一种隧道衬砌空洞病害最佳检测时间确定方法与流程

本发明属于隧道质量检测及安全领域，特别涉及一种隧道衬砌空洞病害最佳检测时间确定方法。

背景技术：

隧道工程是道桥市政设施及工矿企业中的常见工程种类。由于隧道涉及道桥运输及工矿生产的安全，需要对隧道的使用状况进行实时监督和安全预警。在隧道状况中，隧道衬砌是反映隧道是否正常的一个重要参数，对隧道衬砌进行检测是隧道安全的一个重要方面。目前，通常采用地质雷达(groundpenetratingradar，gpr)对隧道状况进行实时检测。

地质雷达作为一种无损检测技术主要依靠对雷达回波信号进行处理以识别地下埋设目标。探地雷达在隧道质量检测时，可以在不损伤隧道结构的前提下得到高分辨率的地质雷达图像，同时这种检测技术对现场工作环境要求相对较低。

但是，现有技术中对隧道衬砌检测时间的确定，通常情况下依靠经验来确定，或根据以往数据进行确定，不能满足实际工程需要，也无法及时、有效的反映隧道衬砌的状态，不能为实际工程检测提供参考依据。

技术实现要素：

为了提高隧道工程的安全性，克服无法准确确定隧道衬砌空洞病害检测时间的问题，本发明提供了一种隧道衬砌空洞病害最佳检测时间确定方法，填补了地质雷达在衬砌空洞检测最佳时间方法的空白，提高隧道衬砌检测的准确性和及时性，提高隧道工程的安全性。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明提供了一种隧道衬砌空洞病害最佳检测时间确定方法，所述方法包括以下步骤：

步骤s1，构建素混凝土模型，在模型内部埋设至少两种不同形状和尺寸的空洞，且在模型背面均匀等距放置至少4根钢筋；

步骤s2，采集所述模型的雷达图像，从所述模型雷达图像的单道波形图上读取雷达波到达钢筋弧顶的双程走时，根据所述双程走时确定电磁波速并进行无损检测，从无损检测中获得空洞的雷达图像；

步骤s3，根据所述空洞的雷达图像，实时对比所述空洞雷达图像的分辨率；

步骤s4，每隔预定时间，判断分辨率的变化是否持续提升；若持续提升，则无需检测；否则，确定当前时间为空洞病害的最佳检测时间。

上述方案中，所述步骤s2采集所述模型的雷达图像，所采用的雷达为地质雷达；所述地质雷达探测范围为椭圆锥台，底部椭圆的长轴a＝λ/4+d/(εr-1)，短轴b＝a/2；其中，d为探测深度，εr为介质的相对介电常数，λ为电磁波在介质中的波长。

上述方案中，所述步骤s1中的素混凝土模型，尺寸设置为长方体且侧面保持平整，模型内部依次设置至少两种不同形状和尺寸的空洞模型。

上述方案中，所述步骤s2中，确定电磁波速，进一步为，根据钢筋弧顶到模型表面的实际深度，从雷达图像的单道波形图上读取雷达波到达钢筋弧顶的双程走时；由公式ν＝2d/t求出电磁波在模型中的真实速度；其中，d为实际深度即模型厚度，t为雷达波到达各钢筋弧顶双程走时的平均值，单位为ns。

上述方案中，所述步骤s2中无损检测，通过探地雷达测试系统完成，所述测试系统包括探地雷达cuiii主机、电子单元、屏蔽天线、测距轮、传输光缆和笔记本电脑。

上述方案中，所述步骤s3的对比空洞雷达图像的分辨率，进一步包括：

在模型正面正中央位置布置测线，用800mhz天线进行检测，每个时间节点测试三次，选取三次图像中分辨率最高的一次作为结果；对采集到的空洞雷达图像分辨率进行对比，选择分辨率更高的雷达图像并记录其对应的养护时间。在进行检测时保持雷达紧贴模型且走行方向与布置测线保持一致。

上述方案中，所述步骤s4进一步包括：假如分辨率仍然提升则继续进行养护并观测分辨率变化情况；假如分辨率不再发生变化，需要继续检测2天观察分辨率变化情况，假如不发生变化则直接确定当前时间为空洞病害的最佳检测时间。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的隧道衬砌空洞病害最佳检测时间确定方法，用以解决现有技术中无法准确确定隧道衬砌检测时间的问题。所述最检测时间确定方法，通过构建素混凝土模型，在模型内部埋设至少两种不同形状和尺寸的空洞，且在模型背面均匀等距放置至少4根钢筋；采集所述模型的雷达图像，根据雷达波到达钢筋弧顶的双程走时，确定电磁波速并进行无损检测，再实时对比所述空洞雷达图像的分辨率；判断分辨率的变化是否持续提升；若不再提升，则确定当前时间为空洞病害的最佳检测时间。本发明通过构建物理模型试验的方法对衬砌空洞病害最佳检测时间进行研究，填补了地质雷达在衬砌空洞检测最佳时间方法的空白，为后续关于空洞病害的研究提供了理论基础和数据支持。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例衬砌空洞病害最佳检测时间确定方法流程示意图；

图2为本发明实施例中所构建的空洞物理模型结构示意图；

图3为本发明实施例模型内部依次设置四种不同形状和尺寸的空洞的俯视图；

图4为本发明实施例模型内部依次设置四种不同形状和尺寸的空洞的主视图；

图5为本发明实施例模型中空洞d的尺寸图；

图6为本发明实施例中模型在养护7、9、11、13、15、16、17、19、21、23、24、25天时的空洞雷达图像。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种隧道衬砌空洞病害最佳检测时间确定方法，所述方法通过对比不同时期衬砌空洞病害雷达图像的分辨率，最终得到了对衬砌空洞病害进行检测的最佳时间。所述空洞病害最佳检测时间确定方法，首先基于探地雷达的基本理论构建物理模型，然后通过地质雷达对空洞模型进行检测，进而确定电磁波速并获取空洞病害的雷达数据；最后对比不同养护时间下空洞雷达图像的分辨率，假如分辨率仍然提升则继续进行养护并观测分辨率变化情况；否则，直接确定当前时间为空洞病害的最佳检测时间。该方法为隧道衬砌的质量检测提供了最佳检测时间参考，为今后相关检测研究提供理论依据。

在一个实施例中，提供了一种隧道衬砌空洞病害最佳检测时间确定方法，图1所示为本实施例所述衬砌空洞病害最佳检测时间确定方法流程示意图。如图1所示，所述方法包括以下步骤：

步骤s1，构建素混凝土模型，在模型内部埋设至少两种不同形状和尺寸的空洞，且在模型背面均匀等距放置至少4根钢筋；

步骤s2，采集所述模型的雷达图像，从所述模型雷达图像的单道波形图上读取雷达波到达钢筋弧顶的双程走时，根据所述双程走时确定电磁波速并进行无损检测，从无损检测中获得空洞的雷达图像；

步骤s3，根据所述空洞的雷达图像，实时对比所述空洞雷达图像的分辨率；

步骤s4，每隔预定时间，判断分辨率的变化是否持续提升；若持续提升，则无需检测；否则，则确定当前时间为空洞病害的最佳检测时间。

在一个实施例中，所述步骤s2采集所述模型的雷达图像，所采用的雷达为地质雷达。优选地，采用瑞典mala公司的ramac/gpr探地雷达。所述地质雷达探测范围为椭圆锥台，其有效探测范围的底部椭圆类似“足印”形状。探地雷达的探测范围与探测深度d、介质的相对介电常数εr和电磁波在介质中的波长λ有关，底部椭圆的长轴a＝λ/4+d/(εr-1)，短轴b＝a/2，只要探测范围内有异常体或异常界面就会被探测到。因此，不同频率的天线、不同的探测深度，均会对探测范围产生影响。

为了适应这一雷达参数，所述步骤s1中的素混凝土模型，尺寸设置为长方体且侧面保持平整，模型内部依次设置多种不同形状和尺寸的空洞模型，圆柱形空洞可使用pvc管代替，其余形状空洞模型用三合板加工而成；为保证空洞不因挤压导致变形，模型分三次进行浇筑，浇筑时采用振捣棒进行均匀振捣，养护25天，强度达到30mpa；所述模型可适应500m或800m的天线、0.6m测深的雷达探测。

图2所示为本实施例中所构建的空洞物理模型结构示意图。如图2所示，所述模型尺寸为400×100×100^cm3。图3所示为模型内部依次设置四种不同形状和尺寸的空洞的俯视图。如图3所示，从左到右依次为空洞a、空洞b、空洞c和空洞d，其中，圆柱形空洞使用r200的pvc管代替。图4所示为四种空洞的主视图。如图4所示，四根空洞的横向宽度分别为：200mm、400mm、346mm、400mm。图5所示为空洞d的尺寸图。如图5所示，空洞d为不规则图形。

所述步骤s2中，确定电磁波速，进一步为，根据钢筋弧顶到模型表面的实际深度，从雷达图像的单道波形图上读取雷达波到达钢筋弧顶的双程走时；由公式ν＝2d/t求出电磁波在模型中的真实速度；其中，d为实际深度即模型厚度，t为雷达波到达各钢筋弧顶双程走时的平均值，单位为ns。

基于图2的模型，得到电磁波到达四根钢筋弧顶的双程走时分别为18.52ns、18.48ns、18.54ns、18.51ns，将双程走时的平均时间代入速度公式可求得电磁波在模型中的传播速度为0.108m/ns。

在一个实施例中，所述步骤s2中无损检测，通过探地雷达测试系统完成，所述测试系统包括探地雷达cuiii主机、电子单元、屏蔽天线、测距轮、传输光缆和笔记本电脑。本步骤中采用800mhz屏蔽天线进行测试，因模型的测试表面较为平整，采用测距轮触发方式进行检测。

在一个实施例中，所述步骤s3中对比空洞雷达图像的分辨率，进一步包括：

在模型正面正中央位置布置测线，用800mhz天线进行检测，每个时间节点测试三次，选取三次图像中分辨率最高的一次作为结果；对采集到的空洞雷达图像分辨率进行对比，选择分辨率更高的雷达图像并记录其对应的养护时间。在进行检测时保持雷达紧贴模型且走行方向与布置测线保持一致。

在一个实施例中，所述步骤s4进一步包括：假如分辨率仍然提升则继续进行养护并观测分辨率变化情况；假如分辨率不再发生变化，需要继续检测2天并观察分辨率变化情况，假如不发生变化则直接确定当前时间为空洞病害的最佳检测时间。

基于图2所示的模型，得出不同龄期的空洞雷达图像。图6所示为养护7、9、11、13、15、16、17、19、21、23、24、25天时的空洞雷达图像。如图6所示，在养护7天后进行测量即可得到a、b、c三种空洞的雷达图像，其中空洞b的雷达图像较为清晰；养护至11天时，a、b、c三种空洞图像的分辨率也随之提升；养护至第13天时，开始得到空洞d的图像特征；养护至17天时，四种空洞的雷达图像分辨率再次得到提升，效果较之前图像更加明显；在养护19天至第25天期间内，图像分辨率基本保持不变，模型强度达到30mpa，不需要进一步养护。由此，可得到进行模型检测时能得到全部空洞图像的最早时间为13天，能得到分辨率较高的雷达图像的养护时间为17天。进而可确定衬砌空洞病害的最佳检测时间为第17天，不仅可以得到较为优质的雷达图像，也可以缩短等待时间。

由以上技术方案可以看出，本发明实施例的一种隧道衬砌空洞病害最佳检测时间确定方法，根据电磁波在介质中的传播规律，构建空洞物理模型得到了空洞病害的多种时态下雷达图像，为后续关于空洞病害的研究提供了理论基础和数据支持；通过构建物理模型试验的方法对衬砌空洞病害最佳检测时间进行研究，得到了对衬砌空洞病害进行检测的最佳时间，填补了地质雷达在衬砌空洞检测最佳时间方法的空白，为今后隧道工程领域进行质量检测提供理论依据和参考。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。