本發(fā)明涉及隧道工程檢測(cè)，尤其是涉及一種基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)譜的管片注漿層厚度非接觸檢測(cè)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、在河流沖積平原地帶，地下土質(zhì)松軟，土壤含水量較大，這種地質(zhì)條件十分有利于采用盾構(gòu)法挖掘隧道，盾構(gòu)機(jī)在工作過程中將隧道挖掘、隧道管壁鋪設(shè)以及管片壁后注漿等多道工序同步施工，顯著提高施工效率。其中的注漿工序的主要目的是填充管片與土層的間隙，抑制隧道周邊地層松弛，防止地層產(chǎn)生變化。注漿量不足、注漿層厚度過小時(shí)會(huì)導(dǎo)致管壁空隙得不到充分的填充，地層產(chǎn)生形變，注漿量過多、注漿層厚度過大時(shí)漿液從盾尾或注漿孔溢出，甚至發(fā)生管片上浮現(xiàn)象。壁后注漿層厚度直接影響隧道周圍地層沉降及隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。因此，針對(duì)盾構(gòu)管片壁后注漿層厚度的檢測(cè)尤其重要。

2、盾構(gòu)管片注漿施工之后，對(duì)注漿層的檢測(cè)屬于隱蔽工程，相關(guān)的檢測(cè)方法有鉆芯法。鉆芯法是用專用的取芯機(jī)械在的盾構(gòu)管片上開窗，鉆取芯樣并分析注漿層厚度。取芯操作會(huì)對(duì)盾構(gòu)管片造成一定的損壞，而且設(shè)備笨重、操作不便、經(jīng)濟(jì)性較差。超聲波法是基于分層界面引發(fā)的反射回波的聲時(shí)延遲來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體厚度檢測(cè)，一般超聲波波長較短，穿透能力較弱，對(duì)盾構(gòu)管片之類的大型結(jié)構(gòu)檢測(cè)較為困難，即便是加大超聲波的波長，提高超聲波的穿透能力，但檢測(cè)精度會(huì)下降，檢測(cè)結(jié)果的可靠性不高。探地雷達(dá)法通過電磁波進(jìn)行檢測(cè)，此方法的檢測(cè)結(jié)果是一系列雷達(dá)掃描圖像，需要檢測(cè)人員豐富的經(jīng)驗(yàn)才能憑借圖像做出結(jié)構(gòu)界面的準(zhǔn)確判別。而且，盾構(gòu)管片內(nèi)部存在密集鋼筋籠，電磁波作用在金屬材料上會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的反射，從而掩蓋掉注漿層界面引發(fā)的反射信號(hào)。因此，探地雷達(dá)法檢測(cè)盾構(gòu)管片注漿層厚度困難較大，對(duì)檢測(cè)人員的能力和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)要求非常高。

3、除上述方法以外，沖擊回波法是一種比較常用的混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法，該方法的基本原理是采用球形沖擊錘在盾構(gòu)管片表面進(jìn)行錘擊從而激發(fā)彈性波，彈性波在結(jié)構(gòu)物底面跟頂面之間來回反復(fù)反射而生成信號(hào)，將此時(shí)間域信號(hào)通過快速傅里葉變換等頻域分析技術(shù)轉(zhuǎn)換為反映頻率域特征的頻譜圖。該方法檢測(cè)結(jié)果會(huì)受到操作者錘擊力度和方向的影響，人為因素較大，不同的操作者的檢測(cè)結(jié)果會(huì)完全不同，結(jié)果一致性很差。但是，通過沖擊回波法可獲取盾構(gòu)管片注漿結(jié)構(gòu)的共振頻率，潘永東發(fā)表的文章《沖擊回波法對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬與應(yīng)用》中也曾指出該特征與盾構(gòu)管片注漿層厚度關(guān)系密切。因此，檢測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)譜分析其共振頻率特征也是盾構(gòu)管片注漿層厚度檢測(cè)的一種有效途徑。

4、基于此，本領(lǐng)域仍需進(jìn)一步研究，摒除人工錘擊激勵(lì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)，并基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)譜中的共振頻率檢測(cè)盾構(gòu)管片壁后注漿層厚度的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了提供一種提高盾構(gòu)管片厚度檢測(cè)的準(zhǔn)確度和可靠性的基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)譜的管片注漿層厚度非接觸檢測(cè)系統(tǒng)及方法。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

3、一種基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)譜的管片注漿層厚度非接觸檢測(cè)系統(tǒng)，包括喇叭、激光干涉儀光學(xué)頭、功放、信號(hào)發(fā)生器、激光干涉儀控制箱、電源和集成有激勵(lì)控制軟件的筆記本電腦，所述喇叭與功放連接，所述激光干涉儀光學(xué)頭與激光干涉儀控制箱，所述功放與信號(hào)發(fā)生器連接，所述信號(hào)發(fā)生器和激光干涉儀控制箱均與筆記本電腦連接，所述信號(hào)發(fā)生器、功放和激光干涉儀控制箱均連接電源，所述信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生掃頻激勵(lì)信號(hào)，掃頻激勵(lì)信號(hào)通過功放由喇叭播放出，并作用在盾構(gòu)管片及其注漿層上，引發(fā)振動(dòng)，再通過激光干涉儀光學(xué)頭與激光干涉儀控制箱進(jìn)行同步采集并輸入筆記本電腦中的激勵(lì)控制軟件上進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)管片注漿層厚度非接觸檢測(cè)。

4、進(jìn)一步地，所述檢測(cè)系統(tǒng)安裝在移動(dòng)軌道車上。

5、進(jìn)一步地，所述信號(hào)發(fā)生器通過trs線纜與功放連接。

6、進(jìn)一步地，還包括三腳架，所述三腳架用于支撐所述激光干涉儀光學(xué)頭。

7、本發(fā)明還提供一種根據(jù)上述所述的基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)譜的管片注漿層厚度非接觸檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法，包括以下步驟：

8、1)確定n個(gè)待檢測(cè)盾構(gòu)管片以及每個(gè)待檢測(cè)盾構(gòu)管片上的m個(gè)檢測(cè)點(diǎn)；

9、2)調(diào)整所述喇叭、激光干涉儀光學(xué)頭以對(duì)準(zhǔn)待檢測(cè)盾構(gòu)管片上的檢測(cè)點(diǎn)；

10、3)在筆記本電腦中的激勵(lì)控制軟件上設(shè)置掃頻激勵(lì)信號(hào)掃頻范圍和頻率檢測(cè)點(diǎn)數(shù)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生掃頻激勵(lì)信號(hào)，所述掃頻激勵(lì)信號(hào)輸入到功放中，再由喇叭發(fā)出掃頻聲振信號(hào)，并作用在待檢測(cè)盾構(gòu)管片及其注漿層上，引發(fā)振動(dòng)；

11、4)激光干涉儀光學(xué)頭與激光干涉儀控制箱同步采集作用在所述待檢測(cè)盾構(gòu)管片及其注漿層上的掃頻聲振信號(hào)，并輸入所述筆記本電腦中的激勵(lì)控制軟件上進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得到檢測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)譜；

12、5)重復(fù)步驟2)-4)m-1次以完成待檢測(cè)盾構(gòu)管片上m個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)；

13、6)根據(jù)m個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)譜求平均，得到平均振動(dòng)譜，作為待檢測(cè)盾構(gòu)管片注漿層的振動(dòng)譜；

14、7)基于所述平均振動(dòng)譜進(jìn)行分析和計(jì)算，得到待檢測(cè)盾構(gòu)管片注漿層厚度；

15、8)重復(fù)步驟2)-7)n-1次以完成所有待檢測(cè)盾構(gòu)管片注漿層厚度的檢測(cè)。

16、進(jìn)一步地，在步驟2)和步驟3)之間還包括以下步驟：

17、開啟激光干涉儀光學(xué)頭與激光干涉儀控制箱，以示蹤光點(diǎn)位于檢測(cè)點(diǎn)處，并調(diào)整激光干涉儀光學(xué)頭的焦距和傾角，以調(diào)整反射強(qiáng)度；

18、開啟喇叭、功放和信號(hào)發(fā)生器，調(diào)整掃頻激勵(lì)信號(hào)強(qiáng)度。

19、進(jìn)一步地，所述檢測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)譜通過激勵(lì)控制軟件采用時(shí)頻轉(zhuǎn)換算法處理得到的。

20、進(jìn)一步地，所述待檢測(cè)盾構(gòu)管片注漿層的振動(dòng)譜表示為：

21、

22、式中，ai為第i個(gè)盾構(gòu)管片注漿結(jié)構(gòu)的振動(dòng)譜，m為盾構(gòu)管片上的待測(cè)點(diǎn)數(shù)量，aij為第i個(gè)盾構(gòu)管片注漿結(jié)構(gòu)上第j個(gè)待測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)譜。

23、進(jìn)一步地，步驟7)中，所述得到待檢測(cè)盾構(gòu)管片注漿層厚度的步驟包括：

24、對(duì)所述平均振動(dòng)譜進(jìn)行分析，獲得待檢測(cè)盾構(gòu)管片注漿層的共振頻率；

25、計(jì)算所述待檢測(cè)盾構(gòu)管片注漿層的共振頻率相對(duì)于單獨(dú)盾構(gòu)管片的共振頻率的偏移量；

26、基于所述偏移量與注漿層厚度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到所述待檢測(cè)盾構(gòu)管片注漿層的厚度。

27、進(jìn)一步地，所述偏移量的計(jì)算表達(dá)式為：

28、δfi＝fi-f0

29、式中，δfi為盾構(gòu)管片共振頻率fi相對(duì)于單獨(dú)管片結(jié)構(gòu)共振頻率f0的偏移。

30、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

31、(1)本發(fā)明檢測(cè)系統(tǒng)通過信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生掃頻激勵(lì)信號(hào)，再通過功放和喇叭播放輸出聲振信號(hào)，并作用在盾構(gòu)管片及注漿層上引發(fā)其振動(dòng)，再通過激光干涉儀采集振動(dòng)并分析，創(chuàng)新性地將聲振激勵(lì)和激光非接觸式檢測(cè)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的激發(fā)和感知，檢測(cè)全程不接觸盾構(gòu)管片，避免了人工敲擊的操作，不僅排除了檢測(cè)人員的主觀因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，檢測(cè)結(jié)果具有更高的準(zhǔn)確度和可靠性。

32、(2)本發(fā)明檢測(cè)方法采用先進(jìn)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集處理，通過對(duì)各管片各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)譜分別進(jìn)行比較分析以檢測(cè)注漿層厚度，同時(shí)可以集成在已有的隧道巡檢裝置，由此實(shí)現(xiàn)一種高效、穩(wěn)定、方便操作的無損檢測(cè)方式。

33、(3)本發(fā)明通過檢測(cè)盾構(gòu)管片注漿結(jié)構(gòu)的振動(dòng)譜來評(píng)估其結(jié)構(gòu)屬性，基于聲振激勵(lì)和激光測(cè)振實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的非接觸式激發(fā)和感知，操作方便、執(zhí)行高效、結(jié)果準(zhǔn)確，且實(shí)施過程采用非接觸式方法，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的操作，提高現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的便捷性。