盾构隧道超宽频带弹性波抗干扰注浆检测方法及系统

本发明属于盾构隧道工程无损检测，具体涉及一种盾构隧道超宽频带弹性波抗干扰注浆检测方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

2、盾构法隧道施工作业中，管片壁后注浆是控制地层沉降、保障隧道结构稳定性与防水性能的核心工序。该工序全程在地下隐蔽环境下实施，易出现注浆不饱满、壁后脱空或地下水侵入等质量缺陷。若上述缺陷未能被及时准确检测并通过二次注浆修复，将对隧道的长期安全运营构成重大隐患。

3、本公开发明人及本领域技术人员经长期工程实践发现，现有无损检测技术在盾构隧道壁后注浆质量检测中存在两大难以突破的技术瓶颈：其一，地质雷达等电磁波检测方法受管片内部密集钢筋网的强屏蔽效应影响，电磁波难以有效穿透至管片背侧，存在检测盲区；其二，传统冲击弹性波法（如敲击回波法）主要激发低频窄频带信号，而盾构管片存在大量接缝、拼装螺栓孔及手孔，会引发复杂的波形散射、绕射与模态转换，形成强结构干扰噪声。传统窄频弹性波易与上述干扰回波发生混叠，导致壁后注浆体厚度及缺陷边界的识别精度极低，存在高频分辨率不足与低频抗干扰性差的固有矛盾，易产生误判。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中窄频带弹性波穿透力与分辨率无法同时兼顾，以及盾构管片接缝等结构噪声干扰严重的技术问题，本发明提供了一种盾构隧道超宽频带弹性波抗干扰注浆检测方法及系统，通过采用超宽频带扫频激振技术与多维域联合抗干扰滤波算法，实现了对盾构隧道壁后注浆质量的高精度、抗干扰智能评价。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种盾构隧道超宽频带弹性波抗干扰注浆检测方法。

4、一种盾构隧道超宽频带弹性波抗干扰注浆检测方法，包括以下过程：

5、结合布设的包含超宽频带激振源、多通道高频宽带接收传感器的弹性波检测阵列，基于标定操作获取有效纵向体波视速度范围、注浆体群速度模型、参考频谱、分类阈值；

6、控制超宽频带激振源发射线性扫频弹性波信号，通过多通道高频宽带接收传感器采集得到原始时空波场信号；

7、对原始时空波场信号做频率-波数域变换，利用有效纵向体波视速度范围构建二维滤波掩膜，通过二维滤波掩膜执行干扰抑制，得到初滤波场；

8、对初滤波场开展形态学分量分析，剔除结构干扰纹理分量，重构得到目标反射波场；

9、从目标反射波场提取传播时间差、品质因数、相位偏转角、高频能量衰减率、反射能量比、透射能量比之中的至少三项特征参数，结合注浆体群速度模型，利用特征参数计算注浆层厚度，依据特征参数与分类阈值判定注浆体状态；

10、绑定检测点信息、参考频谱关联标定信息生成注浆质量评价结果。

11、在本发明第一方面的一种实现方式中，线性扫频弹性波信号为磁致伸缩扫频激振输出信号，线性扫频弹性波信号包含用于深部探测的低频段分量以及用于局部缺陷高分辨率探测的高频段分量；

12、将原始时空波场信号做二维傅里叶变换得到频率-波数域波场，依据频率-波数域波场中各波场分量的频率、波数计算传播视速度；

13、采用二维滤波掩膜对传播视速度不在有效纵向体波视速度范围的管片表面波、结构散射波做衰减或置零处理，逆变换得到初滤波场。

14、作为本发明第一方面进一步的限定，将初滤波场分解为平滑体波分量、纹理分量，依据纹理分量对应空间位置、传播方向、传播视速度、到达时间识别结构干扰纹理分量，剔除结构干扰纹理分量，保留平滑体波分量、非结构干扰的异常纹理分量，重构得到目标反射波场。

15、在本发明第一方面的一种实现方式中，提取品质因数的过程，包括：

16、获取目标反射波场的待测点频谱与参考频谱，求取待测点频谱与参考频谱二者的频谱比对数，将频谱比对数相对频率做线性拟合，基于拟合得到的斜率运算得到待测区域品质因数，结合注浆密实标定区品质因数运算得到归一化品质因数指标。

17、在本发明第一方面的一种实现方式中，提取相位偏转角的过程，包括：

18、对待测点目标反射信号、注浆密实标定区参考信号分别做希尔伯特变换得到两组解析信号，由两组解析信号分别得到待测信号瞬时相位、参考信号瞬时相位，对两组瞬时相位做相位展开与周期归一化处理得到相位差，将相位差作为相位偏转角。

19、在本发明第一方面的一种实现方式中，提取高频能量衰减率的过程，包括：

20、分别求取待测点目标反射波、注浆密实标定区参考信号在预设高频频段内的待测点高频能量、参考区高频能量，依据待测点高频能量、参考区高频能量运算得到高频能量衰减率。

21、在本发明第一方面的一种实现方式中，计算注浆层厚度的过程，包括：

22、获取管片与注浆层界面反射波、注浆层与地层界面反射波之间的传播时间差，读取注浆体群速度模型输出的中心频率处注浆体群速度，结合弹性波在注浆层内部的传播角度，运算得到注浆层厚度。

23、在本发明第一方面的一种实现方式中，依据分类阈值判定注浆体状态，包括：

24、当相位偏转角落入预设角度区间且归一化品质因数指标低于分类阈值内第一阈值，则判定为空气脱空，当相位偏转角未落入预设角度区间且高频能量衰减率高于分类阈值内第二阈值，则判定为含水缺陷，当反射能量比低于分类阈值内第三阈值且透射能量比高于分类阈值内第四阈值，则判定为注浆密实，当多个特征参数输出的判定结果相互冲突，则判定为疑似异常。

25、在本发明第一方面的一种实现方式中，生成注浆质量评价结果，包括：

26、将各个检测点的空间坐标、注浆层厚度、注浆体状态、特征参数做绑定，对绑定后的数据开展空间插值运算，生成盾构隧道注浆层三维展开图，输出缺陷中心位置、缺陷范围以及建议复核位置。

27、第二方面，本发明提供了一种盾构隧道超宽频带弹性波抗干扰注浆检测系统。

28、一种盾构隧道超宽频带弹性波抗干扰注浆检测系统，包括：

29、标定获取单元，被配置为：结合布设的包含超宽频带激振源、多通道高频宽带接收传感器的弹性波检测阵列，基于标定操作获取有效纵向体波视速度范围、注浆体群速度模型、参考频谱、分类阈值；

30、波场采集单元，被配置为：控制超宽频带激振源发射线性扫频弹性波信号，通过多通道高频宽带接收传感器采集得到原始时空波场信号；

31、频域滤波单元，被配置为：对原始时空波场信号做频率-波数域变换，利用有效纵向体波视速度范围构建二维滤波掩膜，通过二维滤波掩膜执行干扰抑制，得到初滤波场；

32、波场重构单元，被配置为：对初滤波场开展形态学分量分析，剔除结构干扰纹理分量，重构得到目标反射波场；

33、参数解析单元，被配置为：从目标反射波场提取传播时间差、品质因数、相位偏转角、高频能量衰减率、反射能量比、透射能量比之中的至少三项特征参数，结合注浆体群速度模型，利用特征参数计算注浆层厚度，依据特征参数与分类阈值判定注浆体状态；

34、评价生成单元，被配置为：绑定检测点信息、参考频谱关联标定信息生成注浆质量评价结果。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

36、本发明针对盾构隧道管片钢筋屏蔽、管片接缝与螺栓孔带来波形散射干扰，传统弹性波检测难以兼顾探测穿透力与缺陷识别分辨率的现实问题，通过布设弹性波检测阵列并完成标定，得到后续处理所需的各类标定参数。本发明发射线性扫频弹性波信号采集原始时空波场信号，开展频率-波数域变换构建二维滤波掩膜完成初步干扰抑制，再借助形态学分量分析剔除结构干扰纹理分量，重构得到目标反射波场，可降低管片结构带来的杂波对有效反射信号的影响。

37、本发明从目标反射波场中提取多项特征参数，结合注浆体群速度模型完成注浆层厚度计算，再依据分类阈值完成注浆体状态判定，改变了仅依靠单一信号指标开展评价的方式，可区分空气脱空、含水缺陷、注浆密实以及疑似异常多种工况。本发明将检测点信息与标定信息进行绑定，生成注浆质量评价结果，能够输出注浆层厚度以及缺陷相关评价信息，为盾构隧道管片壁后注浆质量评估提供数据支撑，便于工作人员掌握壁后注浆实际状况，辅助开展后续复核处置工作。

38、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。