锚杆无损检测技术在控制隧道锚杆施工质量中的应用

锚杆无损检测技术在控制隧道锚杆施工质量中的应用

崔利强

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摘要：隧道建设工程是一项十分繁杂的工作，稍有不慎就会造成极其严重的后果，存在极大的安全隐患，特别是锚杆的质量问题直接影响着整个工程的安全问题。所以为保证隧道工程的施工过程可以按部就班的顺利完成且不存在任何质量安全问题，就要用到锚杆无损检测技术对锚杆锚固的质量问题进行精细的检测和分析工作，确保万无一失，为后期施工奠定好基础，本文就锚杆无损检测技术在隧道建设工程中的运用做出简单的分析，这一技术的应用为隧道工程的质量问题提供了重要保障，希望这篇文章可以为实际的施工过程提供一些帮助。

关键词：锚杆；无损检测；技术；隧道施工；质量；应用

引言：

城南隧道藤岭段采用矿山法施工，进出口均为竖井结构，隧道不光临近既有水库，涌水量大且围岩软弱破碎、还有燕尾段小间距岩柱，锚杆施工数量众多，全隧3万余根锚杆，需检测3500余根，由于锚杆施工质量好坏严重关系着开挖安全，本着安全可靠、技术先进、经济合理，隧道采用锚杆新型无损检测技术冲击弹性波法检测，可以在保证不破坏到施工材料的同时较为精确的检测出锚杆的质量，为开挖安全提供技术保障，本文就锚杆无损检测技术的基本原理和使用方法以及如何鉴定锚杆质量过关等方面进行简单的描述和分析。

一、锚杆无损检测技术的基本原理

锚杆作为一种加固的器件广泛应用于隧道的建设施工过程之中，通常按照水文地质环境来确定如何插入锚杆并灌入浆液固定，使用锚杆锚固存在许多优点，不仅成本较低，且安全性良好，可以起到很好的锚固作用。锚杆的施工质量高低对于锚固效果具有直接影响，锚杆的长度、饱满度、材质、连接状态等都需要进行精准的检测和分析，且同时又不能对锚杆造成破坏和损耗，锚杆无损检测技术可以有效的达到目标。锚杆无损检测技术区别于其他检测方法的特点在于无损，几乎不会对杆体造成损害出现安全隐患。

锚杆无损检测技术应用应力反射波法的波动原理，因为波在均匀的介质中它的传播速度和方向等都不会产生变化，而在不均匀介质中波的传播过程中会发生许多突变，这时，透射波可以继续向前传播，而反射波则会被驳回，反射波可以被安装的传感器监测到，然后进行放大处理，从而根据收集到的信息，对锚杆锚固的质量作出评估。通过波阻抗比，利用牛顿定律和连续性条件得到反射系数，再进行一系列数据分析和数据处理比较判断锚杆锚固质量是否达到要求。

二、检测精度影响因素分析

（一）现场施工环境及标定

锚杆锚固质量检测前，应收集地质及施工等资料，并对检测参数进行现场标定，利用实体破检结果与无损结果进行比对；检测期间应避免施工现场机械振动和强磁场等因素的干扰。

（二）传感器安装及激振信号质量

1、传感器安装时测试面的混凝土及浮浆清除干净，且采用磁铁用耦合剂黏贴，减小传感器与测试面的微小间隙或产生振动影响波的传播；传感器接收方向应与锚杆长度方向平行，传感器不应安装在垫板或接触。

2、激振方向是体现测试结果的准确性的重要因素，根据锚杆长度和注浆密实度结果测试，通常以弹性波为P波，P波本身属性为传播方向与粒子运动方向一致的波，因此在实践中需要将激振方向与锚杆轴线方向控制一条线上。但是根据经验可知，若激振方向不同于轴线方向，存在夹角，则可能会产生其他种类的信号（SV波），SV波根据文献结果显示波速与P波相差较大，仅为60%左右，因此如果激发将会对结果产生干扰。

（三）计算波速选取

对于锚杆长度测试环节，一般认为存在3项速度指标，分别为杆体速度 Cb、计算速度 Cm和杆系速度 Ct。杆体波速 Cb是弹性波在锚杆杆体本身中传播的速度，主要与杆体材质相关，一般可认为是定值; Ct是应力波在由锚杆杆体、注浆体和孔周围岩组成的复合体中的传播速度，与锚杆的锚固质量有关，可下图公式进行计算; Cm为计算锚杆杆体长度和注浆密实度时所用的计算波速，取值有两个选择，即杆体波速 Cb和杆系波速 Ct。计算波速的选取与确定对检测结果有直接影响。

（四）锚固质量的分析

1.自由状态下的锚杆

通过检测得出的结果可以很快计算出自由状态下锚杆的波速，此结果要经过反复多次运算再确定一个数字，进而通过波形图可以看出波形基本没有衰减并且锚杆的底部反射效果非常明显，由此判断锚杆锚固的状态情况。

2.质量优的锚杆

通过波形图观察到波的衰减速度比较快，则证明锚固的质量相对较好，且通过相位差等个因素综合分析，确定出锚杆底端的状态，若发现锚杆底部也没有出现明显的反射现象，经过计算得注浆的饱满度98%左右，说明注浆质量优秀。

3.质量良好的锚杆

当观察到反射波出现连续衰减的情况且衰减的速度比较快，锚杆底部反射明显，可以确切的确定锚杆的长度，若通过计算可得出注浆的饱满度在85%左右，说明注浆的质量属于良好状态。

4.质量合格的锚杆

质量合格的锚杆波形虽然看上去是持续衰减的，但衰减速度比较慢，而且在锚杆的底部出现明显的反射现象，所以可以确切的算出锚杆的长度，但仍可看出锚固的质量属于一般状态，经计算得此状态下，若注浆的饱满度为80%左右，长度稍短，注浆质量一般，为质量合格。

5.质量差的锚杆

质量差的锚杆波形图比较好区分，衰减速度慢，并存在许多的缺陷信号、强反射现象，并且锚杆底部的反射现象也十分明显，若通过观察可以确切的判定锚杆的长度，锚杆的长度是设计出理想长度的85%以下，且注浆的饱满度在50%以下，不符合国家标准的，属于不合格锚杆。

三、锚杆无损检测技术在控制隧道锚杆施工质量中的应用

（一）激振信号拾取

根据技术原理及实践经验可知，激振信号拾取质量的高低直接对检测结果具有决定性作用，在传统模式下，采用手动的激振信号拾取模式进行处理，在选择过程中由于信号质量本身属性，随机性较大，无法准确的对其捕捉稳定的信号，导致检测结果存在误差。在笔者参与的项目实践中，对5.5m长的自由状态锚杆分别采用两种不同的激振信号拾取方式进行结果对比，手动状态下拾取的信号结果明显低于自动激振信号拾取质量，如下图所示：

图1 手动激振信号波形图

图2 自动激振信号波形图

通过对比上图结果可以发现，手动信号拾取获得的结果出现较多缺陷信号，这些信号对于结果的判断产生干扰，影响检测结果，甚至出现误判的情况。

（二）传感器固定方式

振动信号的捕捉是有传感器完成，因为其位置安装的准确性对于是否能够高质量拾取反射信号具有重要意义，需要对其固定方式、位置情况进行重点关注。下图分别为固定在不同位置的结果，根据图中结果可以看出，在杆顶位置波形收敛程度整体优于在杆侧位置的效果。

图3 杆顶固定波形图

图4 杆侧固定波形图

与此同时，笔者对杆顶和杆侧固定方式优缺点进行总结，采用杆顶固定方式，可以保证传感器固定紧密程度，能够获取较强的拾取信号，而其不足之处在于该固定方式需要占据较大的激振空间，对于整体的激振强度影响相对在杆侧固定更大。在杆侧固定方式，可能减少占用激振空间，影响轻度较弱，但是固定紧密度稍差，整体的信号偏弱。

（三）不同质量锚杆检测验证

本项目实施前期，通过选择S1DK47+466中等复杂地段、S1DK47+520简单地段、S1DK48+850富水区且较复杂地段，分别进行无损与破检结合方式验证检测质量与标定精度，如下图所示：

图5 质量优波形图                                     图6 质量差波形图

图7 质量合格波形图

结束语：

隧道实际共检测4600余根锚杆，通过前期破检与无损的互相印证，经过大量的实践和大量的计算看出，检测的结果还是十分可靠的，这种方法不但节省了技术人员大量的时间，且能够及时的找出质量不合格的锚杆并能立即做出调整，高效率的检测反馈大大提高了工作效率，最终锚杆检测合格率全部优良且未发生隧道开挖变形引发的质量安全事故，最后提醒检测人员进行检测的过程中，务必要反复多次试验选取信号较好的波段，确定波形的平整度。对于灌浆体的内部情况十分复杂存在裂缝等缺陷的部位的探测要综合各方面数据进行综合判断。总之，锚杆无损质量检测技术在隧道工程中虽应用广泛，但在应用过程中也要十分谨慎小心，对数据的分析和计算也要细心专注，将工作的效率提高上去。

参考文献：

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