CN111537614A - 一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置及探测方法，涉及隧道质量检测技术领域，该模拟装置包括阶梯模型，其由厚度依次递增的九个台阶构成，每个台阶内均埋设有高度不同的第一空心盒和第二空心盒，模拟九种厚度下密实位置和两种脱空厚度的工况，共27种工况。该探测方法主要包括如下步骤：S1在上述探测模拟装置上进行叩击法探测模拟实验，获取叩击条件下每个工况下的时间域信号波形示意图；S2、对被探测的实际隧道衬砌进行叩击，并采集时间域信号波形示意图；S3、将两个时间域信号波形示意图进行对比分析。该隧道衬砌脱空病害探测模拟装置及探测方法，利用叩击和对比的方式，可方便快捷并准确的对隧道衬砌背后脱空病害进行无损检测。

Description

一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置及探测方法

技术领域

本发明涉及隧道质量检测技术领域，具体为一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置及探测方法。

背景技术

隧道地质条件和结构形式十分复杂，隧道修建过程中涉及学科专业众多，使得隧道工程建设周期长，施工难度大，在运营过程中暴露出病害的情形屡见不鲜，如衬砌裂损、衬砌脱空、结构渗漏水等，这不仅缩短了隧道的寿命，还给交通运输埋下安全隐患。

隧道二次衬砌结构作为支护和安全储备，其浇筑过程受地质因素、施工因素等影响，常存在厚度不足、衬砌与围岩之间存在空洞、不密实等缺陷，其中衬砌背后脱空在各类隧道病害中所占比重最大。隧道二衬脱空会使围岩与二衬混凝土之间的接触不均匀，导致二衬局部应力集中，衬砌结构受力状态发生改变，产生变形破坏，最终发展成二衬开裂的病害；同时由于隧道地下水的影响，在脱空处易形成水囊，较大的水囊压力也会导致二衬开裂，并伴有渗水现象，形成巨大的安全隐患。

现有技术中，隧道工程中的质量检测方法主要包括机械破损检测和无损检测两种类型。其中机械破损检测通常采用钻孔取芯，可较直观地获取质量信息，但会对衬砌结构造成损伤，甚至破坏隧道防水系统；同时钻孔检测的区域小，检测结果的偶然性大，并不能全面反映隧道整体的质量状况。无损检测技术则是基于光、电、声、磁和射线等原理的检测方法实现对隧道的无损检测，目前常用的无损检测方式是地质雷达检测，其主要是利用高频脉冲电磁波在地下介质中的传播特性，根据电磁波的传播时间、幅度与波形信息对隧道进行探测，以判断是否存在衬砌背后脱空等隧道病害。虽然地质雷达在隧道质量检测中的应用日趋广泛，技术逐渐成熟，但由于该方法本身特点，使其在衬砌脱空检测中至少存在以下不足之处：其一、地质雷达的天线存在一定的能量辐射角度，随着探测深度的增加，扩散面积不断增大，影响雷达的探测精度；其二、地质雷达传播过程中在金属界面会发生全反射，并反应在雷达图谱上，影响衬砌钢筋背后缺陷判识。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置及探测方法，利用叩击和对比的方式，可方便快捷并准确的对隧道衬砌背后脱空病害进行无损检测。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置，包括阶梯模型，所述阶梯模型包括等宽的九个台阶，九个所述台阶的厚度从下至上依次递增，其厚度分别为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm、45cm，每个所述台阶内均埋设有高度不同的第一空心盒和第二空心盒，九个所述第一空心盒的底面和九个所述第二空心盒的底面均设置于同一平面。

进一步的，所述第一空心盒和第二空心盒均选用绝缘五厘板制成，所述阶梯模型由C30混凝土浇筑而成。

进一步的，所述第一空心盒的高度为5mm，所述第二空心盒的高度为20mm。

进一步的，九个所述第一空心盒呈一列设置，九个所述第二空心盒呈一列设置，所述第一空心盒和第二空心盒对称设置于所述阶梯模型的中轴线两侧；

所述第一空心盒的中心以及第二空心盒的中心均设置于其所在的台阶的横向中轴线上。

一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置及探测方法，包括如下步骤：

S1、在上述一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置上进行叩击法探测模拟实验，获取叩击条件下每个台阶中密实位置、第一空心盒位置和第二空心盒位置的时间域信号波形示意图；

S2、在被探测隧道的衬砌上进行步骤S1中相同的叩击，采集实际隧道中叩击条件下的时间域信号波形示意图；

S3、将步骤S2中获取的实际隧道中叩击条件下的时间域信号波形示意图与步骤S1中基于模拟装置采集的时间域信号波形示意图进行对比分析。

进一步的，所述叩击法探测是指设置激发点和接收点，在激发点采用震源锤进行敲击发出信号，在接收点设置检波器和耦合装置采集信号。

本发明的有益效果是：

本发明一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置的阶梯模型由由C30混凝土浇筑而成，空心盒由绝缘五厘板制成，其施工方便，工艺简单，结构稳定，经久耐用。该阶梯模型设置九个台阶，各台阶的厚度按特定尺寸依次等差分布，分别模拟了实际可能受到脱空影响的二次衬砌厚度范围内的九个工况；每个工况下又可对无脱空状态进行模拟，并分别用厚度不同的两种空心盒模拟了实际出现脱空厚度范围的两个端值工况。故该装置一共可实现27种典型工况的模拟，为隧道衬砌脱空病害叩击法探测实验的数据采集和比对分析提供快捷有效的实验模型。

本发明一种隧道衬砌脱空病害探测方法，是利用叩击的方式实现隧道衬砌内部脱空的无损检测，其利用上述探测模拟装置先叩击模拟以上27种工况，并采集时间域信号波形示意图，其后在实际隧道衬砌时进行叩击，采集实际环境的时间域信号波形示意图与前述27种工况下的时间域信号波形示意图进行对比即可完成实际隧道的检测。其检测过程方便快捷，相比于雷达天线的检测方式，其不存在能量辐射角度金属界面的反射问题，检测结果更为准确。

附图说明

图1为本发明一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置的结构示意图；

图2为本发明一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置的俯视示意图；

图3为本发明一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置中30cm厚度台阶内第一空心盒和第二空心盒的位置示意图；

图4为本发明一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置叩击法模拟实验原理示意图；

图5为本发明一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置中15cm厚叩击法时间域信号波形示意图；

图6为本发明一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置中45cm厚叩击法时间域信号波形示意图；

图7为本发明一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置所采集信号的频谱质量中心与频谱波峰数量统计分析图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1至图3所示，一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置，包括阶梯模型，所述阶梯模型包括等宽的九个台阶1，九个所述台阶1的厚度从下至上依次递增，其厚度分别为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm、45cm，每个所述台阶1内均埋设有高度不同的第一空心盒2和第二空心盒3，九个所述第一空心盒2的底面和九个所述第二空心盒3的底面均设置于同一平面。

该隧道衬砌脱空病害探测模拟装置用于模拟真实隧道衬砌内侧的脱空情况，根据隧道设计规范，复合式衬砌针对不同围岩级别设计的二次衬砌厚度范围为25～50cm，根据工程案例调研结果可能受到脱空影响的二次衬砌厚度为5～45cm。按照5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm、45cm对每个台阶1的厚度进行设计，使得该阶梯模型厚度范围全面，间隔均匀递增，可有效模拟实际隧道不同厚度二次衬砌下的各种工况。

进一步的，上述第一空心盒2和第二空心盒3均选用绝缘五厘板制成，所述阶梯模型由C30混凝土浇筑而成，其施工方便，工艺简单，结构稳定，经久耐用。第一空心盒2和第二空心盒3埋设位置用于模拟隧道衬砌脱空情况，未埋设空心盒的位置由C30混凝土浇筑而成，其结构密实，模拟无脱空的情况。

根据大量工程实例，通常影响隧道二次衬砌质量的脱空厚度为5～20mm，考虑设备分辨率限制和工程实际需要，所述空心盒模型设计了两种尺寸即第一空心盒2的高度为5mm，所述第二空心盒3的高度为20mm，用以模拟隧道衬砌脱空情况。在工程实际中，隧道衬砌后方脱空大多由围岩与衬砌接触位置开始，故在埋设时，第一空心盒2的底面和第二空心盒3的底面均设置于同一平面，阶梯模型中该平面以下部位模拟隧道围岩环境，两种空心盒位置分别模拟两种不同脱空厚度的情况，利用叩击试验采集的结果信息能直接应用于对实际隧道环境叩击结果的比对分析。

据上述，该隧道衬砌脱空病害探测模拟装置的九个台阶1的厚度分布，利用等差分布分别模拟了实际可能受到脱空影响的二次衬砌厚度范围内的九个工况；每个工况下又可对无脱空状态进行模拟，并分别用第一空心盒2和第二空心盒3模拟了实际出现脱空厚度范围的两个端值工况。故该装置实际上可实现27种典型工况的模拟，为隧道衬砌脱空病害叩击法探测实验的数据采集和比对分析提供快捷有效的实验模型。

进一步的，九个所述第一空心盒2呈一列设置，九个所述第二空心盒3呈一列设置，所述第一空心盒2和第二空心盒3对称设置于所述阶梯模型的中轴线两侧；所述第一空心盒2的中心以及第二空心盒3的中心均设置于其所在的台阶1的横向中轴线上。具体实施时，上述阶梯模型底部长360cm、宽160cm，则每个台阶1的宽度为40cm、长度为160cm。在实施时如图2所示，在台阶1的长度方向上，将台阶1分割成40cm长的四个等长区域，第一空心盒2和第二空心盒3的尺寸分别选用150×150×5mm和150×150×20mm，其分别埋设于上述四个等长区域的中间两个区域的中心，空心盒的底部平面位于阶梯模型底部平面上方15mm处。整个阶梯模型两侧区域主要用于对无脱空状态进行叩击模拟实验和采集数据，阶梯模型的中心区域则用于对两种脱空状态进行叩击实验和采集数据，在该设置下可使得模拟试验过程规范方便，对空心盒尺寸进行设计并使其设置在台阶1的中心区域，可有效避免互相对试验数据造成影响。

一种隧道衬砌脱空病害探测方法，是利用叩击的方式实现隧道衬砌内部脱空的无损检测，其主要包括如下步骤：

S1、在上述隧道衬砌脱空病害探测模拟装置上进行叩击法探测模拟实验，获取叩击条件下每个台阶1中密实位置、第一空心盒2位置和第二空心盒3位置的时间域信号波形示意图。所述叩击法探测是指设置激发点和接收点，在激发点采用震源锤进行敲击发出信号，在接收点设置检波器和耦合装置采集信号。具体的如图4所示，分别在每个台阶1的无脱空区(未埋空心盒)、5mm脱空区(埋设第一空心盒2)、20mm脱空区(埋设第二空心盒3)的位置设置激发点和接收点，利用钢锥、钢棒或尼龙锤等震源锤进行敲击实验，在台阶1模型的接收点配置适宜的IEPE型检波器以及耦合装置，对叩击返回的信号进行采集，得出时间域信号波形示意图。如图5所示为15cm厚台阶下的接收点采集的时间域信号波形示意图，图6为45cm厚台阶下的接收点采集的时间域信号波形示意图。波形示意图展示了通道1(CH1)和通道2(CH2)信号电压(mV)和时长(ms)的关系。两幅图中波形的不同，体现了不同厚度地层频散特性的差异。

S2、用步骤S1中相同的强度和频率等对被探测的实际隧道衬砌进行叩击，并采集实际隧道中叩击条件下的时间域信号波形示意图。

S3、将步骤S2中获取的实际隧道中叩击条件下的时间域信号波形示意图与步骤S1中基于模拟装置采集的时间域信号波形示意图进行对比分析，即可得出实际隧道衬砌后方是否有脱空病害，完成隧道的无损检测。

进一步的，如图7所示，在实施时还可以对阶梯模型进行模拟叩击试验，采集信号的频谱质量中心与频谱波峰数量统计分析图，通过对实验数据时域响应时长、最小频率、最大频率、频谱质量重心、频率波峰数量等参数的控制和比对分析，可知图中显示脱空模型与无脱空模型的信号在分析图中存在分区现象。利用该分区现象，可在利用叩击法探测实际隧道时预测隧道衬砌脱空的区域，使实际隧道内的叩击法探测方便快捷。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置，其特征在于，包括阶梯模型，所述阶梯模型包括等宽的九个台阶(1)，九个所述台阶(1)的厚度从下至上依次递增，其厚度分别为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm、45cm，每个所述台阶(1)内均埋设有高度不同的第一空心盒(2)和第二空心盒(3)，九个所述第一空心盒(2)的底面和九个所述第二空心盒(3)的底面均设置于同一平面。

2.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置，其特征在于，所述第一空心盒(2)和第二空心盒(3)均选用绝缘五厘板制成，所述阶梯模型由C30混凝土浇筑而成。

3.根据权利要求2所述的一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置，其特征在于，所述第一空心盒(2)的高度为5mm，所述第二空心盒(3)的高度为20mm。

4.根据权利要求3所述的一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置，其特征在于，九个所述第一空心盒(2)呈一列设置，九个所述第二空心盒(3)呈一列设置，所述第一空心盒(2)和第二空心盒(3)对称设置于所述阶梯模型的中轴线两侧；

所述第一空心盒(2)的中心以及第二空心盒(3)的中心均设置于其所在的台阶(1)的横向中轴线上。

5.一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置及探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在权利要求1所述的一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置上进行叩击法探测模拟实验，获取叩击条件下每个台阶(1)中密实位置、第一空心盒(2)位置和第二空心盒(3)位置的时间域信号波形示意图；

S2、在被探测隧道的衬砌上进行步骤S1中相同的叩击，采集实际隧道中叩击条件下的时间域信号波形示意图；

S3、将步骤S2中获取的实际隧道中叩击条件下的时间域信号波形示意图与步骤S1中基于模拟装置采集的时间域信号波形示意图进行对比分析。

6.根据权利要求5所述的一种隧道衬砌脱空病害探测模拟装置及探测方法，其特征在于，所述叩击法探测是指设置激发点和接收点，在激发点采用震源锤进行敲击发出信号，在接收点设置检波器和耦合装置采集信号。

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