CN113759428A - 一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统及工作方法，解决了现有技术中存在隧道孔洞检测结果精度低的问题，具有提高检测结果准确性的有益效果，具体方案如下：一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，包括车载机构，包括能够移动的车体，车体设置中控机和用于对车体位置进行定位的车体定位件；拱架轨道，拱架轨道与车体连接；地质雷达检测车，能够沿着拱架轨道移动，地质雷达检测车设置雷达主机，雷达主机与中控机连接；锤击法检测机构，能够沿着拱架轨道移动，锤击法检测机构包括冲击锤，冲击锤与中控机连接；加速度传感器安置机构，能够沿着拱架轨道移动，加速度传感器安置机构用于在隧道衬砌处安放加速度传感器。

Description

一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统及工作方法

技术领域

本发明涉及隧道检测分析领域，尤其是一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统及工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着经济快速发展，交通工程日益增加，我国隧道建设进入蓬勃发展的时期。我国已经成为世界上隧道工程数量最多，发展速度最快、技术条件最复杂的隧道大国。随着运营时间的增长，隧道在会出现各种不同程度的病害，如衬砌开裂、渗漏水、掉块、衬砌背后空洞等，隧道衬砌结构的承载能力和耐久性不断下降，严重威胁着隧道内的行车安全。

在诸多隧道病害中，衬砌背后存在空洞是结构病害的主要成因之一。目前国内最常用的检测衬砌背后存在空洞方法是地质雷达检测法，探地雷达具有以下优点：仪器操作简便，安全性高；分辨率高；抗干扰能力强，实践证明探地雷达可以在各种恶劣的气候环境以及机械环境下工作，但对于厚度超过0.5m的衬砌背后注浆质量识别率低，设备价格昂贵、检测耗时长等，且只能沿纵向测线检测。

冲击回波法是美国国家标准与研究院自上世纪八十年代中期开始研究的一种混凝土无损检测方法。冲击回波法具有无损、快速有效等优点，但发明人发现，冲击回波法受检测人员的操作因素、环境噪音影响较大，从而导致其检测精度经常出现问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，基于探地雷达法以及冲击回波法(锤击法)，可实现衬砌背后空洞的精细化探测，极大提高衬砌空洞病害诊断的便捷性、快速性、准确性。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，包括：

车载机构，包括能够移动的车体，车体设置中控机和用于对车体位置进行定位的车体定位件；

拱架轨道，拱架轨道与车体连接，拱架轨道能够设于隧道的内侧；

地质雷达检测车，能够沿着拱架轨道移动，地质雷达检测车设置雷达主机，雷达主机与中控机连接；

锤击法检测机构，能够沿着拱架轨道移动，锤击法检测机构包括冲击锤，冲击锤与中控机连接；

加速度传感器安置机构，能够沿着拱架轨道移动，加速度传感器安置机构与中控机连接，加速度传感器安置机构用于在隧道衬砌处安放加速度传感器。

上述的系统，拱架轨道支撑地质雷达检测车、锤击法检测机构和加速度传感器安置机构，由车载机构可带动拱架轨道沿着隧道纵向方向实现移动，地质雷达检测车通过雷达主机的设置，能够对隧道衬砌进行扫描并获取雷达图像及雷达图像对应的位置，由此通过地质雷达检测车获取空洞的可疑位置，进而由锤击法检测机构和加速度传感器安置机构运动分别运动至可疑位置处，加速度传感器安置机构安放加速度传感器，锤击法检测机构对可疑位置进行锤击，由此实现锤击法与探地雷达法在空洞检测中的结合，实现对隧道衬砌背后空洞的精细化探测。

如上所述的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，所述拱架轨道设置多条滑轨，为了避免三者运动的干涉，保证三者都能够运动至空洞可疑位置附近，所述地质雷达检测车、锤击法检测机构和加速度传感器安置机构分别位于不同滑轨上。

如上所述的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，还包括用于打磨隧道衬砌表面的打磨机构，打磨机构设有多个，部分打磨机构位于所述锤击法检测机构的侧部，部分打磨机构位于所述加速度传感器安置机构的侧部。

如上所述的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，所述车体设置车体定位件，车体定位件与所述的中控机连接，车体定位件用于对车载机构的位置进行定位，并反馈给中控机；

所述地质雷达检测车包括可沿着所述拱架轨道移动的第一车体，第一车体设置所述的雷达主机，雷达主机与车体定位件相连接，雷达主机可接收车体定位件触发信号。

如上所述的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，所述雷达主机与多个雷达天线相连接，雷达天线安装于固定盒，固定盒的底部设置伸缩部件，伸缩部件的固定端与所述第一车体连接，通过伸缩部件的设置，可确保雷达天线能够紧贴隧道衬砌表面进行工作；

固定盒顶面边角处分别安装有弹性滚轮和限位传感器，限位传感器与所述的中控机连接，中控机与伸缩部件连接，限位传感器在隧道衬砌表面发现有障碍物时，发送信息给中控机，由中控机控制伸缩部件伸缩运动，以避开障碍物。

如上所述的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，所述锤击法检测机构包括第二车体，第二车体能够沿着所述拱架轨道移动，第二车体设置冲击锤位置定位件和所述的冲击锤，冲击锤定位件与所述的中控机连接，冲击锤定位件用于获取锤击法检测机构的位置信息，并反馈给中控机，中控机控制锤击法检测机构移动至空洞可疑位置。

如上所述的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，所述加速度传感器安置机构包括第三车体，第三车体能够沿着所述拱架轨道移动，第三车体设置传感器定位件、加速度传感器和所述的机械手，机械手用于在隧道衬砌表面空洞可疑位置安放加速度传感器，传感器定位件用于获取加速度传感器安置机构的位置信息，并反馈给中控机，中控机控制加速度传感器安置机构移动至空洞可疑位置。

如上所述的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，所述中控机包括信息处理模块，信息处理模块与所述的雷达主机、所述的加速度传感器分别单独连接，信息处理模块用于接收和处理雷达数据，并获取加速度信息。

如上所述的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，所述车载机构车体设置行驶件，行驶件与所述的中控机连接，车体通过连接架与所述拱架轨道的内侧连接，行驶件的驱动动力源与中控机连接。

第二方面，本发明还公开了一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统的工作方法，包括如下内容：

车载机构带动拱架轨道在隧道内移动，通过地质雷达检测车获取隧道衬砌背后空洞的可疑位置；

中控机控制车载机构移动，并控制加速度传感器安置机构移动至可疑位置，同时在可疑位置处安放加速度传感器；

中控机控制锤击法检测机构的冲击锤开始对可疑位置进行锤击，加速度传感器获取锤击的振动加速度信息，重复多次，获取不同工况下的振动加速度信息；

通过振动加速度信息，判断隧道衬砌背后空洞的可疑位置是否存在空洞。

上述工作方法中，利用锤击法进行动力检测，可对不同工况下的测得的锤击的加速度响应进行时频分析、频域分析及频域分布，比较不同工况下的振动加速度区别，进而定性分析是否存在空洞。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明通过地质雷达检测车先检测隧道衬砌背后的可疑孔洞，然后再安放加速度传感器，实现冲击回波法的检测，两种方法有机结合，大大减小了缺陷的误判率，极大提高衬砌空洞病害诊断的便捷性、快速性、准确性。

2)本发明通过车载机构支撑拱架轨道，地质雷达检测车、锤击法检测机构和加速度传感器安置机构均能够沿着拱架轨道移动，使得整体为机械化作业，减少了人工数量，提高了工作效率。

3)本发明通过打磨机构的设置，可用于打磨衬砌表面，一个打磨机构使得冲击锤打击产生的冲击波的频率在合适的范围内，另一个打磨机构使得加速度传感器与衬砌紧密接触，以让加速度传感器接收到质量更好的信号。

4)本发明通过伸缩部件的设置，可保证雷达天线紧贴隧道衬砌的工作面，并通过在固定盒设置弹性滚轮和限位传感器，保证雷达天线在接触到错台前，伸缩部件自动收缩，在跨过错台位置后，伸缩部件自动伸出，使得整个系统的自动化作业程度高。

附图说明

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

图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统的主视图。

图2是本发明根据一个或多个实施方式的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统中拱架轨道安装部件的示意图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1为车载机构、2为拱架轨道、3为地质雷达检测车、4为打磨机构、5为锤击法检测机构、6为加速度传感器安置机构。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，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；

术语解释部分：本发明中的术语“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，现有技术中存在冲击回波法检测精度低的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统及工作方法。

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，包括车载机构1、拱架轨道2、地质雷达检测车3、打磨机构4、锤击法检测机构5、加速度传感器安置机构6。

车载机构1包括车体，车体设置行驶件，行驶件可为带轮胎的车轮或者为轮对，车体设置车体定位件、编码器、校准装置、第一工控机和中控机。车体定位件与第一工控机相连，进行数据传递；第一工控机可向中控机发送数据。车体定位件用于隧道纵向位置的定位，编码器与车体定位件连接，编码器用于采集图像信息并及时编录位置信息，编码器与中控机连接用于将信息传送给中控机。

可以理解的是，中控机为PLC控制器或其他类型的控制器，行驶件的驱动动力源如驱动电机与第一工控机连接，中控机通过第一工控机控制行驶件的驱动。

当然，车体用于支撑拱架轨道2，拱架轨道在隧道内与隧道衬砌表面之间间隔设定的距离，在一些示例中，车体通过连接架与拱架轨道2的内侧连接，保证拱架轨道被车体稳定支撑。

车载机构分为施工期车载机构和运营期车载机构，即根据系统应用于施工期或是运营期，通过对中控机参数的调整来改变车载机构的运行模式；

另外，行驶件选择车轮或轮对，可根据铁路隧道、公路隧道的检测要求更换。

进一步，拱架轨道2为弧形，且拱架轨道的形状能够与隧道的形状相适配，即拱架轨道的形状与隧道的形状相近，且拱架轨道的半径小于隧道的半径，使得拱架轨道能够安装于隧道内侧；

拱架轨道设置多条滑道，滑道具体为相互平行的弧形齿条，在本实施例中，具体可为6条弧形齿条，其中2条齿条用于地质雷达检测车3的移动，另2条弧形齿条用于锤击法检测机构5、一处打磨机构4的移动，另2条弧形齿条用于另一处打磨机构以及加速度传感器安放机构6的移动。

地质雷达检测车3能够沿着拱架轨道2移动，地质雷达检测车包括第一车体，第一车体带有驱动部件，驱动部件可为驱动电机，驱动电机能够带动第一车体的底端沿着拱架轨道设置的齿条移动。

第一车体设置雷达主机，雷达主机通过同步器与车体定位件相连接，用于接收车体定位件的触发信号，同时雷达主机还能够获取雷达图像环向位置的定位情况；雷达主机通过多通道与多个雷达天线相连接，且雷达主机与中控机相连接。

雷达天线安装于固定盒，固定盒的底部设置伸缩部件，伸缩部件可在一定弹性范围内确保雷达天线紧贴工作面，伸缩部件可为液压伸缩臂。

可以理解的是，在雷达天线固定盒顶面四角位置分别安装弹性滚轮和限位传感器，限位传感器与中控机连接，中控机与伸缩部件连接，通过中控机控制伸缩部件的伸缩，保证雷达天线在接触到错台(隧道衬砌的错台)前，液压伸缩臂自动收缩，在跨过错台位置后，中空机控制液压伸缩臂伸出。

需要说明的是，限位传感器可为现有的接近传感器。

车载机构控制系统的行进方向，进行纵向检测。地质雷达检测车通过第一车体的环向移动，做环向检测。中控机向地质雷达检车的工控机传递命令“1”，即控制地质雷达检测车做环向运动，对隧道衬砌进行扫描，并通过车体定位件和编码器，记录每一张雷达图像对应的位置。当雷达扫描装置到达环形检测底端，完成该条环形测线的测试时，工控机向中控机传递命令“0”，同时中控机向工控机传输“复位”命令，地质雷达检测车回到轨道的初始位置。车载机构继续向前行进，接下来隧道衬砌的每条环形测线的雷达检测都按上述步骤重复。

中控机具有信息处理模块，信息处理模块用于处理雷达图像信息，并将将隧道衬砌背后空洞可疑位置记录下来，每个可疑位置用不同的代码标识。

可以理解的是，信息处理模块与雷达主机连接。

进一步地，锤击法检测机构包括第二车体，第二车体设置冲击锤位置定位件、第二工控机和冲击锤。冲击锤位置定位件用于冲击锤的定位，第二工控机与冲击锤连接，且第二工控机与车载机构的中控机连接，第二工控机用于控制冲击锤的移动及冲击锤的锤击。

具体地，冲击锤为现有技术，冲击锤可通过可伸长的机械臂安装于第二车体，由该机械臂可带动冲击锤向隧道衬砌方向实现移动或反向移动，机械臂一端与第二车体连接，另一端与冲击锤连接。

本实施例中，加速度传感器安置机构包括第三车体，第三车体设置传感器定位件、第三工控机和机械手。传感器定位件用于加速度传感器的定位，机械手用于在衬砌表面安装及拆卸加速度传感器，第三工控机与机械手连接，且第三工控机与车载机构的中控机连接，使得第三工控机用于控制机械手的操作命令。

第三车体设置凹槽，加速度传感器安装于凹槽内，且加速度传感器可卡合于第三车体凹槽处。

需要说明的是，机械手为现有的机械手，机械手实现加速度传感器的抓取，并将加速度传感器安置于隧道衬砌表面，具体地，在加速度传感器侧面贴有固定胶，机械手抓取加速度传感器通过固定胶实现对加速度传感器的固定。

进一步地，打磨机构用于打磨衬砌表面，在本实施例中，可设置两个打磨机构，打磨机构同样能够沿着拱架轨道2移动，参考图2所示，其中一个打磨机构位于锤击法检测机构的一侧，使得冲击锤打击产生的冲击波的频率在合适的范围内，另一个打磨机构位于加速度传感器安置机构的侧部，使得安置的加速度传感器与衬砌表面紧密接触，以让加速度传感器接收到质量更好的信号。

当然，容易理解的是，打磨机构还可以是其他的数量，主要部分打磨机构与锤击法检测机构在同一环向移动，部分打磨机构与加速度传感器安置机构在同一环向移动即可。

本实施例中，打磨机构包括第四车体，第四车体能够沿着拱架轨道2移动，第四车体设置可伸长的机械臂，机械臂的一端可转动安装于第四车体，机械臂远离第四车体的端部包有砂纸，通过砂纸可实现对隧道衬砌表面设定范围的打磨。

容易理解的是，第一车体、第二车体、第三车体和第四车体的结构基本相同，部分设置凹槽，具体前面也说了各自设置的结构，四个车体的底端均可各自沿着弧形齿条移动，车体各自设置驱动电机，驱动电机可驱动各自的车体沿着弧形齿条移动。

需要说明的是，冲击锤位置定位件具体为GPS定位系统，冲击锤位置定位件与中控机连接，车体定位件和传感器位置定位件同样可为GPS定位系统，各定位件均与中控机分别单独连接。

一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统的工作方法，包括如下内容：

根据地质雷达检测车得到的隧道衬砌背后空洞可疑位置，先通过车载机构行进至纵向位置处(沿隧道的轴线方向行进)，中控机向打磨机构的工控机发送命令“2”，两个打磨机构通过可伸长的机械臂，对隧道衬砌表面进行打磨，行至边缘，工控机向中控机发送命令“3”。

此时中控机先向加速度传感器安置机构的第三工控机发送命令“4”，加速度传感器安置机构开始移动，通过传感器定位件对加速度传感器安置机构位置进行定位，并反馈给中控机，进而由第三工控机控制加速度传感器安置机构行进至可疑位置①，机械手开始安放加速度传感器，安放完成后机械手缩短。

此时第三工控机向中控机传达命令“5”，中控机接受命令后，向锤击法检测机构第二工控机发送命令“6”，冲击锤开始移动，通过冲击锤位置定位件获取冲击锤的位置信息，并控制锤击法检测机构移动至可疑位置①，等候3秒后，开始锤击，加速度传感器得到的加速度信号传递至信息处理模块。

至此中控机向锤击法检测机构第二工控机以及加速度传感器安放机构发送命令“7”，则控制锤击法检测机构的机械臂缩短，此机构自动归位(回到轨道的起始位置)；加速度传感器安放机构通过机械手将加速度传感器卸下，完成后机械手缩短，该机构自动归位(回到轨道的起始位置)。

此时，加速度传感器安放机构通过第三工控机向中控机传达命令“8”。中控机得到命令后，向打磨机构的工控机发送命令“9”，打磨机构接收到命令后，机械臂缩短，打磨机构归位(回到轨道的原始位置)。

后续的可疑位置重复以上步骤。

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

Claims (10)

1.一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，其特征在于，包括：

车载机构，包括能够移动的车体，车体设置中控机和用于对车体位置进行定位的车体定位件；

拱架轨道，拱架轨道与车体连接，拱架轨道能够设于隧道的内侧；

地质雷达检测车，能够沿着拱架轨道移动，地质雷达检测车设置雷达主机，雷达主机与中控机连接；

锤击法检测机构，能够沿着拱架轨道移动，锤击法检测机构包括冲击锤，冲击锤与中控机连接；

加速度传感器安置机构，能够沿着拱架轨道移动，加速度传感器安置机构与中控机连接，加速度传感器安置机构用于在隧道衬砌处安放加速度传感器。

2.根据权利要求1所述的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，其特征在于，所述拱架轨道设置多条滑轨，所述地质雷达检测车、锤击法检测机构和加速度传感器安置机构分别位于不同滑轨上。

3.根据权利要求1所述的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，其特征在于，还包括用于打磨隧道衬砌表面的打磨机构，打磨机构设有多个，部分打磨机构位于所述锤击法检测机构的侧部，部分打磨机构位于所述加速度传感器安置机构的侧部。

4.根据权利要求1所述的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，其特征在于，所述车体设置车体定位件，车体定位件与所述的中控机连接；

所述地质雷达检测车包括可沿着所述拱架轨道移动的第一车体，第一车体设置所述的雷达主机，雷达主机与车体定位件相连接。

5.根据权利要求4所述的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，其特征在于，所述雷达主机与多个雷达天线相连接，雷达天线安装于固定盒，固定盒的底部设置伸缩部件，伸缩部件的固定端与所述第一车体连接；

固定盒顶面边角处分别安装有弹性滚轮和限位传感器，限位传感器与所述的中控机连接，中控机与伸缩部件连接。

6.根据权利要求1所述的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，其特征在于，所述锤击法检测机构包括第二车体，第二车体能够沿着所述拱架轨道移动，第二车体设置冲击锤位置定位件和所述的冲击锤，冲击锤定位件与所述的中控机连接。

7.根据权利要求1所述的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，其特征在于，所述加速度传感器安置机构包括第三车体，第三车体能够沿着所述拱架轨道移动，第三车体设置传感器定位件、加速度传感器和所述的机械手。

8.根据权利要求1所述的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，其特征在于，所述中控机包括信息处理模块，信息处理模块与所述的雷达主机、所述的加速度传感器分别单独连接。

9.根据权利要求1所述的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统，其特征在于，所述车载机构车体设置行驶件，行驶件与所述的中控机连接，车体通过连接架与所述拱架轨道的内侧连接。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种精细化探测隧道衬砌空洞的系统的工作方法，其特征在于，包括如下内容：

车载机构带动拱架轨道在隧道内移动，通过地质雷达检测车获取隧道衬砌背后空洞的可疑位置；

中控机控制车载机构移动，并控制加速度传感器安置机构移动至可疑位置，同时在可疑位置处安放加速度传感器；

中控机控制锤击法检测机构的冲击锤开始对可疑位置进行锤击，加速度传感器获取锤击的加速度信息；

通过加速度信息，判断隧道衬砌背后空洞的可疑位置是否存在空洞。

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