[發(fā)明專利]一種隧道結(jié)構(gòu)表層病害的快速檢測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010664440.2
• 申請(qǐng)日: 2020-07-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111896629B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-05-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉學(xué)增;賴浩然;桑運(yùn)龍;段俊銘;師剛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué);上海同巖土木工程科技股份有限公司
• 主分類號(hào): G01N29/07
• 分類號(hào): G01N29/07;G01N25/72
• 代理公司: 上海科律專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31290
• 代理人: 葉鳳

1.一種隧道結(jié)構(gòu)表層病害的快速檢測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一，構(gòu)建隧道結(jié)構(gòu)表層病害的快速檢測(cè)裝置；

包括一車載行走裝置，用于裝載檢測(cè)設(shè)備和信息采集與處理系統(tǒng)，并將檢測(cè)設(shè)備和信息采集與處理系統(tǒng)運(yùn)送至隧道各檢測(cè)點(diǎn)處；

步驟二，實(shí)施檢測(cè)過(guò)程：

步驟1

分別運(yùn)用聲振法和紅外檢測(cè)技術(shù)對(duì)隧道襯砌潛在剝落剝離和鋼筋銹脹兩種隱性病害進(jìn)行檢測(cè)，并將隱性病害信息和里程樁號(hào)同時(shí)存儲(chǔ)于信息采集系統(tǒng)中；

步驟2

將采集得到的隧道襯砌表層病害信息，包括由材料老化和由鋼筋銹脹引起的隧道襯砌潛在剝落剝離，在數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中集成上述信息，并繪制出對(duì)應(yīng)有里程樁號(hào)的隧道襯砌表層病害的空間信息分布圖，同時(shí)在圖中標(biāo)注出潛在剝落剝離可能性、范圍、尺寸及深度和鋼筋銹脹部位及范圍，實(shí)現(xiàn)了隧道襯砌表層病害的全面、快速檢測(cè)，并獲得直觀反映病害信息的可視化圖形；

所述步驟1，具體包括：

步驟1-1

采用聲振法檢測(cè)隧道襯砌表面的隱性缺陷，確定隧道襯砌表面隱性缺陷的剝離范圍、剝離量、脫空深度和脫空層體積；

步驟1-1-1

將隧道襯砌淺層內(nèi)部的裂縫和脫空層視為表面隱性缺陷，由此誘發(fā)的潛在剝落剝離混凝土結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為薄板結(jié)構(gòu)，并以直徑為D、厚度為h的圓柱體將其定義為薄板單元，薄板與隧道整體結(jié)構(gòu)之間空氣層即為表面隱性缺陷，將該空氣層定義為缺陷單元，假定缺陷與薄板范圍一致，即半徑為R，厚度設(shè)為d；通過(guò)公式1確定不同薄板尺寸所對(duì)應(yīng)的諧振頻率f_i，即i＝1，2，……，n，n為薄板尺寸種類數(shù)；

公式(1)：

式(1)中：f_i為不同尺寸下薄板單元的理論諧振頻率，h為薄板單元的厚度，D為薄板單元的直徑，E為薄板單元處的混凝土彈性模量，ρ為薄板單元處的混凝土密度，v為薄板單元處的混凝土泊松比；

步驟1-1-2，包括：

步驟1-1-2-1

將理論諧振頻率作一定范圍的加減，該范圍為后續(xù)信號(hào)發(fā)射器掃頻信號(hào)的輸入范圍，表示為U_ik＝[f_ik-x，f_ik+x]；

步驟1-1-2-2

建立振動(dòng)速度與不同掃頻信號(hào)的關(guān)系曲線，分別記為F_ik1(f_ika，v_ik1)、F_ik2(f_ikb，v_ik2)和F_ik3(f_ikc，v_ik3)；

步驟1-1-2-3

在薄板中心點(diǎn)，即第1個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)速度-掃頻信號(hào)關(guān)系曲線F_ik1(f_ika，v_ik1)中找出最大振動(dòng)速度v_ik1m及其對(duì)應(yīng)的掃頻信號(hào)f_ikam，將該掃頻信號(hào)f_ikam依次代入第2個(gè)和第3個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)速度-掃頻信號(hào)關(guān)系曲線F_ik2(f_ikb，v_ik2)和F_ik3(f_ikc，v_ik3)中獲得對(duì)應(yīng)的掃頻信號(hào)f_ikbm-1、f_ikcm-1和振動(dòng)速度v_ik2m-1、v_ik3m-1；

步驟1-1-3結(jié)合物體表面震動(dòng)速度

步驟1-1-3-1

重復(fù)步驟1-1-2-1至步驟1-1-2-3，獲得有效的輸入U(xiǎn)_ik掃頻信號(hào)，特定尺寸下必須依賴的震動(dòng)速度，以及該震動(dòng)速度下的輪廓尺寸；

步驟1-1-3-2

在薄板厚度h與缺陷厚度d一定的條件下，建立薄板直徑D與第1點(diǎn)振動(dòng)速度的函數(shù)關(guān)系G₁(D，v_ik1m-1)，同時(shí)將所有第1點(diǎn)振動(dòng)速度各自對(duì)應(yīng)的掃頻信號(hào)取并集，記為W₁；在薄板直徑D與缺陷尺寸d一定的條件下，建立薄板厚度h與第1點(diǎn)振動(dòng)速度的函數(shù)關(guān)系G₂(h，v_ik1m-1)，同時(shí)將所有第1點(diǎn)振動(dòng)速度各自對(duì)應(yīng)的掃頻信號(hào)取并集，記為W₂；在薄板直徑D和薄板厚度h一定的條件下，建立缺陷厚度d與第1點(diǎn)振動(dòng)速度的函數(shù)關(guān)系G₃(d，v_ik1m-1)，同時(shí)將所有第1點(diǎn)振動(dòng)速度各自對(duì)應(yīng)的掃頻信號(hào)取并集，記為W₃；

步驟1-1-3-3

將所述步驟1-1-3-2中的掃頻信號(hào)集合W₁、W₂和W₃取并集，提取出所得掃頻信號(hào)集合的最大值f_max和最小值f_min，將最大值和最小值包絡(luò)的掃頻信號(hào)范圍記為M＝[f_min，f_max]；

步驟1-1-4

將根據(jù)所述步驟1-1-3-3中確定的掃頻信號(hào)范圍M輸入至信號(hào)發(fā)射器中，經(jīng)功率放大器放大，由長(zhǎng)距離聲波發(fā)射器向隧道襯砌表面發(fā)射聲波，采用二維掃描式多普勒激光測(cè)振儀對(duì)隧道襯砌表面進(jìn)行隔點(diǎn)掃描，采集各點(diǎn)振動(dòng)速度，并在數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中繪制出該區(qū)域的掃描點(diǎn)振動(dòng)速度熱量分布圖，提取圖形中特征點(diǎn)的振動(dòng)速度，代入所述步驟1-1-3-2中的薄板直徑D、薄板厚度h和缺陷厚度d的函數(shù)關(guān)系G₁(D，v_ik1m-1)、G₂(h，v_ik1m-1)和G₃(d，v_ik1m-1)中，從而確定薄板直徑D、薄板厚度h和缺陷厚度d，將上述參數(shù)對(duì)應(yīng)代入公式(2)至(5)即可確定出隧道襯砌表面隱性缺陷的剝離范圍、剝離量、脫空深度和脫空層體積；

公式(2)，剝離范圍A：

公式(3)，剝離量V₁：

公式(4)，脫空深度H，即空氣層幾何中心距隧道襯砌表面的垂直距離：

公式(5)，脫空層體積V₂：

公式(6)，脫空層周長(zhǎng)C：C＝πD

即隧道襯砌表層潛在剝落剝離缺陷的剝離范圍、剝離量、脫空深度和脫空層周長(zhǎng)；

步驟1-1-5

根據(jù)步驟1-1-4中檢測(cè)的隧道襯砌表層潛在剝落剝離部位，借助高清相機(jī)對(duì)剝落剝落部位的裂縫特征進(jìn)行檢測(cè)，并分析得到剝落剝離部位在襯砌表面的裂縫總長(zhǎng)C₁；

步驟1-1-6

基于步驟1-1-4和1-1-5中檢測(cè)得到隧道襯砌表層潛在剝落剝離部位的裂縫特征和脫空層周長(zhǎng)，將兩者做比值得到隧道襯砌表面裂縫總長(zhǎng)和脫空層周長(zhǎng)之比C₂，具體公式如下：

公式(7)，隧道襯砌表面裂縫總長(zhǎng)和脫空層周長(zhǎng)之比C2：

根據(jù)隧道襯砌表面裂縫總長(zhǎng)和脫空層周長(zhǎng)之比C₂判定該部位的剝落剝離可能性，具體判定方法為：

(1)隧道襯砌表面裂縫總長(zhǎng)和脫空層周長(zhǎng)之比C2≥2/3時(shí)，被檢測(cè)部位將要發(fā)生剝離，應(yīng)立即采取整治措施；

(2)隧道襯砌表面裂縫總長(zhǎng)和脫空層周長(zhǎng)之比1/3≤C2＜2/3時(shí)，被檢測(cè)部位可能發(fā)生剝離，應(yīng)及時(shí)采取整治措施；

(3)隧道襯砌表面裂縫總長(zhǎng)和脫空層周長(zhǎng)之比C2小于1/3時(shí)，被檢測(cè)部位將來(lái)可能發(fā)生剝落剝離，應(yīng)針對(duì)該部位進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤檢測(cè)，如有發(fā)展應(yīng)及時(shí)采取整治措施；

步驟1-2

運(yùn)用紅外檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)隧道襯砌潛在的鋼筋銹脹部位和銹脹程度，同時(shí)運(yùn)用拍攝法量測(cè)銹脹裂縫寬度和長(zhǎng)度；

步驟1-2-1

建立鋼筋銹脹程度S與銹脹部位平均溫度T_avg的關(guān)系曲線；

步驟1-2-1-1

獲取各個(gè)紅外熱像圖中鋼筋銹脹部位顯示的溫度分布特征T+ΔT_i，預(yù)先設(shè)定判斷鋼筋銹脹病害部位的溫度閾值范圍U_T＝[T+ΔT_min，T+ΔT_max]；

步驟1-2-1-2

基于所獲取的各試件鋼筋銹脹部位的溫度分布特征T+ΔT_i計(jì)算出該部位的平均溫度T_avg＝(T+ΔT_i)/2，從而建立鋼筋銹脹程度S與該部位平均溫度T_avg的關(guān)系曲線，記為第一關(guān)系曲線，擬合公式如公式(8)所示，鋼筋銹脹程度S：S＝A₁+A₂T_avg+A₃T_avg²，式(8)中：A₁、A₂和A₃為通過(guò)基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的常數(shù)；

步驟1-2-1-3

根據(jù)所設(shè)定的溫度閾值范圍U_T＝[T+ΔT_min，T+ΔT_max]從實(shí)際隧道襯砌表面的紅外熱像圖中提取出潛在的鋼筋銹脹部位以及該部位的平均溫度，并基于已建立的第一關(guān)系曲線初步確定鋼筋銹脹程度S；

步驟1-2-2

借助三維激光掃描儀檢測(cè)相鄰銹脹鋼筋之間產(chǎn)生臨界銹脹裂縫時(shí)的變形判定區(qū)間U_δ，并定義鋼筋銹脹引起的潛在剝落剝離可能性的初步判據(jù)；

鋼筋銹脹引起的潛在剝落剝離可能性初步判據(jù)為：

定義相鄰銹脹鋼筋之間產(chǎn)生臨界銹脹裂縫各自的變形增量分別為δ₁和δ₂；

(1)銹脹鋼筋處的襯砌表面變形增量且δ≯max{δ₁，δ₂}，則不存在潛在剝落剝離的可能性；

(2)銹脹鋼筋處的襯砌表面變形增量δ∈U_δ，或δ＞max{δ₁，δ₂}，則存在潛在剝落剝離的可能性；

步驟1-2-3

基于步驟1-2-2中所述的鋼筋引起的潛在剝落剝離的初步判定，若存在剝落剝離的可能性，需借助高清相機(jī)拍攝銹脹部位隧道襯砌表面的裂縫特征進(jìn)一步判定潛在剝落剝離的發(fā)展趨勢(shì)，所述裂縫特征包括順筋裂縫和縱向裂縫，同時(shí)記錄順筋裂縫總長(zhǎng)D₁和縱向裂縫總長(zhǎng)D₂；

鋼筋銹脹引起的潛在剝落剝離的發(fā)展趨勢(shì)判據(jù)具體為：

(1)順筋裂縫總長(zhǎng)小于順筋與縱向裂縫長(zhǎng)度之和的1/3時(shí)，即D₁＜(D₁+D₂)/3，被檢測(cè)部位將來(lái)可能發(fā)生剝落剝離，應(yīng)針對(duì)該部位進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤檢測(cè)，如有發(fā)展應(yīng)及時(shí)采取整治措施；

(2)順筋裂縫總長(zhǎng)介于順筋與縱向裂縫長(zhǎng)度之和的1/3至2/3之間時(shí)，即(D₁+D₂)/3≤D₁＜2(D₁+D₂)/3，被檢測(cè)部位可能發(fā)生剝離，應(yīng)及時(shí)采取整治措施；

(3)順筋裂縫總長(zhǎng)大于等于順筋與縱向裂縫長(zhǎng)度之和的2/3時(shí)，即D₁≥2(D₁+D₂)/3，被檢測(cè)部位將要發(fā)生剝離，應(yīng)立即采取整治措施；

步驟1-2-4

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，利用大功率紅外脈沖熱激勵(lì)源將待測(cè)隧道襯砌表面加熱至溫度上限閾值T+ΔT_max，采集反映襯砌表面溫度分布狀況的原始紅外熱像圖，對(duì)原始紅外熱像圖進(jìn)行增強(qiáng)處理，獲得凸顯溫度分布特征的紅外熱像圖，基于所述步驟1-2-1-1中的溫度閾值范圍U_T判斷潛在鋼筋銹脹部位，根據(jù)所述步驟1-2-1-3中的第一曲線關(guān)系確定鋼筋銹脹程度S_測(cè)；

在初步確定鋼筋銹脹部位后，借助三維激光掃描儀對(duì)銹脹鋼筋部位的襯砌表面變形進(jìn)行檢測(cè)，基于所述步驟1-2-2中的相鄰銹脹鋼筋產(chǎn)生臨界銹脹裂縫時(shí)的變形判定區(qū)間Uδ初步判定鋼筋銹脹引起潛在剝落剝離的可能性；若存在鋼筋銹脹引起潛在剝落剝離的可能性，采用拍攝法，基于所述步驟1-2-3中鋼筋銹脹引起的潛在剝落剝離的發(fā)展趨勢(shì)判據(jù)進(jìn)行確定剝落剝離的發(fā)展趨勢(shì)。