钢壳沉管和钢筋混凝土沉管是沉管隧道的2种基本结构形式, 其中钢壳沉管在美国、日本应用较多, 钢筋混凝土沉管在西欧国家应用较多^[1]。钢壳沉管主要优势在于施工便利、抗震性能好^[2]。钢壳沉管一般采用加劲钢板制成封闭的若干舱室, 通过预留浇筑孔浇筑自密实混凝土, 自密实混凝土利用自身流动性填充钢壳舱室^[3]。钢壳沉管内不布置钢筋, 因此混凝土内部的密实性一般可以得到保证。但由于存在加劲肋, 且自密实混凝土流动性差、浇筑时排气不畅、收缩等原因, 钢壳与混凝土间可能存在脱空现象, 影响二者协同受力, 形成质量缺陷。因此, 钢壳沉管预制完成后须对脱空深度进行检测, 以保证钢壳与混凝土间的密实性。

钢壳沉管混凝土脱空缺陷检测方法主要有人工敲击法、超声对测法、冲击回波法、中子法等^[4], 工程上主要应用超声对测法检测钢管混凝土脱空缺陷^[5]。中子法最早主要应用于水电站钢板衬砌与混凝土间的脱空检测, 是一种定量检测技术, 但耗时长, 且存在少量辐射^[6]。

广东省某大型跨海通道工程采用桥隧结合的方式, 其中沉管隧道采用钢壳沉管结构形式, 并浇筑自密实混凝土。目前, 国内尚无成熟的钢壳沉管混凝土脱空缺陷检测技术, 为保证混凝土浇筑质量, 寻求脱空缺陷检测可靠技术, 验证各种检测技术效率和精度, 并制定简单易行的检测标准及指南, 分别在实验室和现场进行脱空深度检测试验。其中室内试验仅制作单片钢壳模型, 人为设置脱空缺陷后浇筑自密实混凝土;现场试验制作钢壳管节, 无人为设置脱空缺陷, 同样浇筑自密实混凝土。

根据实际钢壳沉管管节设计, 钢壳模型尺寸为3m×3m×1m, 其中钢板厚度取14, 30mm, 钢板上焊接加劲肋。采用C50自密实混凝土。室内试验选用2种检测技术进行脱空检测, 分别为声波CT法、冲击回波法。顶板上贴泡沫板形成的人工缺陷包括: (1) 不同形状和面积的脱空缺陷主要形状有圆形、矩形、梯形和蜂窝状; (2) 不同深度的脱空缺陷深度为2, 4, 6, 8, 10mm, 如图1所示。

声波CT法工作原理是利用声波穿透工程介质, 通过声波走时和能量衰减的观测对工程结构成像。声波在穿透工程介质时, 密度大、强度高的介质模量大、波速高、衰减小;破碎疏松的介质波速低、衰减大。声波CT法在工程检测中常用于探查混凝土内部的强度及空洞、不密实区等结构缺陷, 但尚未应用于钢壳与混凝土间的脱空检测。

试验仪器采用CFST型钢管混凝土质量检测仪。在钢壳顶部布置4个CT剖面, 每个CT剖面采用相同的测试方式, 31个接收点布置于顶板, 36个激发点分别均匀布置在钢壳模型左右侧板, 如图2所示。进行声波CT测试时, 采用力锤逐个对激发点进行敲击, 同时钢壳顶部31个接收点接收声波信号。

对测试信号进行处理, 提取剖面各点波速。各剖面的声波CT测试结果如图3所示。其中, 以颜色深浅表示波速值变化, 颜色越深表示波速越小, 即颜色越深的位置越可能存在脱空缺陷。由测试结果可知, 测试各剖面波速多>3 000m/s, 但在两侧存在多处低波速区域, 可能受测试技术限制, 应予以排除。对试验结果进行分析, 并将其与人工设置缺陷位置进行对比, 可得以下结论。

1) 从整体上看, 各剖面顶部均有波速较大区域, 其中剖面1, 2顶部混凝土与钢板结合部位波速明显较大, 表明二者贴合较好;而剖面3, 4顶部混凝土与钢板结合部位存在较多低波速区域, 表明二者贴合较差。

2) 从具体剖面看, 剖面顶部存在较大低波速区域的位置可能存在脱空, 以剖面4为例进行说明。剖面4在-2.9～-2.7, -2.35～-2.15, -1.35～-1.25, -0.25～0m位置处设有脱空缺陷 (见图2a) 。由图3d可知, 排除两侧低波速区域, 声波CT检测出剖面4在钢壳顶板附近-2.3～-1.9, -1.4～-1.1m位置处存在较大低波速区域, 即存在脱空缺陷。

根据以上测试结果可知, 声波CT法虽能从整体上反映实际混凝土浇筑质量和表层脱空缺陷, 但其测试精度较差, 难以满足钢壳沉管混凝土脱空深度检测要求。

冲击回波法是利用冲击锤激振钢壳表面, 并用传感器直接拾取结构表面的振动信号。通常, 脱空部位振动卓越周期大、振动持续时间长、最大加速度大。冲击回波法引入脱空指数综合衡量卓越周期、持续时间等参数, 脱空指数越大表示脱空程度越大。

采用SCE-MATS型混凝土多功能无损测试仪进行测试, 测试时在钢壳顶部每隔10cm标记1个测试点, 逐个进行测试。采用小锤敲击顶面, 同时在该位置处设置1个传感器, 测定回波时间和频率等参数。

为更准确地测试, 对模型侧面无缺陷位置进行标定, 并以其为标准, 大于该位置脱空指数的均视为脱空。计算各测点脱空指数, 得出各区域平面测试结果, 同时将人工设置缺陷与测试结果进行对比, 如图4所示, 图4中框选区域为可能存在的脱空位置。

由图4可知, 冲击回波法检测出的脱空位置与人工设置脱空缺陷位置基本吻合, 仅部分区域存在差别。其中区域4中无脱空区域仍检测出存在脱空, 可能是由于肋板附近位置混凝土填充不密实引起的。由于钢板与混凝土间黏结力较大, 直接去除钢板验证脱空情况难度较大, 因此通过人工敲击法根据敲击声音及经验判断出该位置可能存在脱空, 这与试验检测结果较为符合。

室内试验结果显示, 冲击回波法测试结果较声波CT法更适合检测钢壳沉管混凝土脱空缺陷, 但仅能定性识别脱空面积, 对脱空深度仍缺乏相应判别标准。为进一步验证冲击回波法检测的有效性, 并寻求定量识别脱空深度检测技术, 在现场制作1节钢壳管节模型, 采用冲击回波法、中子法进行脱空检测。

钢壳管节模型断面尺寸为15.8m×9m×7m (足尺模拟沉管单向行车道断面) , 采用Q390C钢材及C50自密实混凝土。除顶板斜倒角和底板中间部分板厚分别为26, 30mm外, 其余部分板厚均为14mm, 横隔板厚14mm, 纵隔板厚8mm。整个钢壳管节分为A, B, C 3环, 仅在B环通过预留浇筑孔浇筑自密实混凝土, 并设置观察孔, 尽量保证混凝土填充整个B环。B环立面及检测区域划分如图5所示。

中子法探测原理是利用氢核强烈慢化快中子。混凝土体积含水量一般为200～250kg/m³, 因此含有大量氢原子, 氢核是一种最强的中子慢化剂。在钢壳表面发射快中子, 透过钢壳后进入混凝土, 经减速慢化后一部分中子返回中子源附近, 由探测器记录热中子数, 经标定后可定量判断脱空深度^[6]。

采用中子无损探测系统测试钢壳沉管模型L2区域, 每隔30cm设置1个测点, 测点位置即为仪器探头中心位置, 同时在该区域采用冲击回波法进行同步试验。试验完成后开孔检验检测效果。

以热中子数计数分布示意表示脱空缺陷, 颜色越浅则表示该部位脱空缺陷越严重, 如图6所示。同时给出冲击回波法检测该区域脱空缺陷的测试结果, 如图7所示。

由图6, 7可知, 冲击回波法检测发现L2区域存在4块可能发生脱空缺陷的区域, 但通过中子法检测后发现, 该脱空深度均<3mm。由于L2区域按设计图纸焊接了纵、横向加劲肋, 从现场检测结果看, 其浇筑质量较好, 不存在成片、较大的脱空。

为验证检测结果的准确性, 对L2区域进行开孔检验。结果显示冲击回波法检测出可能存在缺陷的位置仅存在轻微脱粘现象, 不存在较深的脱空缺陷, 这与中子法检测结果一致。

钢壳沉管混凝土脱空检测技术尚未成熟, 各种检测方法原理、测试技术仍需不断完善。通过室内试验和现场试验分别采用声波CT法、冲击回波法、中子法对钢壳沉管混凝土脱空缺陷检测技术进行探讨, 主要结论如下。

1) 本研究所做声波CT法检测试验检测效果不佳, 难以达到检测技术要求。

2) 冲击回波法测试速度快, 适用于大面积快速筛查钢壳沉管混凝土脱空缺陷;中子法耗时长, 但准确度高, 且能定量判断脱空深度。

3) 在实际钢壳沉管混凝土脱空检测时, 建议结合2种方法, 即采用冲击回波法大面积筛查自密实混凝土填充质量, 然后通过中子法对混凝土填充质量较差的区域进行脱空深度检测。