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A1040 MIRA 混凝土三維超聲波成像儀在地鐵隧道道床安全檢測中的應用

1工程概況

某項目基坑施工完成后，對附近的地鐵線路段進行了二次橢圓度掃描。掃描結果顯示，靠近基坑側和車輛進出處隧道的橢圓度增大6.46%、橫斷面的相對變形值增大8.6%、隧道沉降量增大22%、隧道收斂增大4.8%。

由地基的變形及內部應力、外部荷載的變化而產生變形和沉降，將會引起地鐵線路的軌道變形，整體道床破損和開裂，道床混凝土與主體結構混凝土分離，迅速發展形成道床病害。鑒于盾構隧道變形已遠遠超過變形控制標準，為保證盾構隧道結構和運營安全，2017年5月對該地鐵線路段區間隧道進行了道床脫空情況的檢測，檢測里程共235環，約300米。

2測試設備

此次地鐵隧道道床脫空情況檢測，采用的設備是超聲波檢測設備生產廠家——俄羅斯ACSYS公司生產的超聲波斷層掃描成像儀MIRA A1040，由歐美大地儀器設備中國有限公司代理并提供技術支持和售后服務。該設備采用合成孔徑聚焦成像方法(SAFT)，具有分辨率高、能在近場區工作的優點，是超聲成像領域發展起來的技術，在無損探傷領域具有很好的應用前景。

圖1 A1040 MIRA一體式主機

MIRA超聲波斷層掃描成像儀測試原理：

A1040 MIRA 超聲波探頭由4×12個干點換能器陣列和一個控制單元組成，換能器為信號發射和接收裝置，可發射周期脈沖。探頭內的控制單元激活一排換能器作為信號發射端，而其它排的換能器作為信號接收端。上圖表示第一排換能器發射信號，其它換能器接收信號。圖中顯示了信號傳播路徑。此后，下一排換能器發生信號，其右側的換能器接收信號。此過程循環重復，直至前11排換能器都已經激發過信號為止。

圖2 A1040 MIRA 超聲信號傳播與接收示意圖

如果構件內部的混凝土-空氣界面足夠大，一部分發射的超聲波脈沖信號會被該缺陷提前反射。因為路徑短，由缺陷反射的信號會早于構件底面反射的信號到達接收端。信號處理軟件依據每排換能器接收到的反射脈沖的到達時間，來推斷構件內部缺陷的位置。

圖3 存在缺陷時A1040 MIRA超聲信號傳播與接收示意圖

MIRA超聲波成像儀技術特點：

1、陣列式系統：MIRA的控制器是一個陣列式的控制器，由12個模塊組成，每一個模塊包含4個橫波傳感器。當超聲波信號發出后，接受到信號的會被控制器進行處理，然后轉移到電腦用合適的軟件進行處理。

2、合成孔徑聚焦超聲成像：通過將陣列小探頭接收的超聲信號合成處理而得到與較大孔徑探頭等效的聲學圖像，對接收到的信號作適當的聲時延遲或相位延遲后再合成得到的被成像物體的逐點聚焦的聲學圖像，其特點是可以獲得較好的橫向分辨率。

3、干耦合換能器：傳統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，通過彈簧彈力實現與被測表面的耦合。使用干耦合換能器加快了檢測速度，并消除了耦合劑涂抹不均勻對測量結果的影響。

4、橫波檢測：固體中的聲波有縱波、橫波和表面波三種類型。傳統方法只利用縱波，橫波和表面波攜帶的信息被忽略。改用橫波檢測有以下優點：

· 信噪比高：超聲橫波在混凝土中的散射比縱波弱，因而橫波檢測的噪聲更低;

· 分辨能力有所增強：識別越小的細節需要的波長越短，而混凝土中橫波的波長大約是同頻率縱波波長的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、縫隙和空洞等缺陷后幾乎全被反射，其反射系數大于縱波。

5、成像顯示：數據采集得到的實時二維圖像。用不同的顏色表示不同強度的反射。也可以使用idealViwer 3D軟件將在多個位置測量的結果整合，在計算機中上生成三維圖像，直觀。

技術參數：

· 干點接觸剪切波換能器，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個換能器，呈4×12排列，尺寸365×115×125 mm，重量4.5 kg

· 測試深度：50～2000 mm

· 可充電電池，5小時工作時長

· 每測點數據采集處理時間：不大于3 s

· Idealviewer軟件用于3 D成像

· 工作溫度 -10°C至50°C

3現場測試

對在運營地鐵隧道的檢測必須事先向相關部門申請，并且在夜間進行，時間緊工作量大。2017年5月分別進行了兩次隧道道床安全檢測。

圖4 隧道檢測現場

圖5 用MIRA進行現場檢測現場檢測

首先在測試表面標記一系列平行的測線，測線間的間距必須與在Setting模式中設置的“horizontal step”一致。此次檢測，綜合現場有限的檢測時間和較大的工作量等實際情況，測線間距設置為200mm。另一組與測線垂直的線的間距設置為100mm，也必須與設備中的“vertical step”一致。

4數據分析

此次檢測的地鐵隧道道床采用了整體道床型式，具有整體性強、穩定性好、結構耐久、軌道幾何形位易于保持等優點。交通破壞從整體道床的結構看，其基礎主要承受的是車體的反復作用，線路的主體結構由于地基的變形及內部應力、外部荷載的變化而產生變形和沉降，這些因素最終將會引起地鐵線路的軌道變形，整體道床破損和開裂。

A1040 MIRA現場采集的測點數據(2D圖像)存儲在MIRA主機中用戶命名的文件夾內。測試結束后，將MIRA中的數據導入到裝有idealViwer 3D軟件的筆記本電腦中進行處理。idealViwer軟件將2D圖像拼接成被測結構的3D模型。如圖6所示為地鐵240環處道床的3D重建模型。

用戶可以在軟件中旋轉觀察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在測試時直接產生的圖像，是與測線方向垂直的平面;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構的3D切片視圖的實例。 C-scan中顯示截面中有強烈的反射。B-scan中在100mm左右深度的位置可見3個直徑80mm左右高振幅信號，顯示紅色，指示此處很有可能存在內部中空的埋設管線，對比設計圖紙確為預埋設的管道。鋼筋混凝土道床與底板之間(300mm-400mm)反射信號均勻、穩定，未見強烈反射信號，未出現道床脫空情況。底板與隧道環片結構之間(500mm-600mm)的弧形空氣分界層振幅強烈，存在明顯的空氣分隔界面。

圖6 240環片道床B-Scan 、C-Scan、D-Scan、3D成像圖(彩色色譜圖)

圖7為隧道320環片道床的3D成像圖，從圖中可見，右側超聲波可進入結構體，反射層清晰可見;但左側超聲波反射信號紊亂、大部分能量在表層～300mm之間散射衰減掉，而無法進入混凝土體內部，反映出該環片處的道床床體質量存在一定問題，混凝土澆注工藝較差，導致道床面層剝落、損壞情況較為明顯。300環至360環之間均存在同樣的問題。

圖7 320環片道床B-Scan 、C-Scan、D-Scan、3D成像圖(黑白色譜圖)

圖8 320環片道床3D成像圖(彩色色譜圖)

5總結與思考

1)A1040 MIRA可為建筑結構完整性評估提供良好的檢測，相對于其它混凝土超聲波檢測產品，MIRA優勢明顯，可檢測厚度更大的鋼筋混凝土構件，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包體、孔洞、空隙、分層、充填泄露等。通過本次對地鐵隧道的檢測，反映該設備在隧道道床脫空情況的檢測上有較好的應用。

2)與舊款MIRA相比，新款MIRA不需要進行體混凝土聲速的校準，直接通過Scan模式表面可自動根據剪切橫波Cs速度進行波速計算，大大簡化了測試流程。然而，實際現場工況條件多樣復雜，檢測對象物理特性可能不穩定，如混凝土的大骨料出現沉淀下部，混凝土表層性質不均一或者存在雜質，超聲波本身衰減是非常敏感、快速的，可能會對波速造成較大的影響。對于需要準確知道鋼筋、缺陷或底面位置的測試，聲速非常重要。參照此次現場檢測，道床澆筑的混凝土強度等級為C28，MIRA自動計算速度為1850 m/s(剪切橫波Cs)，根據該波速，圖形計算得到底板空氣反射層深度約為500mm;對比設計圖紙，底板深度為550mm，此時應該對波速進行調整，手動輸入2050m/s的波速。因此建議用戶測試操作前，在條件允許的情況下，如根據設計圖紙，或者其它明顯的參考物進行波速標定，以切合實際工況。

3)對于各參數的設置，首先，增益值的選擇，色彩增益值過高或者過低，都會導致不同介質之間的超聲波振幅無法區分，需要不同材質、強度的混凝土波速進行調整。此次檢測色彩增益值設置為25dB，模擬增益值設置為27dB。對于其它強度的混凝土，可在此分貝值基礎上進行微調。期數的選擇，A1040 MIRA的超聲波期數可設范圍為1-9，依舊需要跟檢測物的性質進行選擇，對于混凝土這種材質性質，期數值需設置為1.0。對于發射脈沖停頓時間的設置(開或關)，只有對某些檢測物(非混凝土材質)超聲波波速傳播緩慢，或者厚度大的物件時才進行設置，通常設置為關閉狀態。