李宝枝

(中交三航局第三工程有限公司，江苏 南京 210011)

0 引言

随着城市建设的迅猛发展，建筑工程行业快速成长，变革性的技术、设备得到大量应用，极大地提升了施工效率。混凝土渗水、开裂、蜂窝、麻面等问题直接影响工程质量，降低工程安全性和使用年限。

混凝土浇筑过程中，通过振捣棒振捣提高密实度，保证混凝土结构强度。受外界条件影响，振捣需人工完成，由于不同施工人员对振捣时长、间距等的控制不同，导致混凝土振捣质量不一，常出现漏振、欠振、过振等情况，影响工程质量。对振捣质量的有效控制成为亟待研究的课题，目前，工程现场仍采用监理现场监督巡查、浇筑振捣完成后测试补救的传统质量控制方法，需研究科学、有效的方法。

1 技术背景

分布式光纤传感技术是以光为载体、以光纤为媒介感知外界信号(压力、温度、应变等)的新型传感技术，激光器发出光波进入光纤，光纤受外界信号的影响，引起光波特征参数(频率、相位、光强、偏振态等)发生变化，将光波特征参数调制成信号光，信号光经探测器进行解调，经信号处理后即可获得被测参数。

分布式光纤传感技术主要基于光的反射和干涉，根据光纤内部信号性质的不同，可分为基于瑞利散射的分布式光纤传感技术、基于拉曼散射的分布式光纤传感技术和基于布里渊散射的分布式光纤传感技术；根据信号分析方法，可分为光时域反射技术、相干光时域反射技术、光频域反射技术、偏振光时域反射技术、偏振光频域反射技术等。

混凝土振捣质量与浇筑体积、振捣棒型号及振捣时长直接相关，即混凝土振捣质量与振捣能量相关。振捣作用半径与振捣棒直径有关，振捣棒直径越大，振捣作用半径越大。振捣能量被振捣作用区域吸收，振捣作用区域按圆形分布。

振捣能量E计算公式如下：

E=PoT=KPiT

(1)

式中：Po为振捣棒输出功率；T为振捣时长；K为振捣棒能量转换效率系数；Pi为振捣棒输入功率。

2 振捣质量判断依据

以太湖隧道K25+460段侧墙为例，振捣中心点与作用区域分布如图1所示。

图1 振捣中心点与作用区域分布

侧墙长5m，宽1.5m，高3.5m。钢筋分布较密，钢筋系数为1.35。混凝土坍落度为18cm，砾石为破碎状，砂为完整团状，骨料粗糙系数为3。振捣作用半径为30cm，振捣间距取1.4倍振捣作用半径，即42cm。每次浇筑高度为0.3m，浇筑体积2 250L，振捣棒直径50mm，侧墙混凝土浇筑完成所需振捣时长为1 128s，共需振捣48次，单次振捣时长为23.5s。

根据工程经验，振捣时长为20～30s时，混凝土振捣正常，因此，太湖隧道K25+460段侧墙混凝土振捣时长满足要求。

振捣棒输入功率为2.2kW，振捣棒能量转换效率系数为0.6，则侧墙混凝土浇筑完成所需振捣能量为1 488 960J，单次振捣能量为31 020J，每m3混凝土振捣能量为661 760J。

当实际振捣能量低于正常振捣能量的80%时，认为混凝土欠振，当实际振捣能量高于正常振捣能量的120%时，认为混凝土过振。太湖隧道K25+460段侧墙混凝土浇筑完成时欠振、过振对应的振捣能量分别为1 191 168，1 786 752J，单次振捣欠振、过振对应的振捣能量分别为24 816，37 224J。

采用分布式光纤传感技术监测混凝土振捣过程中是否出现欠振、过振、漏振现象，监测前输入振捣棒振捣输入功率和振捣棒能量转换效率系数。根据每个振捣区域所有监测点振幅变化情况，判断振捣开始与结束时间。

3 光纤布设要求

光纤布设时需保证圆弧段半径≥10cm，避免发生弯折损坏。光纤绑扎时尽可能贴紧钢筋，避免绑扎过紧或过松。采用三点固定法固定纵向光纤，即将圆弧弧顶、左右两侧端点作为绑扎点，如图2所示，其他部位可按0.6～0.8m间距确定绑扎点。横向光纤固定方法同纵向光纤。固定光纤过程中，如遇特殊情况，可适当增加固定点或调整固定点间距，布设完成的光纤如图3所示。

图2 光纤固定示意

图3 布设完成的光纤

4 振捣质量分析

太湖隧道南侧结构如图4所示，太湖隧道K25+460段南侧墙第2层振捣前、振捣过程中和振捣完成后混凝土状态如图5所示，将整个振捣区域平均分成1～4号区域，分别进行监测，振捣区域划分如图6所示。计算得到每个振捣区域欠振能量限值为1 588 800J，过振能量限值为2 383 200J。

图4 南侧结构

图5 混凝土状态

图6 振幅区域划分示意

完成混凝土振捣后，分布式光纤传感系统可获取结构整体振捣位置分布数据和振捣能量值，根据能量限值数据和振捣棒定位数据分析整个振捣过程，汇总得到混凝土振捣施工存在的问题(见表1)，并通知现场管理人员指导施工人员处理。当所有提示的振捣问题均得到解决后，混凝土目标块振捣完成。 监测结果表明，1～4号区域振捣时长分别为1 434.35,1 466.34，1 405.24,1 294.77s，振捣能量分别为1 893 300,1 935 600,1 854 900，1 709 100J，可知各区域振捣能量基本满足要求，未出现欠振和过振。对各区域混凝土状态进行检查，振捣结束时混凝土高度不再降低，无气泡外冒，表面趋于平滑，混凝土振捣质量较好。

表1 南侧墙混凝土振捣问题

将南折板第1层振捣区域平均分成1～4号区域(与南侧墙振捣区域划分相同)，分别进行监测，南折板混凝土振捣问题如表2所示。计算得到每个振捣区域欠振能量限值为1 986 000J，过振能量限为2 979 000J。采取补振措施后，监测结果表明，1～4号区域振捣时长分别为1 592.72，1 535.77，1 862.61，1 504.60s，振捣能量分别为2 102 400，2 027 200，2 458 600，1 986 100J，可知各区域振捣能量基本满足要求，未出现欠振和过振。

表2 南折板混凝土振捣问题

5 结语

混凝土振捣质量传统判断方法成本较高，当发现混凝土振捣问题时，仅能采取事后补救措施或将混凝土结构摧毁重建。为解决传统判断方法存在的问题，采用分布式光纤传感技术。根据光纤传感算法得到振捣棒振捣位置与振捣能量。根据混凝土欠振、过振能量限值判断振捣质量，可及时发现问题并采取补救措施，降低返工成本等。