应有同条件的正常混凝土进行对比，且对比测点数不应少于20；
b) 选用直达波法检测内部缺陷时，被测部位应具有一对或两对相互平行的测试面；
c) 在混凝土的表面进行检测时，测试面应清洁、平整、干燥，并应避开蜂窝麻面部位，不应有施工缝、饰面层、浮浆、油垢等，必要时可用砂轮磨平或用高强度的快凝砂浆抹平，抹平砂浆必须与混凝土粘结良好；
d) 检测混凝土裂缝的深度时，被测裂缝中不得有积水或泥浆等；
e) 对预计深度在500 mm 以上的混凝土裂缝采用跨孔法检测时，应允许在裂缝两侧钻测试孔；
f) 对混凝土结构结合面检测时，被测部位应具有使超声波垂直或斜穿结合面的测试条件。

3 仪器设备
3.1 超声波仪器系统主要包括：多通道主机、激振器、发射与接收换能器、计算机、数据处理软件、钢卷尺等。

3.2 激振器、发射与接收换能器应符合下列规定：
a) 激振器通常是在结构物表面、作较大距离、锚杆等检测时使用，激振频率应在10 Hz～
50 kHz，宜使用超磁致伸缩声波振源；
b) 常用的发射与接收换能器换能器具有厚度振动方式和径向振动方式两种类型，可根据不同测试需要选用；
c) 厚度振动式换能器的频率宜采用10 kHz～250 kHz；径向振动式换能器的频率宜采用
20 kHz～60 kHz，直径不宜大于32 mm；
d) 当接收信号较弱时，宜选用带前置放大器且较低谐振频率的接收换能器。

3.3 声波检测仪器的主要性能指标应符合下列规定：
a) 具有负延时和通道触发功能；
b) 具有实时显示和记录接收信号的时程曲线；
c) 具有实时模拟滤波功能；
d) 能进行频率域测量或具有频谱分析功能；
e) 声时测量精度优于或等于0.1 s ，声波幅值测量相对误差小于5％，系统频带宽度为 1 kHz～200 kHz，系统最大动太范围不小于100 dB；
f) 声波发射脉冲为阶跃或矩形脉冲，电压幅值宜为200 V～800 V，且可调整。

4 现场检测
4.1 检测前准备工作应符合下列规定：
a) 受检部位混凝土强度不得低于设计强度等级的70％或预留试块强度不得小于15 MPa；
b) 按使用仪器操作要求率定仪器系统延迟时间；
c) 将发射、接收换能器对置放在空气中或水中，测试发射接收信号，标定空气或水中的波速值，实测值与标准值相差不大于1％；
d) 计算几何因素的声时修正值。

4.2 测线和测点布置应符合下列规定：
a) 测线位置宜避开地形及其它干扰的影响，测线长度应保证异常的完整和具有足够的异常背景；
b) 检测范围内有已知点时，测线应通过或靠近该已知点布设，或与其他方法测线重合布设；
c) 测点点距选择应保证目标体异常至少有三个测点；
d) 对锚杆的杆体长度和锚固密实度检测时，测点布置可参照9.2.4 执行；
e) 对隧道的模筑混凝土衬砌检测时，测线布置可参照B.4.2 执行，测点间距一般不大于
0.25 m；
f) 对混凝土构件检测时，受检部位布置网格状测区，测区应均匀布置，相邻两个测区间距不大于2 m，测区尺寸宜为 1 000 mm×1 000 mm，网格单元为100 mm×100 mm；
g) 测线和测点布置应避免超声波传播路径与内部钢筋轴线平行，当无法避免时，应使测线与该钢筋的最小距离不小于超声测距的1/6；
h) 在异常和缺陷处还应适当加密测线。

4.3 检测操作应符合下列规定：
a) 在结构物表面观测时，换能器应通过耦合剂与混凝土测试表面保持紧密结合，耦合层不得夹杂泥砂或空气；在孔中观测时，宜采用水作耦合剂；
b) 通过试验选择最佳的激发方式、接收距离及仪器工作参数，设置仪器采样时的量程、采样间隔、记录长度、触发电平、负延时数等参数；
c) 采用直达波法观测时，应以测点位置为中心安装发射换能器和接收传感器，测试直达波并保存到磁盘文件，重复测试 3 次；
d) 采用反射波法观测时，应以测点位置为中心点在结构表面安装2 个接收传感器，并接至声波仪的1、2 通道，两传感器间距宜为0.5 m～1.0 m；在两传感器延长线L 距离 1 通道传感器 5 cm 处激发声波，测试并确认得到清晰的直达波及反射波信号，保存到磁盘文件，重复测试 3 次；
e) 超声波传播距离测量，应符合下列要求：
1) 当采用厚度振动式换能器对测时，宜用钢卷尺测量发射、接收换能器辐射面之间的距离；
2) 当采用厚度振动式换能器平测时，宜用钢卷尺测量发射、接收换能器内边缘之间的距离；
3) 当采用径向振动式换能器在钻孔或预埋管中观测时，宜用钢卷尺测量发射、接收换能器的钻孔或预埋管内边缘之间的距离；
4) 当采用径向振动式接收换能器在单孔孔内与测试面间观测时，宜用钢卷尺测量发射（激振点）、接收换能器的钻孔或预埋管内边缘之间的距离；
5) 距离测量误差不得大于0.5％。

f) 在同一受检部位的检测过程中，发射接收换能器间距、声波发射电压和仪器设置参数应保持不变；
g) 应读取并记录声时、波幅和主频值，必要时存取波形；
h) 检测中出现可疑数据时应及时查找原因，必要时应进行复测校核或加密测点补测。

4.4 检测资料的质量检查应符合下列规定：
a) 检测完毕后应抽取不少于5％的检查工作量进行重复观测；
b) 相同位置的前后观测相对误差为±10％，有关充填情况、厚度等的检查点相对误差小于15％，则可判定该检查点为合格；
c) 若合格的检查点数量大于总检查点数量90％，则检测资料的质量评定为合格；若检测资料的质量评定为不合格，则检查工作量应增加至总工作量的20％；仍不合格时，则整个检测工作应重新进行；
d) 质量检查资料应与检测报告一起提交。

5 数据处理
5.1 平测直达波法、对测和斜测直达（透射）波法观测，各测点的纵波速度按式（1）计算：
V P＝L/（t－t0）
式中：
V P——纵波速度(m/s)；
L——直达波（纵波）的旅行距离（m）；
t——直达波（纵波）旅行时间的平均值（3 次测读）；
t0——系统延迟时间（s）。

5.2 反射波法观测，时域分析应包括以下内容：
a) 对1 通道信号作偏移距为L0＝5c m 的反射波时域分析；
b) 当厚度或缺陷深度大于20c m 且倾斜较小时，对1 通道作零偏移距分析，即点反射分析；
c) 按反射波的形态、能量、相位特征识别主要反射界面；
d) 点反射时的界面深度按式（2）计算：
d＝V P·t R/2
式中：
d——界面深度（m）；
t R——反射波到达1通道的时间（s）；
a) 对2 通道信号作偏移距为L0＋L 的反射波时域分析，对1 通道分析的对应界面作验证、偏移校正和倾斜分析等。

5.3 反射波法观测，频域分析应包括以下内容：
a) 对信号作快速傅里叶变换（FFT）分析，确认时域分析中的每一个反射界面，在频域中有对应的一组频差Δf；1 通道点反射时，应满足式（3）：
Δf＝V
P/2·d
b) 对信号作二次快速傅里叶变换（FFT）分析，确认时域分析中的每一个反射界面，在二次快速傅里叶变换中有唯一的对应峰值。

5.4 混凝土表面的裂缝深度、损伤层厚度以及内部缺陷、结合面等检测的数据处理，可参照CECS 2 1或SL 713的规定执行。

6 结果解释和判定
6.1 结构和构件混凝土的强度等级推定：
a) 可通过平测直达波法、对测和斜测直达（透射）波法观测，计算得到各测点的混凝土纵波速度，根据结构和构件混凝土的强度与纵波速度关系，推定结构和构件混凝土的强度等级；
b) 强度等级的标准参照体系可采用以下方法之一确认：
1) 以设计的混凝土等级相应的波速值为标准；
2) 以室内标准试件或同条件养护的试件的波速值为标准；
3) 以被检测地段结构和构件无缺陷的完整混凝土实测纵波速度值为标准；
4) 以区域纵波速度值与混凝土强度等级关系为参考，或参照表1 执行。

表 1 普通混凝土纵波速度与强度等级参照表
6.2 锚杆的杆体长度和锚固密实度检测数据分析与判定，可参照本规范第9.3.3条执行。

6.3 混凝土浅部缺陷的定性解释和判定：
a) 低强度混凝土：直达波形态无明显异常，但速度明显较正常混凝土偏低；
b) 充填低速异物（如片石、夹泥等）：直达波形态畸变且速度较正常混凝土偏低；
c) 充填高速异物（如卵石、金属材料和构件等）：直达波形态畸变且速度明显较正常混凝土偏高；
d) 隐伏裂纹、间隙：直达波速度正常，波形出现畸变甚至出现半波缺失；
e) 表面脱空：直达波速度正常，波形出现畸变，有强低频信号叠加，频域分析有较正常混凝土偏低的峰值频率出现。

6.4 混凝土结构和构件厚度的解释和判定：
a) 直达波速度正常，反射波法观测厚度底面的反射界面波形能识别，且只有一个；
b) 按式（2）计算厚度值，按式（3）验算厚度计算值，二者应接近。

6.5 混凝土的裂缝深度、损伤层厚度的解释和判定，应符合CECS 21或SL 713的规定。

6.6 混凝土结构和构件的内部、结合面和背后（下部）的密实、不密实、空洞、脱空等情况的解释和判定，除应符合CECS 21的规定外，还应符合下列要求：
a) 密实：反射波法观测仅有单一的底部界面反射波信号出现，能量弱，不易识别，直达和反射波速度值在正常范围且差异不大，时域分析中的每一个厚度反射界面在频域中有对应的一组频差Δf，峰值频率与正常混凝土一致；
b) 不密实：反射波法观测在混凝土内部、背后（下部）的界面出现多个不规则反射波信号，厚度底面的反射界面波形有叠加现象，反射波能量较强，直达波观测速度偏低，频域分析得到的峰值频率明显低于正常混凝土；
c) 空洞：反射波法观测在混凝土内部、背后（下部）的界面反射波能量强，且与首波同相位，甚至出现多次反射，直达和反射波速度值偏低，频域分析得到多个峰值频率；
d) 混凝土结构和构件、围岩等结合面脱空：结合界面的反射波能量强，且与直达波同相，甚至出现多次反射，直达和反射波速度值正常，频域分析得到多个峰值频率。

6.7 混凝土内部、背后（下部）注浆效果的解释和判定：
a) 将不密实、空洞、脱空等部位注浆前后的时间波形曲线的波速、波形、反射波能量等对比应有效大的改变，并将正常混凝土的检测数据作参考阀值，若注浆后的检测与正常混凝土基本一致，则可判定注浆体已基本充填满空腔部位，注浆无明显缺陷；
b) 可在注浆固结体达到足够龄期后，再次检测注浆部位，根据检测数据的改变情况，判定是否仍存在注浆缺陷。