CN106198741B - 隧洞管片回填灌浆质量无损检测的工程b超方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧洞管片回填灌浆质量无损检测的工程B超方法，采用超声波阵列采集设备对未进行回填灌浆的空管片和回填灌浆后的管片分别进行超声波数据采集；信号采集完成之后，利用工程B超保幅成像处理方法，对超声波信号进行工程B超成像；进行成像之后，对比空管片数据的反射信号，计算回填灌浆后管片反射能量占空管片反射能量的百分比，通过该百分比判断回填灌浆管片的灌浆质量。本发明优点在于可以有效识别较薄的回填灌浆层；采用了超声波阵列叠前偏移成像技术，阵列信号的叠加提高信号的信噪比，提升对目标层的分辨能力；通过真振幅恢复处理技术，有效识别回填灌浆层反射回来的信号能量的相对大小，有利于对回填灌浆质量进行评价。

Description

隧洞管片回填灌浆质量无损检测的工程B超方法

技术领域

本发明涉及隧洞管片回填灌浆质量无损检测，尤其是涉及隧洞管片回填灌浆质量 无损检测的工程B超方法。

背景技术

隧洞掘进机（TBM：Tunnel Boring Machine）广泛用于长隧洞机械化施工中。TBM是目前国内地铁、隧洞等掘进的主要工具，TBM掘进后依赖预制钢筋混凝土管片对地下空间进行支护。支护后的管片依赖回填灌浆技术与围岩进行耦合，因此隧洞管片回填灌浆质量的好坏直接关系整个地下工程的安全。在深埋长引水隧洞中，受到隧洞内水流压力等的影响，灌浆质量较差的管片易在运行过程中出现问题，从而影响整个工程安全。

隧洞管片一般为钢筋混凝土预制构件，管片的厚度为30cm，管片内部沿厚度方向上分布有两层钢筋网，钢筋网中每条钢筋的间距为20cm，每层钢筋网距边界的距离为5cm，一般横向和纵向钢筋平均密度为20cm；在管片边部，为保证管片强度，钢筋密度为10cm；在管片锁孔及灌浆孔位置，为将上述构造避开，钢筋密度为30cm。水利工程中，钢筋密度要高于普通地铁管片，平均密度约为13cm。目前，对隧洞管片灌浆质量的检测没有有效的无损检测技术，均采用钻孔取芯和压水试验进行控制，如采用TBM掘进的黄河万家寨、重庆地铁、甘肃引洮、厄瓜多尔CCS等工程中的隧洞管片豆砾石回填灌浆质量的检测。该方法存在的不足是：对工程有损、工期长、成本高，抽检范围受到很大限制。

目前，对隧洞管片回填灌浆质量的检测没有有效的无损检测方法。人们试图采取常用的超声波进行无损检测，但是，在超声波的超声反射数据中，由于是单道反射，因此对弱信号的处理能力较差；而利用冲击回波仪进行检测，但由于频率过低对管片底部的识别具有一定的困难；在已有的地质雷达应用中，因地质雷达采用了电磁波信号，而管片内部较密的钢筋网严重影响了电磁波信号的传播，其对管片底界面的表征受钢筋的影响十分不明显。

发明内容

本发明目的在于提供一种隧洞管片回填灌浆质量无损检测的工程B超方法。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述隧洞管片回填灌浆质量无损检测的工程B超方法，采用超声波阵列采集设 备对未进行回填灌浆的空管片和回填灌浆后的管片分别进行超声波数据采集；信号采集完 成之后，利用工程B超保幅成像处理方法，对超声波信号进行工程B超成像；进行成像之后，对比空管片数据的反射信号，计算回填灌浆后管片反射能量占空管片反射能量的百分比，通过该百分比判断回填灌浆管片的灌浆质量；所述工程B超保幅成像处理方法实现步骤如下：

1）提取超声波阵列的直达波信号并计算管片的波速，根据管片波速和接收探头的坐标 计算直达波的能量值，同时计算直达波的能量衰减；

2）根据超声波阵列直达波信号的所述能量衰减和超声波信号的传播特征，确定超声波 在管片中的衰减系数和衰减规律；

3）根据超声波传播的球面扩散效应，对信号进行球面扩散补偿，然后根据步骤2）确定 的超声波衰减系数和衰减规律，对信号进行吸收衰减补偿，使超声波反射信号的特征恢复 到没有扩散和衰减影响的真振幅状态，对信号进行保幅处理；

4）采用超声波信号的随机噪音吸收技术，利用无规律信号叠加后信号变弱的特征，消 除信号中采集得到的随机噪音信号，突出采集得到的有效信号；

5）根据超声波的传播特征和信号衰减特征，确定反射信号的影响范围，设置合理的叠 前偏移影响范围；

6）根据超声波阵列采集设备不同探头的布置位置，确定每一道数据的发射和接收坐标 信息，根据所述坐标信息和管片的波速计算不同发射和接收信号传播到目标成像点的时 间，利用时间特征对目标点进行超声波信号叠加前的偏移成像；由于步骤3）已对信号进行 保幅处理，因此信号叠加后的信号能量真实反映了管片底部回填灌浆体的状态；

7）对成像后的超声波信号进行希尔伯特变换，提取希尔伯特变换后的振幅包络信息， 将成像后的超声波波形数据转换为反射能量数据，突出成像点的特征，形成成果图像；

8）根据成像点反射能量的大小，对管片回填灌浆质量进行评价；由于预制混凝土管片 波速和密度均大于回填灌浆体，因此随着超声波反射能量由小逐渐变大，管片回填灌浆质 量由好逐渐变差。

所述超声波阵列采集设备中的超声波阵列采用一个探头发射多个探头接收的方式，通过所述多个探头接收有效的管片反射信号；超声波成像处理过程中采用超声波信号的叠前保幅偏移成像处理手段，确保接受信号的幅值反应回填灌浆特征；通过回填灌浆后管片反射能量占未进行回填灌浆的空管片能量的百分比，对回填灌浆质量进行评价；其实现方式按照下述步骤进行：

2.1）对未进行回填灌浆的管片，利用超声波阵列采集设备对未灌浆的空管片进行超声 波数据采集作业；

2.2）利用所述工程B超保幅成像处理方法，对采集的所述超声波数据进行处理，获取空 管片的反射能量信息，将此反射能量信息作为评价此类管片回填灌浆质量的基础信息；

2.3）利用超声波阵列采集设备对已经进行回填灌浆处理并达到龄期的管片进行数据 采集，利用所述工程B超保幅成像处理方法计算回填灌浆后的所述管片反射能量；

2.4）计算回填灌浆后管片底部的反射能量占未灌浆的空管片反射能量的比值，形成回 填灌浆反射能量百分比图像；

2.5）将所述回填灌浆反射能量百分比图像进行成图，作为工程B超无损检测最终成果 图，根据反射能量百分比确定回填灌浆质量。

本发明优点在于主要体现为:

1、本发明采集得到的反射波信号明显，信号主频达到25KHz，信号的纵向分辨率高，可 以有效的识别较薄的回填灌浆层；

2、本发明采用了超声波阵列叠前偏移成像技术，阵列信号的叠加可以提高信号的信噪 比，提升对目标层的分辨能力；

3、本发明通过真振幅恢复处理技术，可有效的识别回填灌浆层反射回来的信号能量的 相对大小，有利于对回填灌浆质量进行评价；

4、本发明方法相对于地质雷达等电磁类方法，发明方法中的工程B超方法不受钢筋等 的影响，有效穿透深度可达1000mm，对管片回填灌浆质量表征十分明显；

5、本发明以未进行回填灌浆的空管片反射能量作为基础，计算已进行回填灌浆的管片 底部反射能量占空管片能量的百分比，实现了信号处理的标准化，有利于建立标准化的解 释模式。

附图说明

图1是本发明所述工程B超保幅成像处理方法的流程图。

具体实施方式

本发明所述隧洞管片回填灌浆质量无损检测的工程B超方法，采用超声波阵列采集设备对未进行回填灌浆的空管片和回填灌浆后的管片分别进行超声波数据采集；信号采集完成之后，利用工程B超保幅成像处理方法，对超声波信号进行工程B超成像；进行成像之后，对比空管片数据的反射信号，计算回填灌浆后管片反射能量占空管片反射能量的百分比，通过该百分比判断回填灌浆管片的灌浆质量；所述工程B超保幅处理方法实现步骤如下：

1）提取超声波阵列的直达波信号并计算管片的波速，根据管片波速和接收探头的坐标 计算直达波的能量值，同时计算直达波的能量衰减；

2）根据超声波阵列直达波信号的所述能量衰减和超声波信号的传播特征，确定超声波 在管片中的衰减系数和衰减规律；

3）根据超声波传播的球面扩散效应，对信号进行球面扩散补偿，然后根据步骤2）确定 的超声波衰减系数和衰减规律，对信号进行吸收衰减补偿，使超声波反射信号的特征恢复 到没有扩散和衰减影响的真振幅状态，对信号进行保幅处理；

4）采用超声波信号的随机噪音吸收技术，利用无规律信号叠加后信号变弱的特征，消 除信号中采集得到的随机噪音信号，突出采集得到的有效信号；

5）根据超声波的传播特征和信号衰减特征，确定反射信号的影响范围，设置合理的叠 前偏移影响范围；

6）根据超声波阵列采集设备不同探头的布置位置，确定每一道数据的发射和接收坐标 信息，根据所述坐标信息和管片的波速计算不同发射和接收信号传播到目标成像点的时 间，利用时间特征对目标点进行超声波信号叠加前的偏移成像；由于步骤3）已对信号进行 保幅处理，因此信号叠加后的信号能量真实反映了管片底部回填灌浆体的状态；

7）对成像后的超声波信号进行希尔伯特变换，提取希尔伯特变化后的振幅包络信息， 将成像后的超声波波形数据转换为反射能量数据，突出成像点的特征，形成成果图像；

8）根据成像点反射能量的大小，对管片回填灌浆质量进行评价；由于预制混凝土管片 波速和密度均大于回填灌浆体，因此随着超声波反射能量由小逐渐变大，管片回填灌浆质 量由好逐渐变差。

所述超声波阵列采集设备中的超声波阵列采用一个探头发射多个探头接收的方式，通过所述多个探头接收有效的管片反射信号；超声波成像处理过程中采用超声波信号的叠前保幅偏移成像处理手段，确保接受信号的幅值反应回填灌浆特征；通过回填灌浆后反射能量占未进行回填灌浆的空管片能量的百分比，对回填灌浆质量进行评价；其实现方式按照下述步骤进行：

2.1）对未进行回填灌浆的管片，利用超声波阵列采集设备对未灌浆的空管片进行超声 波数据采集作业；

2.2）利用所述工程B超保幅成像处理方法，对采集的所述超声波数据进行处理，获取空 管片的反射能量信息，将此反射能量信息作为评价此类管片回填灌浆质量的基础信息；

2.3）利用超声波阵列采集设备对已经进行回填灌浆处理并达到龄期的管片进行数据 采集，利用所述工程B超保幅成像处理方法计算回填灌浆后的反射能量；

2.4）计算回填灌浆后管片底部的反射能量占未灌浆的空管片反射能量的比值，形成回 填灌浆反射能量百分比图像；

2.5）将所述回填灌浆反射能量百分比图像进行成图，作为工程B超无损检测最终成果 图，根据反射能量百分比确定回填灌浆质量。

如图1所示，本发明所述工程B超保幅成像处理方法的流程如下：

在步骤401中，根据原始超声数据的直达波的衰减特征，计算超声信号的衰减系数，然 后执行402。

在步骤402中，根据直达波信号特征，计算管片的波速。然后执行步骤403。

在步骤403中，利用计算管片的衰减系数和衰减规律，将超声波阵列反射数据进行真振幅的回复，然后执行步骤404和405。

在步骤404中，利用步骤403恢复的真振幅信息做为叠前偏移成像的基础数据，在405中，利用步骤402计算的波速信息和超声波阵列检波器的坐标信息作为聚焦时间计算数据，步骤404和步骤405同时计算，获得超声信号的叠前偏移成像数据，然后执行步骤406。

在步骤406中，根据希尔伯特公式对叠前偏移的超声数据进行变换，将信号转入希尔伯特域，然后执行步骤407。

在步骤407中，提取希尔伯特信号变化的实部和虚部，进行能量包络的计算，最终的能量包络图作为工程B超的成果图，程序计算完毕。

Claims (2)

1.一种隧洞管片回填灌浆质量无损检测的工程B超方法，其特征在于：采用超声波阵列采集设备对未进行回填灌浆的空管片和回填灌浆后的管片分别进行超声波数据采集；信号采集完成之后，利用工程B超保幅成像处理方法，对超声波信号进行工程B超成像；进行成像之后，对比空管片数据的反射信号，计算回填灌浆后管片反射能量占空管片反射能量的百分比，通过该百分比判断回填灌浆管片的灌浆质量；所述工程B超保幅成像处理方法实现步骤如下：

1）提取超声波阵列的直达波信号并计算管片的波速，根据管片波速和接收探头的坐标计算直达波的能量值，同时计算直达波的能量衰减；

2）根据超声波阵列直达波信号的所述能量衰减和超声波信号的传播特征，确定超声波在管片中的衰减系数和衰减规律；

3）根据超声波传播的球面扩散效应，对信号进行球面扩散补偿，然后根据步骤2）确定的超声波衰减系数和衰减规律，对信号进行吸收衰减补偿，使超声波反射信号的特征恢复到没有扩散和衰减影响的真振幅状态，对信号进行保幅处理；

4）采用超声波信号的随机噪音吸收技术，利用无规律信号叠加后信号变弱的特征，消除信号中采集得到的随机噪音信号，突出采集得到的有效信号；

5）根据超声波的传播特征和信号衰减特征，确定反射信号的影响范围，设置合理的叠前偏移影响范围；

6）根据超声波阵列采集设备不同探头的布置位置，确定每一道数据的发射和接收坐标信息，根据所述坐标信息和管片的波速计算不同发射和接收信号传播到目标成像点的时间，利用时间特征对目标点进行超声波信号叠加前的偏移成像；由于步骤3）已对信号进行保幅处理，因此信号叠加后的信号能量真实反映了管片底部回填灌浆体的状态；

7）对成像后的超声波信号进行希尔伯特变换，提取希尔伯特变换后的振幅包络信息，将成像后的超声波波形数据转换为反射能量数据，突出成像点的特征，形成成果图像；

8）根据成像点反射能量的大小，对管片回填灌浆质量进行评价；由于预制混凝土管片波速和密度均大于回填灌浆体，因此随着超声波反射能量由小逐渐变大，管片回填灌浆质量由好逐渐变差。

2.根据权利要求1所述隧洞管片回填灌浆质量无损检测的工程B超方法，其特征在于：所述超声波阵列采集设备中的超声波阵列采用一个探头发射多个探头接收的方式，通过所述多个探头接收有效的管片反射信号；超声波成像处理过程中采用超声波信号的叠前保幅偏移成像处理手段，确保接受信号的幅值反应回填灌浆特征；通过回填灌浆后管片反射能量占未进行回填灌浆的空管片能量的百分比，对回填灌浆质量进行评价；其实现方式按照下述步骤进行：

2.1）对未进行回填灌浆的管片，利用超声波阵列采集设备对未灌浆的空管片进行超声波数据采集作业；

2.2）利用所述工程B超保幅成像处理方法，对采集的所述超声波数据进行处理，获取空管片的反射能量信息，将此反射能量信息作为评价此类管片回填灌浆质量的基础信息；

2.3）利用超声波阵列采集设备对已经进行回填灌浆处理并达到龄期的管片进行数据采集，利用所述工程B超保幅成像处理方法计算回填灌浆后的所述管片反射能量；

2.4）计算回填灌浆后管片底部的反射能量占未灌浆的空管片反射能量的比值，形成回填灌浆反射能量百分比图像；

2.5）将所述回填灌浆反射能量百分比图像进行成图，作为工程B超无损检测最终成果图，根据反射能量百分比确定回填灌浆质量。