超声波检测运营盾构隧道纵缝接头健康状态的方法及装置与流程

本发明涉及隧道工程，特别涉及一种超声波检测运营盾构隧道纵缝接头健康状态的方法及装置。

背景技术：

1、盾构法是城市修建地下隧道的常用方法，盾构法所使用的机械设备不仅机械化水平高，而且施工安全性高，并且施工操作不受气候条件影响，对地面建筑物、环境及地下管线影响较小；采用盾构法修建的隧道衬砌结构由多块管片拼装而成，其中管片间通过螺栓连接，块于块之间形成纵缝；同时，纵缝是盾构隧道的薄弱点，容易在不利荷载作用下发生混凝土压裂。然而，压裂形成的裂缝通常位于纵缝内部，对于运营隧道，从管片内弧面无法判断纵缝是否发生了压裂，因此无法判断纵缝的健康状态；纵缝是否发生损伤，损伤程度如何，对于判断隧道整体结构的健康状态十分重要。目前对纵缝接头本身的损伤，大部分技术是通过转角测量结合竖直模型方法进行评估，但这些方法十分繁杂，材料参数的选取以及接头初始状态不明等将对结果带来较大误差，判断可能不准确。另外目前缺乏直接检测纵缝接头健康状态的相关方法。

2、现有技术一，申请号cn202210118762.6公开了一种盾构隧道纵缝接头张角反演分析方法，采用逐次旋转法，将管片本体结构视为刚体，各管片之间绕接头中性轴旋转，把隧道结构的整体变形分解为各接头的转动变形，本反演分析方法基于隧道内部监测到的收敛变形数据，最终得到了各接头的转角以及内外侧的张开、压缩变形。基于逐次旋转法，输入的参数有接头中性轴位置和隧道结构某方向上的收敛变形值，输出的结果为各接头的转角，该反演过程通过matlab编程的方法实现。虽然通过反演分析的方法，得到了服役期隧道结构在既有变形情况下的各接头的变形值，极大增强了人们对运营期隧道纵缝接头变形的认识和理解，同时也为运营期隧道服役状态的评估提供了新的方法；但是，步骤的操作过程比较繁琐，没有对转角的初始状态作出处理，导致纵缝接头检测结构误差较大。

3、现有技术二，申请号：cn202210279129.5公开了一种分析盾构管片纵缝接头在管节收敛变形中显要性的系统及应用，系统包括传感器模块、测量误差预处理模块、接头定位模块、收敛测点定位模块、计算分析模块，通过监测数据初步计算和误差处理得到接头转角；并通过建立相对坐标系，并利用接头转角、管片弦长闭合的几何关系进行坐标误差修正；基于各接头以及收敛变形测点之间的相对坐标关系，得到测点的相对坐标；通过与总的管节收敛变形进行对比，定性与定量的表征接头转角在管节收敛变形中的影响，并作为评估接头在管节收敛变形中显要性的指标。虽然通过评估接头的显要性，可深入了解盾构隧道结构受力变形特性，提高盾构隧道结构设计的合理性，工程运营中可指导管节变形的监控措施；但是方法十分繁杂，材料参数的选取不准确将对结果带来较大误差，判断可能不准确。

4、现有技术三，申请号：cn201510279633.5公开了一种盾构隧道管片环分块方式的方案比选分析方法，包括以下步骤：确定第一管片环的各个纵缝接头位置对应的管片环中心角、编号及纵缝接头对应的纵缝接头抗弯刚度；确定与第一管片环相邻的第二管片环的上述参数；以匀质圆环法计算两环管片中任一接头所对应的均质圆环位置的弯矩的绝对值；计算接头承受的实际弯矩；计算各种拼装方式的分块方案的第一管片环与第二管片环的所有纵缝接头的转角之和；选取其中两环管片的所有纵缝接头转角之和最小的方案为最优分块方案。虽然进行分析时仅需要管片纵缝接头的相关力学参数，即可对方案做出相关评价，目的明确，方法科学合理，使用方便，省时省力；但是方法十分繁杂，材料参数的选取以及接头初始状态不明等将对结果带来较大误差，判断可能不准确。

5、目前现有技术一、现有技术二及现有技术三存在纵缝接头的检测方法操作繁杂，材料参数的选取以及接头初始状态不准确，很容易导致对纵缝接头健康状态检测带来较大误差，判断可能不准确。因而，本发明提供一种超声波检测运营盾构隧道纵缝接头健康状态的方法及装置，使用超声波对隧道进行无损检测，可确定纵缝混凝土是否压裂，压裂裂缝长度，从而有利于运营方判断运营隧道结构安全状态。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超声波检测运营盾构隧道纵缝接头健康状态的方法，包括以下步骤：

2、根据管片配筋确定主筋位置，将混凝土超声波检测仪发射探头涂抹上耦合剂，按置于纵缝接头一侧的主筋之间，发射探头贴近纵缝边缘；混凝土超声波检测仪接收探头涂抹上耦合剂，按置于纵缝接头另一侧对应的主筋之间，接收探头贴紧纵缝边缘；

3、启动混凝土超声波检测仪，记录超声波由发射探头传播到接收探头的声时；发射探头保持不动，每次将接收探头等距离远离纵缝，启动混凝土超声波检测仪，依次记录各距离下超声波由发射探头传播到接收探头的声时，直至测量距离大于管片螺栓手孔到纵缝距离的2倍；

4、将发射探头与接收探头交换位置，发射探头固定于原接收探头一侧靠近纵缝边缘处不动，接收探头在原发射探头一侧，重复测量不同距离时的声时；通过压裂裂缝长度判断纵缝接头损害程度；

5、可选的，启动混凝土超声波检测仪的初始化过程，包含以下步骤：

6、超声波检测仪的控制器内预设初始化的程序、触发条件、停止条件及报警条件，程序包含：第一初始化程序、第二初始化程序、第三初始化程序及第四初始化程序；第一初始化程序用于实现超声波检测仪电源的初始化，第二初始化程序用于实现超声波检测仪的通电预热，第三初始化程序用于实现换能器、电缆线及高频插口连接的初始化，第四初始化程序用于实现发射探头和接收探头对接的测读声为零；触发条件用于实现第一初始化程序、第二初始化程序、第三初始化程序及第四初始化程序的启动顺序，停止条件用于实现第一初始化程序、第二初始化程序、第三初始化程序及第四初始化程序运行的停止，报警条件用于实现第一初始化程序、第二初始化程序、第三初始化程序及第四初始化程序不能完成初始化的要求及报警条件。

7、可选的，在触发条件的控制下，启动第一初始化程序，对超声波检测仪的电源输入端的电压、电流及功率进行检测，同时对电源的输出端的电压、电流及功率进行检测，并进行预设时间内的检测结果统计，检测结果满足第一初始化程序要求，则反馈至触发条件，启动第一初始化程序的停止条件，进行第二初始化程序；检测结果未满足第一初始化程序要求，则反馈至触发条件，启动报警条件，发出报警代码至超声波检测仪的显示终端；

8、在触发条件的控制下，启动第二初始化程序，对超声波检测仪的设备进行通电预热，同时启动控制器内的设备诊断模型，对设备运行通电预热情况进行检测，检测结果满足第二初始化程序要求，则反馈至触发条件，启动第二初始化程序的停止条件，进行第三初始化程序；检测结果未满足第二初始化程序要求，则反馈至触发条件，启动报警条件，发出报警代码至超声波检测仪的显示终端。

9、可选的，在触发条件的控制下，启动第三初始化程序，对换能器、电缆线与高频插口连接初始化，同时控制器发出测试指令，并对反馈指令进行判断，判断结果满足第三初始化程序要求，则反馈至触发条件，启动第三初始化程序的停止条件，进行第四初始化程序；检测结果未满足第三初始化程序要求，则反馈至触发条件，启动报警条件，发出报警代码至超声波检测仪的显示终端；

10、在触发条件的控制下，启动第四初始化程序，对发射探头和接收探头对接后测读声进行检测，判断结果满足第四初始化程序要求，即测读声为零，则反馈至触发条件，启动第四初始化程序的停止条件，进行纵缝接头健康状态检测程序；检测结果未满足第四初始化程序要求，则反馈至触发条件，启动报警条件，发出报警代码至超声波检测仪的显示终端。

11、可选的，由发射探头传播到接收探头的声时记录过程，包含以下步骤：

12、超声波检测仪的初始化完成后，控制器读取操控界面输入的超声波开启操作，判断超声波开启操作是否为触发操作，触发操作为记录超声波由发射探头传播到接收探头的声时t0；

13、记录当前发射探头和接收探头的位置，及管片螺栓手孔到纵缝距离；

14、当发射探头保持不动，移动接收探头时，操作操控界面将超声波关闭，待接收探头移动到下一目标位置时，操作操控界面将超声波开启，判断超声波开启操作是否为触发操作，触发操作为记录超声波由发射探头传播到接收探头的声时t1，完成第一次移动接收探头。

15、可选的，当进行第二次移动接收探头时，获取第一次移动接收探头的距离，得到第二次移动接收探头的目标位置，操作操控界面将超声波开启，判断超声波开启操作是否为触发操作，触发操作为记录超声波由发射探头传播到接收探头的声时t2，完成第二次移动接收探头；依次按照第一次移动接收探头的距离，进行第三次移动接收探头直至第n次移动接收探头，得到由发射探头传播到接收探头的声时t3，…，tn；

16、当第一次移动接收探头与第n次移动接收探头的距离之和大于管片螺栓手孔到纵缝距离的2倍时，控制器发出结束纵缝接头检测的指令。

17、可选的，记录超声波由发射探头传播到接收探头的声时的过程，包含以下步骤：

18、控制器控制超声波发生器发出触发脉冲，由前置放大器放大触发脉冲功率，触发脉冲功率放大后变成超声波激励脉冲，同时控制器生成初始时钟脉冲信号；

19、超声波激励脉冲和初始时钟脉冲信号传输至发射探头，完成一次超声波发射；

20、接收探头接收到发射探头发出的超声波激励脉冲和初始时钟脉冲信号，同时采集传输超声波激励脉冲，并生成接收时钟脉冲信号至控制器中，完成一次超声波发射到接收的过程；

21、控制器根据初始时钟脉冲信号和接收时钟脉冲信号计算得到发射探头传播到接收探头的声时，并记录声时。

22、可选的，接收探头移动距离的判定过程，包含以下步骤：

23、获取初始位置参数，初始位置参数包含当前发射探头和接收探头的位置，及管片螺栓手孔到纵缝距离；

24、根据管片螺栓手孔到纵缝距离将待检测运营盾构隧道纵缝接头所在的区域划分为等距离网格；

25、将当前发射探头和接收探头的位置利用数据差值至等距离网格中，当获取第一次移动接收探头的距离，根据控制器内的预测模型得到第二次移动接收探头的目标位置，得到等距离网格中的位置；

26、当接收探头到达目标位置时，控制器发出通知提示。

27、可选的，通过压裂裂缝长度判断纵缝接头损害程度的过程，包含以下步骤：

28、控制器预设压裂裂缝长度，定义为纵缝接头损害程度；

29、将声时最小时接收探头距离纵缝边缘的距离即为压裂裂缝长度，带入控制器进行判断，得到纵缝接头损害程度；

30、当前的压裂裂缝长度小于预设压裂裂缝长度时，纵缝接头处于裂缝稳定扩展状态；当前的压裂裂缝长度等于预设压裂裂缝长度时，纵缝接头处于临界状态；当前的压裂裂缝长度大于预设压裂裂缝长度时，纵缝接头处于裂缝失稳扩展状态。

31、本发明提供的一种超声波检测运营盾构隧道纵缝接头健康状态的装置，包含：超声波检测仪、发射探头及接收探头；

32、超声波检测仪通过传输线与发射探头和接收探头连接，发射探头和接收探头设置在待检测运营盾构隧道的表面，用来对纵缝进行检测；若两次测量声时均为随距离增大而增加，则纵缝接头未损伤，若出现声时先减小后增大状况，则发射接头在接收探头一侧存在内部压裂裂缝，声时最小时接收探头距离纵缝边缘的距离即为压裂裂缝长度。

33、本发明的首先根据管片配筋确定主筋位置，将混凝土超声波检测仪发射探头涂抹上耦合剂，按置于纵缝接头一侧的主筋之间，发射探头贴近纵缝边缘；混凝土超声波检测仪接收探头涂抹上耦合剂，按置于纵缝接头另一侧对应的主筋之间，接收探头贴紧纵缝边缘；其次启动混凝土超声波检测仪，记录超声波由发射探头传播到接收探头的声时；发射探头保持不动，每次将接收探头等距离远离纵缝，启动混凝土超声波检测仪，依次记录各距离下超声波由发射探头传播到接收探头的声时，直至测量距离大于管片螺栓手孔到纵缝距离的2倍；最后将发射探头与接收探头交换位置，发射探头固定于原接收探头一侧靠近纵缝边缘处不动，接收探头在原发射探头一侧，重复测量不同距离时的声时；若两次测量声时均为随距离增大而增加，则纵缝接头未损伤，若出现声时先减小后增大状况，则发射接头在接收探头一侧存在内部压裂裂缝，声时最小时接收探头距离纵缝边缘的距离即为压裂裂缝长度，通过压裂裂缝长度判断纵缝接头损害程度；上述方案找出主筋并将探头放置于主筋间距之间，是为了降低主筋对超声波传递的影响；接收探头逐渐远离纵缝时，接收探头与发射探头连线需保持垂直于纵缝，接收探头每次移动距离根据测试精度要求自行确定；当接头完好无损时，超声波从发射探头侧通过纵缝接触部分传递到另一侧，将直接被接收探头接收，因此随着接收探头不断远离纵缝，声时将增加；当纵缝接头混凝土压裂后，超声波将绕过压裂面进行传递，只有当接收探头位于压裂裂缝尖部时，超声波的传递路径最短，声时最小，因此随着接收探头远离纵缝，声时将呈现先减小后增大的趋势，且声时最小时，探头距纵缝的距离即未压裂裂缝长度，压裂裂缝越长，说明纵缝接头损伤状态越严重。

34、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

35、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。