CN114109072B - 一种用于地下结构表面裂缝的综合定量检测及修复工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于地下结构表面裂缝的综合定量检测及修复工艺,属于地下结构病害治理技术领域,包括以下步骤:将地下结构划分成n个检测区段,获取地下结构表面的图像数据;进行图像处理,提取表面裂缝数据,测量相应裂缝参数;得到病害指标,建立地下结构表面裂缝综合定量评价指标,并与指标允许值进行比较,定量评判地下结构表面裂缝病害程度,识别需修复治理的检测区段;进行表面裂缝修复治理,并给出修复工艺与修复效果评价方法;可对地下结构施工‑运营全寿命周期内的结构表面裂缝病害问题进行有效科学检测评价与修复治理,解决了现有表面裂缝检测治理技术难以对错综复杂裂缝病害特征与程度进行科学统计、分类识别、定量评价的问题。
Description
技术领域
本发明涉及地下结构病害治理技术领域,具体涉及一种用于地下结构表面裂缝的综合定量检测及修复工艺。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术,而不必然地构成现有技术。
隧道(洞)、地下车站、地下硐室及地下综合管廊等各类地下结构埋藏于地下,属于地下隐蔽性工程,不可避免会穿越一些复杂地质条件影响地层,如高地应力、软弱地层、湿陷性黄土地层、断层破碎带、强富水或高承压水等地层环境,或受设计参数、混凝土施工质量、施工技术水平、外部环境荷载扰动与其他各类因素的影响与限制,地下结构在施工及运营阶段普遍存在表面开裂并易诱发渗漏水等病害问题。比如,在目前交通隧道领域,普遍存在“十隧九漏”说法。地下结构裂损及渗漏水病害大大加重了地下结构的安全隐患,对其安全使用及健康运营都将会产生一定不利影响。因此,精准评价地下结构健康状态,并对裂损病害严重部位进行有效治理,防止病害进一步恶化,是目前地下工程领域亟待解决的关键问题之一。
发明人发现,在目前常规地下结构表面裂损病害检测评价与修复治理方面,尚存在以下不足:
(1)由于地下结构产生表面裂缝的原因错综复杂,裂缝产生位置、方向角度及数量也是随机的,进而导致现有常规技术手段难以对不同特征裂缝病害问题进行科学统计识别与定量评价,缺乏相应的裂缝分类标准以及科学合理描述不同类别裂缝病害程度的分类指标或定量依据;
(2)对于地下结构表面裂缝病害而言,由于裂缝特征错综复杂,描述裂损病害特征的参数,如长度、角度、宽度等也是包含多个方面影响,导致利用现有技术还难以对整个地下结构区段的裂损病害程度与整体健康状态进行有效的综合评价,缺乏相应的多元评价指标,这也是目前主要依赖定性评价的根本原因,应基于多元影响因素的***评价理论去科学表征病害程度,才可有效指导病害的科学防控;
(3)在地下结构裂缝检测手段方面,利用常规裂缝计、角度尺或人工走访统计等方式进行,存在着检测效率低、检测劳动强度大、精准度差等问题,即使目前市面上存在一些无损检测手段,但普遍较不成熟,尚未形成成套有效的工艺方法以指导工程实践;
(4)在地下结构裂缝治理方面,由于不同原因产生的裂缝特征也不一样,进而导致不同种类裂缝的修复治理方法也存在一定差异,但目前裂缝修复治理普遍依赖经验类比的方式进行施工,尚未形成一套完整的针对不同种类地下结构裂缝的修复治理工艺;
(5)利用现有常规技术进行地下结构裂缝修复完成后,即认为修复结束,缺乏从运维全生命周期内对裂缝修复治理效果的定量检测与评价方法,容易导致修复后再次出现开裂破损的问题,因此对于修复治理效果的长期科学评价,也是裂缝修复治理的一项重要内容,这对地下结构长久安全与健康运维非常重要。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明的目的是提供一种用于地下结构表面裂缝的综合定量检测及修复工艺,可通过图像获得地下结构内表面三维图像并获取裂缝数量、长度、宽度等信息,将裂缝分为轴向、斜交与环向三种类型,并建立了轴向裂缝病害指标、斜交裂缝病害指标、环向裂缝病害指标及裂缝病害综合定量评价指标,提出了表面裂缝修复治理成套方法与修复治理效果定量评价方法,有效解决了现有地下结构表面裂缝检测治理技术难以对错综复杂裂缝病害特征与程度进行科学统计、分类识别、定量评价,难以指导不同种类裂缝科学修复治理,以及难以对地下结构整体健康进行精准掌控的问题。
为了实现上述目的,本发明是通过如下的技术方案来实现:
第一方面,本发明提出一种用于地下结构表面裂缝的综合定量检测及修复工艺,包括以下步骤:
步骤1,将待检测地下结构划分成n个检测区段,采集获取各检测区段地下结构表面的图像数据;
步骤2,进行图像处理分析,识别提取地下结构表面裂缝数据,将表面裂缝划分为轴向裂缝、斜交裂缝、环向裂缝;
步骤6,利用抹面法、喷层法、外粘法或注浆法对需修复治理区段地下结构进行表面裂缝修复治理;
上述本发明的有益效果如下:
(1)本发明根据地下结构走向,将其表面裂缝分为轴向、斜交与环向三类裂缝,并进一步提出了轴向裂缝病害指标、斜交裂缝病害指标、环向裂缝病害指标,各裂缝病害指标计算公式中包含了裂缝数量、长度及宽度等表征参数,更能整体反映各类裂缝病害程度,同时,各类裂缝是基于地下结构走向进行分类的,也更能反映地下结构的狭长型结构特征与受力特征,评价过程及结果更为科学。
(2)本发明利用多元影响因素***评价学基本理论,建立了裂缝综合定量评价指标,该指标包含各类裂缝病害指标并配合权重影响因子,评价过程更为全面、科学,不仅能够定量描述检测区段内地下结构表面裂缝病害程度,还能综合反映不同类别裂缝病害对地下结构整体健康状态的影响程度,克服了常规技术手段定性或经验评价的不足,也克服了整体结构裂损病害影响因素复杂而难以综合评价的不足,为地下结构裂缝病害提供了更加科学化的表征与评价支撑。
(3)本发明利用三维激光扫描仪或工业相机等无损检测手段,对地下结构内部进行扫描测试,可快速得到地下结构内表面的三维图像并获取裂缝数量、长度、宽度等信息,节约人力、物力的同时,能够避免对地下结构产生不必要损坏,还可对地下结构表面裂缝病害进行长期随机检测,修复后出现再次开裂的问题得到有效监控。
(4)本发明给出了抹面法、喷层法、外粘法、注浆法等成套裂缝修复治理方法,可满足地下结构常见不同种类裂缝的修复治理;同时,还构建了表面裂缝修复治理效果的定量评价指标,给出了具体的效果评价方法,可实现裂缝修复后长期治理效果与长期状态的定量评价,避免结构裂损病害反复出现,使地下结构裂缝修复治理更科学有效。
(5)本发明给出了地下结构施工-运维全寿命周期内裂缝检测与修复治理的成套工艺,可弥补现有常规检测治理技术普遍存在的单一检测内容、单一检测手段与单一检测时段等不足,检测工艺全面高效,可贯穿地下结构运维全寿命周期的任一时间节点,符合全寿命周期健康控制的理念,有效提升了地下结构运维检测的信息化与技术化管理水平。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明提出的一种用于地下结构表面裂缝的综合定量检测及修复工艺的流程示意图;
图2是本发明由三维激光扫描仪扫描测试分析得到的地下结构n个检测区段内的表面三维图像示意图;
图3是本发明地下结构表面轴向裂缝示意图;
图4是本发明地下结构表面斜交裂缝示意图;
图5是本发明地下结构表面环向裂缝示意图;
图6是本发明抹面法修复地下结构表面裂缝的工艺示意图;
图7是本发明喷层法修复地下结构表面裂缝的工艺示意图;
图8是本发明外粘法修复地下结构表面裂缝的工艺示意图;
图9是本发明注浆法修复地下结构表面裂缝的工艺示意图;
图中:为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸,示意图仅作示意使用;
其中,1、轴向裂缝;2、斜交裂缝;3、环向裂缝;4、水泥砂浆或环氧树脂砂浆;5、早强混凝土或纤维混凝土;6、粘合剂;7、高强碳纤维布;8、水泥砂浆;9、注浆孔。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的,由于影响地下结构产生表面裂缝原因错综复杂,裂缝产生位置、方向角度及数量也是随机的,导致现有常规技术手段难以对此类裂缝病害问题进行科学统计、分类识别与定量评价,也难以对地下结构整体健康进行精准掌控,进而无法指导裂缝科学治理,为了解决上面所述的技术问题,本发明提出了一种用于地下结构表面裂缝的综合定量检测及修复工艺。
实施例1:
本发明的一种典型的实施方式中,如图1-图9所示,提出一种用于地下结构表面裂缝的综合定量检测及修复工艺,为了便于理解,本实施例以狭长型地下结构为例,该地下结构共包括n节,相邻两节处为变形缝,该定量检测及修复工艺包括以下步骤:
步骤1:待地下结构施工建造完成后,将地下结构划分成n个检测区段(n为正整数);
步骤1中,本实施例在地下结构检测区段划分时,依据的划分部位为地下结构变形缝处,对应的检测区段为n个。
可以理解的是,在其他实施例中也可根据地下结构断面尺寸或形状改变处、地层条件改变处、周边环境条件或荷载改变处等部位进行划分,具体划分形式不做过多限制。
步骤2:在某一时刻t1,利用三维激光扫描仪或工业相机对各检测区段地下结构内部进行扫描测试,采集得到各检测区段地下结构表面的图像数据;
利用三维激光扫描仪或工业相机等无损检测手段,对地下结构内部进行扫描测试,可快速得到地下结构内表面的三维图像,节约人力、物力的同时,能够避免对地下结构产生不必要损坏。
步骤3:根据步骤2得到的图像数据,利用图像分析软件对其进行图像处理分析,识别提取出地下结构表面裂缝数据,并将表面裂缝划分为轴向裂缝1、斜交裂缝2、环向裂缝3等三类;
在步骤2、步骤3中,利用三维激光扫描仪进行扫描测试分析时,具体包括以下步骤:
步骤a:在各检测区段地下结构内部利用三维激光扫描仪对地下结构内部进行扫描,得到各检测区段地下结构表面的点云数据;
步骤b:将上述点云数据导入到三维激光扫描仪自带的图像分析软件里,生成得到各检测区段地下结构表面的三维图像,如图2所示效果示意图;
可以理解的是,在其他实施例中也可以将步骤a中的点云数据以其他格式进行保存,并导入到其他图像分析软件里,如3DMIDAS、TopoDOT、TRW、TBC等软件,进行处理并生成三维图像,这里不做过多限制。
步骤c:根据步骤b得到的地下结构表面的三维图像,利用图像分析软件对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理分析,识别提取出如图2所示的地下结构表面裂缝图像数据;
步骤d:根据步骤c识别提取出的裂缝图像数据,统计测量得到各检测区段地下结构表面裂缝的位置、数量、角度、长度、宽度等信息,并根据裂缝走向与地下结构轴向之间夹角大小,将裂缝划分为如图3-图5所示的轴向裂缝1、斜交裂缝2、环向裂缝3三种裂缝类别。
当利用工业相机进行扫描测试分析时,具体包括以下步骤:
步骤a’:在各检测区段地下结构内部利用工业相机对地下结构表面进行图像采集;
步骤b’:将采集得到的地下结构表面图像,导入到图像分析软件里,如Hexsight、Halcon、CkVision等软件,对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理分析,识别提取出地下结构表面裂缝图像数据;
步骤c’:根据步骤b’识别提取出的裂缝图像数据,统计测量得到各检测区段地下结构表面裂缝的位置、数量、角度、长度、宽度等信息,并根据裂缝走向与地下结构轴向之间夹角大小,将裂缝划分如图3-图5所示的轴向裂缝1、斜交裂缝2、环向裂缝3三种裂缝类别;
本实施例中,轴向裂缝1是指裂缝走向与地下结构轴向之间夹角处于[0°,30°)范围的裂缝,斜交裂缝2是指裂缝走向与地下结构轴向之间夹角处于[30°,60°)范围的裂缝,环向裂缝3是指裂缝走向与地下结构轴向之间夹角处于[60°,90°]范围的裂缝。
具体计算过程如下:在任一第检测区段()内,地下结构表面轴向裂缝1平均长度的计算公式为:,其中,为第检测区段地下结构表面轴向裂缝1的总长度;地下结构表面轴向裂缝1平均宽度的计算公式为:,其中,为第检测区段地下结构表面轴向裂缝1的总宽度;
在任一第检测区段()内,地下结构表面斜交裂缝2平均长度的计算公式为:,其中,为第检测区段地下结构表面斜交裂缝2的总长度;地下结构表面斜交裂缝2平均宽度的计算公式为:,其中,为第检测区段地下结构表面斜交裂缝2的总宽度;
在任一第检测区段()内,地下结构表面环向裂缝3平均长度的计算公式为:,其中,为第检测区段地下结构表面环向裂缝3的总长度;地下结构表面环向裂缝3平均宽度的计算公式为:,其中,为第检测区段地下结构表面环向裂缝3的总宽度。
本实施例基于地下结构走向将地下结构表面裂缝分为轴向、斜交与环向三类裂缝,并进一步提出了轴向裂缝病害指标、斜交裂缝病害指标、环向裂缝病害指标,各裂缝病害指标计算公式中包含了裂缝数量、长度及宽度等表征参数,更能整体反映各类裂缝病害程度,同时,也更能反映地下结构的狭长型结构特征与受力特征,评价过程及结果更为科学。
地下结构表面裂缝综合定量评价指标的计算公式为:;其中,、、分别为反映轴向裂缝1病害、斜交裂缝2病害、环向裂缝3病害指标大小及其对地下结构健康运营及安全使用影响程度的影响占比因子,其大小满足,可根据地下结构安全运营及使用要求进行综合确定。比如,若各病害指标、、的计算数值分别为A、B、C,则A+B+C反映了总的病害指标数值和,各病害影响占比因子、、大小可取A/(A+B+C)、B/(A+B+C)、C/(A+B+C)。在此基础上,该影响占比因子,也可根据具体地下结构类型、断面尺寸、外部地层环境条件等特征,结合工程经验来评判确定哪一类裂缝对地下结构安全影响更为关键,进而对其中某一类占比因子大小进行适当调整。
将综合定量评价指标与指标允许值进行比较时,若,说明该检测区段内地下结构表面裂缝病害程度较轻微,对结构安全及正常使用影响程度较小,无需进行修复治理;若,说明该检测区段内地下结构表面裂缝病害程度较严重,对结构安全及正常使用影响程度较大,需进行修复治理。
表面裂缝综合定量评价指标是利用多元影响因素***评价学基本理论建立的,该指标包含各类裂缝病害指标并配合权重影响因子,评价过程更为全面、科学,不仅能够定量描述检测区段内地下结构表面裂缝病害程度,还能综合反映不同类别裂缝病害对地下结构整体健康状态的影响程度,为地下结构裂缝病害提供了更加科学化的表征与评价支撑。
步骤8:根据步骤7确定的需要进行裂缝病害修复的检测区段,利用抹面法、喷层法、外粘法或注浆法等方法对该检测区段地下结构进行表面裂缝修复治理;
如图6-图9所示,本实施例中给出了采用抹面法、喷层法、外粘法、注浆法修复地下结构表面裂缝的工艺示意图。
具体的,抹面法(图6)是指,先将需处理裂缝的周边凿毛并清理干净后,再用水泥砂浆或环氧树脂砂浆4进行涂抹找平,实现对裂缝部位的修复治理。
喷层法(图7)是指,先将需处理裂缝的周边凿毛并清理干净后,再喷射早强混凝土或纤维混凝土5,实现对裂缝部位的修复治理。
外粘法(图8)是指,先将需处理裂缝的周边清理干净,并在其表面涂抹粘合剂6,再将高强碳纤维布7粘贴在裂缝部位,实现对裂缝部位的修复治理。
注浆法(图9)是指,先将需处理裂缝的表层混凝土凿毛,并涂抹水泥砂浆8对其进行封闭,然后在裂缝周边区域斜向施打注浆孔9至裂缝深部,最后用水泥浆液或化学浆液对裂缝进行压力灌注,实现对裂缝部位的修复治理。
本实施例给出了抹面法、喷层法、外粘法、注浆法等成套裂隙修复治理方法,可满足地下结构常见不同种类裂缝的修复治理。比如,根据需修复治理的不同种类裂缝对结构安全及使用影响程度,可将裂缝划分为一级、二级、三级(一级影响程度最高,三级影响程度最低)。对于重要性最高的一级裂缝可采用外粘法与注浆法进行联合治理,对于重要性次之的二级裂缝可选择外粘法或注浆法其中某一方式进行治理,对于重要性最低的三级裂缝,可直接采用抹面法或喷层法治理。
本实施例构建了表面裂缝修复治理效果的定量评价指标,给出了具体的效果评价方法,可实现裂缝修复后长期治理效果与长期状态的定量评价,避免结构裂损病害反复出现,使地下结构裂缝修复治理更科学有效。
具体的,若裂缝病害修复区段数量为,则待地下结构裂缝病害修复治理完成后某一时刻,在第i区段内,可利用三维激光扫描仪或工业相机对检测区段地下结构内部进行扫描测试,采集得到检测区段地下结构表面的图像数据,并利用图像分析软件对其进行图像处理分析,识别提取出修复后地下结构表面裂缝数据;
修复后表面裂缝数据的具体计算过程如下:在修复后任一第检测区段()内,修复后地下结构表面轴向裂缝1平均长度的计算公式为:,其中,为修复后第检测区段地下结构表面轴向裂缝1的总长度;修复后地下结构表面轴向裂缝1平均宽度的计算公式为:,其中,为修复后第检测区段地下结构表面轴向裂缝1的总宽度;
在修复后任一第检测区段()内,修复后地下结构表面斜交裂缝2平均长度的计算公式为:,其中,为修复后第检测区段地下结构表面斜交裂缝2的总长度;修复后地下结构表面斜交裂缝2平均宽度的计算公式为:,其中,为修复后第检测区段地下结构表面斜交裂缝2的总宽度;
在修复后任一第检测区段()内,修复后地下结构表面环向裂缝3平均长度的计算公式为:,其中,为修复后第检测区段地下结构表面环向裂缝3的总长度;修复后地下结构表面环向裂缝3平均宽度的计算公式为:,其中,为修复后第检测区段地下结构表面环向裂缝3的总宽度;
其中,修复后地下结构表面裂缝综合定量评价指标的计算公式为:;、、分别为反映轴向裂缝1病害、斜交裂缝2病害、环向裂缝3病害对地下结构健康运营及安全使用影响程度的影响因子,其大小满足,根据地下结构安全运营及使用要求进行综合确定。
本实施例给出了地下结构施工-运维全寿命周期内裂缝检测与修复治理的成套工艺,可弥补现有常规检测治理技术普遍存在的单一检测内容、单一检测手段与单一检测时段等不足,检测工艺全面高效,可贯穿地下结构运维全寿命周期的任一时间节点,符合全寿命周期健康控制的理念,有效提升了地下结构运维检测的信息化与技术化管理水平。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于地下结构表面裂缝的综合定量检测及修复工艺,其特征是,包括以下步骤:
步骤1,将待检测地下结构划分成n个检测区段,采集获取各检测区段地下结构表面的图像数据;
步骤2,进行图像处理分析,识别提取地下结构表面裂缝数据,将表面裂缝划分为轴向裂缝、斜交裂缝、环向裂缝;轴向裂缝是指裂缝走向与地下结构轴向之间夹角处于[0°,30°)范围的裂缝,斜交裂缝是指裂缝走向与地下结构轴向之间夹角处于[30°,60°)范围的裂缝,环向裂缝是指裂缝走向与地下结构轴向之间夹角处于[60°,90°]范围的裂缝;
步骤6,利用抹面法、喷层法、外粘法或注浆法对需修复治理区段地下结构进行表面裂缝修复治理;
2.如权利要求1所述的用于地下结构表面裂缝的综合定量检测及修复工艺,其特征是,步骤1中,在地下结构检测区段划分时,划分部位包括但不局限于地下结构断面尺寸或形状改变处、变形缝处、地层条件改变处、周边环境条件或荷载改变处。
3.如权利要求1所述的用于地下结构表面裂缝的综合定量检测及修复工艺,其特征是,步骤1与步骤2中,采集获取图像数据并进行图像处理分析的过程为:
在各检测区段地下结构内部利用三维激光扫描仪或工业相机进行扫描测试,得到各检测区段地下结构表面的图像数据;利用图像分析软件对其进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征的图像处理分析后,识别提取出地下结构表面裂缝的图像数据;统计测量得到各检测区段地下结构表面裂缝的位置、数量、角度、长度、宽度信息,并根据裂缝走向与地下结构轴向之间夹角大小,将其划分为轴向裂缝、斜交裂缝、环向裂缝。
6.如权利要求1或5所述的用于地下结构表面裂缝的综合定量检测及修复工艺,其特征是,步骤6中,抹面法的步骤为:先将需处理裂缝的周边凿毛并清理干净后,再用水泥砂浆或环氧树脂砂浆进行涂抹找平,实现对裂缝部位的修复治理;
喷层法的步骤为:先将需处理裂缝的周边凿毛并清理干净后,再喷射早强混凝土或纤维混凝土,实现对裂缝部位的修复治理;
外粘法的步骤为:先将需处理裂缝的周边清理干净,并在其表面涂抹粘合剂,再将高强碳纤维布粘贴在裂缝部位,实现对裂缝部位的修复治理;
注浆法的步骤为:先将需处理裂缝的表层混凝土凿毛,并涂抹水泥砂浆对其进行封闭,然后在裂缝周边区域斜向钻孔至裂缝深部,最后用水泥浆液或化学浆液对裂缝进行压力灌注,实现对裂缝部位的修复治理。
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