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A1040 MIRA 混凝土三维超声波成像仪在地铁隧路路床安全检测中的利用

1工程概况

某项目基坑施工实现后，对左近的地铁线路段进行了二次椭圆度扫描。扫描了局显示，靠近基坑侧和车辆进出处隧路的椭圆度增大6.46%、横断面的相对变形值增大8.6%、隧路沉降量增大22%、隧路收敛增大4.8%。

由地基的变形及内部应力、表部荷载的变动而产生变形和沉降，将会引起地铁线路的轨路变形，整体路床破损和开裂，路床混凝土与主体结构混凝土分离，迅速发展形成路床病害。鉴于盾构隧路变形已远远超过变形节造尺度，为保障盾构隧路结构和运营安全，2017年5月对该地铁线路段区间隧路进行了路床脱空情况的检测，检测里程共235环，约300米。

2测试设备

这次地铁隧路路床脱空情况检测，选取的设备是超声波检测设备出产厂家——俄罗斯ACSYS公司出产的超声波断层扫描成像仪MIRA A1040，由兰科博弈RankBet仪器设备中国有限公司代理并提供技术支持和售后服务。该设备选取合成孔径聚焦成像步骤(SAFT)，拥有分辨率高、能在近场区工作的利益，是超声成像领域发展起来的技术，在无损探伤领域拥有很好的利用远景。

图1 A1040 MIRA一体式主机

MIRA超声波断层扫描成像仪测试道理：

A1040 MIRA 超声波探头由4×12个干点换能器阵列和一个节造单元组成，换能器为信号发射和接管装置，可发射周期脉冲。探头内的节造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管端。上图暗示第一排换能器发射信号，其它换能器接管信号。图中显示了信号传布蹊径。尔后，下一排换能器产生信号，其右侧的换能器接管信号。此过程循环沉复，直至前11排换能器都已经引发过信号为止。

图2 A1040 MIRA 超声信号传布与接管示意图

若是构件内部的混凝土-空气界面足够大，一部门发射的超声波脉冲信号会被该缺点提前反射。由于蹊径短，由缺点反射的信号会早于构件底面反射的信号达到接管端。信号处置软件凭据每排换能器接管到的反射脉冲的达到功夫，来揣度构件内部缺点的地位。

图3 存在缺点时A1040 MIRA超声信号传布与接管示意图

MIRA超声波成像仪技术特点：

1、阵列式系统：MIRA的节造器是一个阵列式的节造器，由12个
？樽槌，每一个
？樵毯4个横波传感器。当超声波信号发出后，接受到信号的会被节造器进行处置，而后转移到电脑用相宜的软件进行处置。

2、合成孔径聚焦超声成像：通过将阵列幼探头接管的超声信号合成处置而得到与较大孔径探优等效的声学图像，对接管到的信号作适当的声时延长或相位延长后再合成得到的被成像物体的逐点聚焦的声学图像，其特点是能够获得较好的横向分辨率。

3、干耦合换能器：传统的换能器必要使用耦合剂能力与混凝土表表缜密接触。干耦合即不使用耦合剂，通过弹簧弹力实现与被测表表的耦合。使用干耦合换能器加快了检测速度，并解除了耦合剂涂抹不均匀对丈量了局的影响。

4、横波检测：固体中的声波有纵波、横波和表表波三种类型。传统步骤只利用纵波，横波和表表波携带的信息被忽略。改用横波检测有以下利益：

· 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;

· 分辨能力有所加强：鉴别越幼的细节必要的波长越短，而混凝土中横波的波长约莫是同频率纵波波长的60%;

· 缺点的反映更显著：因流体中的声波只有纵波，横波遇到欠密实、缝隙和浮泛等缺点后险些全被反射，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。用分歧的色彩暗示分歧强度的反射。也能够使用idealViwer 3D软件将在多个地位丈量的了局整合，在推算机中上天生三维图像，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，保障在不平坦表表顺利工作

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

· 测试深度：50～2000 mm

· 可充电电池，5幼时工作时长

· 每测点数据采集处置功夫：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

对在运营地铁隧路的检测必须事先向有关部门申请，并且在夜间进行，功夫紧工作量大。2017年5月别离进行了两次隧路路床安全检测。

图4 隧路检测现场

图5 用MIRA进行现场检测现场检测

首先在测试表表象征一系列平行的测线，测线间的间距必须与在Setting模式中设置的“horizontal step”一致。这次检测，综合现场有限的检测功夫和较大的工作量等现实情况，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

这次检测的地铁隧路路床选取了整体路床型式，拥有整体性强、不变性好、结构耐久、轨路几何形位易于维持蹬着点。交通粉碎从整体卤绮的结构看，其基础重要接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、表部荷载的变动而产生变形和沉降，这些成分最终将会引起地铁线路的轨路变形，整体路床破损和开裂。

A1040 MIRA现场采集的测点数据(2D图像)存储在MIRA主机中用户定名的文件夹内。测试实现后，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置。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环处卤绮的3D沉建模型。

用户能够在软件中旋转观察3D模型，也可从分歧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暗示分歧深杜纂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。下图显示地铁路床结构的3D切片视图的事俘。 C-scan中显示截面中有强烈的反射。B-scan中在100mm左右深度的地位可见3个直径80mm左右高振幅信号，显示红色，批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路。钢筋混凝土路床与底板之间(300mm-400mm)反射信号均匀、不变，未见强烈反射信号，未出现路床脱空情况。底板与隧路环片结构之间(500mm-600mm)的弧形空气分界层振幅强烈，存在显著的空气分隔界面。

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

图7为隧路320环片卤绮的3D成像图，从图中可见，右侧超声波可进入结构体，反射层清澈可见;但左侧超声波反射信号错乱、大部门能量在表层～300mm之间散射衰减掉，而无法进入混凝土体内部，反映出该环片处的路床床体质量存在肯定问题，混凝土浇注工艺较差，导致路床面层剥落、败坏情况较为显著。300环至360环之间均存在同样的问题。

图7 320环片路床B-Scan 、C-Scan、D-Scan、3D成像图(是非色谱图)

图8 320环片路床3D成像图(彩色色谱图)

5总结与思虑

1)A1040 MIRA可为构筑结构齐全性评估提供优良的检测，相对于其它混凝土超声波检测产品，MIRA优势显著，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，可能很好地用于查找混凝土、钢筋混凝土或天然石块中的表来包体、孔洞、空地、分层、充填泄露等。通过本次对地铁隧路的检测，反映该设备在隧路路床脱空情况的检测上有较好的利用。

2)与旧款MIRA相比，新款MIRA不必要进行体混凝土声速的校准，直接通过Scan模式表表可自动凭据剪切横波Cs速度进行波速推算，大大简化了测试流程。然而，现实现场工况前提多样复杂，检测对象物理个性可能不不变，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，超声波自身衰减是极度敏赣注急剧的，可能会对波速造成较大的影响。对于必要正确知路钢筋、缺点或底面地位的测试，声速极度沉要。参照这次现场检测，路床浇筑的混凝土强度等级为C28，MIRA自动推算速度为1850 m/s(剪切横波Cs)，凭据该波速，图形推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。因而建议用户测试操作前，在前提允许的情况下，如凭据设计图纸，或者其它显著的参考物进行波速标定，以切合现实工况。

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，城市导致分歧介质之间的超声波振幅无法分辨，必要分歧材质、强度的混凝土波速进行调整。这次检测色彩增益值设置为25dB，仿照增益值设置为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的超声波期数可设领域为1-9，仍旧必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。对于发射脉冲停登功夫的设置(开或关)，只有对某些检测物(非混凝土材质)超声波波速传布缓慢，或者厚度大的物件时才进行设置，通常设置为关关状态。