一种隧道混凝土结构缺陷检测方法与流程

本发明涉及隧道混凝土结构检测技术领域，尤其涉及一种隧道混凝土结构缺陷检测方法。

背景技术：

随着我国经济持续稳定向前发展，国家对基础设施建设力度日渐加强，高速(客运专线)/重载铁路和高速公路成为公共交通发展的主方向。新建铁路、公路隧道的等级、规模、数量逐年递增导致其配套的检测、维护等需求快速增加。

隧道工程是一项隐蔽性很强的艰巨工程，在隧道修建过程中，会面临地质条件复杂，施工环境恶劣等一系列挑战。一方面如果施工工艺不够规范、工序不够严格则很容易出现混凝土衬砌与围岩间填充不实，甚至出现空洞。另一方面，由于混凝土是一种复合材料，其内部结构非常复杂，各种组分随机地交织在一起，非均质性很强，隧道建成后，随着运营时间与使用强度的增加，混凝土构件产生一定程度上的老化、损坏难以避免，再加上混凝土材料本身及现场浇注施工的特点,质量控制较为困难,常常出现蜂窝、麻面、孔洞、离析等微缺陷，上述微缺陷因冻融循环、盐蚀、钢筋结构热胀冷缩等现象也会产生脱空、脱层、渗漏、结构变形等问题。隧道混凝土结构一旦发生破损，渗漏，将会对隧道工程结构及其附属设备、行驶列车造成严重破坏，甚至危及行车安全。例如，隧道内部若产生脱空、脱层，将破坏隧道本身的稳定性，轻则隧道洞身脱落，砸中列车或落在轨道上危害轨道及列车，重则引起隧道塌方；低温地区隧道渗漏水会结冰，冰块坠至高速行进中的列车造成的危害也相当严重。因此，快速准确地对隧道混凝土结构进行检测与安全评估变得愈发重要，从隧道工程施工到运营维护各个环节均对隧道混凝土检测技术提出了更高的要求。

目前，国内无损检测技术在隧道混凝土构筑物检测中的推广应用度还相对较低，大部分施工单位应用的无损检测技术，不论是技术种类还是软硬件设备方面，都与国际先进水平存在较明显差距，常用的几种无损检测方法包括：回弹法、垂直反射法、探地雷达技术以及超声波法。

回弹法是在混凝土侧面或顶底面均匀布置一定数量的测点，利用回弹仪测得混凝土的回弹值，并根据已知的测试强度曲线，以及混凝土抗压强度与混凝土表面回弹值之间存在的统计相关性，通过换算求得混凝土当前状态和强度，用以检测混凝土的质量和抗压强度。该方法的优点在于仪器构造简单，检测灵活度较高。但反映的仅是混凝土表面10cm～15cm范围内的情况，只能用于表面检测。

垂直反射法是一种极小偏移距的反射方法，其工作原理是由发射探头向混凝土块发射一个声波脉冲，在波传播的过程中遇到波阻抗有明显差异，如脱空，脱层等时将产生反射波而返回到混凝土表面被接收传感器接收。通过记录下的弹性波信号的振幅、相位等进行分析，即可判断出混凝土中的缺陷。该方法数据分析简便，在基桩检测中应用较广，但不足之处是反射震源和接收检波器必须具有短余振特性，必须要解决好高频与大功率之间的矛盾。

探地雷达技术是利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式,由地面通过发射天线定向送入下,经过存在电性差异的介质反射后返回地面,被接收天线接收,电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度与波形将随所通过混凝土的电性与状态而变化。发射与接收天线以固定的间距沿测线同步移动时,就可以得到反映测线以下介质的雷达图像。在进行隧道衬砌检测时,介质为混凝土,当混凝土均一性差时(如存在脱层、空洞等),这部分区域与周围混凝土电性差异增大,反射波增强；当其完整致密时,混凝土性质相对均匀,反射波很弱。该方法可根据波形记录直接分析混凝土内部缺陷的分布和形态,具有可视性；可根据检测深度、分辨率的要求选用不同频率的天线。

超声波法是在结构的表面或钻孔内布置一定数量的测点,利用低频超声波测量混凝土结构中的波速,将测得的波速与标准状态的波速对照从而求得混凝土的质量和强度。该方法可在结构的表面、相向的两对侧面进行对侧,还可以对钻孔进行单孔或跨孔测量。其优点是声脉冲穿透混凝土的全部厚度或较深的内部混凝土,试验结果能够较好地反映被测结构物的质量；测试工作有较好的灵活性:可以对同一部位进行多次重复测试。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：如何大大提高隧道混凝土结构缺陷检测的效率和精度，以节约隧道运营维护成本，提高隧道安全性。

本发明提供的一种隧道混凝土结构缺陷检测方法，包括以下步骤，

(1)确定并划分检测区域；

(2)对检测区域表面采用红外热成像技术，确定表面的结构缺陷位置；

(3)对检测区域浅层采用超声面波技术，确定浅层的结构缺陷位置；所述浅层区域指表面向内的0-20cm范围；

(4)根据步骤(2)和(3)中的结构缺陷位置划定重点检测区域；

(5)对重点检测区域采用超声层析成像技术进行检测，获得检测数据；所述检测可以是多次反复检测；

(6)将步骤(5)所得检测数据运用算法反演，获得检测区域的结构情况。

更进一步的，还包括对步骤(2)和(3)中的非重点区域采用探地雷达技术，确定其他的重点检测区域。

其中，采用探地雷达技术确定其他的重点检测区域的方法包括，

对所述非重点区域进行安全检查和网格划分，对检测方位进行校正，并确定所有扫描点位；

依次在每个点位上进行扫描，直到将非重点区域内的所有点位扫描完毕；

对扫描得到的扫描数据进行数据处理，得到断面成像。

更进一步的，所述数据处理的方法包括依次对所述扫描数据进行快速傅里叶变化、在频率域计算动量空间波场、在频率域计算波场、进行傅里叶逆变换、空间-频率域波场计算和对信号带宽内所有频率求和。

更进一步的，为更直观的展示结构缺陷位置的形状，还包括根据步骤(6)中的结构情况，建立结构缺陷位置的3d模型。

更进一步的，采用红外热成像技术确定表面的结构缺陷位置的步骤包括，

(21)对检测区域进行准备；

(22)对检测区域进行扫描；

(23)获取红外图像；

(24)根据红外图像确定检测区域表面的结构缺陷位置。

其中，所述对检测区域进行准备的步骤包括，

(211)对检测区域进行安全检查；

(212)对检测区域进行区块划分；

(213)对扫描方位进行校正。

更进一步的，采用超声面波技术确定浅层的结构缺陷位置的方法包括，

(31)根据探测水平分辨率需求在检测区域进行区域网格划分和安全检查，确定所有扫描点位；

(32)依次在每个点位上进行扫描，重复该过程直至将所有点位扫描完毕，并得到扫描数据；

(33)对扫描数据进行数据处理得到浅表层横波速度；所述数据处理包括相干性分析、相位提取和平均面波速度，根据数据处理的结果进行浅表层横波速度计算，判断该区域下方是否存在缺陷；

(34)根据浅表层横波速度与介质软硬的对应关系确定浅层的结构缺陷位置。

更进一步的，采用超声层析成像技术进行检测的方法包括，

(51)根据探测水平分辨率需求，在重点检测区域进行网格划分，并确定所有扫描点位；

(52)依次在每个点位上进行扫描，直至将重点检测区域内的所有点位扫描完毕；

(53)对扫描得到的扫描数据进行存储；

(54)对扫描数据进行数据处理，得到检测数据。

其中，所述数据处理的方法包括对扫描数据进行瞬时幅值提取、散射角衰减控制和时间增益补偿，以提升聚焦能力，提高成像分辨率。

通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果是：将红外热成像技术、超声面波技术、超声层析成像技术及探地雷达技术有机结合起来，构建出一个全新的复合型无损检测体系。针对隧道混凝土检测需求，分别对每项技术进行适应性改进。并根据先进的工程检测逻辑对不同区域进行分层化处理，根据不同分层采用不同检测手段，通过快速检测手段初步筛查，找到重点问题区域。对重点区域采用精度更高、抗干扰能力更强的超声层析成像技术进行详细筛查，最终定位结构缺陷的准确位置和边界。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的检测方法流程图；

图2为红外热成像技术检测流程图；

图3为超声面波技术检测流程图；

图4为超声层析成像检测流程图；

图5为探地雷达检测流程图。

具体实施方式

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明提出了一种隧道混凝土结构缺陷检测方法，可用于指导高精度需求的工程检测。相比于传统单一的检测方法，本发明克服了各单一检测方法的局限性，解决了单一检测方法适用范围过小、抗干扰能力不强、精度不足的问题；此外还具有无损坏、无污染、更高效、更安全的优势，如图1所示，包括以下步骤，

(1)确定并划分检测区域，所述检测分为表面检测个浅层检测；

(2)对检测区域表面采用红外热成像技术进行初步筛查，确定待测区域表面结构缺陷位置；

(3)对检测区域浅层(0～20cm)采用超声面波技术进行初步筛查，确定待测区域浅层结构缺陷位置；

(4)根据步骤(2)和(3)中的结构缺陷位置划定重点检测区域；

(5)对重点检测区域采用超声层析成像技术进行多次反复检测，获得检测数据；所述检测可以是多次反复检测；

(6)将步骤(5)所得检测数据运用算法反演，获得检测区域的结构情况。

其中，还包括对步骤(2)和(3)中的非重点区域采用探地雷达技术进行检测，并根据检测结果确定其他的重点检测区域。

步骤(2)中红外热成像技术检测物体缺陷的基本原理是利用被检测物体的局部缺陷对热传导性能的影响，导致物体表面温度产生局部差异，进而引起物体表面红外辐射能力的局部变化，通过对红外热像图的分析来实现缺陷检测。检测方式分为两种：被动式和主动式；被动式红外检测为对被测目标不进行加热，仅利用目标温度与环境温度之间的差异为条件，在被测目标与环境的热量交换过程中进行红外检测。由于这种方式不需要附加热源，在现场实施简便易行，应用较为广泛。主动式检测为由能量源产生的热流以透射或反射的方式施加于试件，材料内部的分层和缺陷对热流的运动产生影响。高精度的红外热像仪可捕获物体表面上温度场不均匀状况。

红外热像技术是将不可见的红外辐射转化为可见图像的技术，利用这一技术研制成的红外装置称为热成像装置或热像仪。热像仪是一种二维平面热成像的红外系统，它通过将红外辐射能量聚集在红外探测器上，并转换为电子视频信号，经过电子学处理，形成被测目标的红外热图像，该图像用显示器显示出来。与可见光的热成像不同，它是利用目标与周围环境之间由于温度与发射率的差异所产生的热对比度不同，而把红外辐射能量密度分布图显示出来，成为“热像图”。

如图2所示，采用红外热成像技术确定表面的结构缺陷位置的具体步骤包括，

(21)对检测区域进行准备，包括对检测区域进行安全检查、对检测区域进行区块划分和对扫描方位进行校正；

(22)对检测区域进行扫描；

(23)获取红外图像；

(24)根据红外图像确定检测区域表面的结构缺陷位置。

步骤(3)中利用超声面波检测技术对隧道表面的缺陷进行快速识别，其基本的工作原理为观察浅层表面的弹性，通过弹性动力学和表面波谱分析理论，推导其动模量计算公式。相速度的变化是材料特性(弹性模量)随深度变化的一个标志。一旦确定了表面波速度，它就可以很好地与压缩波和剪切波速度相关，从而与杨氏模量和剪切模量相关。当面波通过被测目标表面的分层或缺陷区域时，面波速度显著降低。因此，可以通过弹性模量随深度的变化来识别隧道浅表层的缺陷，根据浅表层检测结果，划分出重点检测区域。

超声面波检测技术是通过震源装置和接收装置实现；包括数据采集、数据处理和浅表层横波速度计算三个阶段：在开始数据采集前首先需要确定探测区域，根据探测水平分辨率需求在待测面上进行区域网格划分，确定所有扫描点位；依次在每个点位上进行扫描，重复该过程至所有点位扫描完毕；数据处理包括信号相干性分析、相位提取和平均面波速度计算；根据数据处理的结果进行浅表层横波速度计算，判断测试区域下方浅表层是否存在缺陷。本发明通过相位分析提取面波相速度，并据此估算出混凝土介质浅表层平均横波速度，基于横波速度与介质软硬的对应关系，对混凝土浅表层缺陷区域进行检测识别。

如图3所示，采用超声面波技术确定浅层的结构缺陷位置的方法包括，(31)根据探测水平分辨率需求在检测区域进行区域网格划分和安全检查，确定所有扫描点位；

(32)依次在每个点位上进行扫描，重复该过程直至将所有点位扫描完毕，并得到扫描数据；

(33)对扫描数据进行数据处理得到浅表层横波速度；所述数据处理包括相干性分析、相位提取和平均面波速度，根据数据处理的结果进行浅表层横波速度计算，判断该区域下方是否存在缺陷；

(34)根据浅表层横波速度与介质软硬的对应关系确定浅层的结构缺陷位置。

步骤(5)中的超声波层析成像技术采用高频(大于20,000hz)声波，通过分析超声波的在介质中的传播特性来获取介质的材料属性及内部结构信息。其基本的工作原理是由换能器产生超声波脉冲，并通过一定的耦合方式，将超声波脉冲传入介质内部，如果介质内部存在明显的声阻抗变化区域，则超声波会在界面上产生反射，位于介质表面的接收器将会接收到反射回波信号，通过分析反射回波信号，可获得超声波传播路径上介质内部的结构信息。

超声层析成像检测方法是通过震源装置和接收装置实现，在开始数据采集前首先需要确定探测区域，根据探测水平分辨率需求在待测面上进行网格划分，确定所有扫描点位；然后按照沿着第一条水平网格线从左至右逐格移动，依次在每个点位上进行扫描，重复该过程，直至区域内所有点位扫描完毕；之后进行数据采集、数据处理和聚焦成像。本发明加入了瞬时幅值提取、散射角衰减控制、时间增益补偿等相应的信号优化模块，能显著提升聚焦能力，提高成像分辨率。

如图4所示，采用超声层析成像技术进行检测的方法包括，(51)根据探测水平分辨率需求，在重点检测区域进行安全检查、网格划分和方位校正，并确定所有扫描点位；

(52)启动仪器依次在每个点位上进行扫描，直至将重点检测区域内的所有点位扫描完毕；

(53)对扫描得到的扫描数据进行存储；

(54)对扫描数据进行数据处理，得到检测数据，所述数据处理的方法包括对扫描数据进行瞬时幅值提取、散射角衰减控制和时间增益补偿，以提升聚焦能力，提高成像分辨率。

所述探地雷达技术通过发射高频电磁波脉冲(10mhz～2500mhz)至地下介质，当遇到不良地质体或不同介质分界面时反射后由接收天线所接收。根据接收反射的电磁波双程走时、振幅及相位等信息可以得出地下目标体的雷达剖面图，做出描述。

探地雷达技术以电磁波理论为基础探测隧道，具有高效、精确、无损探测和易于操作的特点。当两介质间的物性差异越大，界面越易于分辨。在进行隧道检测时，探地雷达能反映出不同隧道工段的支撑方法，隧道衬砌的缺陷，如裂缝，空洞等，能够提供可视化的特征图。一般能够发现混凝土板中的大部分空隙和分层。如果裂缝不足以反射电磁波，探地雷达就不能很好地探测到裂缝。检测到的缺陷深度和厚度不是很精确；但是可以在测试前，通过确定更精确的介电常数来提高识别缺陷深度。

如图5所示，采用探地雷达技术确定其他的重点检测区域的方法包括，

对所述非重点区域进行安全检查和网格划分，对检测方位进行校正，并确定所有扫描点位；

依次在每个点位上进行扫描，直到将非重点区域内的所有点位扫描完毕；

对扫描得到的扫描数据进行数据处理，得到断面成像，所述数据处理的方法包括依次对所述扫描数据进行快速傅里叶变化、在频率域计算动量空间波场、在频率域计算波场、进行傅里叶逆变换、空间-频率域波场计算和对信号带宽内所有频率求和。

为更直观的展示结构缺陷位置的形状，本发明还根据步骤(6)中的结构情况，建立能反映现场混凝土结构缺陷位置的3d模型。

本发明将四种无损检测技术有机结合，优势互补，充分发挥四种技术各自的优势，形成了一套完整高效、可应对高精度需求的隧道混凝土结构缺陷无损检测体系。通过先在混凝土结构浅表层运用红外热成像技术与超声面波技术组合的检测方法，进行混凝土结构浅表层缺陷的快速筛查，获取初步的结构信息，确定破损、裂缝等混凝土结构浅表层缺陷，划定重点检测区域；再采用探地雷达技术对非重点检测区域的深层结构进行检测，获取深层结构信息概况，精确定位混凝土内部脱空、脱层、渗漏等结构缺陷，进一步补充重点检测区域；最后采用精度更高、抗干扰能力更强的超声层析成像方法对重点检测区域进行详细检测，以此来获得完整精确的混凝土结构信息，定位结构缺陷的位置和边界。提高检测精度、检测效率，节约了运营维护的时间和经济成本，提高了隧道运营的安全性。

上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，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，并能够在本文所述发明构想范围内，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。