超声波测井仪在地下连续墙工程中的应用

李辉龙，卜云峰

(中国水电基础局有限公司，天津 301700)

近几年，在水利、桥梁、电力等地下连续墙工程项目中，对墙体有效厚度和垂直度的要求越来越高，而对上述两项的控制和检测，在保证机械设备本身的规格要求前提下，主要采用超声波测井仪对墙体有效厚度和垂直度进行监控。

已完工的江苏润扬公路长江大桥北锚碇和武汉阳逻长江大桥南锚碇地下连续墙工程以及正在施工的南水北调中线穿黄工程北岸钢筋混凝土竖井和上海500 kv静安世博输变电地下连续墙工程，都采用了超声波测井仪对墙体有效厚度和垂直度进行控制和检测，对地下连续墙的施工起到了很好的指导作用，为确保地下连续墙施工质量奠定了坚实的基础。

1 超声波测井仪的构造及检测原理

1.1 主要构造及组成

DM684型超声波测井仪主要由孔口装置和控制面板两部分组成，前者用于安装传感器及其电缆和承载钢丝等，后者用于控制传感器提升、下放及停止、打印测量记录、调整图谱效果和设置测量参数等。两部分由数据线相连。

1.1.1 孔口装置

如图1所示，孔口装置主要由电缆绞轮、钢丝绞轮、传感器、数据线接口、限位器和钢框架组成。其中电缆绞轮所缠绕的黑色电缆线用于传感器电源和采集数据传输，该电缆线一端与传感器相连，另一端与数据线接口相连;钢丝绞轮共有两个，分别在限位器左右两侧，且同步转动，选用Φ2无钮矩钢丝绳提升和下放传感器，以免电缆线承重受损;传感器由水平横梁和钢丝吊起，保证其铅垂，该传感器共有4个方向的信号发射源，分别为 X、X’、Y、Y’，标识于限位器外壳上，可以同时测量前、后、左、右4个方向，并对应控制面板上的记录纸打印各方向的测量结果，即图谱;数据线接口为15针插孔，位于装置侧面，用于连接控制面板与孔口装置，以供给传感器电源和数据传输;限位器位于传感器上方，有两个限位开关，一个用于传感器提升限位，一个用于传感器下放至孔底后自动停止;钢框架用固定和防护各部件。装置侧面安装一套固定传动比的齿轮，用链条相连，由限位器内的马达提供动力，以实现钢丝绞轮和电缆较轮的同步运动。

1.1.2 控制面板

如图2所示，控制面板主要由左、中、右三部分组成，左侧为电源控制部分，右侧为测量参数设置部分，中间为测量记录部分。共有9个旋钮和4个开关，其名称和主要用途见表1。

图1 DM684型超声波测井仪孔口装置

图2 DM684型超声波测井仪控制面板

DM684型超声波测井仪通过信号电路由传感器向待测孔壁发射脉冲信号，再通过振荡电路对待测孔壁反射的信号进行处理，并直接将处理后的信号传送至记录笔，由记录笔打印待测孔壁的图谱。

1.2 检测原理

2 检测及保养

2.1 检测过程

1)超声波测井仪运至现场开始使用前，应做空气介质校准检测，其方法是在地表将孔口装置架高约1m，在传感器四周约60cm处放置四块同规格的光滑木板(亦或是钢板，作为假定孔壁)，下放传感器，打印检测记录，调整初始记录校准旋钮(CALIBRATION)，校准图谱间距与预设标记线接近，调整图谱套钮(STC和GAIN)，使图谱清晰连续。

表1 DM684型超声波测井仪控制面板各部件组成及用途表

2)在导墙上放置两块承台板，间距70cm左右，将超声波测井仪的孔口装置放于承台板之上，使传感器位于导墙中心，调平稳定。

3)将超声波测井仪的控制面板部分放于离孔口装置约5m的位置，保证操作人员能够看清传感器，以便控制传感器的运动。

4)在控制面板上设置检测参数，主要包括测量半径及辐度、走纸速度和宽度标记，检查控制面板上所有开关均位于关闭状态，所有旋钮均处于最小位置。

5)连接孔口装置和控制面板之间的数据线，该数据线为15针对接插线，连接和断开时注意保持针头与插孔平行，并定时清理污物，保持清洁。

6)将控制面板上的所有开关均置于关闭状态，除初始记录校准旋钮、测量半径(辐度)旋钮和走纸速度旋钮为预先设定外，其他可调旋钮均置于最小位置。

7)连接控制面板主电源，打开左上方主电源开关，此时电压表显示工作电压110 V，将传感器动作开关(WINCH)拔至DOWN位，右旋传感器运动速度旋钮(SPEED)至3档，此时传感器开始向下运动。

8)当传感器下放至槽口时，将记录笔电源开关(RECORDER POWER)拔至ON档，此时记录笔开始打印孔壁图谱，调整图谱套钮(STC和GAIN)，使图谱清晰连续。

9)当传感器下放至孔底时，由限位器控制传感器自动停止，将记录笔电源开关拔至 OFF档，传感器动作开关(WINCH)拔至STOP位，此时记录笔停止记录。

10)检查打印记录，若图谱清晰连续，可将传感器动作开关(WINCH)拔至UP位，提升传感器至孔口，若图谱效果不好，可将记录笔电源开关(RECORDER POWER)拔至ON档，传感器动作开关(WINCH)拔至UP位，实现自下而上检测。

11)为消除泥浆浮力对检测效果的影响，通常采用自下而上的方法检测，同时，为减少泥浆中的气泡或有机物形成的气层对发射波的屏蔽作用，建议施工设备从孔内提出后，静置15min后再开始用超声波测井仪进行检测。

2.2 仪器保养维护

1)传感器提出孔口后，左旋传感器运动速度旋钮(SPEED)至1档，降低传感器提升速度，使之缓慢接触限位器开关，实现自动停止。

2)用清水冲洗干净电缆绞轮、钢丝绞轮和传感器，用限位器两侧的挂钩吊起传感器，使承重钢丝处于松驰状态，断开主电源，拔掉数据电缆并清洗干净。

3)检测结束后，用湿布擦净控制面板上的污垢和泥浆，保持各开关、旋钮和记录笔干净清洁，给孔口装置上所有轴承涂上黄油和润滑油进行保养。

4)将孔口装置的外钢架和控制面板箱擦洗干净，放置在水平干燥的地方，有条件的应放在指定的办公室内，避免风吹日晒。

5)在任何时候切断电源之前，必须确保控制面板的所有开关均处于关闭状态。

6)超声波测井仪属精密仪器，应轻拿轻放，搬运时避免撞击。

3 数据分析及对施工的指导

3.1 数据分析

超声波测井仪最终的成果是测量记录，即被测槽壁的图谱及相关数据，包括测量孔深、设计孔宽(墙厚)和打印比例等。数据分析就是对超声波测井仪打印的测量记录进行计算分析，从而得出被测孔壁的各深度偏差值及相应垂直度(即孔斜率)，用以判断被测孔壁是否满足设计要求，同时指导施工设备如何进行纠偏。

3.2 对施工的指导作用

实际施工过程中，根据槽段长度可以对已成槽孔前后和两端的孔壁进行检测，以判断该槽孔各单孔的垂直度。现以上海500 kV静安世博输变电地下连续墙工程为例，选取具有代表性的一期槽孔和二期槽孔检测的图谱，分析检测记录反映的槽孔情况以及对下一步造孔施工的指导作用。

该工程地下连续墙呈圆周型，墙体外边直径130 m，设计墙厚120 cm，设计墙深57.5 m，设计槽孔垂直度≤1/600。成槽选用液压抓斗和液压双轮铣，分一、二期施工，下设钢筋笼，墙体连接采用工字钢刚性接头，工字钢焊接在一期槽孔钢筋笼两端，根据施工设备性能结合钢筋笼重量，一期槽孔长6.2 m，二期槽孔长6.5 m。地下连续墙轴线区域地层主要为上部黏土层和下部砂层，上部黏土层由液压抓斗分三抓直接抓取，下部砂层由液压双轮铣铣分三铣削至孔底。施工过程中采用膨润土泥浆护壁，成槽验收合格后采用液压双轮铣正循环清孔换浆。成槽验收前，对槽孔的孔形(孔宽、墙厚、垂直度等)使用DM684型超声波测井仪进行自检，一期槽孔检测3个断面，如图3所示，共检测A～H共8个方向的孔壁情况，A、B、C、D、E 和 F 方向分别为1、2、3 号单孔位置前后孔壁，G和H方向为原状地层，检测这两个方向以保证有效的槽孔长度和钢筋笼顺利下放至孔底。二期槽孔检测3个断面，如图4所示，检测A～F共6个方向的孔壁情况，G和H方向为工字钢接头，检测这两个方向的主要目的是检测工字钢的垂直度、判断一期槽孔浇筑混凝土是否会产生绕流和调整二期钢筋笼尺寸。

槽孔施工过程中，按照施工细则要求对单孔进行限孔深检测，即在单孔成槽每10 m检测一次，发现偏斜立刻进行纠偏处理，终孔验收前进行整孔检测做为验收资料存档。一期槽孔检测情况如图5所示，图中每条竖线间距代表实际10 cm(可以根据实际需要通过控制面板上的SHIFT旋钮调整该比例)，每条横线间距代表实际5 m(可见左侧孔深标记)。

从图6可以看出，传感器位于槽孔中心线上，距离设计孔端70 cm，检测深度为35 m，孔端图谱显示，该孔自孔深10 m处开始向槽孔内偏斜，至35 m处偏斜30 cm，计算垂直度约为1/117，已经超出设计要求，需对该槽孔进行纠偏，槽壁图谱显示，该孔右侧孔壁自孔深10m处向左侧偏斜，至35 m处偏斜10 cm，计算垂直度约为1/350，超出设计要求，需纠偏。如图6所示，液压抓斗在导板前后左右共安装12块纠偏板，其中前后各4块，左右各2块，纠偏板由液压油缸控制伸出和收回。对于上述槽孔孔端纠偏，应将斗体放至10 m后，伸出4号和5号纠偏板，使整个斗体上部向左倾斜下部向右倾斜，从而对右侧孔端进行强制纠偏。对于前后槽壁的纠偏，应将斗体放至10 m后，伸出1号和2号纠偏板，同时伸出7号和8号对面的纠偏板，使整个斗体上部向右倾斜下部向左倾斜，从而对右侧孔壁进行强制纠偏。当孔深超过35 m以下发生偏斜时，由液压双轮铣进行纠偏，其纠偏原理同液压抓斗相同，仅在纠偏所需区间上有所不同，这与二者的导板长度有关，液压抓斗在5 m左右，液压双轮铣在12 m左右。

二期槽孔检测情况见图7所示，从图中可以看出，传感器位于槽孔中心线上，距离设计工字钢接头60 cm，检测深度为57.5 m，工字钢接头图谱显示，相邻一期槽孔钢筋笼下设时向左偏斜，同时工字钢整体发生弯曲变形，自孔深36 m至43 m段内有近40 cm混凝土绕流，需使用冲击钻机对其进行处理，处理时应注意工字钢整体向左偏斜，纠偏前可以在冲击钻具上焊接导向定位，以保证钻具冲击时稳定，有效冲击绕流混凝土，提高处理速度。槽壁图谱显示，该孔左侧孔壁自孔深30 m至36 m处槽壁有近20 cm突起，而相对应的右侧槽壁比较平滑，加之该段为淤泥质黏土层和砂层的交界带，因此，可以初步判断该段发生缩孔，为保证钢筋笼的顺利下设，需使用液压铣对该段进行处理，将铣头放至30 m后，降低铣头转动和下放速度，缓慢铣削，直到36 m左右即可停止。

4 经验及建议

1)超声波测井仪是目前对孔壁检测较为准确的仪器，仪器本身虽然存在测量误差，加之该仪器无法直接计算孔壁垂直度，需由检测人员手工量取图谱尺寸计算，难免会出现不同人员计算出不同的孔壁垂直度的现象，但完全可以作为指导施工的依据。

2)被测槽孔泥浆的比重对超声波测井仪的测量有过程中一定影响，根据本工程经验，如果泥浆比重＞1.20 g/cm3，打印的图谱会发黑并含有大量砂点，通过调整声波强度可以减少砂点，但若效果仍不理想，就必须减小泥浆比重或直接更换新泥浆。

3)根据本工程测量实践，施工设备刚提出槽孔后，不适宜马上进行测量，因为此时泥浆中会含有气泡或地层中含有大量的有机物而形成气层，导致声波无法透过此气层而被屏蔽，在记录图谱上会呈现麻点状或空白区使记录模糊不清，通常可静置10～15 min后再测量。

图3 一期槽孔检测工况图

图4 二期槽孔检测工况图

图5 一期槽孔检测图谱

图6 液压抓斗纠偏装置

图7 二期槽孔检测图谱(二)