CN106950599A - 一种隧道基底密实性检测系统、检测方法及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种隧道基底密实性检测系统、检测方法及存储介质，所述系统包括：多个面波拾振传感器，其采用小微道间距、小偏移距检测表面波振动信号，并转换成电信号；面波仪，其接收所述电信号，进行放大和模/数转换处理，得到面波波形数据；处理器，其对波形数据进行以下处理：对面波波形数据进行二维频谱反演，将时间域数据转换到频率域，并将频率域采样点数加密，生成频域数据；在频率‑波数域跨模态拾取相速度，得到频散曲线；将频散曲线变换转换到速度‑深度域；将频散曲线进行多模态数据分层反演，得到地层的分层速度结构数据；绘制剖面图和/或曲线图，输出结果。本发明能够准确、快速地对隧道基底密实性进行检查。
Description
技术领域
本发明涉及地震检测技术领域，尤其涉及一种隧道基底密实性检测系统、检测方法及存储介质。
背景技术
表面波(或称面波)是沿固体介质表层传播的一种弹性波，其具有两个显著的特性，一是它的传播速度与剪切波传播速度相近(VR/VS≈0.95)；二是在分层介质中具有频散特性。利用前一特性，通过测试表面波传播速度就可以计算得到介质的弹性模量，从而对介质的力学性质做出评价；利用后一特性，通过测试表面波的频散曲线(表面波速度随频率或波长的变化曲线)，就可计算得到各层的厚度和波速，进而得到介质在不同深度范围内的力学性质变化情况。利用表面波测试方法技术，可以进行工程地质勘查、岩土物理参数测试和混凝土工程质量无损检测等。因此，面波勘探近年来得到发展，并在许多领域得到应用。
目前，我国铁路建设快速发展，高铁隧道的质量和安全性是关系乘客人身安全的备受关注的重要方面。高铁或地铁隧道基底为混凝土浇筑的硬质地面，可能出现不密实的情况，其是高铁隧道的基床底部与围岩连接处有虚渣、淤泥、或吊空充泥充水，这有可能对高铁或地铁运行安全带来隐患，因此很有必要对高铁或地铁隧道基底进行面波检测。
高铁隧道基底不密实，其实是高铁隧道的基床底部与围岩连接处有虚渣、淤泥、或吊空充泥充水，在列车动荷载作用下，使得隧底刚度降低。这种病害的规模一般比较小，为0.1-0.5m左右。
高铁隧道隧底表层是高刚度的混凝土层，下部又是刚度较高的围岩，当在高铁隧道基底下存在不密实层，地层结构将变为：高-低-高速度形态，根据“刘云帧”、“梅汝吾”研究成果：在高波速表层覆盖下部低速地 层时，频率波数谱的基阶面波峰形仅出现在小波数(大波长)的区域，往大波数(短波长)范围出现密集到连续不可分的高阶模态能量峰。当进行高铁隧道基底不密实检测时，面波的能量将扩展分布于基阶和多个高阶的模态中，形成复杂的频散特性。目前的多道面波测深方法不完全能适应这种地层分层结构类型(请参见：《工程物探新技术》，作者：刘云帧地质出版社，2006，p1-p51《多道瞬态面波勘察新技术》，刘云祯，梅汝吾)。
现阶段的瞬态面波(瑞雷波、瑞利波或表面波)法是探测软弱地基和地下空洞的有效方法，该方法是在地面上安置多个(大于6个)检波器，形成一条剖面，在剖面的一端利用重锤锤击地面，从而产生沿地面传播的面波，检波器接收面波信号并以数字的形式存储，对多道检波器接收的信号进行二维频谱分析，得到面波传播速度随速度变化曲线，依据速度-深度曲线的形态判断是否存在空洞，依据传播速度的快慢，判断地层的软硬程度。
但是，根据面波理论：转换的波数限(kmax)是采样道间距h的倒数的一半(kmax＝0.5/h)。在波数限定区间以外，会出现变换折叠(空间假频)造成的干扰。因此采样道间距h直接影响到探测精度。通常的瞬态面波法采样道间距h一般为2～5m，该道间距难以探测小于0.2m的空洞，其探测精度无法满足高铁隧道基底不密实检测要求。
由于现有技术中没有一种对高铁或地铁隧道基底的密实性(是否存在小空洞)进行检测的方法，因此，如何准确、快速地检测隧道基底的密实性是一个亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种隧道基底密实性检测系统及检测方法，其能够准确、快速地对隧道基底密实性进行检查，从而能够探测隧道基底小于0.2m的空洞不密实信息。
根据本发明的一方面，提供一种隧道基底密实性检测系统，其包括：
多个面波拾振传感器，所述多个面波拾振传感器采用小微道间距、 小偏移距检测表面波振动信号，并将表面波振动信号转换成电信号；
面波仪，其连接各个面波拾振传感器，用于接收拾振传感器检测到的电信号，并对接收的电信号进行放大和模/数转换处理，得到面波波形数据；
处理器，其存储有计算机程序，该计算机程序被执行时能够对所述面波仪得到的波形数据进行处理，所述处理包括以下步骤：
对面波波形数据进行二维频谱反演，将时间域数据转换到频率域，并将频率域采样点数加密，生成频域数据；
在频率-波数域跨模态拾取相速度，得到频散曲线；
将频散曲线变换转换到速度-深度域；
将频散曲线进行多模态数据分层反演，地层的分层速度结构数据；以及
绘制剖面图和/或曲线图。
优选地，所述小微道间距为0.1m至0.3m，所述小偏移距为0.6m。
优选地，所述面波拾振传感器的采样率为0.1-0.02ms，采样点数为8192样点。
优选地，所述频率域采样点数加密为时间域计算点数的8倍。
优选地，所述处理还包括以下步骤：在二维频谱反演之前在时间域中选择“时间-空间”窗口，划出面波范围；以及在多模态数据分层反演后，对分层速度结构数据进行正演拟合计算层速度，得到定量的分层速度。
优选地，所述拾振传感器包括：拾振传感器芯体、传感器外壳以及金属板块；其中，所述拾振传感器芯体固定在传感器外壳内；所述传感器外壳下部具有安装孔或螺柱；所述金属板块为非铁磁性金属板块，其通过所述安装孔或螺柱安装于所述外壳下部；所述拾振传感器芯体经由所述金属板块检测地面振动面波信号，并将地面振动面波信号转换成电信号。
优选地，所述面波检波器的固有频率为100Hz。
优选地，所述金属板块底部具有粘结层。
优选地，所述金属板块的重量为拾振传感器芯体重量的200倍以上。
优选地，所述面波检测系统还包括震源，震源采用小型圆球锤 与金属触发片，金属触发片通过连线连接所述面波仪，利用圆球锤与金属触发片的撞击，产生触发信号触发所述面波仪，有利于表面波的接收以及精准检测。
根据本发明的另一方面，本发明提供的采用如上系统实现的隧道基底密实性检测方法包括以下步骤：
用所述多个拾振传感器采用小微道间距、小偏移距检测表面波振动信号，并将表面波振动信号转换成电信号；
用所述面波仪接收所述拾振传感器生成的电信号，并对接收的电信号进行放大和模/数转换处理，得到面波波形数据；
由处理器对所述面波仪得到的波形数据进行如下处理：
对面波波形数据进行二维频谱反演，将时间域数据转换到频率域，并将频率域采样点数加密，生成频域数据；
在频率-波数域跨模态拾取相速度，得到频散曲线；
将频散曲线变换转换到速度-深度域；
将频散曲线进行多模态数据分层反演，地层的分层速度结构数据；以及
绘制剖面图和/或曲线图。
本发明还提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质中存储有计算机程序，当该计算机程序被执行时执行如下步骤：
对面波波形数据进行二维频谱反演，将时间域数据转换到频率域，并将频率域采样点数加密，生成频域数据；
在频率-波数域跨模态拾取相速度，得到频散曲线；
将频散曲线变换转换到速度-深度域；
将频散曲线进行多模态数据分层反演，地层的分层速度结构数据；以及
绘制剖面图和/或曲线图。
本发明的隧道基底密实性检测系统及方法能够准确、快速地对隧道基底密实性进行检查，从而能够探测隧道基底小于0.2m的空洞不密实信 息，这可以为高铁隧道基底稳定性检查提供一种快速有效的技术手段，使得高铁隧道基底不密实还没有影响到高铁列车正常运行前就可以被发现需要加固处理的区段，同时，加固处理后也可以利用本发明的检测系统进行评价，从而可保障高铁隧道的正常运行。
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1为高铁隧道基底不密实检测系统的结构示意图。
图2为本发明一实施例中拾振传感器的示意图。
图3为本发明一实施中高铁隧道基底不密实检测的流程示意图。
图4为本发明一实施例中选择面波范围的操作界面示意图。
图5为采用现有技术得到的邻道互相关频散曲线数据。
图6为本发明一实施例中采用频率域采样点数加密得到的邻道互相关频散曲线数据。
图7为本发明一实施例中得到的与图6对应的频散数据。
图8为本发明一实施例中检测高铁隧道隧底空洞的结果图。
图9～图11为本发明一实施例中检测的深度-速度曲线类型图，其中图9、图10和图11分别为A类曲线、B类曲线和C类曲线。
图12为现有技术中面波拾振传感器的示意图。
具体实施方式
下面，对本发明的优选实施方式进行详细说明。这些优选实施方式 的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明的技术精神及其主要操作不限于这些实施方式。在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
针对现有技术中无法进行隧道基底密实性检测的问题，本发明提供了一种高铁隧道基底密实性检测系统和利用该系统实现的隧道基底密实性检测方法，是利用小微道间距、小偏移距采集面波数据，在数据处理时对频率进行加密采样，从而可以在高频部分提取速度与波长信息，根据频散曲线形态判别高铁隧道基底不密实等病害的高铁隧道基底不密实检测。
图1所示为本发明实施例中高铁隧道基底不密实检测系统的结构示意图。如图1所示，本系统包括：多个面波拾振传感器20(图1中仅示出了2个)、面波仪30以及处理器40。可在地面上安置多道拾振传感器20，形成一条剖面，在剖面的一端用震源10锤击地面，从而产生沿地面传播的面波，拾振传感器20接收面波信号并传输给面波仪，以数字的形式存储，然后利用处理器40对多道检波器接收的信号进行数据处理。
在本发明中，采用小微道间距及小偏移距的数据采集方式。作为示例，本实施例中采用12道拾振传感器，偏移距h2为0.6m，道间距h1为0.1m至0.3m，优选为0.1、0.2m或0.3m。拾振传感器可采用高采样率地震记录接收：通频带0.5-10000HZ，每个测点的采样率设定为0.01-0.1ms(如0.02ms)，采样点数优采设定为8192样点。以上数据仅为示例，本发明并不限于此，例如，还可以采用更多道或更少道的拾振传感器，偏移距h2可小于、等于或略大于0.6m，采样点数也并不限于8192个样点，还可以设定为1024、2048个样点或4096个样点等。在本发明一示例中，针对隧底病害纵向为小尺度的特点，为了提高瞬态面波法的分辨率，将通常采用的固有频率为4.5Hz的拾振传感器改为高频(100Hz) 速度型拾振传感器，即采用固有频率为100Hz的拾振传感器。
各面波拾振传感器20安放于混凝土板50上。现有技术中面波拾振传感器通常为带有尾椎的传感器(如图12所示，图12中，标号11表示与外部的连接线，12为拾振传感器外壳，13为拾振传感器芯体，14为尾椎)，其尾椎难以安装在水泥地面并难以与地面有效地耦合，从而会影响拾振传感器的检测准确度。为了保证拾振传感器与混凝土地面接触良好以及有效耦合，本发明对拾振传感器的结构进行了改进。
如图2所示为本发明一实施例中的拾振传感器的示意图。该实施例中用金属板块来代替尾锥，金属板块可以为铁板块、铜板块或其他金属板块等，但优选地为非铁磁性金属板块，如青铜板块。具体地，图2中示出的面波拾振传感器包括：拾振传感器芯体(如单分量拾振传感器芯体)22、传感器外壳23以及金属板块24。其中，拾振传感器芯体22固定在传感器外壳23内，外壳下部具有安装孔(如螺孔，但并不限于此)或螺柱25，金属板块24通过安装孔安装固定于拾振传感器外壳下部，或者通过螺纹连接方式或其他方式安装固定于传感器外壳，并且优选是可拆卸的。传感器芯体经由金属板块接收地面振动信号，并将地面振动面波信号转换成电信号，得到的信号可经由与外部的连接线21传输至外部设备(如面波仪)。金属板块可为扁圆柱形或方块形，其重量优选地大于芯体重量的200倍，本发明采用1KG金属板块。
优选的，金属板块底部可以具有粘结层，以将面波拾振传感器的金属板块粘附于硬质地面(如隧道底面混凝土)，从而有效耦合。该粘结层可以是粘泥形成的粘性层，当然，还可以是其他粘性材料形成的粘性层，只要能将面波拾振传感器的金属板块与硬质地面有效地耦合。
如上所述，本发明卸下了检波器的原尾椎，另行连接了金属板块，并通过面波拾振传感器和混凝土板之间的粘结层(如粘泥)使得面波拾振传感器的金属板块与硬质地面粘合，从而使检波器与混凝土地面有效耦合，并克服了水泥面安装检波器困难的问题。
在图1所示的系统中，面波仪30连接拾振传感器20，接收拾振传感器20检测到的电信号，并对接收的电信号进行放大和模/数转换处理，得 到处理器能够识别的面波波形数据。处理器40连接面波仪20，处理器40中存储有小微道间距瞬态面波专用处理软件(计算机程序)，执行该软件来对面波仪得到的面波波形数据进行数据处理，以得到频散曲线等数据。后面将对计算机程序进行的数据处理的步骤进行详细描述。
本发明可以采用常规的重锤做震源。另选地，本发明还可采用与常规的重锤不同的震源10，作为一示例，本发明采用的震源采用小型圆球锤与金属触发片，小型圆球和金属触发片均通过连线连接面波仪，利用圆球锤与金属触发片的撞击，产生触发信号触发面波仪，即在钢球释放并接触触发片时触发面波仪工作，有利于表面波的接收以及精准检测，使得面波仪能够接收到钢球震源撞击硬质地面产生的沿硬质地面(如隧底表面)传播的表面波。钢球在激振点冲击检测层表面时，在激振点产生垂向脉冲作用，从而在隧底激发出具有一定频带宽度的面波波动，通过安置于测点上的面波检波器拾取沿隧底表面传播的表面波振动信号并传送给面波仪。
面波仪将来自面波拾振传感器的数据转换为数据处理器能够识别的数字形式的面波波形数据，传输给处理器。处理器采用面波处理软件进行后续的数据处理过程。该处理包括：在时间域利用“波的干涉消长现象”圈出面波范围；运用二维傅里叶变换，将时间域数据转换为频率-波数域数据，并对频率进行加密采样；在“F-K”域的谱图中上采用跨模态(不分模态)拾取相速度，得到频散曲线；在H-V域转换频散曲线，采用多模态数据反演方法，得到定量的层速度和层厚结果等，完成多个测点的测线地质与速度剖面图。
下面将结合如上所述的系统描述本发明的高铁隧道基底密实性检测方法。
首先进行测试前准备工作，在检测区域内根据任务要求，沿纵向(列车行驶方向)布置测线。按图1所示的系统结构连接各仪器设备，拾振传感器用粘泥粘接在测点上。
在测试前准备工作完成后，便可以进行面波数据的采集。
在要进行数据采集时，通过圆球与金属触发片的撞击使人工智能瞬 态面波仪触发，从而产生沿隧底表面传播的表面波并能够被面波仪接收；震源与多道拾振传感器通过电缆与人工智能瞬态面波仪相连接，拾振传感器通过粘泥与混凝土隧底面相耦合，从而将沿隧底表面传播的表面波振动信号经拾振传感器传输给人工智能瞬态面波仪；其中，拾振传感器是用于将地面振动的面波信号转换成电信号并通过电缆将电信号送入人工智能瞬态面波仪。
人工智能瞬态面波仪是是计算机技术与电子技术和人工智能相结合的专用混凝土表面波测试仪，其将接收到的电信号放大、经过模/数转换器转换成二进制形式的波形数据，然后再传输至装有小微道间距瞬态面波专用处理软件的计算机(处理器)内，利用小微道间距瞬态面波专用处理软件来进行后续的数据处理。
为了适应这种小微道间距、小偏移距的数据采集方式，本发明采用单端激振法，在一个采用小微道间距瞬态面波探测示例中，优选采用12道高频(100HZ)速度型拾振传感器。人工智能瞬态面波仪例如为SW16-12A面波仪。采用12个道拾振传感器，通频带0.5-10000Hz，每个通道采用高采样率接收地震数据，采样率设定为0.01～0.1毫秒，采样点数可设定为2048～8192个样点(优选地设定为8192个样点)。偏移距h2约为0.6m，道间距h1为0.1～0.3米，优选为0.1、0.2m或0.3m。
下面描述处理器执行小微道间距瞬态面波处理软件对采集后的数据的处理过程。图3所示为该处理过程包含的步骤的示意图。
在进行数据处理前，需首先调入数据文件。
该步骤可以是调入面波仪生成的面波数据文件，然后通过显示器对波形记录进行监视，其中，监视显示窗内可上下移动记录波形图像，并可增减垂直和水平比例尺，还可增减记录波形的振幅和改变波形的显示颜色或灰度，并可上、下移动光标至记录的任意位置读取横坐标距离和纵坐标时间，另外还可以读取记录参数，如采样率或道间距等等。
步骤S310，在时间域中选择“时间-空间”窗口，划出面波范围。
高铁隧道基底密实性检测的原始记录波形中，上部是速度较高的高阶面波，其下部是低速的基阶波，两者之间呈现“波的干涉消长现象”， 本发明充分利用这一现象，在“时间-空间”窗口中搜索和确定基阶、高阶面波的峰脊，可划出面波范围，即圈定面波波形数据窗口。
图4为本发明一实施例中选择面波范围的操作界面示意图，其中横坐标为距离(m)，纵坐标为时间(ms)。如图4所示，在距离-时间域(X-t域)中调整X1、X2，即可圈定出面波波形数据窗口，其中，X1和X2为调整道窗口。在调整面波窗口时，通过上下左右箭头键翻页键等将光标转向。操作界面显示窗口中还可自动显示X1、X2对应的速度V1和V2的值。
步骤S320，进行二维频谱反演，将时间域数据转换到频率域，并将频率域采样点数加密，生成频域数据。
由于高铁隧道隧底密实性检测时，地表是高速层，频散曲线为负频散，高阶波有着很强的能量团，因此，本发明中，根据高铁隧底结构的面波频散特点，利用处理器中存储的小微道间距瞬态面波处理软件合理选择不同振型(高阶波、基阶波)的面波范围，并进一步对选择的数据进行二维频谱反演，即运用二维傅里叶变换，将时间域数据转换到频率域，生成瞬态面波频域数据。
瞬态激振所产生的原始面波记录波形是时间域信号，包含了多个单频面波。本发明中，运用二维傅里叶变换，将时间域数据转换到频率域，数据处理器利用“谱分析法”进行频谱和相位分析，将各个频率的面波分离出来，计算相邻拾振器的相位差，则用相位差和道间距可进一步计算出相邻道长度内面波的传播速度。
为了得到频散曲线，通常需要对测点的记录作相干函数和互功率谱分析(计算)。作相干函数分析的目的是对记录信号的各个频率成分的质量作出估计，并判断噪声干扰对有效信号的影响程度。作互功率谱分析的目的是利用互功率谱的相位特性求出这侧点在各个不同频率时的相位差，再求出相速度。由于相干函数分析等处理可参照现有技术，在此不做赘述。
在计算功率谱时，现有技术是：在时间域内的计算点数N与输出的频率域点数NF一致，即一般采用N＝64、128、512或1024去计算功率 谱，输出的频率域内的采样点数相应的为NF＝64、128、512或1024，与N一致。在本发明中，为了可以在高频部分提取速度信息，将频率域采样点数进行了加密。
具体地，在计算功率谱时将互功率谱输出的频域内采样点数(或称计算点数)NF在时间域计算点数N的基础上进行加倍扩展。功率谱中有效频率范围为0～采样频率的二分之一(折叠频率以下)，互功率谱输出最佳采样点数由现有技术的64、128、512、1024，扩展到1024、2048、4096、8192，实现对频率的加密采样，由此可以在高频部分提取速度信息，从而在后续由速度-频率域转换成速度-深度域时，在浅层有更高的离散采样信息，因此获得浅部从基阶到高阶的变化信息，不同阶的频散曲线连续性更强。
例如，假如选取时间域的计算点数为N＝1024，则输出的频率域内的采样点数NF＝8192，频率域的采样是现有技术的8倍，即在一个频率域周期(0～2πf，其中f＝1000/采样率，采样率为0.1至0.02ms)内，采样点数加密到时间域计算点数的8倍，因此可以在高频部分有效提取速度信息。这样，在此后由速度-频率域(公式(1))转换成速度-深度域时(公式(2))，在浅层能有更高的离散采样信息，从而获得浅部从基阶到高阶的变化信息，使得不同阶的频散曲线连续性更强。在此，8倍的采样点数加密仅为举例，还可以是其他加密倍数，如4倍。
H＝λR/2＝vR/2f公式(2)
图5所示为采用现有技术得到的邻道互相关频散曲线数据。图6所示为本发明中采用频率域采样点数加密后得到的邻道互相关频散曲线数据。如图5所示，通常的瞬态面波法由于没有采用频率域采样点数加密，基阶与高阶波重叠在一块，难以区分，图中由于该道的面波数据叠加了多个模态，频散曲线的相速度出现剧烈变化，看不出和地层的关联性；其探测精度也无法满足高铁隧道基底不密实检测要求。而如图6所示，本发明通过将频率域采样点数进行加密，由此得到的频散数据能够区分出基阶与高阶波。图7是与图6对应的采用本方法的频散曲线数据，曲 线分层明显。
本发明利用小微道间距和对频率的加密采样处理可有效提取高频速度信息，实现基阶与高阶模态分离，从而能够提取浅层速度结构信息，以便达到利用多道瞬态面波法对高铁隧道基底不密实检测的目的。
步骤S330，在频率-波数域(F-K域)跨模态拾取相速度数据，得到频散曲线。
由于高铁隧道隧底检测时，地表是高速层，频散曲线为负频散，高阶波有着很强的能量团，因此本发明采用软件在“F-K”域的谱图中上采用跨模态(不分模态)拾取相速度数据，以得到频散曲线。
具体地，在制作频散曲线过程中，在频率-波数域(F-K域)搜索确定目的面波的峰脊，跨模态(即不分模态)地拾取F-K域频散数据。
步骤S340，在深度-速度(H-V)域转换频散曲线。
在“F-K”域中的频散等值线图上确认基阶、高阶面波频散曲线并转化为深度-速度(H-V)域(或速度-波长域)的频散曲线，在此基础上可完成对频散曲线的深度解释。
步骤S350，通过人机联作速度分层，进行多模态频散数据分层反演计算。
利用频散曲线进行分层反演计算，频散曲线上某深度的面波速度是地面到该深度的平均速度，需要根据频散曲线特征进行分层，并进行分层反演计算，得到地层的分层速度结构数据。
步骤S360，进行正演拟合。
利用反演得到地层的速度结构模型，在已确定的总分层数目下采用固定层厚反演层速度的方法再进行计算调整，反复修改分层结果进行正演拟合直到两条频散曲线拟合到预定程度为止，得到定量的分层速度。
步骤S370，绘制剖面图和/或曲线图，输出结果。
完成检测点面波频散曲线提取后，可绘制多个测点的频散曲线族和/或测线地质与速度剖面图。
由于步骤S340～步骤S370可采用现有技术，因此本发明中不做赘述。
在高铁隧道隧底存在空洞的情况下，高阶面波能量增强，但又不能 完全与基阶面波分离，从而频散曲线为高、基阶面波混合的形态，在剪切波速与深度剖面图中，瞬态面波频散曲线表现为多次重复、曲线回折、无深部面波信号等现象。据此可以判定在隧道基底存在不密实隐患，即测点处高铁基底有虚渣、淤泥或空洞、充泥、充水位置。
也就是说，根据频散曲线形态，将瞬态面波频散曲线出现多次重复、曲线回折、无深部面波信号等部位判定为隧道基底不密实，即高铁隧道基底有虚渣、淤泥或空洞、充泥、充水位置。判别高铁隧道基底不密实等病害。
非限制性示例：
图8是沪昆铁路麻拉寨隧道隧底无损检测项目得到的剖面数据的示例。采用本发明的高铁隧道基底不密实的检测系统及方法对沪昆铁路麻拉寨隧道隧底进行过实验检测，系统中的面波仪采用SW16-12A面波仪，拾振传感器采用固有频率为100Hz的检波器。
本示例中，采用小微道间距、小偏移距的数据采集方式：0.6米偏移距，0.2米道间距，12道接收；为保证传感器与混凝土地面接触良好，去掉传感器尾锥，另接铁板块，采用粘泥粘接使拾振传感器与混凝土地面耦合；采用单端激振法，采样率0.02ms，采样点数为8192样点。同时为克服水泥面安装拾振传感器的困难和提高检测效率，并用一条带子将12道拾振器和敲击板连接在一起，形成整体移动。测线长度25m。
图8示出根据本示例的检测高铁隧道隧底空洞的结果图。附图8所示，洞身标1176-1182、1195-1203、1219-1225处面波波速偏低，这表明以上3段的隧底仰拱下存在空洞或溶蚀裂隙，是麻拉寨隧道隧底突泥、突水的主要原因。在深度0-0.8米范围内有一高速层，应为仰拱。以上检测结果经钻探验证后，发现本发明的检测结果完全准确，表明利用瞬态面波法检测高铁隧道基底不密实是可行的。
图9～图11是本次检测的曲线类型图，分别是A～C三种类型的曲线，其中：
(1)A类曲线：该类曲线特点是深度较浅时(0-0.6m)，vR较高，结合隧底结构分析，该层为隧底填充层及仰拱，完整性较好。随着深度的 增加曲线出现一个小台阶，或曲线斜率变化，是一个分层点(隧底与围岩界面)。随后vR随深度增大，曲线平缓，表明该处围岩完整，围岩无明显变化。
(2)B类曲线：该类曲线特点是深度较浅时(0-0.4m)，该层完整性较好。随着深度的增加曲线出现一个大回折，回折之后随后vR随深度增大，曲线平缓，表明该处隧底有空洞，该处围岩完整，围岩无明显变化。
(3)C类曲线：该类曲线特点是深度较浅时(0-0.4m)，vR较高，该层完整性较好，随着深度的增加曲线出现一个开口，开口之后随后vR随深度增大，曲线平缓，表明该处基底出现不密实，而围岩无明显变化。
根据本发明的方法和系统，采用小微道间距、小偏移距进行面波记录(优选采用高采样率进行面波记录)，在数据处理手段上实现对频率的加密采样，并利用多个模态的办法获得检测高铁隧道基底测点下方的分层，因此可以在高频部分提取速度与浅层深度信息，对多个模态小倾角断续扁串珠体能量团实现了有效分离，达到了提高检测分辩率的目的。根据基于小微道间距面波的频散曲线与高铁隧道基底情况之间的关系，可以确定高铁隧道基底不密实的位置和深度，从而根据频散曲线形态判别高铁隧道基底不密实等病害。
上述高铁隧道基底不密实检测系统及方法可以为高铁隧道基底稳定性检查提供一种快速有效的技术手段，使得高铁隧道基底不密实还没有影响到高铁列车正常运行前就可以被发现需要加固处理的区段，同时，加固处理后也可以利用本发明的检测系统进行评价，从而可保障高铁隧道的正常运行。
本发明的系统和方法不仅适用于高铁隧道，同样适用于其他具有类似结构的隧道。
根据本发明实施例公开的高铁隧道基底密实性检测系统，不仅能够保证检波器与地面有效地耦合，提高了对面波的检测准确度，尤其适用于硬质地面，诸如高铁隧道基底。此外，本发明的震源采用小型钢球锤以及与面波仪连接的金属触发片，有利于表面波的接收以及精准检测。
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或 更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
需要说明的是，上述实施例仅为说明本发明而非限制本发明的专利范围，任何基于本发明的等同变换技术，均应在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种隧道基底密实性检测系统，其特征在于，该系统包括：
多个面波拾振传感器，所述多个面波拾振传感器采用小微道间距、小偏移距检测表面波振动信号，并将表面波振动信号转换成电信号；
面波仪，其连接各个面波拾振传感器，用于接收拾振传感器检测到的电信号，并对接收的电信号进行放大和模/数转换处理，得到面波波形数据；
处理器，其存储有计算机程序，该计算机程序被执行时能够对所述面波仪得到的波形数据进行处理，所述处理包括以下步骤：
对面波波形数据进行二维频谱反演，将时间域数据转换到频率域，并将频率域采样点数加密，生成频域数据；
在频率-波数域跨模态拾取相速度，得到频散曲线；
将频散曲线变换转换到速度-深度域；
将频散曲线进行多模态数据分层反演，地层的分层速度结构数据；以及
绘制剖面图和/或曲线图。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述小微道间距为0.1m至0.3m，所述小偏移距为0.6m。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述面波拾振传感器的采样率为0.1-0.02ms，采样点数为8192样点。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述频率域采样点数加密为时间域计算点数的8倍。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理还包括以下步骤：
在二维频谱反演之前在时间域中选择“时间-空间”窗口，划出面波范围；以及
在多模态数据分层反演后，对分层速度结构数据进行正演拟合计算层速度，得到定量的分层速度。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述拾振传感器包括：拾振传感器芯体、传感器外壳以及金属板块；
其中，所述拾振传感器芯体固定在传感器外壳内；
所述传感器外壳下部具有安装孔或螺柱；
所述金属板块为非铁磁性金属板块，其通过所述安装孔或螺柱安装于所述外壳下部；
所述拾振传感器芯体经由所述金属板块检测地面振动面波信号，并将地面振动面波信号转换成电信号。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的系统，其特征在于，所述拾振传感器的固有频率为100Hz。
8.根据权利要求1-6中任意一项所述的系统，其特征在于，所述金属板块底部具有粘结层。
9.一种采用如权利要求1-8中任意一项所述的系统实现的隧道基底密实性检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
用所述多个拾振传感器采用小微道间距、小偏移距检测表面波振动信号，并将表面波振动信号转换成电信号；
用所述面波仪接收所述拾振传感器生成的电信号，并对接收的电信号进行放大和模/数转换处理，得到面波波形数据；
由处理器对所述面波仪得到的波形数据进行如下处理：
对面波波形数据进行二维频谱反演，将时间域数据转换到频率域，并将频率域采样点数加密，生成频域数据；
在频率-波数域跨模态拾取相速度，得到频散曲线；
将频散曲线变换转换到速度-深度域；
将频散曲线进行多模态数据分层反演，地层的分层速度结构数据；以及
绘制剖面图和/或曲线图。
10.一种计算机存储介质，该计算机存储介质中存储有计算机程序，当该计算机程序被执行时执行如下步骤：
对面波波形数据进行二维频谱反演，将时间域数据转换到频率域，并将频率域采样点数加密，生成频域数据；
在频率-波数域跨模态拾取相速度，得到频散曲线；
将频散曲线变换转换到速度-深度域；
将频散曲线进行多模态数据分层反演，地层的分层速度结构数据；以及
绘制剖面图和/或曲线图。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170714 |