一种墙体中脱空区域快速检测方法

本发明涉及工程隐患无损检测领域，特别涉及一种墙体中脱空区域快速检测方法。

背景技术：

1、隧道墙体或衬砌脱空是指隧道墙体内部的材料或结构出现空洞或脱落的现象。这种现象可能会带来以下危害：结构安全风险：隧道墙体的脱空会导致墙体结构的减弱和不稳定，增加了墙体倒塌或坍塌的风险。如果墙体倒塌，可能会导致隧道的封闭或严重损坏，对隧道使用和交通运输造成严重影响。交通事故风险：隧道墙体脱空会导致墙体表面的材料或碎片掉落，可能会对隧道内行驶的车辆和行人造成伤害。掉落的材料或碎片可能会砸到车辆或行人，引发交通事故或人身伤害。火灾扩散风险：隧道墙体脱空会影响隧道的防火性能，使火灾在隧道内迅速蔓延。脱空的墙体可能会提供火势蔓延的通道，增加火灾的扩散速度和范围，增加隧道内人员的生命安全风险等。

2、由于脱空区域位于墙体的下面，因此人们无法从表面状态直接判定，修复时往往采用经验法，并没有针对性，而且对于未出现脱空的墙体强行注浆，会对原来接触良好的墙体产生扰动。现有的腔体脱空状态检测如专利号为201910925049.0的路面层间结构脱空状态检测方法、系统及使用方法，包括：震源激发步骤：通过激发震源敲击路面产生弹性波；阵列式数据采集步骤：利用阵列式布置的检波器采集激发震源在路面产生的弹性波数据；波形评估步骤：去除弹性波数据中的噪声影响，计算弹性波的冲击能量，通过冲击能量评价路面脱空状态；三维模型重构步骤：重构脱空状态的三维模型。该现有技术随测点变动逐点变换震源激发点，激发方式为瞬态激发，容易受到激发点着力不均匀影响，而且接收点需要保持与瞬态震源的相对距离不变而逐点移动，在实际作业中往往难以兼顾；传感器和震源距离小，近场效应明显，干扰因素多；通过接收信号幅度或强度参数分析，受震源点激励效果不一影响大，综上，现有技术对于墙体中脱空检测准确性不高。

技术实现思路

1、发明的目的在于提供一种墙体中脱空区域快速检测方法，解决了现有技术对于墙体中脱空检测准确性不高的问题。

2、本发明是这样实现的，一种墙体中脱空区域快速检测方法，所述检测方法包括以下步骤：

3、步骤一、在距离待测墙体区域一定距离处布置连续冲击的机械震源，震源冲击激励墙体产生地震波，墙体与多个地震传感器耦合，多个地震波传感器沿设定测线连续运动且输出信号传至地震波信号连续记录仪；

4、步骤二、地震波信号连续记录仪分别对各个震动信号进行记录，通过窗口频谱分析方法提取地震波信号不同频率能量或振幅信息；

5、步骤三、根据不同频率能量和振幅异常信息关联识别墙体内脱空或松散介质特征，完成墙体中脱空隐患快速检测。

6、本发明中震源激励点的位置固定，在检测点变动时震源不随检测点运动，为稳态激励，激励地震波均匀，而且接收点固定只有传感器移动，检测结果受到接收点和检测点的影响小，保证了检测结果的准确性；同时本发明中震源距离检测区域的距离属于远场接收，同时通过连续信号的变频特性进行分析，既保证了地震波的频带宽度，又保证了地震波信号在时间上的稳定性，为连续采集提供了支持，保证了检测作业效率且解释结果可靠。

7、本发明中传感器移动，地震波传感器接收传感器的信号，通过窗口频谱分析获取地震波信号不同频率能量或振幅信息，然后通过该信息异常情况与墙体内脱离或松散介质特征关联，对墙体的脱空隐患进行检测，这个过程中，操作简单且处理方便快捷。

8、本发明的工作原理：冲击激励地震波有较宽的频带，近源时以球面扩散的方式传播，远源时在介质表面以近似平面波传播，在墙体表面一定深度范围，广泛分布着较强能量并覆盖一定频带宽度的瑞利面波，远场时相对稳定，衰减慢。当近墙体表面有脱空或松散隐患时，脱空或松散体会产生共振现象，共振信号的频率和幅度大小关联脱空或松散体的大小、形状和大致深度。

9、采用震源逐次激励或者逐点沿着测线移动地震波传感器，地震波记录仪逐点测量一定时长的地震波信号，再逐个对地震波信号进行频谱分析的模式，亦可开展脱空检测。

10、无需人工激励震源，利用环境中的地震波噪声信号作为信号源，采集隧道墙面上的地震波信号，利用地震波信号进行频谱分析，获得脱空区域分布特征。

11、本发明的进一步技术方案是：所述步骤一中，机械震源与待测墙体的距离范围为拟探测最大脱空体等效直径的10-50倍；

12、或者机械震源与待测墙体的距离范围为有效弹性波最大波长的5-20倍。

13、在这个范围内的机械震源能使得地震波在介质表面以近似平面波传播，在墙体表面一定深度范围，广泛分布着较强能量并覆盖一定频带宽度的瑞利面波，远场时相对稳定，衰减慢。而且激发源激发地震波的远场进行隐患检测，避开了震源干扰。

14、本发明的进一步技术方案是：所述步骤一中，耦合包括接触耦合和非接触耦合。

15、传感器与墙体采用接触耦合，所用传感器为压电传感器、磁电式传感器或电容式传感器等；传感器与隧道表面采用非接触耦合，所用传感器为光电传感器、声电传感器等。

16、所述地震波传感器为数字传感器，采用数字传感器检测墙体表面震动，所述数字传感器与地震波记录仪之间的信号连接为无线通讯连接。地震波记录仪位置可固定。

17、本发明的进一步技术方案是：所述步骤一中，地震波传感器连接有滚轮的一端与墙体表面接触，地震波传感器另一端与移动承载设备弹性连接。

18、地震波传感器通过滚轮沿着墙体表面运动，同时通过弹性件连接保证地震波传感器与墙体在运动过程中保持耦合。

19、机械震源采用接触冲击方式，冲击对象为围岩或隧道表面固体介质结构，产生向包括隧道墙体在内的介质中扩散传播的地震波(单次激励地震波的有效频段范围在几赫兹到几百赫兹或千赫兹级别)。

20、震源可以用非接触式的声发射装置(如高音喇叭)，直接在隧道空气中连续发射声波频段的声波作为激励方式，检测技术人员要做听觉保护。

21、本发明的进一步技术方案是：所述步骤二中，所述窗口频谱分析方法为：按照时间步长dt对以其为中心的时间窗口宽度dt内的震动信号进行滑动式频谱分析，提取按dt时间步长获得的由高频到低频的地震波信号能量或者振幅信息。

22、采用一定步长的移窗式频谱分析方法提取不同频率地震波信号的能量或振幅特征，直接关联脱空隐患的大小规模和近似深度，算法简便，解译方便。

23、本发明的进一步技术方案是：所述时间步长dt的计算为：dt＝s/v；其中，地震波传感器沿测线移动速度为v，沿着测线空间分辨率为s。

24、本发明的进一步技术方案是：所述时间窗口宽度dt为冲击重复震源周期t0的整数倍，连续冲击的机械震源的冲击频率为f0，冲击重复震源周期t0＝1/f0。

25、采用机械震源，保证震源的稳定性和连续性，具有连续重复激励特征(重复激励频率百赫兹左右-在频谱分析时间窗口宽度dt为冲击重复震源周期t0的整数倍时，确保传感器连续采集信号有相同的震源属性)。

26、本发明的进一步技术方案是：所述窗口频谱分析方法包括傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换或熵谱分析算法。

27、窗口频谱分析方法用于提取不同地震波频率成分的能量或振幅信息。

28、本发明的进一步技术方案是：地震波传感器与地震波信号连接记录仪通过无线通讯连接。

29、本发明的进一步技术方案是：所述步骤三中，基于波长＝声波在空气中的波速/频率的换算关系；其中波速单位m/s，波长单位m，频率单位hz，根据不同能量或振幅异常的频率信息关联脱空隐患大小的基本判据：

30、(1)对于脱空薄层缺陷，薄层厚度近似为异常频率通过所述换算关系公式换算成的波长的一半；

31、(2)对于腔体缺陷，将其大小等效为球腔直径，腔体缺陷直径近似为异常频率通过所述换算公式换算成的波长；或参考基频与直径的关系图可知对应腔体缺陷的几何尺寸；

32、缺陷内如果有充填介质，所述换算关系公式中声波在空气中的波速替换为相应介质的波速，波长为相应介质的弹性波波长。

33、根据不同的脱空区域，先预判该区域的脱空类型，然后根据薄层缺陷和腔体缺陷的基本判据分别对缺陷的具体情况进行判断。其中关于基频与直径的关系图是本领域已知的技术，如图3所示。

34、相对低频、幅度较低、空间边界上(沿测线)衰减较慢的异常，可能对应更深、更大的脱空隐患；相对高频、幅度较强、空间边界上(沿测线)衰减较快的异常，对应更浅、更小的脱空隐患。脱空隐患的中心对应频率域异常幅度最大的测试点，脱空隐患的边界基本与频率域异常幅度衰减的测线拐点位置对应。

35、本发明的进一步技术方案是：所述步骤一中，采用逐点测量的方式，传感器在墙体表面经停时段采集一段时长地震波记录，再按步骤二、三捕获脱空异常区域和分析异常尺度特征。

36、本发明还提供一种墙体中脱空区域快速检测方法的应用，所述检测方法应用于工程隧道、建筑墙体以及采矿巷道顶底板。

37、本发明的有益效果：本发明中震源激励点的位置固定，在检测点变动时震源不随检测点运动，为稳态激励，激励地震波均匀，而且接收点固定只有传感器移动，检测结果受到接收点和检测点的影响小，保证了检测结果的准确性；同时本发明中震源距离检测区域的距离属于远场接收，同时通过连续信号的变频特性进行分析，既保证了地震波的频带宽度，又保证了地震波信号在时间上的稳定性，为连续采集提供了支持，保证了检测作业效率且解释结果可靠。

38、本发明中传感器移动，地震波传感器接收传感器的信号，通过窗口频谱分析获取地震波信号不同频率能量或振幅信息，然后通过该信息异常情况与墙体内脱离或松散介质特征关联，对墙体的脱空隐患进行检测，这个过程中，操作简单且处理方便快捷。