刘增旭 邓国兵 敬国民

（四川铁正建设工程质量检测有限公司 四川成都 610000）

0 引言

在岩土深基坑、边坡等地面项目和采场、隧道等项目建设过程中常常会运用锚杆支护。通常而言，锚杆支护是使用聚合物件、木件或者金属件亦或其他物料加工为杆柱，打进地面岩体亦或硐室周边岩体提前打好的孔内，运用其头端、杆体的独特结构与尾端托板，亦或依托黏结性能把围岩和稳固岩体有效融合而取得补强成效、组合梁成效、悬吊成效，让其避免周边岩体形状发生变化，以实现支护的目标。

锚杆施工是一种隐秘项目作业，一般层面的锚杆施工品质是依托作业过程管控与试验检查加以管控。试验抽检侧重于锚杆物料性能检验与锚杆抗拔力检验。后者抽样检验频率通常在5%上下。依据相关探究证明，当锚杆锚固距离与锚杆直径大很多的情况下，锚杆的握裹力不会跟随锚杆锚固距离的增远而增大，当握裹力保持不变之后，实际增加的数据只是锚杆材料本身的材料强度。为此锚杆抗拔试验不能准确、可靠地体现施工情况，尤其是不能表现锚杆的注浆紧密度状况。所以在实际工程质量控制中，采用声频应力波法检测锚杆长度和锚固密实度显得愈加重要。本文结合新建渝万铁路项目的实际情况，对锚杆无损检测技术在铁路项目的应用进行探讨。

1 检测原理

本项目所涉及的锚杆直径d一般都在32mm以下，是长度L一般都在300cm以上，即L远远大于d，长径比也远超42倍经验值，锚杆支护是依赖于黏结作用将围岩与稳定岩体结合起来，和周围岩体有比较显著的弹性波波阻抗差别，为此锚杆实质上可视为弹性杆件对待。应力波在锚杆中传播的过程中考量粘滞性阻尼力的弹性波波动公式是：

其中：υ-截面的纵向位移；x，t-空间、时间坐标；γ-锚杆周围介质的阻尼系数；S-锚杆的截面积；E-锚杆材料的弹性模量；C-锚杆的纵波波速；ρ-锚杆材料的密度。在小阻尼情况下，式（1）的解可近似简化为：

其中：γ/2sρ-衰减因子，ω-无阻尼状况下的圆频率。由上个方程式可以知道，波在传播时幅值伴随传播形成，具有显著的规律性特点。通过该方程式可以知道，在传输时，波伴随传播时长的增多依照指数规律逐渐减少；γ值保持不动的情况下，S值或ρ值越小，波幅值伴随时间衰减的程度越大。

在锚杆支护体系中，锚杆端部发射的声频应力波经杆体向四周传播，在不同介质界面处发生入射、反射和透射。入射波应力为σi，反射波应力σr与透射波应力σt之间的关系分别为：式中：波阻抗Z=ρCA；ρ-介质的密度；C-介质的声速；A-介质的截面积。

由上面的方程式可知，当锚杆介质或者某个截面的大小产生变动后，入射波会在变动的地方产生透射与反射，入射波这种变化的程度和截面面积变动的大小相关。和变截面杆近似，在锚杆支护架构浇筑匀称紧密的情况下，应力波的能量大多分散到周围岩体中，占较小比例的能量进行反射，具有显著的反射规律特点。当浇筑不匀称、不紧密的时候，在不紧密之处便会产生程度不等的波阻抗变画面。体现在已有的信号中让强度各异的反射信号形成叠加效应，亦或在不应当产生反射波的地方产生反射，依据反射波地点和反射信号的程度，便能够明确锚杆锚固程度且把其进行等级划分。

2 检测方法

检测方式是运用露出部分的锚杆，在锚杆端部放置接收与发射换能器。由于锚杆介质匀称，速度保持不变，并且信号较为平稳，有利于提高检测结果的精准性。按照相关标准，锚杆施工质量的控制指标主要以注浆密实度为控制标准，《锚杆锚固质量无损检测技术规程》（JGJ/T 182—2009）规定，锚杆锚固密实度达到75%为合格。依据无损检测结果进行锚杆施工质量的锚固密实程度进行评价，将锚固密实度下述情况分为A、B、C、D四个等级：达90%以上的为A级，80%以上为B级，75%以上为C级，其余为D级。锚杆锚固质量按下述情况可分为四个等级：长度合格且密实度为A、B、C级，可评为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级；密实度为D级，或长度不合格评为Ⅳ级。

3 工程实例分析

3.1 检测仪器

根据该项目实际需要，采用声频应力波反射法对锚杆锚固质量进行无损检测，使用由声波发射接收系统、数据采集系统和数据处理系统组成的BS-Ⅰ系列锚杆锚固质量检测仪。声波发射采用了新型特殊材料发射换能器，可保证检测信号的稳定性，且发射功率可调节，能适应测量不同长度锚杆的要求。接收换能器外形精致小巧，可直接吸附在检测样品上，灵敏度高，接收频带宽。

3.2 不同锚固质量等级测试波形分析

渝万铁路全长247km，按照规范标准及设计图纸要求，对工程范围内的锚杆进行大批量抽检，共检测了5332根工程锚杆，对发现的问题及时处理、补强。路基边坡框架梁节点处长锚杆采用φ32HRB335螺纹钢制作，锚杆间距为3.0m，与水平面倾角15°～35°。建设单位至工程质量监督机构多次现场检查及检测，认为该项目的锚杆施工质量在无损检测技术的把控下，对比以往铁路项目的锚杆施工品质，有了很大程度地提升，下面陈列几个有代表性的检测波形剖析，见图1～图4。

图1对应的锚杆实际长度为6.0m，检测长度为5.99m，饱和度为90.9%，上面波形图上看不到明显的底部反射，但从检测波形可以明显看出一突变，确定为锚杆底部，波形完整、有规律且波形反射曲线没有异常缺陷反应，说明该锚杆、砂浆、和周围岩体三者之间灌注均匀密实，锚杆锚固质量很好。

图1 锚固质量为Ⅰ级的锚杆检测数据曲线

图2对应的锚杆实际长度为5.0m，检测长度为5.03m，饱和度为81.6%，锚杆底部可见反射波，波形较完整、规律，2.4处有一异常反射信号，反射信号不强，缺陷检测的位置与实际设置缺陷位置一致。说明该锚杆、砂浆、和周围岩体三者之间灌注比较均匀密实，该锚杆锚固质量较好。

图2 锚固质量为Ⅱ级的锚杆检测数据曲线

图3对应的锚杆实际长度为4.0m，检测长度为3.99m，饱和度为75.6%，锚杆底部有明显反射，波形无规律，2.9m处有一异常反射信号，缺陷反射信号强，缺陷检测位置与实际设置缺陷位置一致。说明该锚杆、砂浆、和周围岩体三者之间灌注不均匀、不密实，存在空穴，该锚杆锚固质量一般。

图3 锚固质量为Ⅲ级的锚杆检测数据曲线

图4对应锚杆长度实际为6.0m，测量长度为6.22m，饱和度为62.1%。从上面波形可以看到信号无章，毫无无规律可寻，但从检测波形可以看到在3.5m往下均信号异常，经开挖验证，该锚杆注浆效果极差，只有少了的浆液注入了锚杆底部，该锚杆锚固质量极差，不满足工程使用要求，需采取加固处理措施。

现场检测的每根锚杆的检测结果均采用原始波形图、数据处理系统处理后波形图、现场施工情况及相关设计、勘察资料相结合来判断的。从上述图中可以看出，当波形完整且成一定规律性时，我们可以判定该部位的锚杆、砂浆、和周围岩体三者之间灌注均匀密实，即锚杆的锚固质量是可靠的。当波形出现不规律的情况，上下波动且反射信号强度不同，连续的波峰或者波谷，则砂浆灌注不均匀，注浆不密实，锚杆的锚固质量差的可能性较大。

图4 锚固质量为Ⅳ级的锚杆检测数据曲线

4 结语

经多次现场开挖和拉拔试验验证，检测结果与实际情况大致相同，与预计成效相同。证明声频应力波无损检测法检测锚杆锚固距离与注浆饱和度有比较显著的应用意义，然而因为现实锚固状况较为繁杂，存在诸多影响要素，所以应当注重下述几个方面：

（1）检测之前应当对锚杆端进行有效清除，发射换能器和接收换能器距离合理尽量减少环境干扰，锚杆端部必须打磨平整、锈迹清除干净；调整外露杆体位置，外露杆体应与内锚杆杆体在一条直线上，发射换能器和接收换能器要间隔一定距离，不能直接接触；

（2）采集信号前，收集相关施工、设计和地勘资料，预估锚杆长度，设置合理的采样参数，合理的采样参数有助于采集较真实的数据，对后期进行数据处理分析有一定的帮助；

（3）锚杆支护体系内部不密实、空洞、少浆等缺陷较多的情况下应综合利用现有的数据处理手段进行系统的分析、判识，对缺陷的地点与类别进行更加准确的判断，进而对锚杆的作业品质进行契合现实状况的评判。

伴随锚杆支护技术在铁路项目中的大范围运用，其检测项目工作量逐渐增大。锚杆无损检测技术有显著的运用简便、人员所需数量少、工作效率高、检测进度快、检测成本低、检测数据准确等优点，在铁路建设中值得大力推广。