CN110687533B - 一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置及方法，其技术方案为：包括支承结构、搭载结构和动力结构，支承结构包括拱架和柔性轨道，所述柔性轨道与拱架可拆卸连接且柔性轨道的安装位置可调；搭载结构包括用于承载地质雷达天线的承载单元，所述承载单元与柔性轨道滑动连接，使地质雷达天线能够沿柔性轨道水平移动并与隧道衬砌紧密贴合；动力结构用于驱动搭载结构使其沿测线匀速行进。本发明能够保证地质雷达在检测隧道衬砌质量的过程中地质雷达天线沿设计好的测线匀速前进，并与隧道衬砌保持紧密贴合。

Description

一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置及方法

技术领域

本发明设计地质勘测领域，尤其涉及一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置及方法。

背景技术

在隧道工程中，一旦出现质量问题，将会威胁到人们的生命安全，所以在隧道工程施工完成后，对隧道衬砌质量进行检查是非常重要的。因为地质雷达在检测中的诸多优点，能够有效地检测出隧道衬砌中的各种问题，并且效率、分辨率都非常高，于是地质雷达成为隧道工程探测中一项重要的手段。

地质雷达的主要工作原理是利用雷达的天线向地下发射宽带高频电磁波，电磁波在介质中传播，产生反射、折射和投射，再利用与发射电磁波天线相同步的接收天线来接收反射回来的电磁波信号，之后利用雷达的主机将信号特征记录下来，利用相关的软件将得到的信号进行处理，从而得到整个断面的扫描图像，分析判断目标的实际地质结构。

发明人发现，现阶段，由于隧道内环境较为复杂，地质雷达在检测隧道衬砌的过程中存在诸多困难和不足之处：①由于隧道开挖后，隧道地面上存在大量破碎的岩块和积水，并存在一些设备和管道，测量人员或机械移动地质雷达天线行进困难；②长时间的测量过程，人员体力的消耗，无法保证地质雷达天线匀速地沿设计好的测线行进；③使用某些机械支承地质雷达天线时，难以保证地质雷达天线紧密贴合隧道衬砌，并且金属材料会对雷达造成严重干扰，影响检测的准确性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置，能够保证地质雷达在检测隧道衬砌质量的过程中地质雷达天线沿设计好的测线匀速前进，并与隧道衬砌保持紧密贴合。

本发明采用下述技术方案：

一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置，包括支承结构、搭载结构、动力结构和控制系统，支承结构包括拱架和柔性轨道，所述柔性轨道与拱架可拆卸连接且柔性轨道的安装位置可调；

搭载结构包括用于承载地质雷达天线的承载单元，所述承载单元与柔性轨道滑动连接，使地质雷达天线能够沿柔性轨道水平移动并与隧道衬砌紧密贴合；

动力结构，用于驱动搭载结构使其沿测线匀速行进；控制系统包括用于设置地质雷达天线前进速度的动力控制组件、用于控制数据采集的地质雷达控制组件。

进一步的，所述柔性轨道至少有两条，所述拱架具有若干用于柔性轨道卡接的卡槽，柔性轨道可沿卡槽移动以改变其安装位置。

进一步的，所述承载单元通过滑动件与柔性轨道相连，且滑动件与承载单元之间安装减震器，防止衬砌层凹凸不平时对装置的损伤，提高装置的准确性。

进一步的，所述动力结构包括电动机、由电动机驱动的同步带机构，承载单元安装于同步带机构一侧。

进一步的，所述同步带机构包括与电动机相连的齿轮、与所述齿轮啮合的齿形同步带；齿形同步带传动准确稳定，工作时无滑动，具有恒定的传动比。

进一步的，所述齿轮和齿形同步带采用非金属材料，避免金属材料对地质雷达信号采集的干扰。

进一步的，所述柔性轨道为非金属材料，所述拱架为金属材料或非金属材料。

进一步的，所述柔性轨道为半封闭式结构，避免灰尘、落石等进入轨槽，保证滑轮在轨槽中正常移动。

本发明的第二目的是提供一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置的使用方法，能够保证检测的高效性、准确性。

该方法包括以下步骤：

将拱架设置于待检测的隧道衬砌段两端，将柔性轨道嵌入拱架中并将承载单元与柔性轨道相连；

调整柔性轨道在拱架上的位置并将二者固定，使柔性轨道保持水平且承载单元位于测线上；

将地质雷达天线与承载单元固定，连接动力结构并启动；地质雷达天线匀速前进并采集雷达信号数据，实现对隧道衬砌的检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过设置拱架结构，无需在衬砌层钻孔或造成其他破坏，实现真正的无损检测；并可以根据测线任意调整地质雷达天线位置，突破隧道地面条件的限制，在隧道内杂物未清理时就可以进行衬砌的检测，节约了时间成本，实现高效性的目的；

2、本发明利用电动机提供稳定的前进动力并使用动力控制组件设定前进速度；采用齿轮和齿形同步带，传动极为准确稳定，成本较低；使用滑轮承载地质雷达天线，避免了其滑移错动的可能，从而保证地质雷达天线能够准确地沿测线匀速前进，提高雷达信号采集的精确度；

3、本发明采用柔性轨道，保证地质雷达天线与隧道衬砌紧密贴合，地质雷达天线承载单元上的减震器有效地降低了衬砌层可能存在的凹凸不平处对地质雷达天线前进的影响，进一步提高了雷达信号采集的准确性和有效性；

4、本发明中的大部分结构使用高强度树脂材料等非金属材料制造，避免了对雷达信号采集的干扰；同时，减少了人员在隧道内的活动，提高了测量人员的安全性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例一的整体结构示意图；

图2为本发明实施例一的搭载结构主视图；

图3为本发明实施例一的搭载结构侧视图；

图4为本发明实施例一的拱架与柔性轨道搭接部分的结构示意图；

图5为本发明实施例一的拱架与柔性轨道搭接部分的横截面示意图；

其中，1、拱架，2、柔性轨道，3、滑轮，4、承载单元，5、减震器，6、电动机，7、齿轮，8、齿形同步带，9、控制系统，10、高强度螺栓，11、固定板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在地质雷达天线不能匀速的按照设计好的测线行进、难以保证地质雷达天线紧密贴合隧道衬砌的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置及方法。

实施例一：

本实施例提供了一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置，尤其适用于长距离隧道，如图1-图5所示，包括支承结构、搭载结构、动力结构和控制系统，其中，搭载结构用于承载地质雷达天线，搭载结构安装于支承结构上；动力结构与搭载结构相连，用于驱动所述搭载结构；控制系统用于控制动力结构及地质雷达天线。

具体的，支承结构包括多个拱架1和柔性轨道2，拱架1布设在待检测的隧道衬砌段，柔性轨道2与拱架1可拆卸连接且柔性轨道2的安装位置可调节，使安装在搭载结构上的地质雷达天线能够适应隧道形状，保证地质雷达天线与隧道衬砌紧密贴合。

在本实施例中，拱架1有两个，设置于待检测的隧道衬砌段的两端；柔性轨道2有两条，呈水平方向设置，两条柔性轨道2位于两个拱架1之间。由于柔性轨道2与拱架1可拆卸连接，因此，两个柔性轨道2之间的距离可调，能够适应不同尺寸的搭载结构，提高装置的适用性。柔性轨道2的位置根据测线位置调整。

可以理解的，在其他实施例中，拱架1、柔性轨道2可以为其他个数，例如，为了增加柔性轨道2的安装稳定性，可以在隧道衬砌段两端的拱架1之间设置一个或多个拱架1；同样，也可以在两个柔性轨道2之间设置一个或多个柔性轨道2。

所述拱架1按照检测隧道的尺寸设计，可以为金属材料或非金属材料，选择金属材料时测线布设要与拱架1存在一定距离，选择非金属材料则无此限制。所述柔性轨道2为非金属材料，避免对地质雷达的信号采集产生干扰。

进一步的，拱架1沿其弧度方向开设卡槽，如图4所示，柔性轨道2的端部伸入卡槽并能够沿卡槽移动；柔性轨道2的外侧套设有固定板11，固定板11通过高强度螺栓10与拱架1相连。固定板11可以与柔性轨道2固定为一体，只要保证柔性轨道2端部与固定板11之间的长度小于等于卡槽深度即可，以使柔性轨道2与拱架1能够顺利装配。

搭载结构包括承载单元4和滑动件，承载单元4用于安装地质雷达天线，承载单元4通过滑动件与柔性轨道2相连，能够沿柔性轨道2移动，以改变地质雷达天线的探测位置。承载单元4与滑动件之间安装减震器5，以防止衬砌层凹凸不平时对装置的损伤，提高装置的准确性。承载单元4、减震器5、滑动件通过可拆卸部件(例如螺栓)连接，以方便拆卸、更换承载单元4，提高装置的便利性。

承载单元4可以根据使用的地质雷达天线的型号尺寸设计制造，为敞开式的框架结构，保证地质雷达天线与隧道衬砌紧密贴合。减震器5为现有结构，此处不再赘述。

在本实施例中，滑动件为滑轮3，滑轮3与柔性轨道2配合；滑轮3在柔性轨道2中滑动，带动承载单元4搭载雷达天线后沿测线前进。如图2-图3所示，滑轮3可预先固定于柔性轨道2的轨槽中，不用取出，避免部件遗失。柔性轨道2的轨槽为半封闭式结构，避免灰尘、落石等进入轨槽，保证滑轮3在轨槽中正常移动。

如图2所示，在本实施例中，有四个滑轮3，承载单元2的上、下侧分别有两个，以保证承载单元2的稳定移动。可以理解的，滑轮3也可以为其他偶数个，只要能保证滑轮3关于承载单元2中线对称分布即可。

可以理解的，在其他实施例中，滑动件也可以为滑块或其他滑动结构，只要能够沿柔性轨道2的轨槽移动即可。

动力机构包括电动机6和同步带机构，承载单元4与同步带机构相连，并由电动机6驱动，使承载单元4能够沿测线匀速行进。具体的，同步带机构包括齿轮7和齿形同步带8，齿轮7有两个，啮合于齿形同步带8的两端。齿形同步带8传动准确稳定，工作时无滑动，具有恒定的传动比；适用于长距离传动；维护费用低；传动效率高，节能效果明显。所述齿形同步带8能够保证地质雷达天线沿测线匀速前进，提高装置的准确性。

具体的，其中一个齿轮7与电动机6的电机轴相连，另一个与其中一个拱架1转动连接。电动机6通过齿轮7和齿形同步带8的准确传动为地质雷达天线的前进提供动力。

进一步的，在本实施例中，与拱架1相连的齿轮7可以采用如下结构：在拱架1一侧纵向布置一个传动轴，齿轮7安装在传动轴上，传动轴的两端分别通过轴承与拱架1相连。可以理解的，在其他实施例中，与拱架1相连的齿轮7可以采用其他结构，只要能够实现齿轮7能够转动即可。

优选地，本实施例中的电动机6采用小型电动机，以减小装置的整体尺寸，节省安装面积。

齿轮7和齿形同步带8均采用非金属材料，优选地，齿轮7、齿形同步带8选择高强度树脂材料，避免对信号采集的干扰。

控制系统包括动力控制组件和地质雷达控制组件，动力控制组件通过人机交互界面根据设计测线来设置某一恒定速度，然后向电动机搭载的无线传输器传递指令，控制电动机及同步带机构运行并准确传动，保证地质雷达天线以恒定速度前进，地质雷达控制组件通过电缆线与地质雷达天线连接，控制雷达数据的采集、储存，并且能够准确地间隔相同距离做mark标记，易于数据处理与解释。

实施例二：

本实施例提供了提供一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置的使用方法，采用实施例一的辅助装置，具体为：

步骤(1)将拱架1设置在待检测的隧道衬砌段两端，柔性轨道2嵌入拱架1的卡槽后将承载单元4(安装有减震器5)与柔性轨道2中的滑轮3连接。

步骤(2)在拱架1的卡槽中移动柔性轨道2，调整柔性轨道2的位置并利用高强度螺栓10固定，使柔性轨道2保持水平且承载单元4位于测线上。

步骤(3)将地质雷达天线固定在承载单元4内，连接电动机6、齿轮7和齿形同步带8，并通电；利用控制系统使地质雷达天线匀速前进并采集雷达信号数据，两个过程同时进行，完成对隧道衬砌的检测工作。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置，其特征在于，包括：

支承结构，包括拱架和柔性轨道，所述柔性轨道与拱架可拆卸连接且柔性轨道的安装位置可调，使安装在搭载结构上的地质雷达天线能够适应隧道形状，保证地质雷达天线与隧道衬砌紧密贴合；拱架有两个，设置于待检测的隧道衬砌段的两端；所述柔性轨道至少有两条，所述拱架具有若干用于柔性轨道卡接的卡槽；

搭载结构，包括用于承载地质雷达天线的承载单元，所述承载单元与柔性轨道滑动连接，使地质雷达天线能够沿柔性轨道水平移动并与隧道衬砌紧密贴合；

动力结构，用于驱动搭载结构使其沿测线匀速行进。

2.根据权利要求1所述的一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置，其特征在于，所述承载单元通过滑动件与柔性轨道相连，且滑动件与承载单元之间安装减震器。

3.根据权利要求1所述的一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置，其特征在于，所述动力结构包括电动机、由电动机驱动的同步带机构，承载单元安装于同步带机构一侧。

4.根据权利要求3所述的一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置，其特征在于，所述同步带机构包括与电动机相连的齿轮、与所述齿轮啮合的齿形同步带。

5.根据权利要求4所述的一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置，其特征在于，所述齿轮和齿形同步带采用非金属材料。

6.根据权利要求1所述的一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置，其特征在于，所述柔性轨道为非金属材料，所述拱架为金属材料或非金属材料。

7.根据权利要求1所述的一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置，其特征在于，所述柔性轨道为半封闭式结构。

8.根据权利要求1所述的一种适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括用于设置地质雷达天线前进速度的动力控制组件、用于控制数据采集的地质雷达控制组件。

9.根据权利要求1-8任一所述的适用于隧道衬砌质量检测的地质雷达辅助装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

将拱架设置于待检测的隧道衬砌段两端，将柔性轨道嵌入拱架中并将承载单元与柔性轨道相连；

调整柔性轨道在拱架上的位置并将二者固定，使柔性轨道保持水平且承载单元位于测线上；

将地质雷达天线与承载单元固定，连接动力结构并启动；地质雷达天线匀速前进并采集雷达信号数据，实现对隧道衬砌的检测。

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