一种应力波信号分析的隧道仰拱钢架成环质量检测方法与流程

本发明属于公路隧道无损检测技术领域，具体涉及一种应力波信号分析的隧道仰拱钢架成环质量检测方法。

背景技术：

我国西南地区高速公路建设数量猛增，由于西部地区地形复杂，高速公路隧道的占比很大。仰拱作为隧道衬砌结构的重要组成部分，通过在隧道底部设置反向的拱形结构，起着改善上部支护结构受力条件的作用，不仅将隧道上部的地层压力传递到地下，还抵抗隧道下部传来的反力，因此，仰拱对于提高衬砌结构的安全性、承载能力等方面起着重要作用。由于仰拱是隐蔽工程，施工质量控制难度大，对仰拱施工质量的检测显得尤为重要。

目前，高速公路路面起鼓开裂的病害仍时有发生，究其原因，是由于仰拱安装质量环节出现监控空白，因偷工现象造成钢架未能成环，如仰拱超欠挖与统一加工钢构件尺寸出现偏差，安装时现场缺乏连接构件的补救措施，而随意对缝焊接、钢筋连接、甚至错位，无法实现钢架成环而进行均匀传导内应力的作用，为病害的发生埋下了隐患。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种应力波信号分析的隧道仰拱钢架成环质量检测方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种应力波信号分析的隧道仰拱钢架成环质量检测方法，包括以下步骤：

步骤1，在隧道仰拱钢架初支成环时，隧道仰拱钢架包括位于下部的隧道仰拱结构以及位于所述隧道仰拱结构上方的隧道支护结构；其中，所述隧道仰拱结构和所述隧道支护结构形成环结构；已知所述隧道仰拱结构的拱长为l1；所述隧道支护结构的弧长为l2；仰拱钢架环的环长l3＝l1+l2；

步骤2，所述隧道仰拱结构的左端与所述隧道支护结构相交于点a；所述隧道仰拱结构的右端与所述隧道支护结构相交于点b；其中，所述点a和所述点b位于同一高度；

步骤3，在点a布置激振检波器；在点b布置远端检波器；所述激振检波器和所述远端检波器均连接到双通道数据采集仪的第一采样通道端口和第二采样通道端口；

在所述隧道支护结构的靠近所述点a的位置c布置激振源；

步骤4，所述双通道数据采集仪通过广播时间戳的方式，实现所述双通道数据采集仪、所述激振检波器和所述远端检波器的计时器时间同步；

步骤5，在所述激振源被触发产生振动信号的同时，同步启动所述激振检波器和所述远端检波器，所述激振检波器从触发时刻t1开始采样，并实时将采样到的振动波信号幅度与采样时间作为数据对而上传给所述双通道数据采集仪；同样，所述远端检波器从触发时刻t1开始采样，并实时将采样到的振动波信号幅度与采样时间作为数据对而上传给所述双通道数据采集仪；

步骤6，所述双通道数据采集仪对所述激振检波器上传的数据对进行分析，得到第一振动波信号曲线；所述双通道数据采集仪对所述远端检波器上传的数据对进行分析，得到第二振动波信号曲线；其中，所述第一振动波信号曲线和所述第二振动波信号曲线均为：横坐标为采样时间，纵坐标为与采样时间对应的振动波信号幅度；

步骤7，所述双通道数据采集仪对所述第一振动波信号曲线进行进一步分析，判断所述第一振动波信号曲线中能否定位到明显的第一次应力波和第二次应力波，如果不能，则直接得出隧道仰拱钢架成环质量检测不合格的检测结果；如果能，则获得所述第一振动波信号曲线中第一次应力波的起振点时间t2，以及所述第一振动波信号曲线中第二次应力波的起振点时间t3；

所述双通道数据采集仪对所述第二振动波信号曲线进行进一步分析，判断所述第二振动波信号曲线中能否定位到明显的第一次应力波和第二次应力波，如果不能，则直接得出隧道仰拱钢架成环质量检测不合格的检测结果；如果能，则获得所述第二振动波信号曲线中第一次应力波的起振点时间t4，以及所述第二振动波信号曲线中第二次应力波的起振点时间t5；

步骤8，所述双通道数据采集仪计算以下距离：

s1＝(t3-t1)v；

s2＝(t2-t1)v；

s3＝(t4-t1)v；

s4＝(t5-t1)v；

其中，v为振动波在钢架的经验波速；s1、s2、s3和s4均为距离的计算值；

步骤9，所述双通道数据采集仪判断以下条件是否均满足，如果均满足，则得出隧道仰拱钢架成环质量检测合格的检测结果；否则，得出隧道仰拱钢架成环质量检测不合格的检测结果：

条件1：s1与仰拱钢架环的环长l3的偏差小于第一设定阈值；

条件2：s2小于第二设定阈值；

条件3：s3与隧道仰拱结构的拱长l1的偏差小于第三设定阈值；

条件4：s4与隧道支护结构的弧长l2的偏差小于第四设定阈值。

优选的，隧道仰拱结构的拱长l1为环长l3的1/3；隧道支护结构的弧长l2为环长l3的2/3。

本发明提供的一种应力波信号分析的隧道仰拱钢架成环质量检测方法具有以下优点：

本发明能够简单、快速、准确的检测隧道仰拱钢架成环质量是否合格，操作方便、结果直观，从而有效地杜绝因仰拱不成环造成的质量隐患。

附图说明

图1为本发明提供的一种应力波信号分析的隧道仰拱钢架成环质量检测方法的应用场景图；

图2为隧道仰拱钢架成环质量检测合格时的振动波信号曲线图；

图3为隧道仰拱钢架成环质量检测不合格时的振动波信号曲线图；

图4为双通道数据采集仪的采集原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在进行隧道仰拱钢架初支成环时，其施工步骤为：测量放线后，使上方的隧道支护结构和下方的隧道仰拱钢架成环；然后，向隧道仰拱钢架内回填洞碴，再喷混凝土，以固定隧道仰拱钢架。在回填洞碴和喷混凝土的过程中，隧道仰拱钢架被回填土所覆盖，因此，外部施工人员无法肉眼直接观察到隧道仰拱钢架是否错位以及脱离成环。基于此，本发明提供一种应力波信号分析的隧道仰拱钢架成环质量检测方法，属于公路隧道无损检测技术领域，能够简单、快速、准确的检测隧道仰拱钢架成环质量是否合格。

本发明主要构思为：将应力波信号分析技术应用在钢架成环质量无损检测领域，在对隧道仰拱钢架进行成环质量检测时，巧妙的利用了上方的隧道支护结构，在隧道仰拱钢架两侧各布置一个检波器，利用振动波在钢架传播速度恒定这一特点，通过对应力波时域信号进行分析，反推出隧道仰拱钢架计算长度、隧道支护结构计算长度以及环长计算长度，并分别与真实的隧道仰拱钢架长度、隧道支护结构长度以及环长进行比较，从而判断隧道仰拱钢架成环质量。

具体的，参考图1，应力波信号分析的隧道仰拱钢架成环质量检测方法，包括以下步骤：

步骤1，在隧道仰拱钢架初支成环时，隧道仰拱钢架包括位于下部的隧道仰拱结构以及位于所述隧道仰拱结构上方的隧道支护结构；其中，所述隧道仰拱结构和所述隧道支护结构形成环结构；已知所述隧道仰拱结构的拱长为l1；所述隧道支护结构的弧长为l2；仰拱钢架环的环长l3＝l1+l2；参考附图1，l1即为a点沿传播路径2到达b点时的弧长；l2即为a点沿传播路径1到达b点时的弧长。在实际应用中，通常情况下，隧道仰拱结构的拱长l1为环长l3的1/3；隧道支护结构的弧长l2为环长l3的2/3。

步骤2，所述隧道仰拱结构的左端与所述隧道支护结构相交于点a；所述隧道仰拱结构的右端与所述隧道支护结构相交于点b；其中，所述点a和所述点b位于同一高度；

步骤3，在点a布置激振检波器；在点b布置远端检波器；所述激振检波器和所述远端检波器均连接到双通道数据采集仪的第一采样通道端口和第二采样通道端口；

在所述隧道支护结构的靠近所述点a的位置c布置激振源；

步骤4，所述双通道数据采集仪通过广播时间戳的方式，实现所述双通道数据采集仪、所述激振检波器和所述远端检波器的计时器时间同步；

步骤5，在所述激振源被触发产生振动信号的同时，同步启动所述激振检波器和所述远端检波器，所述激振检波器从触发时刻t1开始采样，并实时将采样到的振动波信号幅度与采样时间作为数据对而上传给所述双通道数据采集仪；同样，所述远端检波器从触发时刻t1开始采样，并实时将采样到的振动波信号幅度与采样时间作为数据对而上传给所述双通道数据采集仪；

步骤6，所述双通道数据采集仪对所述激振检波器上传的数据对进行分析，得到第一振动波信号曲线；所述双通道数据采集仪对所述远端检波器上传的数据对进行分析，得到第二振动波信号曲线；其中，所述第一振动波信号曲线和所述第二振动波信号曲线均为：横坐标为采样时间，纵坐标为与采样时间对应的振动波信号幅度；

步骤7，所述双通道数据采集仪对所述第一振动波信号曲线进行进一步分析，判断所述第一振动波信号曲线中能否定位到明显的第一次应力波和第二次应力波，如果不能，则直接得出隧道仰拱钢架成环质量检测不合格的检测结果；如果能，则获得所述第一振动波信号曲线中第一次应力波的起振点时间t2，以及所述第一振动波信号曲线中第二次应力波的起振点时间t3；

所述双通道数据采集仪对所述第二振动波信号曲线进行进一步分析，判断所述第二振动波信号曲线中能否定位到明显的第一次应力波和第二次应力波，如果不能，则直接得出隧道仰拱钢架成环质量检测不合格的检测结果；如果能，则获得所述第二振动波信号曲线中第一次应力波的起振点时间t4，以及所述第二振动波信号曲线中第二次应力波的起振点时间t5；

步骤8，所述双通道数据采集仪计算以下距离：

s1＝(t3-t1)v；

s2＝(t2-t1)v；

s3＝(t4-t1)v；

s4＝(t5-t1)v；

其中，v为振动波在钢架的经验波速；s1、s2、s3和s4均为距离的计算值；

步骤9，所述双通道数据采集仪判断以下条件是否均满足，如果均满足，则得出隧道仰拱钢架成环质量检测合格的检测结果；否则，得出隧道仰拱钢架成环质量检测不合格的检测结果：

条件1：s1与仰拱钢架环的环长l3的偏差小于第一设定阈值；

条件2：s2小于第二设定阈值；

条件3：s3与隧道仰拱结构的拱长l1的偏差小于第三设定阈值；

条件4：s4与隧道支护结构的弧长l2的偏差小于第四设定阈值。

其中，第一设定阈值、第二设定阈值、第三设定阈值和第四设定阈值的具体设置范围，根据具体的检测精度要求而定，例如，可以为10厘米左右。

本发明提供的一种应力波信号分析的隧道仰拱钢架成环质量检测方法，是基于应力波法，利用应力波在遇到波阻抗面时会产生变化的特点，通过在隧道仰拱钢架一端利用激振源产生应力波信号，在隧道两侧壁同一榀钢架分别布置激振检波器和远端检波器，其中，激振源靠近激振检波器，激振检波器和远端检波器同时采样应力波信号，根据接收到的不同位置检波器应力波信号时间点特征，分析判断钢架的连接情况。

例如，参考图1，假设隧道仰拱钢架的长度占总环长1/3，上方的隧道支护结构的长度占总环长2/3。当在激振检波器附近激发，利用多功能双通道数据采集仪同时采集激振检波器和远端检波器所得到数据，通过分析多功能双通道数据采集仪两通道数据得出钢架成环质量。

1)隧道仰拱钢架成环质量合格的情况

在隧道仰拱钢架成环、安装完整的情况下，震源在c点激发后，应力波分别沿着上拱部和仰拱同时进行传播，对于激振检波器，理想情况下，震源从c点沿逆时针方向经过非常短的c-a弧传播后，会被激振检波器检测到并形成一个应力波；震源从c点沿顺时针方向，经过大约一个环长的距离后，会被激振检波器检测到并形成另一个应力波；对于远端检波器，震源从c点沿逆时针方向经过c-b弧传播后，即：经过1/3环长的距离后，会被远端检波器检测到并形成一个应力波；震源从c点沿顺时针方向经过c-b弧传播后，即：经过大约2/3环长的距离后，会被远端检波器检测到并形成另一个应力波。此时，得到图2所示的应力波曲线。

因此，只需要从应力波曲线定位到对应应力波的起振点时间后，结合振动波在钢架的经验波速，就可以反推出不同段的弧长，再将反推出的弧长与实际弧长进行比较，如果偏差小于设定的阈值，就表明隧道仰拱钢架成环质量合格，否则，假如得到图3所示的应力波曲线，由于对于第一振动波信号曲线，无法提取到明显的两次应力波信号，只是得到了第一次应力波信号，因此，此时可得出隧道仰拱钢架成环质量不合格的结论。此时，也可以通过对第二振动波信号曲线进一步分析，从而验证隧道仰拱钢架成环质量不合格的结论。针对图3，可计算出s3＝(t4-t1)v；s3明显小于隧道仰拱结构的拱长l1；，因此，进一步验证了隧道仰拱钢架成环质量不合格的结论。

本申请中，为保证隧道仰拱钢架成环质量合格这一结论的有效性，防止出现由于对缝焊接、钢筋连接、甚至错位等而出现钢架不成环的问题，设置了四个条件，即：条件1、条件2、条件3和条件4，只有当这四个条件均通过时，才得出隧道仰拱钢架成环质量检测合格的检测结果，提高了成环质量检测结果的可靠性。

对于双通道数据采集仪，为提高应力波检测精度，采用图4所示的结构。多功能双通道数据采集仪由控制终端、采集器及传感器组成。控制终端为加固笔记本电脑、平板电脑或手机等移动计算机设备。采集器工作时充当一个无线wifi热点ap功能，支持控制终端通过wifi方式接入到采集器。采集模拟信号时，传感器信号经过调理电路，放大、转换为adc可采集的模拟信号；调理后的模拟信号经过adc转换器，量化为采样数字信号；量化后的采样数字信号经过cpld的桥接，由mcu通过dma快速缓存到内部存储器或外部存储器；mcu通过wifi将缓存的采样数据上传给上位机。通过以上步骤，采集器完成双通道模拟信号的采集，并将采集信号上传给上位机显示处理。采集器，主要由传感器接口及调理电路、adc采样机及控制、mcu及缓存、触发控制、无线通信、电源管理等部分电路组成。

本发明提供的一种应力波信号分析的隧道仰拱钢架成环质量检测方法具有以下优点：

1.本发明能够简单、快速、准确的检测隧道仰拱钢架成环质量是否合格，操作方便、结果直观，从而有效地杜绝因仰拱不成环造成的质量隐患。

2.本发明能够及时检测出仰拱成环质量，避免因仰拱无法达到设计要求的钢支撑成环而无法均匀传导承载力，进而造成隧道工程结构处于不均匀应力变化状态，本发明可防止病害的发生。

3.本发明填补隧道仰拱钢架成环质量检测空白，保障隧道施工安全。