CN113900094A - 基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于隧道探测技术领域，提供了一种基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置及检测方法。基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置包括车体、铁轨轮单元、公路轮单元以及检测单元。本发明提供的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置，通过在车体上设置一套铁轨轮和一套公路轮组件，利用公路轮组件中的液压缸实现公路轮在车体上伸缩，使得公路轮伸出车体外侧时可以支撑车体在公路隧道行进，公路轮收回车体时，铁轨轮可以支撑车体在铁轨上行进。

Description

基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置及方法

技术领域

本发明属于隧道探测技术领域，更具体地说，是涉及一种基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置及方法。

背景技术

公路隧道、铁路隧道、穿山隧道以及海底隧道等等，各种各样的隧道在交通运输、物资运输方面都起到了至关重要的作用。近几年来，随着一些已经建成的隧道使用的年限在不断增长，隧道的养护与维修一直是运营隧道的一项重要的工作。随着国家大力建设“八纵八横”高速铁路网的计划的不断推进，对于难以通过的高海拔山岭地区，隧道工程的建设必然会占据很大一部分的比重，

而在隧道的工程质量检测方面，雷达检测将会以其本身的优越性在隧道检测中发挥着更加重要的作用。雷达以其快速、无损、连续探测、实时成像、数据处理直观方便以及探测精度高等优点在隧道工程质量检测中得到了广泛的应用。空耦雷达技术是近年来在探地雷达(GPR)基础上，通过将其广泛发展和应用，为了拓宽其应用范围和领域，而发展起来的新技术。空耦雷达技术与常规探地雷达的检测方法相似，不同之处在于配置的天线为空气耦合天线。该项技术是利用高频电磁波透过空气层对地下界面进行扫面，再对目标反射回来的电磁波经过滤波、增益等处理，以确定其界面位置或结构分布情况的电磁技术。

现有的搭载空耦雷达的隧道衬砌检测装置，通常是只能用于公路隧道或者铁路隧道的衬砌检测。用于公路隧道检测的隧道衬砌检测装置不能在铁路隧道中使用，用于铁路隧道检测的隧道衬砌检测装置不能在公路隧道中使用。即，现有的搭载空耦雷达的隧道衬砌检测装置适用范围比较窄，不能实现公路和铁路隧道通用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置，旨在解决或在一定程度上改善现有隧道衬砌检测装置不能同时适用于公路隧道和铁路隧道内检测的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，提供一种基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置，包括：

车体；

铁轨轮单元，包括四个转动设置于所述车体上的铁轨轮；

公路轮单元，包括四个公路轮组件，所述公路轮组件包括液压缸以及橡胶轮，所述液压缸的缸体固定于所述车体上，所述液压缸的活塞杆能够沿所述车体的横向伸出所述车体外，所述橡胶轮转动设置于所述活动端上；以及

检测单元，用于对隧道衬砌进行检测；

其中,所述检测单元包括：

雷达机架，转动设置于所述车体上，所述雷达机架的转动轴线沿竖直方向设置；

空耦雷达，固定于所述雷达机架上；

电机，安装于所述车体上，用于驱动所述雷达机架自转；

显示器，固定安装于所述车体上；

超声波雷达，固设于所述雷达机架上；

报警器，固设于所述雷达机架上；以及

速度里程监测组件，用于监测所述车体的行走距离；

配套的控制器，安装于车体上。

在一种可能的实现方式中，所述车体上固设有立柱，所述立柱上设有把手部，所述显示器固设于所述立柱上。

在一种可能的实现方式中，所述雷达机架包括第一立杆、第二立杆、弹性件、第三立杆以及雷达安装座；所述第一立杆转动设置于所述车体上，所述第二立杆与所述第一立杆沿竖直方向可变位连接，所述第二立杆设有开口槽，所述弹性件和所述第三立杆的一端插入至所述开口槽内，所述弹性件的一端与所述开口槽槽底相连，所述弹性件的另一端与所述第三立杆的一端相连，所述第三立杆的另一端与所述雷达安装座相连。

在一种可能的实现方式中，所述检测单元还包括安装固定于所述雷达机架上的线阵摄像机，所述线阵摄像机与所述控制器电性连接。

在一种可能的实现方式中，所述车体内设有容置腔，所述电机安装于所述容置腔内，所述基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置还包括转动设置于所述车体上的第一锥齿轮、转动设置于所述容置腔内的旋转轴以及套接于所述旋转轴外周并与所述旋转轴相连的第二锥齿轮，所述第一锥齿轮沿竖直方向设置并与所述雷达支架相连，所述第二锥齿轮与所述第一锥齿轮啮合传动；所述旋转轴沿所述车体纵向延伸设置且与所述电机的输出轴相连。

在一种可能的实现方式中，所述基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置还包括位于所述车体外并转动设置于所述车体上的转把以及电控离合器，所述转把与所述旋转轴相连，所述电机的输出轴通过所述电控离合器与所述旋转轴相连，所述电控离合器与所述控制器电性连接，所述控制器通过控制所述电控离合器的动作控制所述电机的输出轴与所述旋转轴的连接或断开。

本发明提供的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置，与现有技术相比，通过在车体上设置一套铁轨轮和一套公路轮组件，利用公路轮组件中的液压缸实现公路轮在车体上伸缩，使得公路轮伸出车体外侧时可以支撑车体在公路隧道行进，公路轮收回车体时，铁轨轮可以支撑车体在铁轨上行进。

本发明的另一目的是提供一种基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测方法，基于上述的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置，包括：

检测前准备；

判断衬砌检测为全段隧道检测或预设地点处检测；当全段隧道检测时，操作者依据所述速度里程监测组件匀速推动所述车体进入待检测隧道内，利用所述控制器控制所述电机驱动所述空耦雷达自转对全段隧道进行衬砌检测；当预设地点处检测时，操作者推动所述车体进入待检测隧道内，并根据所述速度里程监测组件的反馈信息停止到预设地点处，利用所述控制器控制所述电机驱动所述空耦雷达自转对预设地点处进行衬砌检测。

在一种可能的实现方式中，所述基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测方法还包括：

在所述车体行进过程中，所述超声波雷达检测到所述车体的行进路线上有障碍物时，所述报警器发出报警信号，操作者清理障碍物后，在推动所述车体行进。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置的示意图之一；

图2为本发明实施例提供的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置的示意图之二；

图3为图2中第一立杆、第二立杆、弹性件和第三立杆的配合示意图；

图4为本发明实施例提供的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置中电机、第一锥齿轮、旋转轴、第二锥齿轮、电控离合器和转把的配合示意图。

图中：100、车体；110、立柱；200、铁轨轮；300、公路轮组件；310、液压缸；320、连接件；330、橡胶轮；400、雷达支架；410、第一立杆；420、第二立杆；430、第三立杆；440、雷达安装座；450、弹性件；500、空耦雷达；600、显示器；700、转把；800、线阵相机；900、报警器；1000、电机；1100、第一锥齿轮；1200、第二锥齿轮；1300、转动轴；1400、电控离合器。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，术语“长度”、“宽度”、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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发明的限制。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”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，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或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中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。此外，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参见图1至图2，现对本发明实施例提供的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置进行说明。所述的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置，包括车体100、铁轨轮单元、公路轮单元以及检测单元。其中，检测单元用于对隧道衬砌进行检测。

铁轨轮单元包括四个转动设置于车体100上的铁轨轮200。公路轮单元包括四个公路轮组件300，公路轮组件300包括液压缸310以及橡胶轮330，液压缸的缸体固定于车体100上，液压缸310的活塞杆能够沿车体100的横向伸出车体100外，橡胶轮330转动设置于活塞杆上。

四个铁轨轮200两两位于车体100的两侧，同时同侧两个铁轨轮200前后设置。四个公路轮组件300两两位于车体100的两侧，同时同侧两个公路轮组件300也前后设置。

在本发明实施例提供的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置对公路隧道进行检测时，可以利用四个液压缸310将对应的橡胶轮330伸出车体100外侧，这样由于橡胶轮330的设置比铁轨轮200低，四个橡胶轮330就支撑这车体100在平坦的公路隧道内行走。在本发明实施例提供的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置对铁路隧道进行检测时，液压缸310的活塞杆将橡胶轮330收回到靠近车体100的位置，此时橡胶轮330比铁轨轮200更靠近车体100的内侧，此时，四个铁轨轮200就将车体100支撑在铁轨上，铁轨轮200支撑着车体100在铁轨隧道中行进。

检测单元包括雷达机架400、空耦雷达500、电机1000、显示器600、超声波雷达(未示出)、报警器900、速度里程监测组件(未示出)以及配套的控制器(未示出)。

雷达机架400转动设置于车体100上，雷达机架400转动时的转动轴线沿竖直方向设置。空耦雷达500固定于雷达机架400上。电机1000安装于车体100上，电机1000用于驱动雷达机架400自转。控制器安装在车体100上，可以是PLC、单片机或计算机等，其分别与电机1000和空耦雷达500电性连接。控制器能够存储和分析空耦雷达500的检测信号，控制器可以控制(驱动)电机1000动作，使电机1000的输出轴转动从而带动雷达机架400和空耦雷达500自转，实现对隧道内衬砌等地质信息的检测。

可选地，控制器可以与液压缸310电性连接，操作者可以通过操控控制器实现对液压缸310的控制。

显示器600固定安装于车体100上，显示器600与控制器相连，以实时显示检测数据。

请参见图1及图2，超声波雷达(未示出)以及报警器900固设于雷达机架400上，超声波雷达和报警器900分别与控制器电性连接，控制器根据超声波雷达的信号控制报警器900做出报警动作。实际上，控制器、超声波雷达和报警器900就组成了类似家用倒车雷达的障碍物辅助探测装置，超声波雷达能够侦测车体100前方的障碍物，继而控制器会受到超声波雷达的侦测数据，如果车体100前方有障碍物，控制器会控制报警器900发出警报声。

速度里程监测组件用于监测车体100行走距离和速度，速度里程监测组件与控制器电性连接。速度里程监测组件的监测信息可以经控制器反馈到显示器600上，这样操作者可以实时获得车体100的行进速度和行进位置。具体的，速度里程监测组件可以是两个编码器，一个编码器用于监测橡胶轮330的转速，一个编码器用于监测铁轨轮200的转速。有了橡胶轮330和铁轨轮200的转速，根据控制器相应的计数模块和橡胶轮330、铁轨轮200的尺寸，就能得知车体100的行进速度和行进里程，也就知道车体在隧道内的位置。或者，速度里程监测组件可以是与手机中类似的GPS模组。控制器通过接受速度里程监测组件和空耦雷达500的信号，通过一定的运算，可以将隧道内各位置处的位置信息和各个位置处的空耦雷达500检测信号一一对应起来，以便于操作者后续进行整理。

本发明实施例提供的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置，与现有技术相比，通过在车体上设置一套铁轨轮和一套公路轮组件，利用公路轮组件中的液压缸实现公路轮在车体上伸缩，使得公路轮伸出车体外侧时可以支撑车体在公路隧道行进，公路轮收回车体时，铁轨轮可以支撑车体在铁轨上行进。

在一些实施例中，请参见图1及图2，车体100上固设有立柱110，立柱上110设有把手部，显示器600固设于立柱110上。把手部用于供操作者手持,以推动车体100移动。

在一些实施例中，请参见图1至图3，检测单元还包括安装固定于雷达机架400上的线阵摄像机800，线阵摄像机800与控制器(当然控制器肯定具有相关的存储模块)电性连接。线阵摄像机800可以确保车体100在前行时，可以实时的记录前方的工作环境，以方便最终数据处理时可以与实际形成对比，确保数据的准确性。

在一些实施例中，请参见图1至图3，雷达机架400包括第一立杆410、第二立杆420、弹性件450、第三立杆430以及雷达安装座440。空耦雷达500安装在雷达安装座440上。

第一立杆410转动设置于车体100上，第二立杆420与第一立杆410沿竖直方向可变位连接，即利用第一立杆410和第二立杆420的位置变化可以实现空耦雷达500竖直方向上的位置变化。第二立杆420设有开口槽，弹性件450和第三立杆430的一端插入至开口槽内，弹性件450的一端与开口槽槽底相连，弹性件450的另一端与第三立杆430的一端相连，第三立杆430的另一端与雷达安装座440相连。这样利用弹性件450实现雷达安装座440和空耦雷达500的减震设置，使空耦雷达500在车体100行走中保持稳定，避免车体100行走出现颠簸而使检测数据出现问题，甚至损坏空耦雷达500。

在一些实施例中，请参见图3，第一立杆410和第二立杆420均为方管结构，弹性件450为弹簧。图3为第二立杆420的一侧立壁隐藏后的示意图。可以在第一立杆410上设置沿其长度方向设置的长条孔，在第二立杆420上设置螺纹孔，螺栓闯过长条孔后与螺纹孔螺纹连接，实现第一立杆410和第二立杆420的锁紧固定，也实现第一立杆410和第二立杆420在竖直方向上的位置可调(可变位连接)。

在一些实施例中，请参见图1及图4，车体100内设有容置腔，电机1000安装固定于容置腔内，本实施例提供搞得基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置还包括转动设置于车体上的第一锥齿轮1100、转动设置于容置腔内的旋转轴1300以及套接于旋转轴1300外周并与旋转轴1300相连的第二锥齿轮1200。第一锥齿轮1100沿竖直方向设置并与雷达支架400相连，第二锥齿轮1200与第一锥齿轮1100啮合传动，当然第一锥齿轮1100和第二锥齿轮1200都应该位于容置腔内，第一锥齿轮1100可以通过穿过车体100的连接轴与雷达支架400相连。旋转轴1300沿车体100纵向(前进方向)延伸设置且与电机1000的输出轴相连。这样电机转动时，经过旋转轴1300、第一锥齿轮1100和第二锥齿轮1200的传动就传递到雷达支架400，使雷达支架400实现自转。

在一些实施例中，请参见图4，本实施例提供的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置还包括位于车体100(容置腔)外并转动设置于车体100上的转把700以及电控离合器1400，电控离合器1400位于容置腔内。转把700与旋转轴1300的一端相连，电机100的输出轴通过电控离合器1400与旋转轴1300相连，电控离合器1400与控制器电性连接，控制器通过控制电控离合器1400的动作控制电机的输出轴与旋转轴1300的连接或断开。

通常对某一段或整段隧道衬砌探测时，操作者会推动车体在隧道内行走，此时电机1000控制雷达支架400和空耦雷达500自转以探测相关地质信息。但是如果探测完成后发现某个地点需要重新探测或者某个地点需要重点探测，那么就可以由操作者手动慢速转动转把700，以实现雷达支架400和空耦雷达500的慢速转动(让空耦雷达500慢速旋转扫描探测)。

在电机1000驱动雷达支架400自转时，控制器控制电控离合器1400，使电机1000的输出轴与旋转轴1300相连接；在手动驱动雷达支架400自转时，控制器控制电控离合器1400，使电机1000的输出轴与旋转轴1300断开，这样转把700的转动带动旋转轴1300自转就不会被电机1000影响。

本发明实施例还提供一种基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测方法，基于上述实施例中的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置，包括下列步骤：

S100检测前准备。主要是组装基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置，对相应的检测单元(空耦雷达500等)进行测试。

S200判断本次隧道衬砌检测类型。如果断本次隧道衬砌检测为全段隧道检测(或者某一大段隧道衬砌检测)，则操作者依据速度里程监测组件匀速推动车体100进入待检测隧道内，利用控制器控制电机1000驱动空耦雷达500自转对全段隧道进行衬砌检测。如果断本次隧道衬砌检测为某个预设地点处的衬砌检测，则操作者推动车体100进入待检测隧道内，并根据速度里程监测组件的反馈信息停止到预设地点处，利用控制器控制电机1000驱动空耦雷达500自转对预设地点处进行衬砌检测。

在一些实施例中，本发明实施例提供的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测方法还包括在车体行进过程中(不管是进行全段隧道检测或预设地点处检测)，在超声波雷达检测到车体100的行进路线的前方上有障碍物时，超声波雷达会将相应信号传递给控制器，控制器控制报警器900发出报警信号，操作者听到报警信号后，需要清理障碍物后，在推动车体100行进。

在一些实施例中，在基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置包括第一锥齿轮1100、第二锥齿轮1200、旋转轴1300、电控离合器1400和转把700的基础上，本发明实施例提供的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测方法还包括：在进行全段隧道检测时，当操作者判断隧道内的某个地点为重点检测位置时，或者，在进行某个预设地点处的衬砌检测时，当操作者认为电机1000驱动雷达机架400转速过快时；操作者通过控制器控制电控离合器1400动作，使旋转轴1300与电机1000的输出轴断开，由操作者手动慢速旋转转把700从而驱动雷达机架400(即空耦雷达500)慢速自转以对该位置进行检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置，其特征在于，包括：

车体；

铁轨轮单元，包括四个转动设置于所述车体上的铁轨轮；

公路轮单元，包括四个公路轮组件，所述公路轮组件包括液压缸以及橡胶轮，所述液压缸的缸体固定于所述车体上，所述液压缸的活塞杆能够沿所述车体的横向伸出所述车体外，所述橡胶轮转动设置于所述活动端上；以及

检测单元，用于对隧道衬砌进行检测；

其中,所述检测单元包括：

雷达机架，转动设置于所述车体上，所述雷达机架的转动轴线沿竖直方向设置；

空耦雷达，固定于所述雷达机架上；

电机，安装于所述车体上，用于驱动所述雷达机架自转；

显示器，固定安装于所述车体上；

超声波雷达，固设于所述雷达机架上；

报警器，固设于所述雷达机架上；以及

速度里程监测组件，用于监测所述车体的行走距离；

配套的控制器，安装于车体上。

2.如权利要求1所述的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置，其特征在于，所述车体上固设有立柱，所述立柱上设有把手部，所述显示器固设于所述立柱上。

3.如权利要求1所述的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置，其特征在于，所述雷达机架包括第一立杆、第二立杆、弹性件、第三立杆以及雷达安装座；所述第一立杆转动设置于所述车体上，所述第二立杆与所述第一立杆沿竖直方向可变位连接，所述第二立杆设有开口槽，所述弹性件和所述第三立杆的一端插入至所述开口槽内，所述弹性件的一端与所述开口槽槽底相连，所述弹性件的另一端与所述第三立杆的一端相连，所述第三立杆的另一端与所述雷达安装座相连。

4.如权利要求1-3任一项所述的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置，其特征在于，所述检测单元还包括安装固定于所述雷达机架上的线阵摄像机，所述线阵摄像机与所述控制器电性连接。

5.如权利要求1-3任一项所述的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置，其特征在于，所述车体内设有容置腔，所述电机安装于所述容置腔内，所述基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置还包括转动设置于所述车体上的第一锥齿轮、转动设置于所述容置腔内的旋转轴以及套接于所述旋转轴外周并与所述旋转轴相连的第二锥齿轮，所述第一锥齿轮沿竖直方向设置并与所述雷达支架相连，所述第二锥齿轮与所述第一锥齿轮啮合传动；所述旋转轴沿所述车体纵向延伸设置且与所述电机的输出轴相连。

6.如权利要求5所述的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置，其特征在于，所述基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置还包括位于所述车体外并转动设置于所述车体上的转把以及电控离合器，所述转把与所述旋转轴相连，所述电机的输出轴通过所述电控离合器与所述旋转轴相连，所述电控离合器与所述控制器电性连接，所述控制器通过控制所述电控离合器的动作控制所述电机的输出轴与所述旋转轴的连接或断开。

7.基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测方法，基于如权利要求1-6任一项所述的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测装置，其特征在于，包括：

检测前准备；

判断衬砌检测为全段隧道检测或预设地点处检测；当全段隧道检测时，操作者依据所述速度里程监测组件匀速推动所述车体进入待检测隧道内，利用所述控制器控制所述电机驱动所述空耦雷达自转对全段隧道进行衬砌检测；当预设地点处检测时，操作者推动所述车体进入待检测隧道内，并根据所述速度里程监测组件的反馈信息停止到预设地点处，利用所述控制器控制所述电机驱动所述空耦雷达自转对预设地点处进行衬砌检测。

8.如权利要求7所述的基于空耦雷达的公铁两用式隧道衬砌检测方法，其特征在于，所述隧道衬砌检测方法还包括：

在所述车体行进过程中，所述超声波雷达检测到所述车体的行进路线上有障碍物时，所述报警器发出报警信号，操作者清理障碍物后，在推动所述车体行进。

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