超声波法在石拱桥检测中的应用

陈承申 郝 明

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

我国在20世纪50年代修建了大量的铁路石拱桥，桥龄大部分为50年左右，这些石拱桥大多还在运营使用中，对这些石拱桥的维修检测是十分必要的。目前国内对于石拱桥的维修多是原始的技术手段，对桥体进行均匀分布注浆孔，具有盲目性，注浆处理后也不知道处理效果，还可能遗漏一些病害区域。运营中石拱桥检测是当前工程领域的一项技术难题，铁三院首次提出利用超声波技术对石拱桥开展检测工作。本文引入超声波技术，开展石拱桥的检测工作，取得了良好的效果。

1 工程概况

本次要检测的石拱桥为宝成铁路既有线在用桥梁，坐落在一个山坡上，为上个世纪50年代修建的石拱桥，年代久远。通过前期调查，桥梁两侧为石砌结构，桥体内部为填充的片石，有无浆砌不详，桥拱为砌石，波速在3.5～4.5 km/s之间。

由于年代久远，桥体内部结构出现浸水情况，导致桥体内部局部结构密实度大大下降，波速在1.5～2.5 km/s之间，存在着较为明显的波速差异，这种波速的差异存在，为本次使用超声波法提供了较好的物性条件，且桥体表面比较平整，具备开展超声波法的地球物理条件［1，2］。

2 超声波法工作原理

人们所感觉到的声音频率范围为20 Hz～20 kHz，超声波是频率大于20 kHz的机械波。目前产生超声波的方法是利用电脉冲超声波探头中的压电晶片，使其产生机械振动，并将这种振动转播到与探头接触的介质中去，就形成了超声波［3］。

超声波法检测桥身结构完整性的基本原理是:由超声脉冲发射源向桥体内发射高频弹性脉冲波，并用高精度的接收系统记录该脉冲波在桥体内传播过程中表现的波动特性及走时等相关信息［4，5］。

2.1 超声波透射波法工作原理

如图1所以，在桥体一侧激发，另一侧对应测点上布置接收探头，得到每个测点的声波曲线，从曲线中可以读取初至时间，即声波的走时，通过计算可以得到该测点的波速值;通过对整个测区的检测，可以得到每个测点的波速值，通过绘制速度等值线图可以确定桥体的病害区域。

图1 透射波法工作示意

2.2 超声波CT法

通过超声波透射波法的扫面工作，可以确定重点异常区域，然后在异常区域开展超声波CT扫描工作。如图2所示，为超声波CT法观测系统示意，激发间距和接收间距均为0.5m，可采取先固定接收探头的位置，依次在激发一侧逐个测点激发，扫面完一个排列后，将接收探头固定在下一个测点，然后再在激发一侧逐个测点激发一遍，以此类推，直至将所有接收测点扫描完，得到相应的声波曲线，读取每条CT扫描声波曲线的初至时间，通过CT反演软件处理，可得到速度等值线图［6，7］。

图2 CT法观测系统示意

3 应用实例

本次检测维修的石拱桥结构如图3所示。本文以左侧三角区为例，探讨超声波法在石拱桥检测中的应用效果(如图4所示)。将桥体两侧划分成边长为0.25m的正方形网格，网格点即为透射波法检测点，并为点位进行编号，桥体两侧的点位位置必须一一对应，即两点连线垂直桥面。

图3 石拱桥结构示意

图4 透射波法测点布置

3.1 超声波透射波法解释

在维修处理前通过超声波透射波法检测，得到速度等值线图(见图5)。成果图总体看除了在深度2.0～2.5m及右边石拱圈外延呈现高速区，相应的石拱石料完整;其他部分基本呈现小于2.8 km/s的中低速区，特别是在图上明显的可以看出两个低速区，黑色矩形框内及其附近波速小于2.6 km/s，初步判断为桥体内部岩石风化含水，松散不密实，是治理的重点区域。为了探明桥体内部分布情况，拟定在垂向－0.5m 位置布置一个CT剖面，如图5所示。

图5 超声波透射波法注浆前速度等值线

如图6所示，图中的黑色小圆圈是注浆的孔位，黑色斜线是建桥的时候铺设的隔水板。通过注浆处理，通过超声波透射波法对桥体复检，得到速度等值线图整体的速度值有很大提高，从1.4～2.8 km/s，提升到3.0 km/s以上，检测区域呈现整体性，没有明显的低速即不密实的区域。图5中的两个低速异常区也得到了很好的处理，波速显著提升，即相应的密实度得到很大提升。在左侧有一个相对低速(2.4～2.8 km/s)的区域，判断为上排左侧第一个注浆孔的注浆量不够，或者因为比较靠近隔水板，也可能是注浆孔打到了隔水板的上方，导致水泥浆无法渗入到该区域的空隙中。

3.2 超声波CT法解释

通过反演可以得到图5中AA'CT剖面的速度等值线图(如图7所示)。可以看到中间区域存在一个大范围的低速区(1.8～2.2 km/s)，通过询问现场施工人员及查阅相关资料，推断中间为原来填充的片石，经过多年的雨水渗漏冲刷及风化，结构变的比较松散，外围的一圈高速区为比较完整的砌石，反演结果与实际情况相吻合。

图6 超声波透射波法注浆后速度等值线

图8为注浆处理后AA'CT剖面的速度等值线图，与图7比较可以看出，中间大范围的低速区已经得到很好的处理，整体速度值有明显的提高，说明通过维修处理桥体内部的松散空隙得到填充，整体结构也得到加固，使桥体的强度和稳定性都有很大提升。

3.3 综合解释

通过超声波技术的应用，首先探明了桥体结构内部的速度分布情况，说明了桥体急待维修处理的必要性，通过超声波透射波法和CT法的联合应用，为制定维修处理方案提供了有力的技术支持。通过施工人员的反馈，在两个低速区的注浆量明显大于其他区域，从而证明了超声波法检测的准确性。对注浆处理后的桥体进行复检，桥体的整体波速值明显提升，反映了维修治理的效果明显。

4 结论

石拱桥的病害检测是一项复杂的技术工作，尤其是运营中的桥梁，工区干扰大，工期紧，现场施工条件非常有限，造成很多物探方法无法开展。超声波技术抗干扰能力强、精度高、设备简便、对工作环境要求低，可以在不断交、不停施工的同时开展工作，为石拱桥的维修治理提供了有力的技术支持。

(1)超声波透射波法能够对桥体整体结构进行探测，通过分析处理，可以探明桥体的主要病害区域，但是只能做定性分析，对于定量的分析处理还不成熟。

图7 注浆前超声波CT法AA'剖面速度等值线

图8 注浆后超声波CT法AA'剖面速度等值线图

(2)超声波CT法的引入，弥补了超声波透射波法无法纵向分析桥体内部结构的缺陷，通过CT扫描可以进一步掌握桥体内部结构信息。

(3)利用超声波技术对维修处理后的桥体进行复检，为检测治理效果提供了一种技术手段，同时也防止一些病害区域的遗漏。

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