水工洞室中锚杆质量无损检测技术研究

邵 帅

(盘锦水务集团有限公司，辽宁 盘锦 124010)

水电站地下引水发电系统主要由尾水工程、引水隧洞、地下厂房、进出水口等组成，这些结构大多需要锚杆施工，锚杆长度介于3-15m之间，洞室的安全稳定与系统工程中的锚杆直接相关，因此现场评价和控制锚杆质量极其重要。20世纪80年代为检测锚杆锚固质量最先应用了超声波技术；20世纪90年代，为了检测锚杆长度和应变，美国矿业管理局开发了顶板锚杆黏结力测定仪；1996年，中国学者王鹤龄等研制了MT-1型锚杆检测仪；2000年以来，对锚杆砂浆密实度、长度等参数的检测，国内许多学者从应力波的角度做了初步探究，并取得丰硕的成果[1-4]。针对水利工程全长黏结型锚杆的注浆密实度及其有效锚固长度，文章结合工程实践全面评价了锚杆的施工质量。

1 锚杆质量无损检测技术

1.1 应力波反射检测原理

对于直径d远<长度l且为圆柱体的工程锚杆构件，可以对锚杆利用弹性波一维杆件理论分析，周围岩(土)与砂浆、锚杆钢筋胶结成一体的波阻抗存在明显差异。所以，可以用一维弹性杆件替代锚固系统(砂浆与钢筋)，锚杆无损检测图，见图1。

依据弹性波反射原理以及应力波理论，经推导运算建立锚杆系统中弹性波的波动方程，其表达式为：

(1)

式中：u为X方向某点位；K、C为刚度系数和弹性阻尼系数；E、A为弹性模量和横截面积；Vp、t为固结波速和波的传播速度。

图1 锚杆无损检测图

1.2 注浆饱和度检测

在围岩-砂浆-锚杆体系中，注浆基本完整且砂浆饱和度较好时其波阻抗几乎无变化，当局部砂浆饱和度出现改变时则该部位底、顶界面波阻抗发生相应的变化。通过测定围岩-砂浆-锚杆中应力波传播的阻尼情况，杆低端反射信号衰减度、频域、强弱及时域等即可评定锚杆注浆饱和度。

1.3 锚杆长度检测

竖向激振钢筋端部，弹性波沿着钢筋传播并与周围砂浆产生明显波组抗界面，该条件下会产生反射波。所以，将检波器附于钢筋孔口处，可以实现对弹性波反射和传播信号的检测，通过数据分析、信号接受和放大处理等操作，能够识别来源于各部位的反射信息，利用获取的反射波走时t计算出锚杆长度，计算式为L=Vp×t/2。实际上，获取清晰可见的底端反射和确定固结速度Vp是检测锚杆长度最关键的因素，一般通过现场试验标定可以测出固结速度。

固结波速是锚杆锚固质量评价的主要参数，这是经过锚杆锚固段时激发应力波的速度，其中锚杆锚固段是围堰和锚固剂、锚杆共同组成的体系。研究表明，黏结强度越高、锚固质量越好则固结波速越低，与锚固介质的波速也就越接近；锚杆完全没有黏结或者锚固质量越差，则锚杆杆体的波速等于或更接近于固结波速。

1.4 测试方法技术

采取以瞬态为辅、稳态为主的测试方法，应用到的锚杆质量检测仪型号为JL-MG(D)型；超磁发射震源采样间隔为1μs-200μs，其连续发射时间间隔≤20ms；此外，还应用到高阻尼速度传感器、加速度传感器。采用黄油等将激振器、检波器耦合于杆侧和杆端，实测时域曲线利用仪器记录。通过准确分析实测时域曲线的相位、幅值、频谱、时域等，科学的评价锚杆质量，单体锚杆施工质量标准，见表1。

表1 单体锚杆施工质量标准

2 锚杆波形响应特征

根据技术规范和相关工艺流程现场制作20根模型锚杆，锚杆直径处于Φ25-40mm之间，选用M30强度等级砂浆。对模型锚杆人为设计一定的缺陷，为便于判别可设计成空浆缺陷。室内模型锚杆的钢筋长度取5.8-7.5m，砂浆厚度设计成40cm，不同规格锚杆模型检测结果，见表2。通过深入分析现场测试的模型锚杆波涌，确定判别锚杆缺陷的主要依据。

表2 不同规格锚杆模型检测结果

2.1 无缺陷锚杆的波形识别

该类锚杆的底端无反射或反射微弱，能量衰减快且波形规则，1#全密实模型锚杆波形图，见图2。该类锚杆的浆液与杆体的饱和度普遍达到90%，注浆密实、胶结良好且未发现空浆现象。

图2 1#全密实模型锚杆波形图

2.2 缺陷锚杆波形特征

2.2.1 内部某段空浆缺陷

该类锚杆具有不规则的波形，其空浆段前后端反射明显或波形畸形，可以确定空浆段的密实度及其长度，局部空腔锚杆波形图，见图3。

2.2.2 注浆欠密实

该类锚杆具有复杂的波形，一般难以给予准确的判断，锚杆注浆欠密实波形图，见图4：①浆液与杆体无明显空浆现象，两者能够比较均匀的胶结，但饱和度大多处于75%-90%，锚杆注浆不够密实，波形检测相对规则，8#锚杆注浆欠密实但均匀，图4(a)；②模型锚杆存在局部缺陷，钢筋附近围裹的不均匀介质将引起该部位波形畸变或产生强烈的反射波信号；③由于岩石、砂石和钢筋三者的波阻抗的差别较为明显，一般出现较明显的反射波信号，12#锚杆内部细微缺陷，见图4(b)。

(a)5#锚杆终端空浆缺陷 (b)15#锚杆前端空浆缺陷

(a)8#锚杆注浆欠密实但均匀

(b)12#锚杆内部细微缺陷

2.2.3 全脱空缺陷

该类锚杆与自由锚杆具有相似的检测波形，波形规则且反射能量衰减较慢，底部具有强烈的反射，以足够长的采集时间则可以获取多次重复反射。因此，该条件下计算波速较高接近钢筋本身波速。

2.3 实例应用

以某水电站5#施工支洞和进厂交通洞为例，无损检测锚杆质量状况。尾水洞-厂房西侧布置有进厂交通洞，进厂方式设为水平正交，工程区锚杆围堰为花岗岩，标准断面净宽7.5m，净高8.4m。

通过综合评定，某标段随机检测的30根锚杆合格及以上的有28根，所占比例达到93.3%，其中优良级锚杆16根，优良率达到53.3%；锚杆检测不合格级有2根，所占比例6.67%，锚杆无损检测成果表，见表3。

表3 锚杆无损检测成果表

综上分析，所测锚杆底部和浅部属于注浆饱和度缺陷的集中区，主要表现为基本无浆或饱和度较差等。深入分析可知，插筋时锚固剂因封堵孔口不严而出现漏损，从而导致注浆饱和度缺陷。相对于系统锚杆的合格率，随机所测锚杆相对偏低，这是由于裂隙水及洞壁岩体完整性等差异所造成的。

3 结 论

目前，锚杆质量无损检测技术在工程物探领域中的应用日趋广泛，这也体现了无损检测技术在工程检测中的应用前景、地位和作用普遍看好。另外，该方法具有数据处理方便、精度高、检测速度快、操作稳定可靠、性能良好以及操作简单等优点，检测结果可以为加固设计水工隧洞等奠定了坚实基础。

通过总结和分析模型锚杆无损检测方法，为合理评判锚杆质量缺陷确立判定标准，为进一步推广应用该方法提供了技术支持。