1引言

 

　　在隧道开挖支护等施工工艺中，锚杆支护成为最常用的支护方式之一。锚杆施工到岩土体内与岩土体形成一个新的复合体，从而使得岩土体自身的承载能力大大加强，故其施工质量对整个隧道的安全有着重大的意义。锚杆检测传统的方法是“拉拔法”，但是拉拔属于破坏性试验，且操作麻烦，对于隧道拱顶的锚杆拉拔难以实现。而基于一维弹性波理论的锚杆无损检测，操作方便，隧道内任意位置均可检测，且方便快捷，不影响施工进度。

 

 

　　2.1锚杆无损检测研究发展

 

　　锚杆施工质量检测的研究很早就开始了，上个世纪八十年代初，瑞典的相关研究人员已经开始开发了锚杆锚固质量无损检测仪器Boltometer。仪器原理是从锚杆外露端头激发一次超声波，同时在此端头用一个传感器接收从锚杆另一端头反射回来的超声波，而注浆密实度是根据从锚杆底部端头反射回波的幅值评价。上世纪八十年代，我国铁道科学院曾在效仿瑞典Boltometer检测仪的基础上，采用能量相对稳定的激振，改进研制了M-7锚杆检测仪。到2009年出台了两本锚杆无损检测技术规程，标志着锚杆无损检测技术正式步入成熟阶段。

 

　　2.2工作原理

 

　　当工程的结构构件的尺寸为圆柱体且其直径d远远小于其长度L时，即L>>d，则此构件完全可以作为弹性波中的一维杆件理论分析处理。锚杆是钢筋与锚固材料胶结在一起，与周围围岩（土）存在较大的弹性波波阻抗差异，因此，应用弹性波理论对锚杆进行无损检测，可以视锚杆为一维弹性杆件，用一维弹性杆件来检测分析锚杆的质量，即钢筋与锚固材料的胶结质量、锚固材料与围岩（土）的胶结质量（也就是锚杆的密实度）及锚杆的长度。当锚杆锚固体系存在波阻抗（Z=PVA）差异的界面时（如空浆、欠密实、欠长度等），弹性波在该界面将发生反射。根据检测到的反射信号的频率、幅值及反射波的时间等特征，可以确定锚杆的锚固状态及施工缺陷。

 

　　2.3弹性波传播机理与杆系波速

 

　　弹性波在工程锚杆中传播时，弹性波的能量分成了两部分向前传播，一部分沿锚杆传播，其频率较高，但衰减较快；另一部分沿锚固体传播，其频率较低，能量衰减较慢，最后经杆底或缺陷反射到传感器，被接收的是经锚杆和锚固体传播的混合波，混合波的速度高于锚固介质，低于锚杆。按照弹性波在粘滞弹性介质中传播的理论，传播速度不仅取决于材料的力学性质，还与弹性波的频率有关。所以，锚杆的杆体波速与杆系波速是不同的，一般杆体波速高于杆系波速，波速差异的因素与声波波长、锚杆直径、胶粘物厚度、胶粘物波速及声波尺度效应等有关。因此锚杆长度计算时采用的波速平均值应考虑密实度的影响。由于杆系平均波速受多方面因素的影响，尚无法准确地确定与密实度的关系，但在实际检测工作中应考虑杆长检测精度与密实度有关。

 

 

　　3.1锚杆长度

 

　　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，反之不合格。

 

　　3.2锚固密实度评价

 

　　当锚固体存在严重的空浆段时，可通过空浆段的长度计算其锚固密实度，否则通过反射波与入射波的能量对比进行锚固密实度的计算。

 

　　4工程实例分析

 

　　广东韶关某高速公路隧道工程按新奥法原理进行洞身结构设计，以系统锚杆、喷射混凝土、钢筋网、钢架组成初期支护与二次模筑混凝土相结合的复合衬砌形式。在Ⅲ围岩区域，初期支护采用3m长，Φ22药卷锚杆；Ⅳ围岩区域初期支护采用4m长，Φ25中空注浆锚杆。 

 

　　4.1自由锚杆分析

 

　　自由锚杆就是置于空气中的锚杆，由于弹性波振动能量不会向空气透射，因此弹性波在锚杆顶端和底端之间来回反射，能量衰减较缓慢，底端反射波与入射波相位相同，波形相似。在工地材料仓库内，对Φ22药卷锚杆和Φ25中空注浆锚杆这两种类型的锚杆在自由状态下进行了测试，  看出杆底反射信号非常明显，幅值大于入射信号，这也验证了一维弹性理论中两端自由时的理论。且在后续波形中也很清楚地看到2次、3次的杆底反射信号。

 

　　4.2锚固质量好的锚杆

 

　　锚杆施工后，锚固质量好表现为杆体与浆液胶结较好且均匀，无空浆现象，注浆密实达90%以上。实测波形特点为入射波能量衰减快，几乎呈指数衰减态势，但杆底反射微弱或无反射，波形最后甚至回归基线，频谱集中且为单峰。 

 

　　4.3锚固欠密实的锚杆

 

　　锚杆施工后，由于浆液不达标造成锚固强度低，但无空浆现象，注浆密实度，一般为75%～90%之间。实测波行特点为入射波能量衰减较快，一般有清晰的底端反射，杆底反射与入射波相似且幅值较大。 

 

　　4.4存在空浆缺陷的锚杆

 

　　锚杆施工过程中，由于注浆时出现漏浆、空浆等情况，造成锚杆的锚固局部不密实或空洞等缺陷段。在缺陷部位截面面积减小，造成波阻抗减小，入射波在此临界面将出现反射波，在时间域信号上表现为相位变化，波幅叠加，而缺陷的严重程度与反射波的幅值相关。 

 

 

　　（1）在锚杆测试前应尽量多收集资料，了解隧道地质情况、锚杆类型，施工工艺等。（2）测试前先测试自由状态下的锚杆，了解应力波在该种材质的锚杆中的传播波速。（3）锚杆外露长度不宜过长，确保锚杆头平整、干净，传感器与锚杆头粘结牢靠，且垂直于锚杆头。（4）检测过程中停止施工，避免噪音振动等干扰；采集波形光滑，不应毛刺，避免高频振荡，并且一致性好。（5）对实测信号进行分析时，充分考虑到锚固密实程度对波速的影响。并结合声时、幅值、波形衰减的形态特征、频谱等综合分析，使得解译的结果更为准确可靠。

 

 

　　随着高速公路的大量建设，隧道锚杆无损检测解决了传统锚杆检测方法单一的局面。以面的方式检测隧道成环状的锚杆锚固质量，可以和锚杆拉拔试验互为补充，无损检测为面，拉拔试验为点，为支护工程施工质量建立起有力的保障，值得大力推广。