CN110243320A - 一种隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法及装置，该方法具体为：在待检测的隧道衬砌裂缝距离内布置第一激光入射点，在第一激光入射点和裂缝之间布置第一激光接收点；将第一激光接收点接收到的超声波信号获取超声表面波信号波形图，判断由直达波和反射波叠加后波形的波峰与波谷的数值差是否超过设定的阈值；若是，计算波峰与波谷的时间差，并且计算裂缝深度；若否，设定裂缝预估深度，建立超声波传播有限元模型，从有限元模型结果中得到波峰与波谷的时间差，计算裂缝深度。与现有技术相比，本发明为非接触式，相比于传统压电式激发超声波，无需在混凝土表面涂耦合剂，极大提高了设备的空间分辨率和检测效率。

Description

一种隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法及装置

技术领域

本发明涉及混凝土裂缝深度检测技术领域，尤其是涉及一种隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法及装置。

背景技术

裂缝是隧道常见病害之一，一旦裂缝发展到一定阶段将会对结构的承载性能产生较大影响，而裂缝宽度和深度是裂缝发展过程中对结构影响最重要的指标，因此准确检测裂缝深度、宽度，是养护检查的工作重点。目前对裂缝宽度的检测技术已经成熟并在实践中得到广泛应用，然而现阶段裂缝深度检测主要采用压电超声、雷达等接触式技术手段，需要对混凝土表面进行处理并涂抹耦合剂，导致空间分辨率低，在环境复杂的地方无法操作，且检测效率及精度都不高。

CN 107561097 A公布了一种利用检测剂真实还原混凝土裂缝形态特征的方法。该方法用压浆设备将含有铁粉的检测剂压入裂缝中，再用X光机照射混凝土裂缝，在计算机上将裂缝的形态特征显示出来。但该方法的精度不仅取决于压入检测剂的密实度，更取决于实际的人工操作，且由于检测剂颗粒大小的限制，无法检测裂缝宽度很小的裂缝，且检测效率很低。

近年来，由于超声波产生的Rayleigh波仅沿混凝土表面传播，且具有激发效率高、衰减小和易于检测等优点，使得超声波检测技术被越来越广泛的应用到混凝土的无损检测中。CN 108226295 A公布了一种超声波混凝土裂缝深度检测装置。该装置包含裂缝检测装置本体以及由发射端和接收端组成的换能器，其采用正方形联测法依次测得正方形四条边上的超声波传播时间和波速，再通过计算得出裂缝的深度。该方法本质上属于压电超声法，无论超声波的激发还是接收方式都是接触式的，检测方式还是属于接触式测量，且由于测量步骤和计算方法繁琐，大大降低了裂缝检测效率。

综上，现有的压电式超声检测方法存在的超声波激发效率低、需结合耦合剂方可使用、接触式检测等缺点。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法，具体包括如下步骤：

S1、在距离待检测的隧道衬砌裂缝为d的范围内布置第一激光入射点，在第一激光入射点和裂缝之间布置第一激光接收点，在第一激光入射点处发射超声波信号，并在第一激光接收点接收超声波信号；

S2、根据第一激光接收点接收到的超声波信号获取超声表面波信号波形图，判断由直达波和反射波叠加后波形的波峰C与波谷D的振幅差是否超过设定的阈值，若是，则执行步骤S3；若否，则执行步骤S4；

S3、计算波峰C与波谷D的时间差并且计算裂缝深度h，裂缝深度h的计算表达式如下：

S4、计算混凝土的弹性模量和泊松比，其计算表达式如下：

式中，V_S和V_R分别为超声波中的横波和表面波在混凝土中的传播速度，G为剪切弹性模量，E为杨氏模量，ρ为待检测混凝土的密度，μ为待检测混凝土的泊松比；

通过步骤S3中得到的波峰C与波谷D的数值差采用裂缝深度h的计算表达式得到预估的裂缝深度h₂，并结合上述混凝土物理力学参数建立带裂缝混凝土的超声波传播有限元模型，从有限元模型结果中得到修正的波峰C与波谷D的时间差从有限元模型结果中得到波峰C与波谷D的时间差最后利用有限元模型的波峰与波谷时间差计算裂缝深度h₃，其计算表达式如下：

裂缝深度取h₂与h₃的平均值。

进一步地，所述横波传播速度V_S、表面波传播速度V_R和表面波的衰减速率θ_R的获取方式为：在待检测的隧道衬砌的一段无裂缝区域内布置一个第二激光入射点和一排等距的第二激光接收点，沿第二入射点发射超声波信号，并在第二接收点接收超声波信号，根据接收到的超声波信号利用时差法计算得到超声表面波的传播速度V_S、V_R和衰减速率θ_R。

进一步地，每跨施工缝需要重新获取当前的超声表面波的传播速度和衰减速率。

进一步地，沿裂缝长度方向上每距离L布置一对第一激光入射点和第一激光接收点，重复步骤S1～步骤S4，得到同一条裂缝沿长度方向上的裂缝深度分布图。

进一步地，对于同一条裂缝的所有测点，沿裂缝长度方向的测点布置间距L大于等于两倍待检测的隧道衬砌裂缝距离d。

进一步地，第一激光入射点于裂缝的垂直距离d小于超声波衰减速率θ_R的倒数。

进一步地，第二激光接收点位于激光入射点与待测裂缝的垂线上，且取d/2处。

一种如上所述的隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法的测量装置，包括脉冲激光超声发射器、平面扫描振镜、前置放大器、非接触接收探头、信号放大器、示波器和计算机，其中非接触接收探头为空气耦合探头或光路干涉仪。

进一步地，采用非接触接收探头进行超声波的接收。

进一步地，所述的脉冲激光超声发射器采用200mJ功率的固定脉冲激光超声发射器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的超声波的激发方式与接收方式为非接触式，相比于传统压电式激发超声波，无需在混凝土表面涂耦合剂，大大提高了设备的空间分辨率和检测效率；

2、计算方法简单易操作，通过超声波传播波速和波形信号时间差的乘积计算裂缝深度，大大简化了计算过程并减少了误差的产生；

3、本发明经过大量试验及实践验证，裂缝深度检测精度误差在1％范围之内，检测精度高，误差小；

4、本发明的测量装置数量少易于搬运，能够方便地布置在车载移动平台上，进而实现移动巡检，空间分辨率、检测效率都明显高于传统检测技术。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为第二激光入射点与第二激光接收点的布置图；

图3为平铺等距接收点的超声波信号示意图；

图4为超声波在混凝土中传播速度示意图；

图5为基于线性拟合的表面波衰减示意图；

图6为超声波沿裂缝传播示意图；

图7为脉冲回波法测裂缝深度示意图；

图8为波形特征明显的信号波形图；

图9为波形特征不明显时的信号波形图；

图10为相同条件下有限元模型波形图；

图11为沿裂缝长度方向的测点布置图；

图12为裂缝深度分布图。

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。

如图1所示，本实施例提供一种隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法，使用的测量装置具体包括脉冲激光超声发射器、平面扫描振镜、前置放大器、非接触接收探头、信号放大器、示波器和计算机等，其中非接触接收探头为空气耦合探头或光路干涉仪，测量方法的具体步骤如下：

步骤S1.在待检测的隧道衬砌的一段无裂缝区域内布置一个第二激光入射点和一排等距的第二激光接收点，用脉冲激光器沿第二入射点发射超声波信号，并在第二接收点接收超声波信号，根据接收到的超声波信号利用时差法计算得到超声表面波的传播速度V_S、V_R和衰减速率θ_R。进一步地，每跨施工缝应需要重新获取当前的超声表面波的传播速度和衰减速率。

步骤S2.在待检测的隧道衬砌裂缝距离d内布置第一激光入射点，在第一激光入射点和裂缝之间布置第一激光接收点，采用脉冲激光器在第一激光入射点发射超声波信号，并在第一激光接收点接收超声波信号。脉冲激光器采用200mJ功率的固定脉冲激光超声发射器。采用非接触式的空气耦合探头或光路干涉仪进行超声波的接收。

步骤S3.将第一激光接收点接收到的超声波信号通过信号放大器或示波器传输至计算机获取超声表面波信号波形图，从超声表面波信号波形图中提取由直达波和反射波叠加后波形的波峰C与波谷D的时间，判断C、D的波形特征是否明显，是否具有明显的波峰和波谷，即取波形图中时刻到时刻间隔内的波形图(其中D为隧道衬砌厚度)，判断由直达波和反射波叠加后波形的波峰C与波谷D的数值差是否超过设定的阈值(该阈值与激光的能量有关，进而与衰减速率有关，优选的该阈值取-5/θ_R)。若是，则执行步骤S4；若否，则执行步骤S5。

步骤S4、计算波峰C与波谷D的时间差并且计算裂缝深度h，裂缝深度h的计算表达式如下：

步骤S5、计算混凝土的弹性模量和泊松比，其计算表达式如下：

式中，V_S和V_R分别为超声波中的横波和表面波在混凝土中的传播速度，G为剪切弹性模量，E为杨氏模量，ρ为待检测混凝土的密度，μ为待检测混凝土的泊松比。

用步骤S3中得到的波峰C与波谷D的数值差采用步骤S3中裂缝深度h的计算表得到预估的裂缝深度h₂，并结合上述混凝土物理力学参数建立带裂缝混凝土的超声波传播有限元模型，从有限元模型结果中得到波峰C与波谷D的时间差最后利用有限元模型的波峰与波谷时间差计算裂缝深度h₃，其计算表达式如下：

最终，裂缝深度取h₂与h₃的平均值。

以下为具体的测试实例：

一、如图2所示，在待测隧道选取一段衬砌表面光洁无裂缝的区域用于测量超声波在混凝土中的传播速度和衰减速率。任意选取一点作为第二激光入射点，同时在衬砌表面距第二激光入射点4cm至10cm的距离设置7个等距的第二激光接收点。将脉冲激光器安装在第二激光入射点，用于发射超声波信号。将空气耦合探头安装在第二激光接收点上，用于接收超声波信号。将空气耦合探头、信号放大器、示波器和计算机进行连接。

二、打开脉冲激光器电源，使激光束沿第二激光入射点垂直射入衬砌表面，同时在7个等距第二接收点上探测超声波信号，并通过信号放大器传入计算机中，得到7个观测点的波形图，如图3所示。通过用时差法线性拟合时间与距离的关系和幅值与距离的关系得到图4和图5，两图的斜率即超声表面波在混凝土中的传播速度V_S、V_R和衰减速率θ_R，由此算得V_S＝2394.57m/s，V_R＝2203m/s，θ_R＝-0.03/cm。

三、在待检测的隧道衬砌裂缝距离d内布置第二激光入射点(由于超声波在混凝土中衰减严重，为保证超声波信号强度，需满足d＜1/θ_R)，在入射点和裂缝之间一定距离(为便于信号的识别和计算简便，一般取d/2处)选取一点作为第二激光接收点，采用脉冲激光器在第二激光入射点发射超声波信号，并在第二激光接收点接收超声波信号，并用计算机记录带裂缝的超声波检测信号。

如图6和图7所示，直达的表面波到达缺陷前沿时，根据惠更斯原理，点a相当于一个次声源会产生纵波和表面波，其中部分直接回到接收点，部分向下传播到b点；这时b点也是一个次声源可以产生表面波和纵波，部分直接回到接收点，部分回到a点再传播到接收点。分析从a点传播到b点再回到a点的波有四种组合：

(1)a点产生的纵波到b点，b点产生的表面波到a点；

(2)a点产生的纵波到b点，b点产生的纵波到a点；

(3)a点产生的表面波到b点，b点产生的纵波到a点；

(4)a点产生的表面波到b点，b点产生的表面波到a点。

如图8所示，由于次声源产生的纵波的影响较小，首先在表面传播的纵波的能量相比表面波小很多，波形中主要还是表面波成分；其次纵波速度为表面波速度两倍多，点a或者点b产生的散射回波中的纵波成分在表面传播时必然会比反射表面波提前到达接收点，不会对波峰C和波谷D产生影响，这也是处于远场激发的一个优势。因此，波形C和D主要是由缺陷前沿拐点a和b作为次声源产生的表面波成分相叠加形。由此可知，波峰C和波谷D的时间差与裂缝的深度有关，在时间内超声波从a传播到b再回到a，因此可以得到波峰C和波谷D的时间差与裂缝的深度h的关系：

四、用测得的超声波传播速度计算出混凝土的物理力学参数，预估裂缝深度为5mm，建立带裂缝混凝土的超声波传播有限元模型，如图9和图10所示。从有限元模型结果中得到修正的利用修正的时间差再次计算裂缝深度，从图中可以算出从而裂缝深度h＝5.507mm，经测得裂缝实际深度为5.558mm，误差为0.91％，误差在1％以内；

五、对同一条裂缝在沿着裂缝长度方向上间隔L(为避免测点距离过近造成干扰，优选的L>2d)的位置分别重复步骤三，测点布置图如附图11所示，得到裂缝沿长度方向上的裂缝深度分布图，如图12所示，将数据保存，作为描绘裂缝的形态特征及演变规律的依据，为裂缝病害的检测提供重要参考。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。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，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

S1、在距离待检测的隧道衬砌裂缝为d的范围内布置第一激光入射点，在第一激光入射点和裂缝之间布置第一激光接收点，在第一激光入射点处发射超声波信号，并在第一激光接收点接收超声波信号；

S2、根据第一激光接收点接收到的超声波信号获取超声表面波信号波形图，判断由直达波和反射波叠加后波形的波峰C与波谷D的振幅差是否超过设定的阈值，若是，则执行步骤S3；若否，则执行步骤S4；

S3、计算波峰C与波谷D的时间差并且计算裂缝深度h，裂缝深度h的计算表达式如下：

S4、计算混凝土的弹性模量和泊松比，其计算表达式如下：

式中，V_S和V_R分别为超声波中的横波和表面波在混凝土中的传播速度，G为剪切弹性模量，E为杨氏模量，ρ为待检测混凝土的密度，μ为待检测混凝土的泊松比；

通过步骤S3中得到的波峰C与波谷D的数值差采用裂缝深度h的计算表达式得到预估的裂缝深度h₂，并结合上述混凝土物理力学参数建立带裂缝混凝土的超声波传播有限元模型，从有限元模型结果中得到修正的波峰C与波谷D的时间差从有限元模型结果中得到波峰C与波谷D的时间差最后利用有限元模型的波峰与波谷时间差计算裂缝深度h₃，其计算表达式如下：

裂缝深度取h₂与h₃的平均值。

2.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法，其特征在于，所述横波传播速度V_S、表面波传播速度V_R和表面波的衰减速率θ_R的获取方式为：在待检测的隧道衬砌的一段无裂缝区域内布置一个第二激光入射点和一排等距的第二激光接收点，沿第二入射点发射超声波信号，并在第二接收点接收超声波信号，根据接收到的超声波信号利用时差法计算得到超声表面波的传播速度V_S、V_R和衰减速率θ_R。

3.根据权利要求2所述的一种隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法，其特征在于，每跨施工缝需要重新获取当前的超声表面波的传播速度和衰减速率。

4.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法，其特征在于，沿裂缝长度方向上每距离L布置一对第一激光入射点和第一激光接收点，重复步骤S1～步骤S4，得到同一条裂缝沿长度方向上的裂缝深度分布图。

5.根据权利要求4所述的一种隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法，其特征在于，对于同一条裂缝的所有测点，沿裂缝长度方向的测点布置间距L大于等于两倍待检测的隧道衬砌裂缝距离d。

6.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法，其特征在于，第一激光入射点于裂缝的垂直距离d小于超声波衰减速率θ_R的倒数。

7.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法，其特征在于，第二激光接收点位于激光入射点与待测裂缝的垂线上，且取d/2处。

8.一种如权利要求1～7任一所述的隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法的测量装置，其特征在于，包括脉冲激光超声发射器、平面扫描振镜、前置放大器、非接触接收探头、信号放大器、示波器和计算机，其中非接触接收探头为空气耦合探头或光路干涉仪。

9.根据权利要求8所述的隧道衬砌裂缝深度非接触测量装置，其特征在于，采用非接触接收探头进行超声波的接收。

10.根据权利要求8所述的一种隧道衬砌裂缝深度非接触测量方法，其特征在于，所述的脉冲激光超声发射器采用200mJ功率的固定脉冲激光超声发射器。