CN106225684A - 基于激光测振的非接触移动式隧道衬砌常时微动测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于激光测振的非接触移动式隧道衬砌常时微动测量方法，采用扫描激光测振仪检测微动数据，将扫描激光测振仪可360°旋转地设置在仪器支架上，仪器支架上安装高精度加速度仪，该测量方法如下：1)在隧道横截面方向上360°旋转所述扫描激光测振仪，扫描隧道整个断面；2)在扫描激光测振仪测得的微动数据中消去仪器支架的微动数据，即得到隧道衬砌表面真实的常时微动数据；3)采集混凝土结构衬砌完整性好的部位的微动特性作为基准，与其他坐标点的微动特性对比分析，从而对衬砌的局部完整性进行判定。以及提供一种基于激光测振的非接触移动式隧道衬砌常时微动测量装置。本发明方便快捷、实现全断面测量、连续性和快速性良好。
Description
技术领域
本发明属于土木工程中的岩土工程领域，涉及一种基于激光测振的非接触移动式隧道衬砌常时微动测量方法及装置，主要用于实现隧道衬砌结构完整性的安全、快速、自动化的有效监测。
背景技术
由于外部压力和地质条件恶化，隧道常常会产生变形、裂缝、渗漏水等病害。为了减少事故和延长使用寿命，需要定期对隧道进行检测。传统的隧道病害检测方法主要采用目测，配备一定的简易设备，如机械式或数显式病害观测仪等，进行现场记录和病害标记，人工描绘病害展开图。这些检测方法需要大量的人力、物力，费时、费力，危险程度高，对于隧道拱顶病害检测还需专门的升降设备，而且检测结果主观性大，不同检测人员会得出不同的检测结果，不利于对隧道安全性进行客观和定量评价。国际隧道协会通过分析总结隧道病害检测的经验和教训，指出无损快速检测技术将是今后的发展方向。
隧道病害快速检测技术主要采用各种形式的传感器探测隧道衬砌，通过图像处理等方法完成对病害的检测和分类。根据传感器类型的不同，隧道病害快速检测技术可分为摄像测量检测技术和激光扫描检测技术两类。
根据振动力学理论，由于受到外界环境扰动的影响，任何物体在任何时间都在以微小的振幅不停的振动，这种不停的微小振动被称为常时微动，物体的微动特性受到其本身结构和约束条件的影响。目前，常时微动技术主要用于地基、桥墩、隧道衬砌等混凝土结构的健康诊断，其原理就是通过测量混凝土结构的微动数据来判断结构内部是否存在裂纹、空洞等缺陷。现有的方法主要通过在衬砌表面安装加速度仪来测量其微动特性，不仅费时费力，而且得到的是一些单点的测量结果，不能对整条隧道进行连续、快速的测量。
发明内容
为了克服已有隧道微动特性检测技术的费时费力、仅能实现单点测量、连续性和快速性较差的不足，本发明提供一种方便快捷、实现全断面测量、连续性和快速性良好的基于激光测振的非接触移动式隧道衬砌常时微动测量方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于激光测振的非接触移动式隧道衬砌常时微动测量方法，采用扫描激光测振仪检测微动数据，将扫描激光测振仪可360°旋转地设置在仪器支架上，所述仪器支架上安装用于测量仪器支架微动数据的高精度加速度仪，该测量方法如下：
1)在隧道横截面方向上360°旋转所述扫描激光测振仪，扫描隧道整个断面；
2)在扫描激光测振仪测得的微动数据中消去仪器支架的微动数据，即得到隧道衬砌表面真实的常时微动数据；
3)采集混凝土结构衬砌完整性好的部位的微动特性作为基准，与其他坐标点的微动特性对比分析，从而对衬砌的局部完整性进行判定。
进一步，所述扫描激光测振仪内支GPS定位系统，所述仪器支架在隧道内移动，测量整条隧道的常时微动特性。
再进一步，所述扫描激光测振仪基于激光的多普勒效应，在不接触对象的情况下快速、高精度的测量对象的振动特性以及对象与测量仪之间的距离。
一种基于激光测振的非接触移动式隧道衬砌常时微动测量装置，所述装置包括扫描激光测振仪、数据分析处理器、高精度加速度仪和仪器支架，所述扫描激光测振仪可360°旋转地设置在仪器支架上，所述高精度加速度仪安装在仪器支架上，所述扫描激光测振仪、高精度加速度仪均与所述数据分析处理器连接，所述数据分析处理器包括：
用于将扫描激光测振仪测得的微动数据消去仪器支架的微动数据得到隧道衬砌表面真实的常时微动数据的常时微动数据测量模块。
用于将采集混凝土结构衬砌完整性好的部位的微动特性作为基准，与其他坐标点的微动特性对比分析，从而对衬砌的局部完整性进行判定的判定模块。
进一步，所述扫描激光测振仪内支GPS定位系统，所述仪器支架安装在用于带动仪器支架在隧道内移动的移动平台上。
再进一步，所述扫描激光测振仪为基于激光的多普勒效应的测振仪。
本发明的技术构思为：任何物体都有常时微动特性，其微动特性参数受到其本身结构和约束条件的影响；将目标区域的衬砌结构的常时微动特性参数与结构性完好的衬砌结构的常时微动参数作对比，即可判定目标区域衬砌结构的完整性。如果目标区域结构性完整性好，则二者具有类似的常时微动特性参数；如果目标区域存在结构性破坏，则二者将具有不同的常时微动特性参数，且二者的相异程度反应了不同的病害程度。根据上述理论可以判断目标区域衬砌结构的完整性，进而判别隧道的病害程度及类型。通过构建移动式检测系统，则可建立隧道衬砌的三维坐标并可得到隧道衬砌完整性的空间分布，实现快速大规模的检测。
本发明的有益效果主要表现在：1)利用衬砌结构的微动信号，不需要外部震源，既简化了检测的步骤，又避免外力引起的误差，抗干扰能力强；2)采用非接触式的测量方式，可以精确测量远距离物体的微小振动，便于对大断面衬砌结构的常时微动进行测量；3)通过对比基准常时微动特性参数和目标区域的常时微动参数进行衬砌结构完整性评价，相比现有方法在辨识精度和空间分辨率等性能上具有明显优势；4)仪器支架可以实现360°旋转，一次测量即可得到隧道衬砌全断面的信息；5)以移动平台为载体，便于进行快速、自动化的隧道衬砌结构完整性分析。
附图说明
图1是基于激光测振的非接触移动式隧道衬砌常时微动测量装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1，一种基于激光测振的非接触移动式隧道衬砌常时微动测量方法，采用扫描激光测振仪1检测微动数据，将扫描激光测振仪1可360°旋转地设置在仪器支架4上，所述仪器支架4上安装用于测量仪器支架微动数据的高精度加速度仪3，该测量方法如下：
1)在隧道横截面方向上360°旋转所述扫描激光测振仪1，扫描隧道整个断面；
2)在扫描激光测振仪1测得的微动数据中消去仪器支架的微动数据，即得到隧道衬砌表面真实的常时微动数据；
3)采集混凝土结构衬砌完整性好的部位的微动特性作为基准，与其他坐标点的微动特性对比分析，从而对衬砌的局部完整性进行判定。
进一步，所述扫描激光测振仪1内支GPS定位系统，所述仪器支架在隧道内移动，测量整条隧道的常时微动特性。
再进一步，所述扫描激光测振仪1基于激光的多普勒效应，在不接触对象的情况下快速、高精度的测量对象的振动特性以及对象与测量仪之间的距离。
一种基于激光测振的非接触移动式隧道衬砌常时微动测量装置，所述装置包括扫描激光测振仪1、数据分析处理器2、高精度加速度仪3和仪器支架4，所述扫描激光测振仪1可360°旋转地设置在仪器支架4上，所述高精度加速度仪3安装在仪器支架4上，所述扫描激光测振仪1、高精度加速度仪3均与所述数据分析处理器2连接，所述数据分析处理器2包括：
用于将扫描激光测振仪测得的微动数据消去仪器支架的微动数据得到隧道衬砌表面真实的常时微动数据的常时微动数据测量模块。
用于将采集混凝土结构衬砌完整性好的部位的微动特性作为基准，与其他坐标点的微动特性对比分析，从而对衬砌的局部完整性进行判定的判定模块。
进一步，所述扫描激光测振仪1内支GPS定位系统，所述仪器支架1安装在用于带动仪器支架在隧道内移动的移动平台5上。
再进一步，所述扫描激光测振仪1为基于激光的多普勒效应的测振仪。
本实施例使用移动式微动信号检测处理系统对隧道衬砌的常时微动进行测量，该测量装置包括扫描激光测振仪(内置GPS定位系统)1、数据分析处理器2、高精度加速度仪3、仪器支架4和移动平台5；扫描激光测振仪1设置在仪器支架4上，可在隧道横截面方向上实现360°旋转，扫描隧道整个断面，其中内置GPS定位系统，具有自动定位功能；高精度加速度仪3设置在仪器支架4上，测量支架的微动数据，在激光测振仪测得的微动数据中消去由高精度加速度仪同步测得的支架的微动数据，即可得到隧道衬砌表面真实的常时微动数据；测量系统放置于移动平台5上，便于快速大规模的监测分析；采集混凝土结构衬砌完整性好的部位的微动特性作为基准，与其他坐标点的微动特性对比分析，从而对衬砌的局部完整性进行判定。
所述扫描激光测振仪1基于激光的多普勒效应，可在不接触对象的情况下快速、高精度的测量对象的振动特性以及对象与测量仪之间的距离。
所述扫描激光测振仪1中内置GPS定位系统，通过扫描和数据处理，可以构建隧道衬砌表面的三维坐标，并得到每个坐标点对应的微动特性参数。
所述数据分析器2与扫描激光测振仪1以及高精度加速度仪3相连，可以实时存储、显示、处理和分析测量数据。
所述仪器支架4可以360°旋转并且旋转角度和旋转速度可控，以获取隧道衬砌和道路的全断面数据。
所述高精度加速度仪3设置在仪器支架4上，测量支架的微动数据，在激光测振仪测得的微动数据中消去由高精度加速度仪同步测得的支架的微动数据，即可得到隧道衬砌表面真实的常时微动数据。
所述的移动平台5，例如小型卡车，在装载测量系统的情况下可在隧道内快速移动，并可为测量系统提供电源，便于测量整条隧道的常时微动特性。
所述的基于激光测振的非接触移动式隧道衬砌常时微动测量方法，需采集混凝土结构衬砌完整性好的部位的微动特性作为基准，与其他坐标点的微动特性对比分析，从而对衬砌的局部完整性进行判定。
一种可以选择的判定方式为：首先，计算采集的数据在隧道轴向(A：Axial)、环向(C：Circumferential)、径向(R：Radial)的功率谱密度(PSD：Power Spectrum Density)；然后，计算三个方向上PSD的比值，如PSDA/PSDC、PSDR/PSDC，并将比值标准化；最后，比较从衬砌完整性好的部位和目标区域分别测得的比值大小来判定目标区域的完整度，两者的差值决定了完整度的差异大小。
以上所述实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于激光测振的非接触移动式隧道衬砌常时微动测量方法，其特征在于：采用扫描激光测振仪检测微动数据，将扫描激光测振仪可360°旋转地设置在仪器支架上，所述仪器支架上安装用于测量仪器支架微动数据的高精度加速度仪，该测量方法如下：
1)在隧道横截面方向上360°旋转所述扫描激光测振仪，扫描隧道整个断面；
2)在扫描激光测振仪测得的微动数据中消去仪器支架的微动数据，即得到隧道衬砌表面真实的常时微动数据；
3)采集混凝土结构衬砌完整性好的部位的微动特性作为基准，与其他坐标点的微动特性对比分析，从而对衬砌的局部完整性进行判定。
2.如权利要求1所述的基于激光测振的非接触移动式隧道衬砌常时微动测量方法，其特征在于：所述扫描激光测振仪内支GPS定位系统，所述仪器支架在隧道内移动，测量整条隧道的常时微动特性。
3.如权利要求1或2所述的基于激光测振的非接触移动式隧道衬砌常时微动测量方法，其特征在于：所述扫描激光测振仪基于激光的多普勒效应，在不接触对象的情况下快速、高精度的测量对象的振动特性以及对象与测量仪之间的距离。
4.一种实现如权利要求1所述的基于激光测振的非接触移动式隧道衬砌常时微动测量方法的装置，其特征在于：所述装置包括扫描激光测振仪、数据分析处理器、高精度加速度仪和仪器支架，所述扫描激光测振仪可360°旋转地设置在仪器支架上，所述高精度加速度仪安装在仪器支架上，所述扫描激光测振仪、高精度加速度仪均与所述数据分析处理器连接，所述数据分析处理器包括：
用于将扫描激光测振仪测得的微动数据消去仪器支架的微动数据得到隧道衬砌表面真实的常时微动数据的常时微动数据测量模块；
用于将采集混凝土结构衬砌完整性好的部位的微动特性作为基准，与其他坐标点的微动特性对比分析，从而对衬砌的局部完整性进行判定的判定模块。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述扫描激光测振仪内支GPS定位系统，所述仪器支架安装在用于带动仪器支架在隧道内移动的移动平台上。
6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于：所述扫描激光测振仪为基于激光的多普勒效应的测振仪。
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