一种基于滚动式超声波装置的隧道衬砌网格化精检方法及系统与流程

本发明涉及隧道衬砌质量检测，尤其涉及一种基于滚动式超声波装置的隧道衬砌网格化精检方法及系统。

背景技术：

1、受地质水文条件、材料因素、施工工艺、施工装备等因素的影响，隧道衬砌可能存在空洞、不密实、厚度不足等不易直观看到的质量缺陷，在应力重分布、温湿度变化、气动载荷等条件的作用下在特定时间易发生隧道衬砌病害，影响隧道的质量安全及服役寿命。

2、无损检测技术是评判隧道衬砌内部缺陷隐患的重要手段。根据《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》(tb 10223—2004)，超声波检测法可对衬砌混凝土强度、内部裂缝、空洞、含水和钢筋分布等项目进行检测。超声波检测法是近年发展起来的混凝土无损检测技术，由可发射和接收声波的天线及专用分析软件组成，通过天线与被测物体的耦合接触获得超声波振幅与波速等信息，进而指示被测物体内部性质变化。目前国内外混凝土超声检测设备主要用于原位检测，采样精度较低，多点检测时需要反复布点，逐个接收采样数据，工作量大。同时，传统的混凝土超声检测设备只能对所接收的一维信号分析处理和人工判读，工作效率低、可靠性较差，直接从一维信号中获得关于混凝土内部质量的描述还存在相当大的难度和不确定性，一般要求仪器操作者具有相当的工作经验。这已成为严重制约混凝土超声检测手段普及与发展的主要原因之一。相较而言，基于滚动式超声波扫描技术通过持续覆盖技术实现对混凝土的快速检测，通过自动成像算法，检测精度较高，能够实时直观地展现混凝土内部情况。

3、目前应用超声波检测仪进行衬砌质量检测主要依靠人工托举的方式，对于衬砌拱部肩部等部位还需要由机械臂托举检测人员进行高空作业，安全性差、工作量大、强度高、效率低、稳定性差。而且该技术为原位检测，目前检测设备及方式只能实现单点检测，主要用于对特定区域进行验证性检验，无法开展对隧道衬砌的全覆盖精检。

4、并且现有技术中多采用平面式超声波检测设备，要想得到精确稳定的检测结果，需要保障其平面扫描端各部位与隧道衬砌表面有着均匀的距离，然而隧道衬砌结构具备弧度特征，难以实现均匀稳定的测量，需要繁杂的计算设置工作，对检测装置扫描端的尺寸要求比较精密，且检测数据的真实性和精确性存在一定的风险。

5、综上，现有基于超声波检测的隧道衬砌检测技术及装备在效率、准确性、信息化等方面仍存在一定的问题，无法快速实时地获得连续全覆盖衬砌质量识别结果。

6、公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成己为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、为解决上述问题，为了及时有效地对衬砌内部缺陷进行主动的整治养护，保障隧道衬砌质量及运营安全，需在缺陷发展为病害之前准确地识别出衬砌内部缺陷的发展规模、空间分布等特征。本发明提出一种基于滚动式超声波装置的隧道衬砌网格化精检方法，基于网格化精检台车，对隧道进行网格化划分，进而采用特定的扫描方式对整个隧道衬砌空间进行全覆盖扫描精检，在实现衬砌全覆盖高精度连续检测的同时保证快速的检测效率。一个优选的实施例中，所述方法包括：

2、装置准备步骤、将滚动式超声检测装置固定设置在网格化精检台车的支撑机构上，构成隧道衬砌的精检扫描机构，所述精检台车的支撑机构可沿隧道径向伸缩，保障检测装置始终贴合衬砌表面；

3、扫描网格设置步骤、根据滚动式超声检测装置的尺寸对整体的隧道衬砌面，划分网格，用于定位扫描检测数据的位置；

4、网格化精检扫描步骤、从设定扫描方式中选取一种利用精检扫描机构对隧道衬砌进行全覆盖扫描，贴着衬砌表面滚动采集隧道衬砌检测数据；所述设定扫描方式包括主纵向扫描、主环向扫描和纵向环向组合扫描；

5、检测数据传输步骤、在网格化扫描的过程中，将检测得到的数据实时地上传到现场的检测主机，同时通过无线通信方式实时地将检测数据传输至远端服务器系统；

6、超声数据处理步骤、基于现场隧道内各网格的空间位置对检测得的各网格单元衬砌检测数据进行空间重构，获得整个隧道衬砌空间的整体衬砌检测数据，进而以信噪比和分辨率为优化目标对衬砌检测数据优化处理；

7、衬砌缺陷识别步骤、依据优化后的衬砌检测数据，利用超声波数据识别方法进行解译，识别存在的不同衬砌缺陷并输出缺陷类型和缺陷状态数据；衬砌缺陷包括：空洞、裂缝、含水、强度不足、不密实、厚度不足及钢筋分布现象。

8、优选地，一个实施例中，在扫描网格设置步骤中，根据滚动式超声检测装置扫描结构的尺寸将整体的隧道衬砌结构划分成多个网格空间单元，网格空间单元的纵向边长和环向边长选取与检测装置尺寸的差值绝对值满足设定范围的值，实际操作时，可以将待扫描的隧道衬砌结构视为矩形的展布平面进行划分，网格划分后的隧道衬砌数据传达给网格化精检台车，精检扫描机构执行扫描的过程中能够自动就能够生成与位置信息关联的超声检测数据，位置信息为精检扫描机构不同时刻所处位置相对于整体隧道衬砌的纵向坐标和环向坐标数据。

9、实际应用时，一个实施例中，网格化精检扫描步骤中，当选取主环向扫描方式对隧道衬砌进行全覆盖扫描时，包括：

10、基于单个网格单元的纵向尺寸将整体的隧道衬砌结构划分成多个均匀的环向测线空间；

11、控制网格化精检台车托举滚动式超声检测装置贴合衬砌表面，沿着当前环向测线空间逐网格连续滚动实现扫描检测；

12、沿单个环向测线空间完成隧道环向起点端侧边墙到末尾端侧边墙的扫描后，按照预设的纵向步长移动到下一个环向测线空间，沿弓字形往返实现整体隧道衬砌的扫描检测。

13、另一方面，一个实施例中，网格化精检扫描步骤中，当选取主纵向扫描方式对隧道衬砌进行全覆盖扫描时，包括：

14、基于单个网格单元的环向尺寸将整体的隧道衬砌结构划分成多个均匀的纵向测线空间；

15、控制网格化精检台车托举滚动式超声检测装置贴合衬砌表面，沿着当前纵向测线空间逐网格连续滚动实现扫描检测；

16、沿单个纵向测线空间完成隧道纵向起点端到末尾端的扫描后，按照预设的环向步长移动到下一个纵向测线空间，沿弓字形往返实现整体隧道衬砌的扫描检测。

17、作为本发明的进一步改进，一个实施例中，在网格化精检扫描步骤中，当选取纵向环向组合扫描方式对隧道衬砌进行全覆盖扫描时，包括：

18、识别当前隧道衬砌结构中没有弧度特征的部分作为无弧度区，剩余的隧道衬砌区域作为弧度区；

19、对无弧度区采用主纵向扫描方式，基于单个网格单元的环向尺寸将无弧度区分成多个均匀的纵向测线空间，控制网格化精检台车托举滚动式超声检测装置贴合衬砌表面，沿着纵向测线空间逐网格连续滚动实现扫描检测，沿单个纵向测线空间完成隧道纵向起点端到末尾端的扫描后，按照预设的环向步长移动到下一个纵向测线空间，沿弓字形往返实全部无弧度区的扫描检测；

20、对弧度区采用主环向扫描方式，基于单个网格单元的纵向尺寸将弧度区分成多个均匀的环向测线空间；控制网格化精检台车托举滚动式超声检测装置贴合衬砌表面，沿着环向测线空间逐网格连续滚动实现扫描检测；沿单个环向测线空间完成隧道环向起点端侧边墙到末尾端侧边墙的扫描后，按照预设的纵向步长移动到下一个环向测线空间，沿弓字形往返实现全部弧度区的扫描检测。

21、进一步地，一个实施例中，所述方法还包括步长设置步骤，在执行检测之前按照下述操作预先设计检测的移动步长：

22、分别针对纵向和环向选取滚动式超声检测装置的相邻实际检测空间的设置要求，包括连续相邻、重叠相邻或间隔相邻，其中，纵向和环向可对应不同的设置要求；

23、根据设置要求，结合检测网格单元尺寸与滚动式超声检测装置尺寸的关系分别设计纵向移动步长和环向移动步长。

24、一个可选的实施例中，在超声数据处理步骤中，对检测得的各网格单元衬砌检测数据进行空间重构的过程包括：

25、采用加权插值、radon变换或压缩感知技术按照检测网格所处的空间位置对网格化扫描的检测数据进行三维重构，体现隧道衬砌缺陷在空间上的连续展布特征。

26、优选地，一个实施例中，在超声数据处理步骤中，对重构后的衬砌检测数据优化处理的过程包括：

27、通过合成孔径聚焦成像三维数据处理方法实现优化处理后整体衬砌内部数据的三维表达，得到整体隧道衬砌的高质量超声检测数据。

28、进一步地，一个实施例中，所述方法还包括：

29、可视化展示步骤、将滚动式超声检测装置得到的检测数据和识别得到的衬砌缺陷状态数据耦合体现在隧道衬砌结构的三维图像中，得到衬砌缺陷的空间分布，并以立体展示图和平面展布图的方式显示。

30、基于上述任意一个或多个实施例中所述方法的应用方面，本发明还提供一种基于滚动式超声波装置的隧道衬砌网格化精检系统，该系统执行如上述任意一个或多个实施例中所述的方法。

31、与最接近的现有技术相比，本发明还具有如下有益效果：

32、本发明提供的一种基于滚动式超声波装置的隧道衬砌网格化精检方法，将滚动式超声检测装置与网格化精检台车综合作为隧道衬砌的精检扫描机构，按照设定扫描方式贴合隧道衬砌表面滚动采集整体隧道衬砌的超声波检测数据；采用滚动式超声检测装置不需要频繁的放下和提起操作，直接贴合衬砌结构滚动扫描，操作更顺畅，且扫描结果稳定性更佳；

33、对隧道衬砌进行网格划分，根据检测装置扫描端的尺寸设置网格纵向和环向的尺寸值，使不同位置扫描得到的超声波数据相对于整体隧道具备清楚精确的空间定位信息，便于与隧道空间结构进行耦合展示；

34、另外的，执行全覆盖扫描检测时，其扫描的步长可以根据需求调控，实现不同连接效果的全覆盖扫描，可以实现不同网格精度的全覆盖精检；

35、进一步地，本发明扫描时将检测得到的数据实时地上传到现场的检测主机和远端服务器系统；保证了数据的标准化与可靠性，避免线下拷贝数据期间数据的篡改；

36、另外本发明基于网格的空间位置对检测得的各网格单元衬砌内部数据进行三维重构，并经过优化处理后通过合成孔径聚焦成像三维数据处理方法实现检测数据的三维表达，基于此利用超声数据识别衬砌内部缺陷；能够有效表现出隧道衬砌背后缺陷在空间上的连续分布特征，提高数据解译、缺陷识别的精度与准确性，实现衬砌检测数据的准确归位与快速识别，促进了超声波扫描法衬砌缺陷检测技术的智能化与标准化发展，在实现衬砌高精度连续检测的同时保证快速的检测效率。

37、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。