A1040 MIRA 混凝土三维超声波成像仪在地铁隧道道床安全检测中的应用

1工程概况

某项目基坑施工完成后，对附近的地铁线路段进行了二次椭圆度扫描。扫描结果显示，靠近基坑侧和车辆进出处隧道的椭圆度增大6.46%、横断面的相对变形值增大8.6%、隧道沉降量增大22%、隧道收敛增大4.8%。

由地基的变形及内部应力、外部荷载的变化而产生变形和沉降，将会引起地铁线路的轨道变形，整体道床破损和开裂，道床混凝土与主体结构混凝土分离，迅速发展形成道床病害。鉴于盾构隧道变形已远远超过变形控制标准，为保证盾构隧道结构和运营安全，2017年5月对该地铁线路段区间隧道进行了道床脱空情况的检测，检测里程共235环，约300米。

2测试设备

此次地铁隧道道床脱空情况检测，采用的设备是超声波检测设备生产厂家——俄罗斯ACSYS公司生产的超声波断层扫描成像仪MIRA A1040，由欧美大地仪器设备中国有限公司代理并提供技术支持和售后服务。该设备采用合成孔径聚焦成像方法(SAFT)，具有分辨率高、能在近场区工作的优点，是超声成像领域发展起来的技术，在无损探伤领域具有很好的应用前景。

图1 A1040 MIRA一体式主机

MIRA超声波断层扫描成像仪测试原理：

A1040 MIRA 超声波探头由4×12个干点换能器阵列和一个控制单元组成，换能器为信号发射和接收装置，可发射周期脉冲。探头内的控制单元激活一排换能器作为信号发射端，而其它排的换能器作为信号接收端。上图表示第一排换能器发射信号，其它换能器接收信号。图中显示了信号传播路径。此后，下一排换能器发生信号，其右侧的换能器接收信号。此过程循环重复，直至前11排换能器都已经激发过信号为止。

图2 A1040 MIRA 超声信号传播与接收示意图

如果构件内部的混凝土-空气界面足够大，一部分发射的超声波脉冲信号会被该缺陷提前反射。因为路径短，由缺陷反射的信号会早于构件底面反射的信号到达接收端。信号处理软件依据每排换能器接收到的反射脉冲的到达时间，来推断构件内部缺陷的位置。

图3 存在缺陷时A1040 MIRA超声信号传播与接收示意图

MIRA超声波成像仪技术特点：

1、阵列式系统：MIRA的控制器是一个阵列式的控制器，由12个模块组成，每一个模块包含4个横波传感器。当超声波信号发出后，接受到信号的会被控制器进行处理，然后转移到电脑用合适的软件进行处理。

2、合成孔径聚焦超声成像：通过将阵列小探头接收的超声信号合成处理而得到与较大孔径探头等效的声学图像，对接收到的信号作适当的声时延迟或相位延迟后再合成得到的被成像物体的逐点聚焦的声学图像，其特点是可以获得较好的横向分辨率。

3、干耦合换能器：传统的换能器需要使用耦合剂才能与混凝土表面紧密接触。干耦合即不使用耦合剂，通过弹簧弹力实现与被测表面的耦合。使用干耦合换能器加快了检测速度，并消除了耦合剂涂抹不均匀对测量结果的影响。

4、横波检测：固体中的声波有纵波、横波和表面波三种类型。传统方法只利用纵波，横波和表面波携带的信息被忽略。改用横波检测有以下优点：

· 信噪比高：超声横波在混凝土中的散射比纵波弱，因而横波检测的噪声更低;

· 分辨能力有所增强：识别越小的细节需要的波长越短，而混凝土中横波的波长大约是同频率纵波波长的60%;

· 缺陷的反映更明显：因流体中的声波只有纵波，横波遇到欠密实、缝隙和空洞等缺陷后几乎全被反射，其反射系数大于纵波。

5、成像显示：数据采集得到的实时二维图像。用不同的颜色表示不同强度的反射。也可以使用idealViwer 3D软件将在多个位置测量的结果整合，在计算机中上生成三维图像，直观。

技术参数：

· 干点接触剪切波换能器，带陶瓷防磨帽

· 25～85 kHz中心频率

· 换能器装载有弹簧，保证在不平整表面顺利工作

· 相控阵天线，带48个换能器，呈4×12排列，尺寸365×115×125 mm，重量4.5 kg

· 测试深度：50～2000 mm

· 可充电电池，5小时工作时长

· 每测点数据采集处理时间：不大于3 s

· Idealviewer软件用于3 D成像

· 工作温度 -10°C至50°C

3现场测试

对在运营地铁隧道的检测必须事先向相关部门申请，并且在夜间进行，时间紧工作量大。2017年5月分别进行了两次隧道道床安全检测。

图4 隧道检测现场

图5 用MIRA进行现场检测现场检测

首先在测试表面标记一系列平行的测线，测线间的间距必须与在Setting模式中设置的“horizontal step”一致。此次检测，综合现场有限的检测时间和较大的工作量等实际情况，测线间距设置为200mm。另一组与测线垂直的线的间距设置为100mm，也必须与设备中的“vertical step”一致。

4数据分析

此次检测的地铁隧道道床采用了整体道床型式，具有整体性强、稳定性好、结构耐久、轨道几何形位易于保持等优点。交通破坏从整体道床的结构看，其基础主要承受的是车体的反复作用，线路的主体结构由于地基的变形及内部应力、外部荷载的变化而产生变形和沉降，这些因素最终将会引起地铁线路的轨道变形，整体道床破损和开裂。

A1040 MIRA现场采集的测点数据(2D图像)存储在MIRA主机中用户命名的文件夹内。测试结束后，将MIRA中的数据导入到装有idealViwer 3D软件的笔记本电脑中进行处理。idealViwer软件将2D图像拼接成被测结构的3D模型。如图6所示为地铁240环处道床的3D重建模型。

用户可以在软件中旋转观察3D模型，也可从不同的正交方向以切片方式观察模型。三个正交方向的视图都有正式的名称。C-scan表示不同深度与Z轴垂直的平面，即反射体的水平视图;B-scan是由MIRA在测试时直接产生的图像，是与测线方向垂直的平面;D-scan是与B-scan垂直的平面。用户可在3D模型特定的切片模式观察模型：沿Z轴观察C-scan，沿Y轴观察B-scan，沿X轴观察D-scan。下图显示地铁道床结构的3D切片视图的实例。 C-scan中显示截面中有强烈的反射。B-scan中在100mm左右深度的位置可见3个直径80mm左右高振幅信号，显示红色，指示此处很有可能存在内部中空的埋设管线，对比设计图纸确为预埋设的管道。钢筋混凝土道床与底板之间(300mm-400mm)反射信号均匀、稳定，未见强烈反射信号，未出现道床脱空情况。底板与隧道环片结构之间(500mm-600mm)的弧形空气分界层振幅强烈，存在明显的空气分隔界面。

图6 240环片道床B-Scan 、C-Scan、D-Scan、3D成像图(彩色色谱图)

图7为隧道320环片道床的3D成像图，从图中可见，右侧超声波可进入结构体，反射层清晰可见;但左侧超声波反射信号紊乱、大部分能量在表层～300mm之间散射衰减掉，而无法进入混凝土体内部，反映出该环片处的道床床体质量存在一定问题，混凝土浇注工艺较差，导致道床面层剥落、损坏情况较为明显。300环至360环之间均存在同样的问题。

图7 320环片道床B-Scan 、C-Scan、D-Scan、3D成像图(黑白色谱图)

图8 320环片道床3D成像图(彩色色谱图)

5总结与思考

1)A1040 MIRA可为建筑结构完整性评估提供良好的检测，相对于其它混凝土超声波检测产品，MIRA优势明显，可检测厚度更大的钢筋混凝土构件，提供分辨率更高的解析图像，能够很好地用于查找混凝土、钢筋混凝土或自然石块中的外来包体、孔洞、空隙、分层、充填泄露等。通过本次对地铁隧道的检测，反映该设备在隧道道床脱空情况的检测上有较好的应用。

2)与旧款MIRA相比，新款MIRA不需要进行体混凝土声速的校准，直接通过Scan模式表面可自动根据剪切横波Cs速度进行波速计算，大大简化了测试流程。然而，实际现场工况条件多样复杂，检测对象物理特性可能不稳定，如混凝土的大骨料出现沉淀下部，混凝土表层性质不均一或者存在杂质，超声波本身衰减是非常敏感、快速的，可能会对波速造成较大的影响。对于需要准确知道钢筋、缺陷或底面位置的测试，声速非常重要。参照此次现场检测，道床浇筑的混凝土强度等级为C28，MIRA自动计算速度为1850 m/s(剪切横波Cs)，根据该波速，图形计算得到底板空气反射层深度约为500mm;对比设计图纸，底板深度为550mm，此时应该对波速进行调整，手动输入2050m/s的波速。因此建议用户测试操作前，在条件允许的情况下，如根据设计图纸，或者其它明显的参考物进行波速标定，以切合实际工况。

3)对于各参数的设置，首先，增益值的选择，色彩增益值过高或者过低，都会导致不同介质之间的超声波振幅无法区分，需要不同材质、强度的混凝土波速进行调整。此次检测色彩增益值设置为25dB，模拟增益值设置为27dB。对于其它强度的混凝土，可在此分贝值基础上进行微调。期数的选择，A1040 MIRA的超声波期数可设范围为1-9，依旧需要跟检测物的性质进行选择，对于混凝土这种材质性质，期数值需设置为1.0。对于发射脉冲停顿时间的设置(开或关)，只有对某些检测物(非混凝土材质)超声波波速传播缓慢，或者厚度大的物件时才进行设置，通常设置为关闭状态。