冲击映像法在沉管隧道基础灌砂监测中的应用

王海龙， 郭　俊， 吴　刚， 沈永芳， 车爱兰， 周恩先

(1. 南昌市政公用投资控股有限责任公司， 江西 南昌　330000； 2. 上海交大海洋水下工程科学研究院有限公司， 上海　200231； 3. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院， 上海　200240)



冲击映像法在沉管隧道基础灌砂监测中的应用

王海龙1， 郭俊1， 吴刚2,*， 沈永芳2， 车爱兰3， 周恩先2

(1. 南昌市政公用投资控股有限责任公司， 江西 南昌330000； 2. 上海交大海洋水下工程科学研究院有限公司， 上海200231； 3. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院， 上海200240)

在沉管隧道工程中，采用无损检测技术对基础灌砂施工效果实施实时、经济、有效的监测，是施工监测必须要解决的难题。本文结合南昌红谷隧道监测实例，系统地介绍了冲击映像法在基础灌砂施工中的应用情况，包括测线布设、数据采集、分析与评定方法、监测结果以及相关的结论与施工建议。监测结果表明： 冲击映像法能够对基础灌砂效果进行实时有效地评判，是一种新的基础灌砂施工监测与灌砂效果评价方法。

红谷隧道； 沉管隧道； 基础灌砂； 冲击映像法； 监测

0　引言

由于沉管隧道基础处理的效果直接关系到工程质量与建成后隧道的安全运营[1]，因此，开展沉管隧道基础施工的实时监测十分有必要[2]。

目前，沉管隧道基础灌砂施工的监测方法主要有灌砂量、灌砂压力及位移监测等，但在实际监测过程中存在无法掌握砂积盘的形成过程，不能实时监测砂积盘的变化以及砂积盘的连接状态，易导致灌砂孔堵孔以及基础未充分填充等问题，无法为停止灌砂提供相应的判断标准(依据)。因此，采用经济、有效的方法对基础灌砂施工效果实施实时监测，是沉管隧道工程中必须要解决的难题。

近年来，无损检测技术已在工程检测中得到了应用，并取得了一定的研究成果[3-4]。王连成等[5]将地质雷达技术应用于公路隧道工程超前地质探测预报与隧道结构的检测； 李二兵等[6]采用地质雷达对隧道衬砌质量(衬砌结构的厚度、衬砌裂隙及背后空洞等)进行了检测； 杨钢宇等[7]将超声地震模型试验成功地应用于宁波甬江隧道注浆水底基础的质量检测中； 车爱兰等[8]采用表面波法对天津中央大道海河沉管隧道基础使用压浆法的充填效果进行了检测，并提出了相关评价标准； 沈永芳[9]通过对舟山沈家门海底沉管隧道注浆进行等比例模型试验，采用探地雷达、面波仪等无损检测方法对注浆充填效果进行了检测，并建立了充填效果的实时监测方法和评价系统； 冯少孔等[10]针对某大型调水工程的双向预应力混凝土立墙内出现劈裂问题，在分析立墙结构特点的基础上，采用冲击映像法对裂缝的平面分布、严重程度以及损坏区域所占比例等进行了详细检测和成因分析，并通过取芯检验和带预制缝的有限元法数值模拟，验证了检测结果和分析结论； 李邦旭等[11]和陈润[12]依托汾江路南延线沉管隧道工程，利用建造等比例试验模型，通过对比试验研究，提出了弹性波映像法与瑞雷面波法相结合的无损检测方法，并对沉管隧道砂基础中存在的缺陷进行判识以及密实度检测。但迄今为止，尚未见上述无损检测技术应用于沉管隧道基础灌砂施工实时监测的文献。

本工程针对南昌红谷沉管隧道工程基础灌砂施工，应用冲击映像法对基础灌砂施工进行监测，并对灌砂效果做出评价，以确保工程施工质量，为类似工程施工监测提供借鉴。

1　工程概况

南昌红谷隧道工程西起红谷滩新区怡园路与丰和中大道交叉口附近，下穿赣江，东岸与沿江中大道和中山西路相接，隧道总长2 650 m，江中沉管段全长1 329 m，共分12节管段。

南昌红谷隧道工程管段基础采用灌砂法进行处理。灌砂基础的材料为砂与水泥熟料的混合物，水泥熟料掺入量为6%，灌砂施工后应保证灌砂基础在7度地震的情况下不发生液化。根据红谷隧道灌砂设计方案，砂盘的扩散半径设计为7.5 m；灌砂孔采用φ160无缝钢管； 底板灌砂孔孔口标准间距为横向11 m、纵向9.5 m；灌砂时水砂配合比(质量比)控制在7∶1～9∶1；开始灌砂时压力为0～0.05 MPa，最终灌砂压力不大于0.1 MPa；基础厚度为0.6 m，管段基槽为炸礁基槽，边坡为1∶2。南昌红谷隧道管段灌砂孔平面图及剖面图如图1和图2所示。

灌砂基础施工从对接端向自由端的方向按排数顺序灌注。在同一排的3个孔中，按照先中间后两侧的顺序灌注。管段最后2排孔不灌注，等到与后一节管段对接后开始由该排孔进行灌砂，这样可以避免砂料流至未沉放管段的基槽上。施工砂基础时应采取可靠的措施确保管段不产生平面位移。灌砂完毕后，灌砂管及砂积盘中央的冲击坑应用无收缩水泥砂浆填充，其抗压强度标准值不低于C40，填充时应严格控制下料量及灌入压力，同时加强观测管段的高程，不得将管段抬起。

图1　管段灌砂孔平面布置图(单位： mm)

图2　管段灌砂孔剖面图(单位： mm)

2　灌砂施工现场监测

2.1检测仪器及其技术指标

记录设备为美国Geometrics的Geode数字地震仪，其性能参数如下： 记录通道为24道； 模数转换为24 bit； 高截频为20 000 Hz； 低截频为1.75 Hz。

传感器为重庆地质仪器厂的动圈式垂直分量速度型传感器，分为单分量及三分量2种。为保证传感器和地面的良好耦合以及移动作业效率，24个传感器组成传感器阵列，一次激发即可采集24道数据，同时，传感器阵列安装在专门设计的牵引式底座上，既完成了传感器与地面的耦合，又保证了作业效率。

使用质量为350 g的钢质冲击锤作为震源以激发弹性波，敲击信号强弱由冲击锤上的传感器感知，并被输入到仪器中进行模数转换和记录。

2.2测线布设

图3为测线布置图，采集测线共布设21条，测点间距0.5 m。

2.3采集参数

传感器间距为0.5 m，排列长为5.5 m/11.5 m，震源偏移距为距测线0.15 m，激发方式为用冲击锤敲击。

数据道数为12～24道，采样间隔为0.000 031 25 s (31.25 μs)，记录长度为256 ms。

检测点密度为1点/0.5 m。

2.4数据采集步骤

1)现场准备。检查测试仪器是否齐全完好，并对需要进行测试的场地进行清理。

2)传感器设置。以确定的检测点为基准点，每间隔0.5 m布置1个传感器，将传感器及加工的连接部分平整地放置于底板上。

3)激发。使用质量为350 g的冲击锤用力击打沉管底板或铁锭，以产生弹性波。

4)采集信号。激发产生的振动能量以近源波(纵波、面波等各种波动混杂在一起)的形式向四面传播，传感器接收到信号并传送给记录设备，记录完毕后，进行下次锤击，依次类推，直至完成该测线的检测任务。

图3　测线布置与采集过程示意图

3　监测结果及其分析

本文以E4管段灌砂过程中的检测为实例，介绍相关的监测方法、分析过程及其结果。

3.1采集工况

表1为E4管段灌砂监测数据采集的工况。

表1　数据采集工况

表1(续)

表1(续)

3.2波形处理结果

根据数据记录连接测线上所有测点的有效数据，并进行波形分析及波形处理(见图4)。从图4可以看出波形持续时间和振幅变化等信息，以及个别数据存在的噪音过大等问题。

图4　测线波形处理结果

3.3可视化处理结果

3.3.1波形分析法

图5为波形分析的可视化结果，表示振幅的大小制作成弹性波强度剖面。从图5可以看出明显的波形能量及持续时间的变化。对照测试剖面的前期及灌砂过程中的能量变化，可以分析灌砂扩散状况和范围等。

图6为剖面的冲击响应能量分布。从图6可以看出冲击响应能量的变化，对照测试剖面的前期及灌砂过程中的能量变化，可以分析灌砂扩散状况和范围等。

3.3.2频谱分析法

图7为频谱分析的可视化结果。图7中颜色表示振幅的大小制作成弹性波强度剖面。

从图7可以看出明显的低速区及高速区范围及位置。对照测试剖面前期及灌砂过程中的频率和频谱变化，可以分析灌砂扩散状况和范围等。

(a) 灌砂前

(b) 灌砂过程中

(a) 灌砂前

(b) 灌砂过程中

3.4灌砂效果的综合评价

根据灌砂前、灌砂过程中波形分析、冲击响应能量分布、频谱分布的变化，综合判断灌砂扩散半径和充盈程度，将判断结果分为3个等级。1)合格。扩散半径达到7.5～9 m，且欠充盈率不超过15%(充盈率达到85%以上)。2)基本合格。扩散半径达到7.5～9 m，欠充盈区域在15%～35%(充盈率达到65%～85%)。3)不合格。扩散半径未达到7.5 m，充盈率小于65%。

(a) 灌砂前

(b) 灌砂过程中

灌砂充盈率是指灌砂充盈区域面积与砂积盘总面积的比率。根据模型试验结果，底板下砂积盘分为充盈和欠充盈2种状态。充盈是指砂积盘密实且顶部与底板密切接触。欠充盈是指砂积盘密实，但其顶部与隧道底板底面间存在1～2 cm的砂水混合层，砂水混合层类似于饱和土的状态，具有一定的流动性。

由于边孔只有一条测线，无法判断面积比例，因此本文中的充盈率只针对中孔。

3.5灌砂效果评价标准的确定

3.5.1中孔的评价标准

根据3.4节的综合评价结果，采用3个等级。中孔综合评价结果见图8。

(a) 灌砂前

(b) 灌砂过程中

Fig. 8Comprehensive assessment results of intermediate gravel filling hole

3.5.2边孔的评价标准

由于水箱的存在，边孔测线大部分在中孔扩散半径内，因此边孔的判断只能作为灌砂继续与否的参考条件，最终结合水下探摸共同判断。即灌砂孔砂溢出管段壁且与上一个灌砂孔溢出管段壁的砂融合，管段内无损监测同时达到要求，可判别边孔的灌砂效果是否合格。

3.6灌砂监测结果

根据建立的灌砂效果评价标准，对灌砂施工状况进行评价。表2为E4管段部分灌砂孔(中孔)现场监测及其灌砂状态评价。

表2　E4管段现场灌砂及其状态评价

表2(续)

由表2可知，E4管段的平均充盈率为91%，砂积盘扩散半径达到设计要求，故灌砂效果合格。

4　结论与建议

1)现场监测结果表明，通过波形可视化处理、冲击响应能量及频谱处理相结合的方法，采用冲击映像法能够很好地掌握灌砂过程中砂液的分布状况。

2)根据灌砂前和灌砂过程中的波形分析、冲击响应能量分布和频谱分布的变化，可综合判断灌砂扩散半径和充盈程度。

3)通过建立灌砂效果评价的判断标准，分别对管段中孔和边孔的灌砂效果进行了实时有效的评判。

4)在E4管段以及E3管段的尾部实施了36个孔的监测，共有效监测159次，平均每个灌砂孔监测4.4次。灌砂监测结果表明，即使灌砂量、泵压以及升降量显示已经灌满，砂积盘半径仍有可能小于7.5 m或充盈度不达标，需要根据监测结果决定继续灌砂2次以上才能最终达到灌砂合格，可见采用冲击映像法监测的必要性。

5)在灌砂过程中，即使压力无变化，持续灌砂会使个别孔所形成的砂积盘过大，超过了相邻灌砂孔，邻孔会出现阻塞现象。因此，建议在灌砂过程中严格按照中孔的监测结果，砂积盘半径超过7.5 m进行终孔汇报，最大半径不允许超过9 m。如果由于各种因素的影响，砂积盘出现在未灌砂一侧已经接近邻孔，而在已灌砂一侧还不能和前孔的砂积盘很好融合的状况，应调整该孔的灌砂方案，以保证砂积盘的融合以及不阻塞邻孔。

6)E4管段出现了N2孔等3个边孔的堵孔现象，通过分析周边孔的灌砂时间可以发现，与N2孔相邻的边孔N1孔灌砂时间超过18 h。建议在严格控制中孔扩散半径的基础上，边孔灌砂时除实时监测外，需结合灌砂时间(灌砂量)等信息进行控制。

7)灌砂施工是个复杂的工程，需要根据各方信息(包括灌砂压力、灌砂时间和灌砂量等灌砂状况，位移量测，千斤顶支撑力变化等现场实时监测结果)综合判断是否停泵，特别是对于边孔，由于水箱的存在，测线大部分在中孔扩散半径内，监测结果只能作为判断是否停泵的参考依据。

8)E4管段实施了中孔某一孔砂积盘半径达到7.5 m即停止灌砂的施工工艺。根据监测结果，建议对后续管段灌砂施工监测方案进行调整，调整为边孔灌砂结束后，再次进行中孔监测，验证砂积盘半径以及中孔、边孔灌砂的融合状态。

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Application of Impact Imaging Method to Gravel Filling Effect Monitoring of Foundation of Immersed Tunnel

WANG Hailong1, GUO Jun1, WU Gang2，*, SHEN Yongfang2, CHE Ailan3, ZHOU Enxian2

(1.NanchangMunicipalPublicGroup,Nanchang330000,Jiangxi,China; 2.UnderwaterEngineeringInstituteCo.,Ltd.,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200231,China; 3.SchoolofNavalArchitecture,OceanandCivilEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

The nondestructive monitoring of gravel filling effect of foundation of immersed tunnel timely, economically and effectively is a key problem to be solved. The impact imaging method used in gravel filling effect monitoring of foundation of Honggu Tunnel is systematically introduced in terms of monitoring line arrangement, data collection, analysis and assessment and suggestions. The monitoring results show that impact imaging method is feasible and effective in monitoring gravel filling effect of immersed tunnel foundation.

Honggu Tunnel; immersed tunnel; foundation gravel filling; impact imaging method; monitoring

2016-05-23;

2016-08-24

王海龙(1981—)，男，江西信丰人，2004年毕业于华东交通大学,道路桥梁专业，本科，高级工程师，主要从事工程项目管理工作。E-mail： 6953268@qq.com。*通讯作者： 吴刚， E-mail： wugang@sjtu.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.016

U 455.46

B

1672-741X(2016)09-1132-07