CN113029080A - 一种隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量方法与装置，该方法具体为：测量隧道内的真实风速；采用空气测温仪采集隧道内空气温度，记录位置信息；通过红外热像仪和可见光数字相机扫描得到隧道衬砌的红外热图像和可见光数字图像；通过数字图像处理***对可见光数字图像进行识别，得到隧道衬砌表观裂缝图像及其位置信息，根据位置信息得到对应裂缝及其周围的红外热图像以及该处的空气温度；通过红外数据处理***对热图像进行处理，得到正常区衬砌的表面平均温度、裂缝区与裂缝周围正常区的表面最大温差，通过公式计算得到隧道内空气温度与衬砌背后围岩边界温度之差，进一步根据裂缝深度与衬砌内外温差、裂缝区与正常区表面温差的数值关系表达式，计算得到裂缝深度。

Description

一种隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量方法与装置

技术领域

本发明属于隧道检测领域，尤其涉及一种隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量方法与装置。

背景技术

我国是世界上拥有隧道数量最多的国家，且隧道数量仍在逐年增多。在隧道服役过程中，衬砌混凝土受地质条件、材料劣化及保护区范围内工程活动等诸多因素的影响易发生开裂，当衬砌裂缝发展到一定程度时，会发生渗漏、变形、剥落剥离等病害，从而影响隧道服役性能和运营安全。因此，衬砌裂缝深度和宽度不仅是评价隧道病害状态的重要指标，也是隧道检测、监测的重点项目。目前，针对裂缝宽度的快速检测技术已经较为成熟并已广泛应用，检测精度已经达到0.2mm，而对于裂缝深度的快速无损检测技术的研究仍处于起步阶段。

现阶段针对混凝土裂缝深度的检测方法主要有常规超声波法、雷达法、激光超声法等。常规超声法采用接触式换能器激发超声波，为保证高的灵敏度和可靠性，还需要使用超声耦合剂，且检测前需要对混凝土表面进行处理，检测效率和检测精度都较低。CN110243320 A 公布了一种隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法及装置。该方法使用脉冲激光器激发超声波，采用非接触的接收探头进行超声波信号的接收，根据接收得到的波形的波峰和波谷的时间差，计算裂缝深度，若波峰和波谷的时间差超过设定的阈值，则通过建立有限元分析模型来计算得到裂缝深度。该方法本质为利用超声波探测衬砌混凝土裂缝，混凝土为高度非均匀的多相复合材料，混凝土中的骨料会使超声波在传播过程中发生多重散射、波形转换、能量衰减等问题，接收到的超声检测信号需要进行降噪。随着裂缝深度的增加，超声波信号幅值严重衰减，因此该方法不适用于检测较深的裂缝。

冲击回波法利用冲击激励在混凝土中产生应力波，通过接收波形信号来检测裂缝。CN 110954033 A公布了一种混凝土裂缝深度检测方法及其***。该方法利用冲击回波仪对混凝土裂缝深度进行检测，接收并分析裂缝缺陷信号，得到多个不同信号能量的频段，然后计算各频段信号能量与总能量的比值，获取得到信号主频率和缺陷频率，再根据公式计算得到裂缝深度。该方法操作步骤复杂，需要对每条裂缝的测线进行精准布置，内业工作量大，且需要专业人士对检测所得的裂缝缺陷信号及信号能量进行分析和计算，检测效率低，不适用于大范围的裂缝检测。

CN 112013783 A公布了一种桥梁裂缝深度检测方法、装置及***。该方法通过获取加热条件下的待测裂缝区域的热红外图像，并将其导入预先训练的桥梁裂缝深度检测模型中，得到桥梁裂缝深度。但该方法使用时需要提前获得裂缝深度检测训练模型，且检测时需要热激励设备、红外相机、可见光相机、无人机等多种设备，成本高、操作步骤复杂，所使用的可见光相机对照明条件要求高，因此该方法并不适用于地下隧道。

综上，常规超声波法、激光超声法、冲击回波法具有操作复杂、易受干扰、信号衰减严重、可检测的裂缝深度有限等诸多缺点。而基于热传导机理的红外无损检测技术可以克服以上缺陷，但目前已有的基于红外技术的检测方法并不适用于隧道。隧道处于围岩体包围之中，热环境复杂、可见度低，因此需探索基于自然条件下隧道热环境的红外无损检测技术，以用于隧道衬砌裂缝深度的快速检测。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有的检测技术存在的缺陷而提供的一种隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量方法与装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量方法，具体包括如下步骤：

S1、采用风速计测量静止状态下隧道内真实风速v；

S2、采用空气测温仪采集隧道内空气温度，同时采用红外热像仪、可见光数字相机扫描隧道衬砌表面，并记录位置信息，得到隧道衬砌表面红外热图像和可见光数字图像

S3、通过数字图像处理***对可见光数字图像进行识别，得到隧道衬砌表观裂缝图像及其位置信息，根据位置信息搜索并截取对应裂缝及其周围的红外热图像，并查找该处及附近的空气温度T _A ；

S4、通过红外数据处理***对截取后的红外热图像进行处理，得到正常区隧道衬砌表面的平均温度T _B 、裂缝区及其周围正常区衬砌表面的最高温度T _max 和最低温度T _min ；

S5、计算隧道内空气温度与衬砌围岩边界温度之差ΔT，其计算表达式如下：

式中，h为隧道衬砌表面空气的对流换热系数，大小与风速v有关；δ为衬砌厚度；λ为衬砌混凝土的热传导系数；

S6、计算裂缝区及其周围正常区衬砌表面的最大温差Δt，其计算表达式如下：

；

S7、计算衬砌裂缝深度d，其计算公式如下：

。

进一步地，所述v为检测过程中在隧道三处不同位置测得的移动平台静止状态下的真实风速的平均值。

进一步地，所述正常区隧道衬砌表面温度T _B 的获取方式为：选取裂缝附近隧道同侧、无病害的不小于1m²的衬砌混凝土表面，在红外数据处理***中框选1m²范围的衬砌表面的红外热图像，得到该范围内的表面平均温度。

进一步地，所述裂缝区及其周围正常区衬砌表面为沿裂缝走向的整条裂缝范围及裂缝两侧不小于0.2m范围内的无病害区，在红外数据处理***中框选该范围的红外热图像，即可得到该范围的最高温度和最低温度。

进一步地，所述的衬砌裂缝深度d为红外数据处理***框选范围内的裂缝深度，衬砌裂缝深度d单位为cm。

本发明还涉及一种隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量装置，包括：空气测温仪、风速计、可见光数字相机、红外热像仪、数据处理***以及惯性单元和光电编码器，风速计、可见光数字相机和惯性单元固定在台架上表面，所述台架安装在移动平台上，所述空气测温仪、红外热像仪、数据处理***均设置在移动平台上，光电编码器设置在移动平台轮轴上，数据处理***分别连接空气测温仪、可见光数字相机、红外热像仪、惯性单元和光电编码器。

空气测温仪，用于采集待检测的衬砌裂缝周围的空气温度；

风速计，用于测量隧道内的风速；

可见光数字相机，用于扫描、拍摄隧道衬砌表观图像；

所述红外热像仪可通过远距离、非接触式扫描的方式得到隧道衬砌表面实时的红外热图像，也可通过录制模式扫描、记录衬砌表面的红外热图像和温度数据并存储；

数据处理***包括气温采集***、红外数据处理***和数字图像处理***；

气温采集***与空气测温仪的传感器相连，可根据设定的间隔时间读取空气测温仪上的温度并记录、存储；

红外数据处理***用于对红外热像仪扫描得到的隧道衬砌表面温度数据进行处理，得到隧道衬砌表面的红外热像图、隧道衬砌表面一定范围内的平均温度、最高温度和最低温度，与红外热像仪连接时，可得到扫描范围内的实时温度数据；

数字图像处理***，包括：

电子信号处理单元，用于对数字图像进行处理，识别衬砌表观裂缝；

信息显示单元，用于对识别出的表观裂缝进行可视化显示；

惯性单元，用于测量平台的姿态参数；

光电编码器，用于测量移动平台的运行速度和距离。惯性单元和光电编码器组成的精准定位***，用于对待检测裂缝进行精准定位；

移动平台，用于各测量装置、***的集成安装和用电***的提供。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明基于隧道衬砌的热传导机理，利用裂缝区与正常区隧道衬砌表面的温度差异对裂缝进行深度检测，与超声波法、冲击回波法等相比，无需发生装置和接收装置，无需考虑波形信号衰减等问题，检测方法简单，操作简便；

2、本发明采用非接触移动式检测方式，可对隧道衬砌表面进行远距离扫描，检测效率高；

3、本发明计算方法简单易行，隧道内空气温度、正常区衬砌表面温度、裂缝区与其周围正常区的表面最大温差三个需测量的数据均较易获得，普通技术人员即可操作，无需专业人士进行复杂计算；

4、本发明经过大量的试验和计算分析验证，裂缝深度检测精度误差在5%范围内，检测精度较高。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明装置示意图。

图3为正常区隧道衬砌表面检测范围图。

图4为裂缝及其周围正常区衬砌表面检测范围图。

图5为本发明电连接框图。

图中：1-空气测温仪，2-风速计，3-可见光数字相机，4-红外热像仪，5-数据处理***，6-惯性单元，7-光电编码器，8-移动平台，9-台架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明所述一种隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量方法，如图1所示，测量方法的具体实施步骤如下：

步骤S1、采用风速计测量隧道内三处不同位置的移动平台在静止状态下的真实风速，计算得到平均值v；

步骤S2、采用空气测温仪采集隧道内空气温度，同时采用红外热像仪、可见光数字相机扫描隧道衬砌表面，并记录位置信息，得到隧道衬砌表面红外热图像和可见光数字图像；

步骤S3、通过数字图像处理***对可见光数字图像进行识别，得到隧道衬砌表观裂缝图像及其位置信息，根据位置信息搜索并截取对应裂缝及其周围的红外热图像，并查找该处及附近的空气温度T _A ；

步骤S4、通过红外数据处理***对截取后的红外热图像进行处理，得到正常区隧道衬砌表面的平均温度T _B 、裂缝区及其周围正常区衬砌表面的最高温度T _max 和最低温度T _min ；

步骤S5、计算隧道内空气温度与衬砌围岩边界温度之差ΔT，其计算表达式如下：

式中，h为隧道衬砌表面空气的对流换热系数，大小与风速v有关；δ为衬砌厚度；λ为衬砌混凝土的热传导系数；

步骤S6、计算裂缝区及其周围正常区衬砌表面的最大温差Δt，其计算表达式如下：

；

步骤S7、计算衬砌裂缝深度d，其计算公式如下：

。

参照图2，图5，本发明还涉及一种隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量装置，包括：空气测温仪1、风速计2、可见光数字相机3、红外热像仪4、数据处理***5以及惯性单元6和光电编码器7，风速计2、可见光数字相机3和惯性单元6固定在台架9上表面，所述台架9安装在移动平台8上，所述空气测温仪1、红外热像仪4、数据处理***5均设置在移动平台8上，光电编码器7设置在移动平台轮轴上，数据处理***5分别连接空气测温仪1、可见光数字相机3、红外热像仪4、惯性单元6和光电编码器7。数据处理***5包括气温采集***、红外数据处理***和数字图像处理***；惯性单元6和光电编码器7组成的精准定位***，数据处理***5安装在计算机内，上述部件均为市购，其型号和生产厂家为：

空气测温仪，型号LR9600，生产厂家为杭州联测自动化技术有限公司；

风速计，型号AS8336，生产厂家为香港希玛科技有限公司；

红外热像仪，型号FLIR A655sc，生产厂家为美国FLIR Systems Inc.;

其他部件可参照CN 106627317 B公布的一种公路隧道表观病害采集车进行选购、组装。数据处理***5包括气温采集***、红外数据处理***和数字图像处理***；气温采集***为空气测温仪自带的***；红外数据处理***可使用FLIR A655sc红外热像仪配套的FLIR ResearchIR Max 4***；数字图像处理***可参照CN 110378950 A和 CN108229461 A选用。

气温采集***与空气测温仪的传感器相连，可根据设定的间隔时间读取空气测温仪上的温度并记录、存储；

红外数据处理***用于对红外热像仪扫描得到的隧道衬砌表面温度数据进行处理，得到隧道衬砌表面的红外热像图、隧道衬砌表面一定范围内的平均温度、最高温度和最低温度，与红外热像仪连接时，可得到扫描范围内的实时温度数据；

数字图像处理***，包括：

电子信号处理单元，用于对数字图像进行处理，识别衬砌表观裂缝；

信息显示单元，用于对识别出的表观裂缝进行可视化显示；

惯性单元，用于测量平台的姿态参数；

光电编码器，用于测量移动平台的运行速度和距离。惯性单元和光电编码器组成的精准定位***，用于对待检测裂缝进行精准定位。

以下为具体的测试实例：

一、在移动平台8——检测车上，打开红外热像仪4和可见光数字相机3进行校准测试，将空气测温仪1与计算机相连，校准完成后，运行检测车进行扫描检测。

二、检测过程中选择隧道内三处不同位置停留，每处位置检测车停留30分钟，用风速计2检测隧道内的风速，计算平均值后得到隧道内的风速为0.5m/s，则h取为7.97 W/(m²·℃)。

三、采用数字图像处理***随采集完的数字图像进行裂缝识别，得到隧道衬砌表观裂缝图像及其位置信息，根据位置信息进行搜索，得到该处附近隧道内空气温度T _A 为22.3℃，待检测隧道衬砌采用C30混凝土，衬砌厚度δ为0.6m，常温下衬砌混凝土的热传导系数λ为1.28 W·(m·℃)^-1。

四、如图3所示，根据位置信息搜索截取该裂缝及其周围的红外热图像，在待检测的裂缝旁同侧隧道衬砌表面选取一面积不小于1m²的无病害的正常区域，利用红外数据处理***框选1m²范围的衬砌表面，得出该范围的平均温度为20.76℃。

五、将上述步骤中检测所得的数据代入如下表达式，计算隧道内空气温度与衬砌围岩边界温度之差ΔT为7.29℃。

。

六、如图4所示，采用红外数据处理***框选待检测裂缝区及其周围正常区衬砌表面，裂缝周围正常区衬砌表面范围与裂缝的距离不小于0.2m，得到该范围内的表面最大温度T _max 为21.25℃，最低温度T _min 为20.80℃。

七、根据表达式

，计算得到裂缝区及其周围正常区衬砌表面的最大温差Δt为0.45℃；

八、根据下列计算表达式，计算得到该框选范围内衬砌裂缝的最大深度d为9.950cm；

。

九、经检测，裂缝的实际深度为10.01cm，误差为0.6%，误差在5%以内。

十、重复上述步骤，测量隧道另两处裂缝，得到裂缝深度分别为4.941cm、4.938cm，裂缝的实际深度为5.02cm，4.97cm，误差分别为1.6%、0.6%，误差在5%以内。

以上详细描述了本发明的较佳的具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明的权利要求书所要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、采用风速计测量静止状态下隧道内真实风速v；

S2、采用空气测温仪采集隧道内空气温度，同时采用红外热像仪、可见光数字相机扫描隧道衬砌表面，并记录位置信息，得到隧道衬砌表面红外热图像和可见光数字图像；

S3、通过数字图像处理***对可见光数字图像进行识别，得到隧道衬砌表观裂缝图像及其位置信息，根据位置信息搜索并截取对应裂缝及其周围的红外热图像，并查找该处及附近的空气温度T _A ；

S4、通过红外数据处理***对截取后的红外热图像进行处理，得到正常区隧道衬砌表面的平均温度T _B 、裂缝区及其周围正常区衬砌表面的最高温度T _max 和最低温度T _min ；

S5、计算隧道内空气温度与衬砌围岩边界温度之差ΔT，其计算表达式如下：

式中，h为隧道衬砌表面空气的对流换热系数，大小与风速v有关；δ为衬砌厚度；λ为衬砌混凝土的热传导系数；

S6、计算裂缝区及其周围正常区衬砌表面的最大温差Δt，其计算表达式如下：

；

S7、计算衬砌裂缝深度d，其计算公式如下：

。

2.根据权利要求1所述的一种隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量方法，其特征在于，所述v为检测过程中在隧道三处不同位置测得的移动平台静止状态下的真实风速的平均值。

3.根据权利要求1所述的一种隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量方法，其特征在于，裂缝区及其周围正常区衬砌表面位于隧道同侧，所述裂缝区包括沿裂缝走向的整条裂缝及裂缝边沿范围，周围正常区衬砌表面为面积不小于1m²的无病害表面。

4.根据权利要求3所述的一种隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量方法，其特征在于，所述周围正常区衬砌表面包括裂缝走向两侧距裂缝不小于0.2m范围内的无病害区。

5.根据权利要求1所述的一种隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量方法，其特征在于，所述ΔT和Δt均为无量纲值，所述的衬砌裂缝深度d为红外数据处理***框选范围内的裂缝深度，衬砌裂缝深度d单位为cm。

6.一种隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量装置，其特征在于，包括：空气测温仪、风速计、可见光数字相机、红外热像仪、数据处理***以及惯性单元和光电编码器，风速计、可见光数字相机和惯性单元固定在台架上表面，所述台架安装在移动平台上，所述空气测温仪、红外热像仪、数据处理***均设置在移动平台上，光电编码器设置在移动平台轮轴上，数据处理***分别连接空气测温仪、可见光数字相机、红外热像仪、惯性单元和光电编码器。

7.根据权利要求6所述的隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量装置，其特征在于，数据处理***包括气温采集***、红外数据处理***和数字图像处理***，安装于同一台计算机上。

8.根据权利要求7所述的隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量装置，其特征在于，所述气温采集***与空气测温仪的传感器相连，可根据设定的间隔时间读取空气测温仪上的温度并记录、存储。

9.根据权利要求7所述的隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量装置，其特征在于，所述数字图像处理***包括：

电子信号处理单元，用于对数字图像进行处理，识别衬砌表观裂缝；

信息显示单元，用于对识别出的表观裂缝进行可视化显示。

10.根据权利要求7所述的隧道裂缝深度的非接触移动式快速测量装置，其特征在于，所述红外数据处理***与红外热像仪连接后，可在计算机上显示红外热像仪扫描范围内的实时温度数据，框选某一范围后，可得到框选范围的红外热像图以及该范围内的平均温度、最高温度T _max 、最低温度T _min 。

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