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A1040 MIRA 混凝土三维超声波成像仪在地铁隧道道床清静检测中的应用

1工程概况

某项目基坑施工完成后，对周围的地铁线路段举行了二次椭圆度扫描。扫描效果显示，靠近基坑侧和车辆收支处隧道的椭圆度增大6.46%、横断面的相对变形值增大8.6%、隧道沉降量增大22%、隧道收敛增大4.8%。

由地基的变形及内部应力、外部荷载的转变而爆发变形和沉降，将会引起地铁线路的轨道变形，整体道床破损和开裂，道床混凝土与主体结构混凝土疏散，迅速生长形成道床病害。鉴于盾构隧道变形已远远凌驾变形控制标准，为包管盾构隧道结构和运营清静，2017年5月对该地铁线路段区间隧道举行了道床脱空情形的检测，检测里程共235环，约300米。

2测试装备

此次地铁隧道道床脱空情形检测，接纳的装备是超声波检测装备生产厂家——俄罗斯ACSYS公司生产的超声波断层扫描成像仪MIRA A1040，由菠菜担保网仪器装备中国有限公司署理并提供手艺支持和售后效劳。该装备接纳合成孔径聚焦成像要领(SAFT)，具有区分率高、能在近场区事情的优点，是超声成像领域生长起来的手艺，在无损探伤领域具有很好的应用远景。

图1 A1040 MIRA一体式主机

MIRA超声波断层扫描成像仪测试原理：

A1040 MIRA 超声波探头由4×12个干点换能器阵列和一个控制单位组成，换能器为信号发射和吸收装置，可发射周期脉冲。探头内的控制单位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吸收端。上图体现第一排换能器发射信号，其它换能器吸收信号。图中显示了信号撒播路径。以后，下一排换能器爆发信号，其右侧的换能器吸收信号。此历程循环重复，直至前11排换能器都已经引发过信号为止。

图2 A1040 MIRA 超声信号撒播与吸收示意图

若是构件内部的混凝土-空气界面足够大，一部分发射的超声波脉冲信号会被该缺陷提前反射。由于路径短，由缺陷反射的信号会早于构件底面反射的信号抵达吸收端。信号处置惩罚软件依据每排换能器吸收到的反射脉冲的抵达时间，来推断构件内部缺陷的位置。

图3 保存缺陷时A1040 MIRA超声信号撒播与吸收示意图

MIRA超声波成像仪手艺特点：

1、阵列式系统：MIRA的控制器是一个阵列式的控制器，由12个？樽槌，每一个？榘4个横波传感器。当超声波信号发出后，接受到信号的会被控制器举行处置惩罚，然后转移到电脑用合适的软件举行处置惩罚。

2、合成孔径聚焦超声成像：通过将阵列小探头吸收的超声信号合成处置惩罚而获得与较大孔径探头等效的声学图像，对吸收到的信号作适当的声时延迟或相位延迟后再合成获得的被成像物体的逐点聚焦的声学图像，其特点是可以获得较好的横向区分率。

3、干耦合换能器：古板的换能器需要使用耦合剂才华与混凝土外貌细密接触。干耦合即不使用耦合剂，通过弹簧弹力实现与被测外貌的耦合。使用干耦合换能器加速了检测速率，并消除了耦合剂涂抹不匀称对丈量效果的影响。

4、横波检测：固体中的声波有纵波、横波和外貌波三种类型。古板要领只使用纵波，横波和外貌波携带的信息被忽略。改用横波检测有以下优点：

· 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;

· 区分能力有所增强：识别越小的细节需要的波长越短，而混凝土中横波的波长约莫是同频率纵波波长的60%;

· 缺陷的反应更显着：因流体中的声波只有纵波，横波遇到欠密实、误差和朴陋等缺陷后险些全被反射，其反射系数大于纵波。

5、成像显示：数据收罗获得的实时二维图像。用差别的颜色体现差别强度的反射。也可以使用idealViwer 3D软件将在多个位置丈量的效果整合，在盘算机中上天生三维图像，直观。

手艺参数：

· 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，包管在不平整外貌顺遂事情

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

· 测试深度：50～2000 mm

· 可充电电池，5小时势情时长

· 每测点数据收罗处置惩罚时间：不大于3 s

· Idealviewer软件用于3 D成像

· 事情温度 -10°C至50°C

3现场测试

对在运营地铁隧道的检测必需事先向相关部分申请，并且在夜间举行，时间紧事情量大。2017年5月划分举行了两次隧道道床清静检测。

图4 隧道检测现场

图5 用MIRA举行现场检测现场检测

首先在测试外貌标记一系列平行的测线，测线间的间距必需与在Setting模式中设置的“horizontal step”一致。此次检测，综合现场有限的检测时间和较大的事情量等现真相形，测线间距设置为200mm。另一组与测线笔直的线的间距设置为100mm，也必需与装备中的“vertical step”一致。

4数据剖析

此次检测的地铁隧道道床接纳了整体道床型式，具有整体性强、稳固性好、结构耐久、轨道几何形位易于坚持等优点。交通破损从整体道床的结构看，其基础主要遭受的是车体的重复作用，线路的主体结构由于地基的变形及内部应力、外部荷载的转变而爆发变形和沉降，这些因素最终将会引起地铁线路的轨道变形，整体道床破损和开裂。

A1040 MIRA现场收罗的测点数据(2D图像)存储在MIRA主机中用户命名的文件夹内。测试竣事后，将MIRA中的数据导入到装有idealViwer 3D软件的条记本电脑中举行处置惩罚。idealViwer软件将2D图像拼接成被测结构的3D模子。如图6所示为地铁240环处道床的3D重修模子。

用户可以在软件中旋转视察3D模子，也可从差别的正交偏向以切片方法视察模子。三个正交偏向的视图都有正式的名称。C-scan体现差别深度与Z轴笔直的平面，即反射体的水平视图;B-scan是由MIRA在测试时直接爆发的图像，是与测线偏向笔直的平面;D-scan是与B-scan笔直的平面。用户可在3D模子特定的切片模式视察模子：沿Z轴视察C-scan，沿Y轴视察B-scan，沿X轴视察D-scan。下图显示地铁道床结构的3D切片视图的实例。 C-scan中显示截面中有强烈的反射。B-scan中在100mm左右深度的位置可见3个直径80mm左右高振幅信号，显示红色，指示此处很有可能保存内部中空的埋设管线，比照设计图纸确为预埋设的管道。钢筋混凝土道床与底板之间(300mm-400mm)反射信号匀称、稳固，未见强烈反射信号，未泛起道床脱空情形。底板与隧道环片结构之间(500mm-600mm)的弧形空气分界层振幅强烈，保存显着的空气脱离界面。

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

图7为隧道320环片道床的3D成像图，从图中可见，右侧超声波可进入结构体，反射层清晰可见;但左侧超声波反射信号杂乱、大部分能量在表层～300mm之间散射衰减掉，而无法进入混凝土体内部，反应出该环片处的道床床体质量保存一定问题，混凝土浇注工艺较差，导致道床面层剥落、损坏情形较为显着。300环至360环之间均保存同样的问题。

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

图8 320环片道床3D成像图(彩色色谱图)

5总结与思索

1)A1040 MIRA可为修建结构完整性评估提供优异的检测，相关于其它混凝土超声波检测产品，MIRA优势显着，可检测厚度更大的钢筋混凝土构件，提供区分率更高的剖析图像，能够很好地用于查找混凝土、钢筋混凝土或自然石块中的外来包体、孔洞、逍遥、分层、充填泄露等。通过本次对地铁隧道的检测，反应该装备在隧道道床脱空情形的检测上有较好的应用。

2)与旧款MIRA相比，新款MIRA不需要举行体混凝土声速的校准，直接通过Scan模式外貌可自动凭证剪切横波Cs速率举行波速盘算，大大简化了测试流程。然而，现实现场工况条件多样重大，检测工具物理特征可能不稳固，如混凝土的大骨料泛起沉淀下部，混凝土表层性子不均一或者保存杂质，超声波自己衰减是很是敏感、快速的，可能会对波速造成较大的影响。关于需要准确知道钢筋、缺陷或底面位置的测试，声速很是主要。参照此次现场检测，道床浇筑的混凝土强度品级为C28，MIRA自动盘算速率为1850 m/s(剪切横波Cs)，凭证该波速，图形盘算获得底板空气反射层深度约为500mm;比照设计图纸，底板深度为550mm，此时应该对波速举行调解，手动输入2050m/s的波速。因此建议用户测试操作前，在条件允许的情形下，如凭证设计图纸，或者其它显着的参考物举行波速标定，以切合现实工况。

3)关于各参数的设置，首先，增益值的选择，色彩增益值过高或者过低，都会导致差别介质之间的超声波振幅无法区分，需要差别材质、强度的混凝土波速举行调解。此次检测色彩增益值设置为25dB，模拟增益值设置为27dB。关于其它强度的混凝土，可在此分贝值基础上举行微调。期数的选择，A1040 MIRA的超声波期数可设规模为1-9，依旧需要跟检测物的性子举行选择，关于混凝土这种材质性子，期数值需设置为1.0。关于发射脉冲停马上间的设置(开或关)，只有对某些检测物(非混凝土材质)超声波波速撒播缓慢，或者厚度大的物件时才举行设置，通常设置为关闭状态。