CN111457962A - 一种隧道内部病害的快速检测方法和检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于检测隧道内部病害的快速检测方法和检测装置。检测方法包括：利用声发射与激光测振技术检测衬砌厚度和背后空洞；利用激光超声技术检测衬砌强度与密实度；利用红外探温技术检测衬砌背后地下水；利用激光扫描与反演技术探测衬砌背后围岩劣化程度；利用惯导与图像配准技术确定病害位置。本发明涉及的隧道内部病害检测装置包括声发射与激光测振、激光超声、红外探温、围岩参数反演等模块，隧道内行驶一次，即可同步获取衬砌厚度、衬砌背后空洞、地下水、围岩弱化程度和混凝土强度、密实度等病害特征，相比现有检查技术，本发明检测效率和识别精度大幅提升，病害定位更加准确，且显著降低了对正常交通行驶的影响。

Description

一种隧道内部病害的快速检测方法和检测装置

技术领域

本发明涉及运营隧道内部病害的检测方法，具体是一种用于检测隧道衬砌厚度、衬砌背后空洞及地下水、混凝土强度及密实度等内部病害的快速检测方法和检测装置。

背景技术

隧道内部病害主要包括：衬砌厚度不足、背后存在空洞、衬砌背后富含地下水或围岩出现弱化、混凝土强度不足以及不密实等，这些内部病害容易诱发开裂、渗漏水、剥落剥离等结构表观病害，甚至引起坍塌、突涌水等灾害事故，严重危及结构及交通安全。因此，开展隧道内部病害的检测，对掌握结构技术状态和保障运营安全至关重要。

传统的隧道病害的检测方法中，钻芯法可检测隧道内部病害，但势必对隧道结构造成二次损伤，可能诱发突发性的灾害，且检测效率极低，无法满足大范围养护检查的需求。为此，探地雷达、超声探测仪、回弹仪等无损检测仪器被尝试应用于隧道内部病害检测。

探地雷达和超声检测技术已被大范围的应用于隧道无损检测，红外探温技术也得到一定应用。其中，探地雷达可用于检测衬砌厚度、背后空洞，并可以判断衬砌背后有无大规模的地下水体；超声波则主要用于检测混凝土强度、衬砌与初期支护是否密贴。

依据公开的技术资料、专利、文献等，现有方法的主要技术特点如下：

(1)在衬砌厚度、背后空洞探测方面，

CN201510273416.5公开了一种铁路隧道衬砌质量检测车，其利用多个雷达天线组件实现隧道全断面的覆盖，基于雷达图像分析可检测衬砌厚度、背后空洞、地下水等。CN201520345295.6也公开了一种铁路隧道检测车，包括轨道车车体、PC机和地质雷达主机、隧道病害检测机构、隧道混凝土检测辅助机构、隧道内轮廓照明***、裂缝检测***和热像图绘制***、GPS***，实现了隧道二衬混凝土裂缝、渗漏水和空洞等病害的检测。CN201510273300.1公开了一种公路、水工隧道专用检测车，该检测车包括检测车主体、隧道内轮廓照明***、裂缝检测***、热像图绘制***、地质雷达***、钻孔取芯和回弹仪的工作平台、电脑主机，同样可以检测隧道二衬混凝土裂缝、渗漏水和空洞等病害。CN201510201860.6公开了一种车载式隧道全断面多臂回弹检测装置及其使用方法，其采用车载方案，搭配裂缝图像检测***、渗漏水红外热像检测***、背后空洞雷达探测***、GPS定位***，实现了隧道二衬混凝土裂缝、渗漏水和空洞等病害的自动检测。CN201810574031.6公开了一种非接触式公路隧道衬砌结构病害检查车载***，包括空气耦合天线、雷达主机及控制***和车载装置，通过非接触的电磁波激发和接收方式检测二衬厚度、钢筋和工字钢分布、二衬背后密实度及空洞情况。

(2)在衬砌混凝土强度、密实度探测方面

CN201510201860.6公开了一种车载式隧道全断面多臂回弹检测装置及其使用方法，其采用车载方案，搭配裂缝图像检测***、渗漏水红外热像检测***、背后空洞雷达探测***、GPS定位***，实现了隧道二衬混凝土裂缝、渗漏水和空洞等病害的自动检测。CN201610854251.5公开了一种隧道衬砌无损检测装置，包括工作台及刹车万向脚轮、距离微调组件、高度调整组件、自动敲击组件、外设的上位机，利用自动敲击组件对隧道衬砌进行敲击、利用麦克风将敲击声波转为电信号、由上位机采集分析声音信号，判断衬砌混凝土密实性、背后空洞情况。CN201721770840.1公开了一种隧道衬砌结构密实性的检测装置，由大激振锤、小激振锤、加速度传感器以及数据处理装置，采用敲击和接触耦合的方式、通过分析应力波进行混凝土密实性检测。CN201710318614.8公开了一种隧道基底密实性检测***、检测方法及存储介质，检测***由多个面波拾振传感器、面波仪、处理器等，采用接触激发表面波的方式进行基底密实性的检测。CN201720320712.0公开了一种超声回弹综合法测混凝土强度的测点定位装置，采用公知的超声探测技术及辅助定位装置，实现待检测位置的准确定位。CN201811594187.7公开了一种混凝土表面微裂缝的激光超声快速检测方法及装置,所述方法步骤包括：发射激光按照扫描路径扫描待检测混凝土、接收并预处理在待检测混凝土上传播的超声波信号、基于扫描路径上相邻入射点的超声波信号的波形的变化程度判断是否存在微裂缝并精确定位微裂缝。该技术采用非接触的方式激发超声、检测混凝土裂缝。

(3)在衬砌背后地下水探测方面

CN201510131839.3公开了一种基于红外温度场和灰度图像的隧道衬砌病害检测装置，该装置包括车载移动平台、照明设备、光电编码器、GPS接收机、惯性单元、同步控制器、面阵相机、红外热成像仪、采集服务器、显控装置和供电***，将隧道衬砌二维图像数据、红外温度场数据和断面形变数据，结合GPS、惯性单元和光电编码器的定位数据，建立带灰度信息、温度信息和断面形变信息的隧道模型；分析隧道衬砌裂缝,自动检测裂缝的长度、宽度和衬砌表面渗漏水信息。CN201510085599.8公开了一种隧道快速综合测量***，包括底盘车、传感器支架、传感器、传感器同步与信号处理装置、数据采集与处理装置和供电装置,传感器支架通过水平旋转轴安装在底盘车上,传感器支架上分别安装若干面阵列相机、LED照明灯、红外热像仪；面阵列相机采集隧道断面上的图像数据；红外热像仪采集隧道内壁的温度信息；同步与信号处理装置为红外热像仪、面阵列相机提供同步信号；数据采集与处理装置采集和处理所述红外热像仪、面阵列相机的信号。本发明可同时、快速采集衬砌裂缝,衬砌表面渗漏水多种隧道病害数据,大大提高了检测效率和检测精度。CN201910247417.0公开了一种隧道衬砌浅层潜在剥落剥离红外探测装置,包括车载移动平台,还包括红外镜头、红外探测器、电子信号处理***和数据处理***,红外镜头、红外探测器、电子信号处理***和数据处理***均设于车载移动平台上，且红外镜头、红外探测器和电子信号处理***；红外镜头采集外界传入的红外辐射并使之聚焦于红外探测器上,红外探测器将红外辐射转换为电信号,数据处理***基于放大后的电信号得到热像图并进行预处理,并提取潜在剥落剥离的关键几何特征信息。该技术实现了衬砌浅层潜在剥落剥离的快速高精度识别。CN201910856676.3公开了一种基于红外热成像的隧道结构渗漏水精确识别装置与方法，数据采集装置包括红外热成像仪,工业相机,补光装置,同步控制卡,激光测距仪,测距轮装置,工控机和供电***。利用红外热成像仪与工业相机分别采集隧道结构的红外热图像与可见光图像,先依据渗漏水区域在红外热图像中温度较低的原理提取出渗漏水中心区域,再扩大范围从可见光图像的相同区域内提取渗漏水区域,然后利用红外热图像中的温度信息修正可见光图像中提取的区域轮廓,最后计算区域面积，实现衬砌表面渗漏水面积的精确识别；并利用测距轮装置安及时获取行驶里程，定位渗漏水病害位置。

(4)衬砌背后围岩劣化探测方面

CN201711457993.5公开了地下工程围岩分区弱化快速定量检测方法、***和设备。首先现场获取隧道开挖体在设定观测区域处不同深度的弱化围岩强度,并计算弱化围岩平均强度；根据所述弱化围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况和/或所述弱化围岩平均强度随时间的变化情况,检测围岩的弱化程度。该方法可在隧道施工过程中判断围岩劣化程度。CN201910382854.3公开了一种基于隧道变形确定围岩弱化发展范围的方法,包括：步骤S1：采集隧道衬砌数据Lj；步骤S2：运用荷载结构法计算不同围岩压力下的隧道衬砌数据Ls；步骤S3：建立与采集的隧道衬砌数据Lj和运用荷载结构法计算的隧道衬砌数据Ls有关的目标函数S,目标函数S满足设定条件时,记录荷载结构法施加的围岩压力P；步骤S4：根据所述围岩压力P计算围岩松动范围hj；步骤S5：计算设计围岩压力下的围岩松动范围hs；步骤S6：根据围岩压力P计算的围岩松动范围hj和设计围岩压力下的围岩松动范围hs得到围岩弱化发展范围hr。该技术采用反演的思想尝试获取围岩压力，再按压力拱理论换算松动圈厚度。

(5)在隧道内定位技术方面

除上述列出的CN201510273416.5、CN201510273300.1、CN201510131839.3、CN201910856676.3技术外，CN201210065360.0也公开了一种铁路隧道衬砌全断面车载检测方法与装置。上述技术检测病害时，采用GPS或惯性导航技术进行定位。

现有公开的用于隧道内部病害检测的公开专利及技术，面临的普遍问题总结如下：

1)雷达电磁波探测准确性和精度受衬砌内钢筋及初支钢拱架的影响较大，也无法判断衬砌强度、地下水体的大小、围岩劣化程度，需采用其他仪器或技术手段。此外，全断面检测时需配置多台雷达及天线，成本昂贵。

2)接触式的声波、超声波或回弹检测方法，速度慢、仪器容易受损，且仅能检测衬砌厚度、背后空洞、是否密实，无法探测衬砌背后围岩劣化程度、地下水规模。

3)现有红外探温技术均应用于衬砌表面温度的识别、检测表面渗漏水，无法分析衬砌背后地下水的赋存状态。

4)施工期现场测试围岩强度的方法无法用于运营隧道，CN201910382854.3则采用常规的反分析方法，面临局部收敛和收敛困难的问题，且无法考虑运营结构病害的影响，常规的反分析方法只适用于施工期参数反演。

5)隧道内GPS信号弱甚至是没有信号，受隧道线形影响，惯性导航的累积误差大，这是常识。仅依靠GPS和测距轮等惯性导航技术无法实现病害的准确定位，现场的实测定位误差达数米甚至数十米。这将导致前后两次检测病害的位置存在显著偏移，严重影响隧道健康状态的诊断。

综上所述，目前缺乏适用于钢筋混凝土衬砌厚度与背后空洞、隧道地下水、围岩劣化程度和混凝土强度、密实性的非接触式快速检测方法及检测装置，特别是缺乏一种可一次检测、同步获取上述病害特征的检测装置。

发明内容

针对以上不足，本发明利用激光超声、激光测振、红外探温、围岩参数反演等技术，并进行集成，提供了一种隧道内部病害的快速检测方法和检测装置，有效克服现有公开的专利及技术存在的弊端，达到快速检测隧道衬砌厚度、衬砌背后空洞及地下水、混凝土强度及密实度等内部病害的目标。

本发明的技术方案为：

一种隧道内部病害的快速检测方法，包括以下步骤：

S1：利用声发射与激光测振技术检测衬砌厚度和背后空洞，具体包括以下子步骤：

S11：利用声波发射装置向隧道衬砌表面定向发射声波，引起衬砌振动；

S12：利用激光测振装置检测衬砌振动信息，激光测振装置向衬砌表面发射激光并分成测量光束和参考光束，测量光束入射至混凝土衬砌表面，并携带衬砌的振动信息反射至激光测振装置的光谱检测器，参考光束经反射、聚焦后也被光谱检测器接收，转换为衬砌表面质点的振动信息；

S13：通过研究建立不同混凝土厚度、不同型号混凝土、不同大小及范围的衬砌背后空洞与表面质点振动速度的数学模型，基于振动速度数据自动分析、判断衬砌厚度和背后空洞；

S2：利用激光超声技术检测衬砌强度与密实度，具体包括以下子步骤：

S21：利用激光测振装置激发激光，激光入射至衬砌表面时，形成超声波，在衬砌表面及内部传播；

S22：利用非接触式超声波接收装置接收超声波的回波信号；

S23：利用波形预处理及分析方法计算超声波及其回波的声时、声速、声幅、频率等波形特征参数；基于混凝土强度、密实性与波形特征参数的关系，计算混凝土衬砌的强度，并判断其密实性；

S3：利用红外探温技术检测衬砌背后地下水，具体包括以下子步骤：

S31：利用红外探温装置探测衬砌侧表面温度，并结合地表温度确定围岩温度；

S32：建立模拟衬砌温度场演化的三维计算模型，结合围岩、衬砌表面温度分布随季节变化的数学模型及实测数据，分析衬砌背后温度场特征；围岩、衬砌表面温差小于1℃时，应等待环境温度变化较大的时间或进一步加热激励，重复步骤S21；

S33：计算衬砌背后温度场参数，与经验数据或周边温度数据比对，计算衬砌背后赋水面积；

S34：结合大量试验、测试，进一步的建立表面温度与背后温度的数学分布模型，基于公式法快速推算背后水体边缘，计算衬砌背后的赋水面积；

S4：利用激光扫描与反演技术探测衬砌背后围岩劣化程度，具体包括以下子步骤：

S41：确定隧道运营初期的断面轮廓L1；

S42：利用三维激光扫描装置在隧道内移动扫描，拟合当前的断面轮廓L2，沿纵向重构隧道三维模型；

S43：建立衬砌背后围岩劣化的地层结构法反分析计算模型，以断面轮廓L1为初始状态，以围岩初始强度参数及松动圈参数为主要输入条件，基于改进的自适应遗传算法开展反分析，计算断面轮廓L3；

S44：当断面轮廓L3与L2各点的误差值小于设定阈值时，此时的围岩强度及松动圈参数为断面轮廓L2对应的围岩劣化程度；

S45：依据断面轮廓L2与L1，确定隧道断面各部位的变形值△si，将围岩弱化分级，分级与结构技术状况值对应；

S5：利用惯导与图像配准技术确定病害位置，具体包括以下子步骤：

S51：进入隧道前，通过GPS动态获取位置数据，确定隧道洞口位置，记录起始里程；

S52：进入隧道后，利用测距轮的时序数据计算自隧道洞口开始的行程距离；

S53：利用CCD相机实时获取近隧道侧的拱腰及边墙部位表观图像；

S54：基于图像特征识别分析模块，识别施工缝、隧道内里程标签、配电箱等特征物，结合上述特征物的里程数据，修正测距轮的里程数据；

S55：利用激光点源数据确定各病害的环向位置。

所述步骤S11中的声波强度不低于70～80dB，当检测精度为cm级别时，声波强度不低于100dB，激发频率的下限f_min可按下式计算：

式中，h为衬砌设计厚度，D为需要检测出的衬砌背后空洞最小直径，E为衬砌混凝土弹性模型，ρ为衬砌混凝土密度，ν为衬砌混凝土泊松比。

所述步骤S12中的激光为波长为870mm-1500nm的近红外不可见激光，激光的激发频率不低于2KHz，激光入射面与声波方向的夹角θ为90°。

所述步骤S13中判断衬砌厚度和背后空洞方法如下：

记衬砌厚度设计值为h，完好情况下振动速度为V₀，各检测点的衬砌厚度为h_i，各检测点的空洞深度为d_i，各检测点振动速度为V_i，声波激发强度为80dB-100dB、衬砌厚度为35cm～40cm时，V₀为0.5μm/s，

如果检测点振动速度V_i≤V₀，该点对应的衬砌背后不存在空洞；

如果检测点V_i＞V₀，该点对应的衬砌背后存在空洞，采用线性衰减模式分析时，衬砌厚度h_i＝h+h×(V_i-V₀)/V₀，空洞深度d_i＝(V_i-V₀)×h/V₀。

所述步骤S43中的反分析计算模型中，如果L2在初始松动圈范围内出现变化，则反演松动圈沿径向的高度，如果L2在初始松动圈范围外出现变化，则同时反演松动圈沿径向的高度和沿环向的宽度范围；

所述步骤S43的围岩初始松动圈考虑外部载荷影响，松动荷载作用下，围岩初始松动圈范围为拱部120°范围，节理、层理及地形引起的偏压作用下，围岩初始松动圈范围覆盖偏压范围、并向两侧延伸10°，高地应力引起的塑性地压作用下，围岩初始松动圈应覆盖挤压作用范围、并向两侧延伸10°；

所述步骤S43中的反分析的方法，为采用小生境、重复串、海民距离、种群迁移的方式改进常规自适应遗传算子，分析时融入病害特征计算模型，其中裂缝、厚度不足、空洞病害，通过刚度折减法确定病害影响，渗漏水病害通过强度-时间函数曲线考虑混凝土劣化的影响。

所述步骤S45中围岩弱化分级标准如下：

0级，无弱化，结构承担的外部荷载基本没有增加，△si≈0mm；

1级，轻微弱化，结构承担的外部荷载增加(但仍小于设计荷载)，0mm＜△si≤2mm；

2级，中等弱化，结构承担的外部荷载显著增加(接近设计荷载)，2mm＜△si≤5mm；

3级，严重弱化，结构承担的外部荷载显著增加(1～1.5倍的设计荷载～)，5mm＜△si≤10mm；

4级，危险状态，结构承担的外部荷载显著增加(超出设计荷载1.5倍)，△si＞10mm。

所述步骤S54中测距轮里程数据修正方案如下：

隧道内绝对参照物A、B的实际里程分别记为Ka0、Kb0；相对参照物C和D间距记为L，上述数据均为已知量；

记基于惯导等技术的参照物A、B、C、D以及病害E、F的测量里程分别为Ka1、Kb1、Kc1、Kd1、Ke1、Kf1；

对于病害E，设定其附近只有一处绝对里程已知的参照物A，则修正方法为Ke0＝Ke1+(Ka0-Ka1)；

对于病害F，设定其附近存在一处绝对里程已知的参照物B和两处相对距离已知的参照物C、D，则修正方法为Kf0＝Kb0-(Kb1-Kf1)×L/(Kd1-Kc1)。

一种隧道内部病害的快速检测***，包括平板车，所述平板车上设置有声波发射装置、激光测振装置、非接触超声波接收装置、红外探温装置、隧道内定位装置、三维激光扫描装置、供电装置、存储装置、中央控制器和数据处理分析装置，所述中央控制器与声波发射装置、激光测振装置、非接触超声波接收装置、红外探温装置、隧道内定位装置、三维激光扫描装置相连接，实现以上各装置的启动、关闭及协同工作，所述数据处理分析装置用于激光超声数据、激光测振数据、红外探温数据、围岩劣化数据的分析及显示。该检测装置的检测速度可达10～80km/h。

所述声波发射装置包括多组定向功放机、增幅器和导轮，所述功放机距离衬砌表面400cm-700cm，入射至衬砌表面的声波激发点间距不小于10cm；多组功放机沿隧道内表面环向均匀布置，相邻功放机的夹角为20°-40°。

所述激光测振装置包括多组激光测振仪，所述激光测振仪包括激光器、分光镜、聚焦镜、反射镜、光谱检测器和转动导轮，所述激光器能量不低于500mJ，所述激光器距离衬砌表面300cm-700cm，低速检测时(不超过5km/h)，可配置1组激光激发器，5～10km/h时宜配置2组，10～20km/h宜配置3组；多组激光测振仪以固定角度沿隧道内表面环向布置，激光测振仪连接在导轮上，可沿隧道环向转动实现隧道全断面及纵向一定范围的激光激发与接收。导轮设置应保证不同激光器的激光互不干扰。

所述非接触式超声波接收装置包括多组空气耦合天线、放大器和示波器，所述空气耦合天线为400MHz+900MHz的双收模式空气耦合天线，隧道的边墙及拱脚部位单独采用400MHz的天线；所述空气耦合天线距离衬砌表面300cm-400cm，所述空气耦合天线固定在导轮上。所述红外探温装置包括多组红外热像仪，所述多组红外热像仪沿隧道内表面环向均匀布置，每组覆盖范围30°-40°；局部固定式复查时，可配置热激励装置，通过加热的方式，检测温度场扩散特征，富水区温度扩散速度显著慢于无水区，据此判断背后地下水。所述隧道内定位装置包括多部CCD相机，补光光源、测距轮和GPS，所述CCD相机设置于平板车两侧，所述补光光源为红外LED。

与现有的人工及常规移动检测装置组合检测、往返多次行驶的检测技术相比，本发明采用多项关键技术思路克服了衬砌背后厚度与空洞、强度与密实度、围岩劣化、衬砌背后地下水快速无损检测和病害精准定位的难题，并对上述技术集成，采用一套装置、在隧道内行驶一次，即可同步实现上述目标，检测效率和识别精度大幅提升，病害定位更加准确，且显著降低了对正常交通行驶的影响。主要技术优点如下：

(1)基于声波检测、光干涉和声速分析的原理，采用声发射和激光测振技术，实现了钢筋混凝土和素混凝土衬砌厚度、背后空洞的非接触式大范围快速检测，与现有技术相比，应用于钢筋混凝土衬砌厚度、背后空洞检测时，准确性和精度更高；

(2)基于超声波检测原理与空气耦合天线，提出衬砌混凝土强度和密实性的激光超声非接触式检测技术，与现有技术相比，不需要钻孔或接触式检测，效率和精度大幅提高，也避免了接触检测手段面临的仪器探头易受损问题；

(3)利用基于衬砌表面温度的背后温度场演化分析模型，结合红外探温实现了衬砌背后地下水赋存状态的快速精确检测，解决了现阶段运营期背后赋水状态不清楚的难题；

(4)利用改进自适应遗传算法和病害刚度/强度分析模型，将动态增量反分析方法应用于运营隧道围岩劣化的探测分析，克服常规反演分析的不足，并采用三维广义Howk-Brown准则进一步提高分析精度，实现了运营期围岩劣化程度的快速精细检测；

(5)将GPS洞口定位、洞内惯导粗略定位和图像特征配准结合起来，避免了现阶段仅采用惯导定位精度不足的问题，纵向定位精度由现有技术的数米～数十米提高至厘米级别。

附图说明

图1为本发明的声发射与激光测振检测示意图；

图2为本发明的基于空气耦合天线的激光超声检测技术示意图；

图3为本发明的基于干涉仪的激光超声检测示意图；

图4为本发明的里程参照物与病害位置关系示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

本发明的一种隧道内部病害的快速检测方法，包括以下步骤：

S1：如图1所示，利用声发射与激光干涉技术检测衬砌厚度和背后空洞，具体包括以下子步骤：

S11，利用大功率功放机向隧道衬砌表面定向发射声波；功放机距离衬砌表面4～7m，可配置增幅器以动态调整功放机的输出功率；功放机与导轮1连接，导轮1可沿隧道环向转动，实现全断面声波的激发；导轮转动速度通过隧道断面半径、测点沿环向与纵向的间距确定，入射至衬砌表面的声波激发点间距不宜小于10cm；

上述功放机激发声波强度不低于70～80dB，检测精度为cm级别时，不低于100dB；激发频率f与衬砌混凝土物理力学参数相关及检测精度指标有关，下限f_min可按下式计算，以确保振幅感知的强度；

式中，h为衬砌设计厚度，D为需要检测出的衬砌背后空洞最小直径(可根据检测要求确定)，E为衬砌混凝土弹性模型，ρ为衬砌混凝土密度，ν为衬砌混凝土泊松比。

S12，发射声波、激发衬砌振动的同时，利用激光测振仪检测衬砌振动信息。激光测振仪包括高能脉冲激光器、分光镜、聚焦镜、折射镜、光谱检波器；激光器进行激光的激发与接收，优选点源激光；

经内部的分光镜分成测量光束和参考光束，其中，测量光束入射至混凝土衬砌表面，并携带衬砌的振动信息反射至测振仪的光谱检测器；参考光束则经反射、聚焦后被光谱检测器接收，转换为衬砌表面质点的振动信息。

为保证检测点密度和感知强度，激光激发频率不宜低于2KHz，激光器能量不低于500mJ；

激光入射面与声波方向的夹角θ应尽量取90°，以尽可能降低信噪比。

激光器优选波长870～1500nm的近红外不可见激光，避免对交通干扰及对人体眼睛的威胁(人眼安全的激光等级Class I规定波长不超过1550nm)。

S13，通过数据处理分析***自动分析和记录不同检测点的振动速度特征，判断衬砌厚度与背后空洞情况，分析方法如下：

记衬砌厚度设计值为h，完好情况下振动速度为V₀，各点的衬砌厚度为h_i，各检测点振动速度为V_i；V₀及衬砌厚度、背后空洞计算公式，应通过试验和数值分析的研究手段得到；声波激发强度80～100dB、衬砌厚度35～40cm时，V₀可取0.5μm/s。

1)检测点振动速度V_i≤V₀，该点对应的衬砌背后不存在空洞；

2)检测点V_i＞V₀，该点对应的衬砌背后存在空洞；

3)以振动速度线性衰减模式分析为例，

衬砌厚度h_i＝h+h*(Vi-V₀)/V₀

空洞深度d_i＝(V_i-V₀)*h/V₀；

空洞面积可按异常检测点的外缘面积计算。

为实现快速检测，激光测振仪增设导轮2，导轮2可沿隧道环向和纵向转动，实现隧道全断面及纵向一定范围的激光激发与接收；导轮2转速通过检测密度要求、隧道断面半径、确定，应保证检测点(即入射点)的间距不超过10cm。

检测速度超过40km/h时，可布置2～3组的功放机、激光测振仪及导轮，以保证检测点的间距和精度。

S2：如图2所示，利用激光超声技术检测衬砌强度与密实度，具体包括以下子步骤：

S21，上述激光测振仪激发的激光入射至衬砌表面时，形成超声波，在衬砌表面及内部进行传播；不同强度及密实度条件下波速会有所差异，遇衬砌与初期支护界面反射、透射、散射及强度衰减。

S22，利用空气耦合天线接收受缺陷影响后的电磁波(激光)回波或超声波回波信号；空气耦合天线与放大器、示波器连接，实现信号的增幅和显示；空气耦合天线固定在环向导轮上，空气耦合天线数量与激光测振仪一致；

优选400MHz+900MHz的双收模式空气耦合天线，边墙及拱脚部位可单独分析400MHz的天线；放大器安装于天线表面，介于衬砌表面和天线探头之间，实现信号的无损放大。

S23，利用波形预处理及分析方法计算超声波及其回波的声时、声速、声幅、频率等波形特征参数；基于混凝土强度、密实性与波形特征参数的关系，计算混凝土衬砌的强度，并判断其密实性。

特殊的，当不需要同时检测衬砌厚度、背后空洞时，或检测精度要求不高时，可以基于激光测振仪内部的干涉仪，实现衬砌混凝土强度和密实度的检测，示意图见图3。

S3：利用红外探温技术检测衬砌背后地下水，具体包括以下子步骤：

S31：利用红外探温装置探测衬砌侧表面温度，红外探温装置包括多组红外热像仪，多组红外热成像仪沿隧道内表面环向均匀布置，每组覆盖范围30°-40°，红外热像仪数量与激光测振仪数量相同；局部固定式复查时，可配置热激励装置，通过加热的方式，检测温度场扩散特征，富水区温度扩散速度显著慢于无水区，据此判断背后地下水；

S32：建立模拟衬砌温度场演化的三维计算模型，结合围岩、衬砌表面温度分布随季节变化的数学模型及实测数据，分析衬砌背后温度场特征；该方法适用于围岩、衬砌表面温差不小于1℃的部位；

S33：计算衬砌背后温度场参数，与经验数据或周边温度数据比对，判断有无地下水，计算衬砌背后赋水面积。

S34：基于大量试验和步骤S32提及的计算模拟，可进一步的建立表面温度与背后温度的数学分布模型，基于公式法快速推算背后水体边缘，计算衬砌背后的赋水面积。

S4：利用激光扫描与反演技术探测衬砌背后围岩劣化程度，具体包括以下子步骤：

S41：确定隧道运营初期的断面轮廓L1，方法为：可以调取隧道建成后交竣工质检数据，亦可查阅设计文件，确定结构设计参数和围岩信息，据此建立地层结构或荷载结构计算模型，计算得到设计状态下隧道运营初期的断面轮廓L1；

S42：利用三维激光扫描装置在隧道内移动扫描，三维激光扫描装置为三维激光扫描仪，基于点云数据预处理和噪点剔除方法，拟合当前的断面轮廓L2，沿纵向重构隧道三维模型；

S43：建立衬砌背后围岩劣化的地层结构法反分析计算模型，以断面轮廓L1为初始状态，以施工期检测或试验研究得到的、或经验性的围岩初始强度参数及松动圈参数为主要输入条件，基于改进的自适应遗传算法开展反分析，计算断面轮廓L3；

上述步骤中，反分析计算模型优选三维计算模型，围岩为改进的广义三维Howk-Brown强度本构，混凝土及钢筋、钢拱架为塑性损伤本构；

上述步骤的反分析计算模型中，如果L2在初始松动圈范围内出现变化，则反演松动圈沿径向高度，如果L2在初始松动圈范围外出现变化，则同时反演松动圈沿径向高度和沿环向范围；

上述步骤中，围岩初始松动圈应考虑外部载荷影响：松动荷载作用下，围岩初始松动圈范围为拱部120°范围，节理、层理及地形引起的偏压作用下，围岩初始松动圈范围覆盖偏压范围、并向两侧延伸10°，高地应力引起的塑性地压作用下，围岩初始松动圈应覆盖挤压作用范围、并向两侧延伸10°；

上述步骤中的反分析方法，为采用小生境、重复串、海民距离、种群迁移的方式改进常规自适应遗传算子，解决常规反演方法局部收敛难题；分析时融入病害特征计算模型，其中裂缝、厚度不足、空洞病害，通过刚度折减法确定病害影响，渗漏水病害通过强度-时间函数曲线考虑混凝土劣化的影响，解决常规反分析法无法用于带病结构围岩参数反演的难题；

S44：当断面轮廓L3与L2各点的误差值小于设定阈值时，对于常规两车道隧道可取0.5mm，此时的围岩强度及松动圈参数为断面轮廓L2对应的围岩劣化程度；

S45：依据断面轮廓L2与L1，确定隧道断面各部位的变形值△si，将围岩弱化分成五级，分级标准如下：

0级，无弱化，结构承担的外部荷载基本没有增加，△si≈0mm；

1级，轻微弱化，结构承担的外部荷载增加(但仍小于设计荷载)，0mm＜△si≤2mm；

2级，中等弱化，结构承担的外部荷载显著增加(接近设计荷载)，2mm＜△si≤5mm；

3级，严重弱化，结构承担的外部荷载显著增加(1～1.5倍的设计荷载～)，5mm＜△si≤10mm；

4级，危险状态，结构承担的外部荷载显著增加(超出设计荷载1.5倍)，△si＞10mm。

S5：利用惯导与图像配准技术确定病害位置，具体包括以下子步骤：

S51：进入隧道前，通过GPS动态获取位置数据，确定隧道洞口位置，记录起始里程；

S52：进入隧道后，利用测距轮的时序数据计算自隧道洞口开始的行程距离。粗略确定纵向里程，本级别的误差为1-10m；

S53：利用CCD相机实时获取近隧道侧的拱腰及边墙部位表观图像；

S54：基于图像特征识别分析模块，通过图像预处理、亚像素边缘检测算法等识别施工缝、隧道内里程标签、配电箱等特征物，结合上述特征物的里程数据，通过图像配准的方式，插值修正测距轮的里程数据，纵向定位精度达到cm级别；

采用线性插值方案时，如图4所示，修正方法如下：

风机A、里程标签B的实际里程已知，记录在基础信息库中，分别记为Ka0、Kb0；施工缝C和D间距也已知，记为L；

记基于惯导等技术的风机A、里程标签B、施工缝C、施工缝D、地下水E、背后空洞F的测量里程分别为Ka1、Kb1、Kc1、Kd1、Ke1、Kf1；

对于地下水E，附近只有一处绝对里程参照物(风机A)，修正方法为Ke0＝Ke1+(Ka0-Ka1)；

对于背后空洞F，附近存在一处绝对里程参照物(里程标签B)和两处相对里程参照物(施工缝C和D)，修正方法为Kf0＝Kb0-(Kb1-Kf1)×L/(Kd1-Kc1)。

基于上述思路的其他插值或改进修正方法，也在保护范围内。

S55：利用激光点源数据确定各病害的环向位置，精度达mm级别。

本发明的一种隧道内部病害的快速检测***，以平板车为载体，平板车上设置有声波发射装置、激光测振装置、非接触超声波接收装置、红外探温装置、隧道内定位装置、三维激光扫描装置、供电装置、存储装置、中央控制器和数据处理分析装置，中央控制器与声波发射装置、激光测振装置、非接触超声波接收装置、红外探温装置、隧道内定位装置、三维激光扫描装置相连接，实现以上各装置的启动、关闭及协同工作，数据处理分析装置用于激光超声数据、激光测振数据、红外探温数据、围岩劣化数据的分析及显示，装载于特定的工作站或服务器上，检测速度可达10-80km/h。

其中，声波发射装置包括多组功放机、增幅器和导轮，用于远距离向隧道表面定向发射声波，发射方向和设定角度相关，引起衬砌表面振动。功放机距离衬砌表面400cm-700cm，入射至衬砌表面的声波激发点间距不小于10cm；功放机沿隧道内表面环向均匀布置，相邻功放机的夹角为20°-40°，保证任意检测区域的声波辐射强度。

激光测振装置包括多组激光测振仪，测振仪包括激光器、分光镜、聚焦镜、反射镜、光谱检测器及导轨，激光器激发点阵光源，经分光镜分成测量光束和参考光束，直接射向衬砌表面，激光器通过聚焦镜、反射镜接收参考光束和测量光束的反射光。基于光干涉原理，判断混凝土的强度和密实度。技术要求上，激光器能量不低于500mJ，安装时，激光器距离衬彻表面300cm-700cm。当监测装置以20-50km/h速度行驶时，通过检测断面的瞬间，可保证激光点覆盖检测范围；当检测装置以不超过5km/h的低速行驶时，可配置1组激光测振仪，以5-10km/h行驶时，宜配置2组激光测振仪，10-20km/h宜配置3组。多组激光测振仪以固定角度沿隧道环向均匀布置，振镜和导轨设置应保证不同激光器的激光互不干扰。

非接触超声波接收装置包括多组空气耦合天线、放大器、示波器，用于接收激光所激发的超声波回波信号，判断衬砌厚度、背后空洞。技术要求上，空气耦合天线的探测距离为300cm-400cm。

红外探温装置包括多组高强红外热成像仪，用于感应衬砌表面的温度数据。每组红外热像仪覆盖范围30°-40°，沿隧道内表面环向均匀布置。对局部区域进行固定式复查(重点部位专项检查)时，可配置热激励装置，通过加热的方式，检测温度场扩散特征，富水区温度扩散速度显著慢于无水区，据此判断背后地下水。

隧道内定位装置包括多部CCD相机，高强度补光光源、测距轮和GPS，CCD相机不少于2部，设置于平板车两侧，获取拱腰及边墙部位的表观图像，补光光源为红外LED，降低对交通的干扰，GPS用于隧道洞口里程位置的确定。

本发明的检测方法中，针对衬砌厚度和背后空洞检测，采用功放机激发声波，激励衬砌振动；利用激光测振仪向衬砌表面发射激光，并接收携带衬砌振动信息的反射激光，测量与参考光束形成光干涉后，自动分析质点振动特征，快速判断衬砌的厚度和背后空洞。本技术手段达到了与现有技术一样的非接触快速检测效果，并可以应用于钢筋混凝土衬砌，且功放机和测振仪技术成熟、价格低廉，成本较低。

本发明的检测方法中，针对衬砌强度和密实度检测，利用激光测振仪激发的激光，以非接触的方式激发超声波，并在衬砌表面和内部传播；利用空气耦合天线，以非接触的方式接收反射回的超声波信号，基于声时、声速、声幅、频率等特征参数分析，自动判断计算衬砌混凝土强度和密实性。与现有接触式的超声波激发额接收技术相比，本发明技术实现了超声波的非接触式激发和接收，显著提高了检测效率。

本发明的检测方法中，针对衬砌背后的地下水检测，本发明在红外热像仪探测表面温度的基础上，提出衬砌背后至表面的温度场扩散模型，建立冬季、夏季不同时节的地表-围岩-隧道内表面温度扩散公式，依据表面温度演化出背后的温度分布特征，进而判断有无地下水，并计算衬砌背后的赋水面积。与现有技术相比，本发明实现了衬砌背后地下水的精确探测和面积计算。

本发明的检测方法中，针对衬砌背后围岩劣化程度检测，本发明利用小生境、重复串、海民距离等技术改进自适应遗传算法的同时，将裂缝、厚度不足、空洞及渗漏水等病害的刚度/强度计算模型融入反分析，建立考虑结构病害的运营隧道围岩参数反演分析方法；进而依据变形检测数据反演围岩弱化情况，并建立了劣化程度的分级标准，给出了变形和劣化范围的判定依据。与现有技术相比，本发明实现了运营隧道衬砌背后围岩劣化程度的判断，并建立了量化的判定标准。

本发明的检测方法中，针对隧道病害的位置检测，本发明利用GPS确定洞口里程、利用惯导技术初步确定纵向里程，并提出了隧道施工缝、隧道内配电箱、照明灯具、里程标签等的图像特征识别方法，建立基于图像配准的纵向里程插值修正方法，将定位精度由数米提高至厘米级别。与现有技术相比，本发明的定位精度更高，检测结果更加准确。

以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种隧道内部病害的快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：利用声发射与激光测振技术检测衬砌厚度和背后空洞，具体包括以下子步骤：

S11：利用声波发射装置向隧道衬砌表面定向发射声波，引起衬砌振动；

S12：利用激光测振装置检测衬砌振动信息，激光测振装置向衬砌表面发射激光并分成测量光束和参考光束，测量光束入射至混凝土衬砌表面，并携带衬砌的振动信息反射至激光测振装置的光谱检测器，参考光束经反射、聚焦后也被光谱检测器接收，转换为衬砌表面质点的振动信息；

S13：通过研究建立不同混凝土厚度、不同型号混凝土、不同大小及范围的衬砌背后空洞与表面质点振动速度的数学模型，基于振动速度数据自动分析、判断衬砌厚度和背后空洞；

S2：利用激光超声技术检测衬砌强度与密实度，具体包括以下子步骤：

S21：利用激光测振装置激发激光，激光入射至衬砌表面时，形成超声波，在衬砌表面及内部传播；

S22：利用非接触式超声波接收装置接收超声波的回波信号；

S23：利用波形预处理及分析方法计算超声波及其回波的声时、声速、声幅、频率等波形特征参数，基于混凝土强度、密实性与波形特征参数的关系，计算混凝土衬砌的强度，并判断其密实性；

S3：利用红外探温技术检测衬砌背后地下水，具体包括以下子步骤：

S31：利用红外探温装置探测衬砌侧表面温度，并结合地表温度确定围岩温度；

S32：建立模拟衬砌温度场演化的三维计算模型，结合围岩、衬砌表面温度分布随季节变化的数学模型及实测数据，分析衬砌背后温度场特征；

S33：计算衬砌背后温度场参数，与经验数据或周边温度数据比对，计算衬砌背后赋水面积；

S34：结合大量试验、测试，进一步的建立表面温度与背后温度的数学分布模型，基于公式法快速推算背后水体边缘，计算衬砌背后的赋水面积；

S4：利用激光扫描与反演技术探测衬砌背后围岩劣化程度，具体包括以下子步骤：

S41：确定隧道运营初期的断面轮廓L1；

S42：利用三维激光扫描装置在隧道内移动扫描，拟合当前的断面轮廓L2，沿纵向重构隧道三维模型；

S43：建立衬砌背后围岩劣化的地层结构法反分析计算模型，以断面轮廓L1为初始状态，以围岩初始强度参数及松动圈参数为主要输入条件，基于改进的自适应遗传算法开展反分析，计算断面轮廓L3；

S44：当断面轮廓L3与L2各点的误差值小于设定阈值时，此时的围岩强度及松动圈参数为断面轮廓L2对应的围岩劣化程度；

S45：依据断面轮廓L2与L1，确定隧道断面各部位的变形值△si，将围岩弱化分级，分级与结构技术状况值对应；

S5：利用惯导与图像配准技术确定病害位置，具体包括以下子步骤：

S51：进入隧道前，通过GPS动态获取位置数据，确定隧道洞口位置，记录起始里程；

S52：进入隧道后，利用测距轮的时序数据计算自隧道洞口开始的行程距离；

S53：利用CCD相机实时获取近隧道侧的拱腰及边墙部位表观图像；

S54：基于图像特征识别分析模块，识别隧道内特征物，结合上述特征物的里程数据，修正测距轮的里程数据；

S55：利用激光点源数据确定各病害的环向位置。

2.根据权利要求1所述的隧道内部病害的快速检测方法，其特征在于，所述步骤S11中的声波强度不低于70～80dB，当检测精度为cm级别时，声波强度不低于100dB，激发频率的下限f_min可按下式计算：

式中，h为衬砌设计厚度，D为需要检测出的衬砌背后空洞最小直径，E为衬砌混凝土弹性模型，ρ为衬砌混凝土密度，ν为衬砌混凝土泊松比。

3.根据权利要求1所述的隧道内部病害的快速检测方法，其特征在于，所述步骤S12中的激光为波长为870mm-1500nm的近红外不可见激光，激光的激发频率不低于2KHz，激光入射面与声波方向的夹角θ为90°。

4.根据权利要求1所述的隧道内部病害的快速检测方法，其特征在于，所述步骤S13中判断衬砌厚度和背后空洞方法如下：

记衬砌厚度设计值为h，完好情况下振动速度为V₀，各检测点的衬砌厚度为h_i，各检测点的空洞深度为d_i，各检测点振动速度为V_i，声波激发强度为80dB-100dB、衬砌厚度为35cm～40cm时，V₀为0.5μm/s，

如果检测点振动速度V_i≤V₀，该点对应的衬砌背后不存在空洞；

如果检测点V_i＞V₀，该点对应的衬砌背后存在空洞，采用线性衰减模式分析时，衬砌厚度h_i＝h+h×(Vi-V₀)/V₀，空洞深度d_i＝(V_i-V₀)×h/V₀。

5.根据权利要求1所述的隧道内部病害的快速检测方法，其特征在于，所述步骤S43中的反分析计算模型中，如果L2在初始松动圈范围内出现变化，则反演松动圈沿径向的高度，如果L2在初始松动圈范围外出现变化，则同时反演松动圈沿径向的高度和沿环向的宽度范围；

所述步骤S43的围岩初始松动圈考虑外部载荷影响，松动荷载作用下，围岩初始松动圈范围为拱部120°范围，节理、层理及地形引起的偏压作用下，围岩初始松动圈范围覆盖偏压范围、并向两侧延伸10°，高地应力引起的塑性地压作用下，围岩初始松动圈应覆盖挤压作用范围、并向两侧延伸10°；

所述步骤S43中的反分析的方法，为采用小生境、重复串、海民距离、种群迁移的方式改进常规自适应遗传算子，分析时融入病害特征计算模型，其中裂缝、厚度不足、空洞病害，通过刚度折减法确定病害影响，渗漏水病害通过强度-时间函数曲线考虑混凝土劣化的影响。

6.根据权利要求1所述的隧道内部病害的快速检测方法，其特征在于，所述步骤S45中围岩弱化分级标准如下：

0级，无弱化，结构承担的外部荷载基本没有增加，△si≈0mm；

1级，轻微弱化，结构承担的外部荷载增加(但仍小于设计荷载)，0mm＜△si≤2mm；

2级，中等弱化，结构承担的外部荷载显著增加(接近设计荷载)，2mm＜△si≤5mm；

3级，严重弱化，结构承担的外部荷载显著增加(1～1.5倍的设计荷载～)，5mm＜△si≤10mm；

4级，危险状态，结构承担的外部荷载显著增加(超出设计荷载1.5倍)，△si＞10mm。

7.一种隧道内部病害的快速检测***，其特征在于，包括平板车，所述平板车上设置有声波发射装置、激光测振装置、非接触超声波接收装置、红外探温装置、隧道内定位装置、三维激光扫描装置、供电装置、存储装置、中央控制器和数据处理分析装置，所述中央控制器与声波发射装置、激光测振装置、非接触超声波接收装置、红外探温装置、隧道内定位装置、三维激光扫描装置相连接，实现以上各装置的启动、关闭及协同工作，所述数据处理分析装置用于激光超声数据、激光测振数据、红外探温数据、围岩劣化数据的分析及显示。

8.根据权利要求7所述的隧道内部病害的快速检测***，其特征在于，所述声波发射装置包括多组定向功放机、增幅器和导轮，所述功放机距离衬砌表面400cm-700cm，入射至衬砌表面的声波激发点间距不小于10cm；多组功放机沿隧道内表面环向均匀布置，相邻功放机的夹角为20°-40°。

9.根据权利要求7所述的隧道内部病害的快速检测***，其特征在于，所述激光测振装置包括多组激光测振仪，所述激光测振仪包括激光器、分光镜、聚焦镜、反射镜、光谱检测器和导轮，所述激光器能量不低于500mJ，所述激光器距离衬砌表面300cm-700cm，多组激光测振仪沿隧道内表面环向布置，激光测振仪连接在导轮上，可沿隧道环向转动实现隧道全断面及纵向一定范围的激光激发与接收。

10.根据权利要求7所述的隧道内部病害的快速检测***，其特征在于，所述非接触式超声波接收装置包括多组空气耦合天线、放大器和示波器，所述空气耦合天线为400MHz+900MHz的双收模式空气耦合天线，隧道的边墙及拱脚部位单独采用400MHz的天线；所述空气耦合天线距离衬砌表面300cm-400cm，所述空气耦合天线固定在导轮上；所述红外探温装置包括多组红外热像仪，所述多组红外热像仪沿隧道内表面环向均匀布置，每组覆盖范围30°-40°；所述隧道内定位装置包括多部CCD相机，补光光源、测距轮和GPS，所述CCD相机设置于平板车两侧，所述补光光源为红外LED。

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