隧道衬砌厚度及背后空洞声波定量快速检测方法及系统

本发明涉及声波检测，尤其是涉及一种隧道衬砌厚度及背后空洞声波定量快速检测方法及系统。

背景技术：

1、隧道作为现代交通建设的重要组成部分，其结构安全和稳定性直接关系到交通运行的安全性和可靠性。隧道衬砌作为隧道结构的关键部分，其厚度及背后是否存在空洞直接关系到隧道的承载能力和耐久性。因此，对隧道衬砌厚度及背后空洞的检测显得尤为重要。

2、传统的隧道衬砌厚度及背后空洞检测方法主要包括钻孔取样、开挖检测等破坏性检测方法，这些方法虽然能够直接观察并测量衬砌的内部结构和材料组成，但存在破坏性、成本高以及效率低等局限性。为了克服传统检测方法的局限性，声波检测技术逐渐在隧道衬砌厚度及背后空洞检测中得到应用。声波检测技术具有非破坏性、操作简便、检测速度快、成本低等优点，成为隧道衬砌质量检测的重要手段。专利cn210922500u公开了一种隧道衬砌厚度检测装置。该装置使用探地雷达向隧道衬砌发射超高频窄脉冲电磁波，通过对返回信息的数理计算和拟合，展现地下介质波谱特征实现隧道衬砌厚度量测。专利cn208476137u公开了一种隧道衬砌厚度检测装置。该方法基于钻探前后量测部件刻度差值，对支护构造参数进行判定和分析。专利申请cn107621231a公开了一种隧道二次衬砌厚度检测方法，该方法提出利用激光设备对初支后及二衬施工结束的洞室进行点云扫描，继而运用数据融合技术和分形技术得到衬砌厚度。专利申请cn104859672a公开了一种铁路隧道衬砌质量检测车。该装备利用雷达天线组件对隧道实现全断面覆盖，基于其雷达图像，可实现对衬砌厚度、壁后空洞进行检测。

3、现有公开的用于隧道厚度及背后空洞检测技术，面临的普遍问题总结如下：

4、1)探地雷达gpr使用电磁波对混凝土构件进行检测，其检测结果受内部钢筋及混凝土粗骨料影响较大，且对于内部空洞、壁后水体、裂缝等病害检测精度较低。

5、2)钻探式测厚技术使用微型钻探部件对衬砌穿透作业，其结果受孔洞构造形式影响较大且作业流程会对衬砌造成损伤，该类检测方法的适用性及检测精度较低。

6、3)激光点云扫描的检测方式依赖于激光束对洞室扫描测距，检测结果易受混凝土粗糙表面及洞室粉尘环境干扰，检测结果的海量数据存储及分析存在困难。

7、4)传统超声激振检测技术，常采用将声波探头部件同混凝土构件接触的形式进行激振，行进速率和检测效果方面常存在局限性，且存在接触式部件易损耗的问题。

8、综上所述，目前缺乏一种适用于隧道衬砌厚度及背后空洞快速定量检测方法和装置，特别是能够以非接触、无损方式对洞室支护构造状态量化评估的检测方式。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种提高非接触式检测精度的隧道衬砌厚度及背后空洞声波定量快速检测方法及系统。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种隧道衬砌厚度及背后空洞声波定量快速检测方法，包括以下步骤：

4、采集非接触式测得的隧道衬砌振动响应特征，获取应激振动时域曲线；

5、基于所述应激振动时域曲线，进行信号时频域转换，得到响应特征的频域分布图，并进行峰值特征提取，其中所述峰值特征包括径向特征峰值和纵向特征峰值；

6、基于所述峰值特征和响应特征的频域分布图，对隧道衬砌纵向、径向尺寸及背后空洞状态进行反演计算，实现隧道衬砌厚度及背后空洞状态的声波快速定量检测。

7、进一步地，所述进行信号时频域转换的步骤包括：

8、基于数理统计原理和应激信号声场分布特征，对所述应激振动时域曲线进行降噪处理；

9、基于降噪处理后的应激振动时域曲线，采用快速傅里叶变换算法进行信号时频域转换，得到所述响应特征的频域分布图。

10、进一步地，所述进行峰值特征提取的步骤包括：

11、获得先验知识得到的隧道衬砌径向特征频率潜在区间和纵向特征频率潜在区间；

12、基于所述径向特征频率潜在区间和纵向特征频率潜在区间，从所述响应特征的频域分布图中标定出径向特征峰值和纵向特征峰值。

13、进一步地，所述实现隧道衬砌厚度及背后空洞状态的声波快速定量检测的步骤包括：

14、将所述峰值特征与先验知识中的理论特征频率进行对比，计算相对误差量值，所述相对误差量值表示偏移方向、偏移量值；

15、基于所述相对误差量值和响应特征的频域分布图对隧道衬砌纵向、径向尺寸及背后空洞状态进行反演计算，实现隧道衬砌厚度及背后空洞状态的声波快速定量检测。

16、本发明还提供一种根据上述所述的隧道衬砌厚度及背后空洞声波定量快速检测方法的检测系统，包括：

17、信号发生器：用于设置含激励参数的声波信号；

18、远程定向声学设备：用于声波发射，并使声波激励方向与隧道衬砌上测振点位进行法线方向重合，继而以预先设定的所述含激励参数的声波信号进行非接触声学激振产生振动响应特征；

19、激光测振仪：用于发射激光光束以拾取隧道衬砌振动响应特征；

20、处理器：用于基于所述动响应特征进行信号时频域转换与峰值特征提取，并对隧道衬砌纵向、径向尺寸及背后空洞状态进行反演计算，实现隧道衬砌厚度及背后空洞状态的声波快速定量检测。

21、进一步地，所述激励参数包括发射频段、调频间隔、单频带宽及声压强度。

22、进一步地，所述非接触声学激振过程中采用声压计对所述声压强度进行标定调整。

23、进一步地，采集所述振动响应特征时，激光测振仪外部布设有富孔吸音遮罩。

24、进一步地，激光测振仪拾取的隧道衬砌振动响应特征过程中，激光光束与隧道衬砌上测振点位进行法线方向重合。

25、进一步地，采集所述振动响应特征时，隧道衬砌上的测振点位设有反光涂层的箔片，以辅助信号增强。

26、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

27、(1)本发明利用远程定向声学设备对衬砌结构进行远程激励，使用激光测振仪发射激光光束拾取动力响应特征，激励检测过程均由非接触式途径实现，再结合将拾取的振动响应特征进行时频域转换以及提取峰值特征，通过反演计算提高非接触式检测的精度。

28、(2)本发明将峰值特征与先验知识进行对比，能快速得出偏移方向、偏移量值，再结合响应特征的频域分布图对隧道衬砌纵向、径向尺寸及背后空洞状态进行反演计算，提高了衬砌厚度及背后空洞的检测效率。

29、(3)本发明可实现一定行驶速度下的进行式激励检测，无需封闭隧道道路，避免干道阻塞和车流堆积。

30、(4)本发明无需通过干/湿耦合形式传递激励检测信号，消除传统接触式检测中设备-试件连接界面对检测结果的干扰和影响，提高了检测精度和信噪比。

1.一种隧道衬砌厚度及背后空洞声波定量快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌厚度及背后空洞声波定量快速检测方法，其特征在于，所述进行信号时频域转换的步骤包括：

3.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌厚度及背后空洞声波定量快速检测方法，其特征在于，所述进行峰值特征提取的步骤包括：

4.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌厚度及背后空洞声波定量快速检测方法，其特征在于，所述实现隧道衬砌厚度及背后空洞状态的声波快速定量检测的步骤包括：

5.一种根据权利要求1-4任一所述的隧道衬砌厚度及背后空洞声波定量快速检测方法的检测系统，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于，所述激励参数包括发射频段、调频间隔、单频带宽及声压强度。

7.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于，所述非接触声学激振过程中采用声压计对所述声压强度进行标定调整。

8.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于，采集所述振动响应特征时，激光测振仪(3)外部布设有富孔吸音遮罩。

9.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于，激光测振仪(3)拾取的隧道衬砌振动响应特征过程中，激光光束(4)与隧道衬砌上测振点位进行法线方向重合。

10.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于，采集所述振动响应特征时，隧道衬砌上的测振点位设有反光涂层的箔片，以辅助信号增强。