超声波检测在地下连续墙施工中的应用.doc

超声波检测在地下连续墙施工中的应用摘要：近年来，地铁、房建、矿山、水利水电等大型工程建设迅速，地下连续墙因其施工震动小，噪音低，墙体刚度大，防渗效果好，对周边环境影响小而在这些工程的深基础施工中被广泛应用，地下连续墙的施工技术和工艺水平在不断地提高。同时，由于施工控制的不当，地下连续墙成槽垂直度偏差较大、接缝夹泥、渗水也是较普遍的现象，如何加强成槽过程控制和检测，及时处理槽段垂直度偏差和夹泥，成为急需解决的问题。正是在这种背景下，超声波检测技术被引入到地下连续墙成槽施工检测中来，它能够较准确地反映槽段的形状、垂直度，有效地防止偏挖，有针对性的进行接头隐患的处理，确保了地下连续墙的顺直和防渗性能，其成功应用得到业内的普遍认可。关键词：地下连续墙 超声波检测 1. 工程背景本工程为南京地铁X号线XXX站，包含XXX站主体及附属土建工程。车站总建筑面积为12023.9，共设2座风亭和3座出入口。车站外包总长200.0m，标准段总宽19.6m，车站主体基坑埋深17.28m至19.52m，均采用明挖顺做法施工。新浦路站主体围护结构采用地下连续墙。地下连续墙厚度均为800mm，标准段深度31.54m，两端盾构井地下连续墙深度31.97m。连续墙接缝采用H型钢接头，共分为80幅槽段施工，总施工长度460m，其中包括5m幅、5.5m幅、6m幅及L、Z异型幅等槽段。本工程选用BAUER GB34型液压成槽机成槽，成槽贯穿杂填土、素填土、淤泥质粉质粘土、粉砂粉土、粉细砂等土层。本工程采用UDM100Q型号超声波检测仪对地下连续墙的施工进行检测、指导，确保其施工质量。2. UDM100Q超声波检测仪介绍2.1 主要技术指标测量精度：0.2%FS；测量范围：0.5m - 4.0m；（实际测量距离与泥浆密度、孔壁软硬等因素有关）最大测量深度：100m（100Q）,150m (150Q)；检测方向：XX,YY四个方向；最大深度分辨率：5mm；绞车起降速度：0-20m/min；显示器：笔记本电脑；记录方式：彩色图像、数据文件；输出方式：普通（彩色）激光打印机、移动存储体：U盘或其它；工作温度：050；储存环境温度：-2060；电源：220Vac/50Hz 功率；功率：小于600VA。22 各组成装置UDM100Q 型超声波检测仪主要由数控绞车和主机（UDM100Q 控制器）、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。2.2.1 数控绞车如图2-1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2 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。图2-1 UDM100Q 型超声波检测仪数控绞车2.2.2 主机如图2-2所示，主机主要由控制箱和笔记本电脑组成，主机负责接收和处理由传感器反馈回来的振荡电路信号。笔记本负责将外理后的信号通过专用软件分析、转化为我们可以直观的识别出来的示图，并保存和打印其图谱。图2-2 UDM100Q 型超声波检测仪主机2.3 检测原理超声波（或者声波）在固体、流体和气体介质中传播，其传播的速度与介质的特性有关；在非均匀介质中传播时，会产生反射和透射现象；在2种不同介质的分界面上，超声波会发生反射和透射，其中有一部分声波能量会被反射，而另一部分能量则穿过界面继续前行。正由于超声波有这样的特性，所以，超声波常常被用于无损探伤或工业检测方面，故可用超声波这种特性来检测地下连续墙墙壁和接头的顺直情况。UDM100Q 型超声波检测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笔记本电脑，由电脑通过专用软件分析、转化为我们可以直观的识别出来的图谱。3. 检测过程1)超声波检测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)，调整初始设置，校准图谱间距与预设标记线接近，使图谱清晰连续。2)在导墙上放置两块承台板，间距70cm 左右，将超声波检测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)将超声波检测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)开机在检查确认数控绞车电缆、控制器上的鼠标、键盘、电源电缆等连接正确之后可以开机开始测量。打开控制箱上的电源开关，电源开关中的指示灯亮时，控制器开始上电启动。UDM100Q 系列超声波钻孔检测仪是一套基于Windows 操作系统的电脑化数控设备。5)启动测量软件UDM100Q 系列超声波钻孔检测仪在出厂前已将操作系统和测量软件安装在控制器的硬盘上。打开电源后，UDM100Q 首先要引导Windows操作系统及其相应的工具软件。等待WINDOWS 引导完成后，UDM100Q直接进入测量控制软件界面：UDM100Q。UDM100Q的图标如下：图3-1 UDM100Q 系列超声波检测仪的操作控制软件的启动页面如图3-2：图3-2 超声波检测仪的操作控制软件的启动页面出现上面的页面后任意点击屏幕上的任何地方或者等待一会儿，屏幕上会出现UDM100Q 的操作界面：如图3-3，表明UDM100Q的操作软件已顺利加载到了UDM100Q 的电脑系统，图3-3 UDM100Q 操作控制软件操作界面6)设置测量参数并开始测量进行测量设置，对槽段编号、槽深、幅宽、近距离噪声、传感灵敏度、文件储存位置等一系列参数进行设置。然后点击右下角测量选项开始检测。7)回放并结束检查至设计深度后停止，点击回放继续反方向检测，传感器到顶后结束。8)分析检测结果4. 数据分析及其应用4.1 数据分析超声波检测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检测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。4.2 超声波的特点1）超声波声束能集中在特定的方向上，在介质中沿直线传播，具有良好的指向性。2）超声波在介质中传播过程中，会发生衰减和散射。3）超声波在异种介质的界面上将产生反射、折射和波型转换。利用这些特性，可以获得从缺陷界面反射回来的反射波，从而达到探测缺陷的目的。4）超声波的能量比声波大得多。5）超声波在固体中的传输损失很小，探测深度大，由于超声波在异质界面上会发生反射、折射等现象，尤其是不能通过气体固体界面。如果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷(缺陷中有气体)或夹杂，超声波传播到金属与缺陷的界面处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的荧光屏上就会显示处不同高度和有一定间距的波形。可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件重的深度、位置和形状。4.3 超声波在地下连续墙施工中的应用1）利用超声波可以准确反映出地下连续墙的槽壁垂直度。2）通过超声波检测可以侧面反映出槽壁内泥浆质量情况。3）应用超声波检测可以探测地下连续墙接缝的质量。5. 超声波在地铁站地下连续墙施工中的应用实际施工过程中，根据槽段长度可以对已成槽孔前后和两端的槽壁进行检测，以判断该槽段整体垂直度。现以新浦路站地下连续墙工程为例，选取具有代表性的幅槽检测图谱，分析检测记录反映的槽孔情况以及对下一步成槽施工的指导作用。5.1 XXX站地下连续墙施工方法介绍该工程地下连续墙呈环绕型，墙体总周长460m，设计墙厚80 cm;设计槽宽分别为5m、5.5m和6m;设计墙深31.53m33.77m，规范要求槽孔垂直度1/300,即不大于10.511.2cm,成槽选用BAUER GB34型液压抓斗，单孔成槽宽度2.8m，每幅地连续需进行左、右、中三抓完成，墙体连接采用H型钢刚性接头，其中首开幅钢筋笼的两端各焊接一根H型钢，连接幅仅在一端焊接，闭合幅不焊接H型钢。地下连续墙轴线区域地层主要有杂填土、素填土、淤泥粉质粘土、粉砂粉土、粉细砂等土层。施工过程中采用膨润土泥浆护壁，成槽验收合格后采用泥浆泵正循环清孔换浆。5.2 超声波在成槽完成验收工作中的应用成槽完成后要对槽孔的孔形( 孔宽、墙厚、垂直度等)使用UDM100Q型超声波检测仪进行验收，首开幅槽孔共检测3 个断面和两个方向的原状地层，如图5-1 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。连接幅G 和H方向有一侧为H型钢接头，另一侧为原状土，检测这两个方向的主要目的是检测H型钢的垂直度、判断先进幅槽孔浇筑混凝土是否产生绕流及挖槽总宽度，是否能保证钢筋笼及接头箱的顺利下放。闭合幅G 和H方向均为H型钢接头，检测两侧H型钢的垂直度、判断H型钢的刷壁是否彻底有无泥块或绕流砼附着。图5-1首开幅检测断面图5-2连接幅检测断面图5-3闭合幅检测断面槽孔施工过程中，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。以图5-4为例，图中每条竖线间距代表实际40 cm(可以根据实际需要通过测量设置调整该比例)，每条横线间距代表实际1 m( 可见左侧孔深标记)。传感器位于槽孔中心线上，距离设计孔端50 cm，检测深度为31.53 m，孔端图谱显示，该孔自孔深2m处开始向槽孔内偏斜，至10 m处偏斜5 cm，但10m后对该槽孔进行了纠偏，10m后未出现大的偏斜;该孔右侧孔壁至孔底一直保持垂直。H型钢接头图谱显示，相邻槽孔钢筋笼下设时H型钢基本保持垂直，但自孔深28 m至底段内有近20cm混凝土绕流，需成槽机更换铲壁器对其进行铲除。槽壁图谱中心线H型钢图谱孔深刻度图5-4 WS19 槽幅超声波图谱6. 施工过程中发生的问题及处理措施6.1 槽壁局部塌孔塌孔处图6-1 WN10槽段局部塌孔超声波图谱在进行WN10槽段第一抓成槽施工过程中，挖至10米深的位置进行了AD断面超声波检测，检测图谱见图6-1，由图谱右侧Y-Y断面分析可得出以下结论：1） 槽壁的垂直度较好。2） 槽宽普遍扩大，扩大约35cm。3） 在2.54米的深度内外侧槽壁均出现较大的塌孔现象，塌落原状土厚度约10cm40cm。在地下连续墙施工中，塌孔是成槽质量控制的要点，严重的塌孔不仅会造成混凝土浪费，也是围护结构侵限的主要隐患之一。原因分析：经技术人员对现场土质进行分析，发现3米深的位置有一层回填片石层，这一片石层是造成塌孔的主要原因。处理措施：对此幅槽段已开挖部分全部进行回填 ，回填材料采用粘土和双快水泥以3：1的比例均匀拌制，回填土要进行分层压实，此幅槽段至少停置48小时后再进行成槽。6.2 槽壁倾斜开始偏斜图6-2 WS4槽段槽壁倾斜超声波图谱在WS4槽段第一抓成槽施工过程中，挖至15米深的位置进行了AD断面超声波检测，检测图谱见图6-2，由图谱右侧Y-Y断面分析可知：该槽壁在成槽至8m的位置开始逐渐出现整体偏移，至15m深度时偏移量达到10cm。槽壁偏斜对地下连续墙幅段之间的连接、墙体受力的稳定性和围护结构的内净空都会造成很不利的影响。原因分析：经现场调查发现成槽机上的自动纠偏装置出现故障，成槽过程自身无法进行正常的成槽探测和纠偏处理，从而导致槽壁倾斜难以控制。处理措施：立即停止成槽作业，对故障器件进行深入检查，损坏的部件及时更换，直至修理完好恢复施工。首先对已发生偏移的槽壁进行修孔，剩余孔壁进行纠偏保证其垂直度。6.3 H型钢表面附着绕流混凝土有附着物 图6-3 WS23槽段H型钢附着绕流砼超声波图谱H型钢混凝土绕流现象在地下连续墙施工过程中较为常见，对地下连续墙接头质量有着相当大的影响，是地下连续墙接头渗漏水的主要祸源。图6-3所标注的波段凸出的位置分析为混凝土绕流所致。混凝土绕流可通过成槽机反复铲壁及刷壁器刷壁清除，但清除工作所需时间较长，需进行多次检测，直至清除彻底为止。6.4 泥浆比重、粘度、含沙率等指标超标图6-4 WS9槽段受泥浆严重干扰超声波图谱上面图谱6-4是检测过程中发现波段颜色深浅差别较大、显示紊乱、与所检测结构构造不符的图谱，经技术人员对该幅泥浆指标进行实验检查，发现泥浆比重大于1.3,泥浆含砂率大于4%，经过换浆处理后，泥浆指标符合标准，同时，二次检测图谱波段显示清晰直观，图谱恢复正常。7. 优质槽段超声波检测图谱展示图7-1 WE3优质槽段超声波图谱图7-2 WE9优质槽段超声波图谱8. 超声波检测仪器保养与维护1) 传感器提出孔口后，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)超声波检测仪属精密仪器，应轻拿轻放，搬运时避免撞击。9. 经验及建议1)超声波检测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，但趋势分析基本一致，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检测仪的测量有一定影响，根据本工程经验，如果泥浆比重 1.20g/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。