一种铁路隧道衬砌损伤的实时地震检测系统及方法

1.本发明涉及隧道检测技术领域，具体涉及一种以通过隧道的正常行驶列车为震源，对隧道衬砌进行实时地震检测的装置及方法，及时发现隧道衬砌有可能出现损伤的位置。


背景技术：

2.衬砌指的是为防止围岩变形或坍塌，沿隧道洞身周边用钢筋混凝土等材料修建的永久性支护结构，衬砌损伤是指由于水害、冻害、不良地质等原因造成的开裂、变形、剥落等，衬砌损伤是隧道病害的主要形式，破坏了隧道结构的稳定性，危及行车安全，尤其是近年来，随着高速铁路建设的飞速发展，隧道衬砌损伤已经成为交通安全的重大隐患，一方面是因为高铁快速通过隧道时造成的气压波动和列车载荷振动会加速衬砌疲劳损伤的速度，另外一方面，高速行驶的列车一旦遭遇剥落、掉块等，其损失也远高于普速列车。
3.现有的隧道衬砌检测技术包括：1）探地雷达技术，利用车载地质雷达进行扫描检测可以有效探查衬砌内的空洞和积水，缺点是工作量比较大，费事费力，且不能实现实时监测；2）三维激光扫描技术，可以通过处理多次扫描得到的数据，对任意地方发生的变形量进行前后比较，客服了由于光线不足导致人肉眼难以观测的问题；3）冲击回波技术，除了传统的人工敲击探测，近年还提出了一些车载敲击装置，比如专利文献cn201610854251.5提出一种车载敲击声波探测方法，可探测衬砌内的空洞等，专利文献cn109278772a提出的也是一种车载隧道壁敲击探测技术，该方法受水分和钢筋的影响较小，对于检测缺陷和脱空有着优势；4）红外探测技术，这种方法在检测衬砌渗漏水方面有一定的效果，不过目前应用较少；5）光纤光栅技术，该方法可以较好地对隧道的结构变形以及渗漏水情况进行检测，并且可以对隧道进行实时的监测和在线传输，尤其对高风险区域 能进行很好的监测数据实时传导，缺点是安装比较困难；6）高清摄像技术，利用摄像机对隧道内影像进行拍摄，然后利用各种数据处理算法对收集到的图像进行分析，从而判断隧道内发生的各类病害，美国shrp2提出整合探地雷达，红外热成像仪和高清视频图像系统多种技术互相对比验证的车载探测系统，该系统的主要缺点也是不能实现实时监测；以上这些方法大部分都需要在隧道内无列车通过时择时开展，探测方法的实施大都是逐点进行或逐断面进行的，对于通车比较繁忙的隧道就不太适应，因为临时关闭隧道的费用昂贵，以上方法中只有光纤形变检测方法可以实现实时检测，它的缺点是传感器的铺设比较难，而且容易受到温度和振动的影响。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种传感器安装简单的铁路隧道衬砌损伤的实时地震检测系统及方法。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：包括如下步骤：s1、在隧道两端分别设置有用于定位列车位置的定位装置，两个定位装置之间均
匀设置有多个地震检波器；s2、根据列车进出隧道通过两个定位装置的时刻，计算列车速度，按照匀速计算，得到列车在隧道内的各地震检波器的时刻；s3、隧道包括衬砌层及围岩层，列车产生地震波，地震波在衬砌层产生尾波，地震波在围岩层中产生体波，各地震检波器分别得到对列车行驶前后的体波及尾波随时间的振幅关系；s4、将s3中得到的体波随时间的振幅关系用于验证s2中列车在隧道内的各地震检波器的时刻的正确与否；s5、将相邻地震检波器所检测体波及尾波的数据利用互相关方法计算相邻地震检波器之间的地震响应；s6、利用高通滤波消除低频声波干扰，提高尾波的信噪比；s7、将s6中的信号作为参考信号，其中的尾波作为参考尾波；s8、每驶过一列列车，重复步骤s2～s6，记录每次获得的尾波作为后续信号并与参考信号相对比；s9、从后续信号中截取对衬砌损伤敏感的尾波时段，再利用高通滤波选取最敏感的尾波频段，得到后续尾波；s
10
、将参考尾波作为基准，后续尾波与基准尾波再次做互相关，获得尾波干涉结果；s
11
、在隧道空间立体图上绘制每一对相邻地震检波器之间的尾波干涉值，尾波无变化的其互相关干涉值接近1，相位接近0；尾波出现变化的，其互相关干涉值明显低于1，相位明显偏离0；s
12
、将每一次列车通过获得的尾波干涉探测结果排列起来动态播放，可视化地观察隧道衬砌的波速变化演化，及时发现衬砌损伤的部位。
6.通过采用上述技术方案，将列车作为震源实际为被动源地震探测方法，被动源地震探测是一种利用“机会”震源对介质内部变化进行长期重复探测的方法，重复探测可以通过对比前后两次探测结果发现介质波速的变化区域，介质波速变化的区域往往就是结构遭受破坏或应力集中的危险区域，基于被动地震探测原理，在隧道内的衬砌层表面布置地震检波器，利用每一列驶过隧道的列车发出的地震波为被动震源，可实现隧道衬砌损伤的长期监测；列车驶入时激发的地震波场，其震相主要有体波和多次散射波，体波沿着围岩层快速传播，而多次散射波主要发育于衬砌层内，对于比较完整均匀的岩体，多次散射波不发育，此时主要利用体波检测介质变化，对于隧道衬砌层，因为经常发生背后空洞、注浆不密实、衬砌厚度不足的病害，是一种散射介质，因而可以利用多次散射波，即尾波，检测介质变化，通常，多次散射波（尾波）检测介质变化的灵敏度要高出体波一个数量级，这是因为这种波在介质内经过了多次散射，行进路线长、携带介质信息充分、视速度慢；因为多次散射波在介质内经历了比较长的传播路径，在地震图上处于尾部，经常也被称为尾波；列车的位置可以由定位装置判断并根据列车匀速移动的条件，计算列车通过各个地震检波器时的时刻，而列车位置也可以直接从地震记录中判断：地震波的振幅越大说明列车距离地震检波器越近；因为多普勒效应，列车驶来时地震波和声波频率升高，车身驶过
时段频率平稳，车尾驶过后频率降低，两种列车定位方法可以相互补充，提高方法的鲁棒性；本方案与现有的检测方法相比，一旦装置铺设完毕就不需要频繁进入隧道检测，工作量显著降低；本方案为实时检测，能及时发现隧道衬砌层损伤，避免因检测不及时造成的损失；地震方法可探测介质内部的变化，比表面检测方法提早发现损伤的发生；地震方法是一种遥测方法，虽然地震检波器的布置是离散的，却可以实现对隧道面的全检测；以列车本身的震动为震源，无需再提供敲击震源。
7.本发明进一步设置为：所述的s5中采用的数据为列车驶离时对地震检波器产生的体波及尾波的数据。
8.通过采用上述技术方案，利用互相关提取两个地震检波器位置之间的地震响应是一种比较成熟的方法，但是从连续随机震源地震信号中提取的地震响应往往存在信噪比不够高的困扰，对于隧道内两个相邻地震检波器对来说，随着列车驶来，接收到的地震波信号越来越强，当车头到达地震检波器的位置时振幅达到最大值，在列车驶过地震检波器的时间段内地震信号的振幅维持稳定，而当车尾驶过后振幅开始快速下降，如果截取列车驶入前的地震记录作为参考信号提取尾波，尾波恰好处于后续强噪音的覆盖下，提取的尾波信噪比往往不能满足要求，如果截取列车驶离阶段的地震记录作为参考信号，因为后续的直达波能量快速降低，能够提取到信噪比更高的尾波信号。
9.本发明进一步设置为：隧道内设置有数据分析处理仪，数据分析处理仪上设置尾波干涉的自动预警阈值，自动化地提出预警，报告有可能出现衬砌层损伤的部位。
10.本发明进一步设置为：所述的地震检波器包括固定于隧道顶部的顶部检测组及固定于隧道侧壁的侧部检测组，地震检波器与数据分析处理仪之间采用通信电缆联通。
11.通过采用上述技术方案，地震检波器一般可以用3条地震测线组成，隧道顶部一条，隧道壁每侧一条，对于截面积比较大的隧道，可以通过增加测线条数进行加密，比如顶部一条，隧道壁每侧两条，每条地震测线都沿着隧道延伸方向排列，最佳道间距通过试验确，将地震检波器固定在衬砌表面的方法有两种：一种是在衬砌表面开一个圆柱形小孔将地震检波器嵌入，另外一种是直接用混凝土将地震检波器粘接在衬砌上，地震数据通过通信电缆传输到隧道外，地震数据的传输用“时分复用”总线，可以实现各道数据的并行同步采集。
12.本发明进一步设置为：所述的两个定位装置之间还具有多个定位装置且地震检波器均匀分布于相邻定位装置之间，定位装置采用红外线定位。
13.通过采用上述技术方案，为了保证地震信号有足够高频率的成分，同时有足够高的能量，要选取列车刚刚驶离、距离地震检波器不太远的地震信号进行处理，如果隧道比较长，为了满足上述要求，需要对隧道地震数据进行分段处理，比如每100米作为一段，以保证地震信号能量强、高频成分也没有被大量衰减。
附图说明
14.图1为本发明总体地震检测系统示意图；图2为本发明中列车驶来时发出的地震波场示意图；图3为本发明中列车驶离时发出的地震波场示意图；
图4为本发明列车驶来时体波与尾波振幅对比示意图；图5为本发明列车驶离时体波与尾波振幅对比示意图；图6为本发明中关于体波及尾波的参考信号及后续信号的对比图；图7为本发明中参考尾波及后续尾波的对比图。
具体实施方式
15.下面将结合附图对本发明的技术方案行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
17.其中：列车1；隧道2；衬砌层21；围岩层22；地震检波器3；通信电缆4；数据分析处理仪5；地震波6；体波61；尾波62；定位装置7；参考信号81；车头到达地震检波器的时间82；体波振幅83；车尾到达地震检波器的时间84；尾波振幅85。
18.如图1-7所示，本发明公开了一种铁路隧道衬砌损伤的实时地震检测系统及方法，包括如下步骤：s1、在隧道2两端分别设置有用于定位列车1位置的定位装置7，两个定位装置7之间均匀设置有多个地震检波器3；s2、根据列车1进出隧道2通过两个定位装置7的时刻，计算列车1速度，按照匀速计算，得到列车1在隧道2内的各地震检波器3的时刻；s3、隧道2包括衬砌层21及围岩层22，列车产生地震波6，地震波6在衬砌层21产生尾波62，地震波6在围岩层22中产生体波61，各地震检波器3分别得到对列车1行驶前后的体波61及尾波62随时间的振幅关系；s4、将s3中得到的体波61随时间的振幅关系用于验证s2中列车1在隧道2内的各地震检波器3的时刻的正确与否；s5、将相邻地震检波器3所检测体波61及尾波62的数据利用互相关方法计算相邻地震检波器3之间的地震响应；s6、利用高通滤波消除低频声波干扰，提高尾波62的信噪比；s7、将s6中的信号作为参考信号，其中的尾波62作为参考尾波62；s8、每驶过一列列车1，重复步骤s2～s6，记录每次获得的尾波62作为后续信号并与参考信号相对比；s9、从后续信号中截取对衬砌损伤敏感的尾波62时段，再利用高通滤波选取最敏感的尾波62频段，得到后续尾波62；s
10
、将参考尾波62作为基准，后续尾波62与基准尾波62再次做互相关，获得尾波62干涉结果；s
11
、在隧道2空间立体图上绘制每一对相邻地震检波器3之间的尾波62干涉值，尾
波62无变化的其互相关干涉值接近1，相位接近0；尾波62出现变化的，其互相关干涉值明显低于1，相位明显偏离0；s
12
、将每一次列车1通过获得的尾波62干涉探测结果排列起来动态播放，可视化地观察隧道2衬砌的波速变化演化，及时发现衬砌损伤的部位；将列车1作为震源实际为被动源地震探测方法，被动源地震探测是一种利用“机会”震源对介质内部变化进行长期重复探测的方法，重复探测可以通过对比前后两次探测结果发现介质波速的变化区域，介质波速变化的区域往往就是结构遭受破坏或应力集中的危险区域，基于被动地震探测原理，在隧道2内的衬砌层21表面布置地震检波器3，利用每一列驶过隧道2的列车1发出的地震波6为被动震源，可实现隧道2衬砌损伤的长期监测；列车1驶入时激发的地震波6场，其震相主要有体波61和多次散射波，体波61沿着围岩层22快速传播，而多次散射波主要发育于衬砌层21内，对于比较完整均匀的岩体，多次散射波不发育，此时主要利用体波61检测介质变化，对于隧道衬砌层21，因为经常发生背后空洞、注浆不密实、衬砌厚度不足的病害，是一种散射介质，因而可以利用多次散射波，即尾波62，检测介质变化，通常，多次散射波（尾波62）检测介质变化的灵敏度要高出体波61一个数量级，这是因为这种波在介质内经过了多次散射，行进路线长、携带介质信息充分、视速度慢；因为多次散射波在介质内经历了比较长的传播路径，在地震图上处于尾部，经常也被称为尾波62；列车1的位置可以由定位装置7判断并根据列车1匀速移动的条件，计算列车1通过各个地震检波器3时的时刻，而列车1位置也可以直接从地震记录中判断：地震波6的振幅越大说明列车1距离地震检波器3越近；因为多普勒效应，列车1驶来时地震波6频率升高，车身驶过时段频率平稳，车尾驶过后频率降低，两种列车1定位方法可以相互补充，提高方法的鲁棒性；本方案与现有的检测方法相比，一旦装置铺设完毕就不需要频繁进入隧道2检测，工作量显著降低；本方案为实时检测，能及时发现隧道衬砌层21损伤，避免因检测不及时造成的损失；地震方法可探测介质内部的变化，比表面检测方法提早发现损伤的发生；地震方法是一种遥测方法，虽然地震检波器3的布置是离散的，却可以实现对隧道2面的全检测；以列车1本身的震动为震源，无需再提供敲击震源。
19.所述的s5中采用的数据为列车1驶离时对地震检波器3产生的体波61及尾波62的数据，利用互相关提取两个地震检波器3位置之间的地震响应是一种比较成熟的方法，但是从连续随机震源地震信号中提取的地震响应往往存在信噪比不够高的困扰，对于隧道2内两个相邻地震检波器3对来说，随着列车1驶来，接收到的地震波6信号越来越强，当车头到达地震检波器3的位置时振幅达到最大值，在列车1驶过地震检波器3的时间段内地震信号的振幅维持稳定，而当车尾驶过后振幅开始快速下降，如果截取列车1驶入前的地震记录作为参考信号提取尾波62，尾波62恰好处于后续强噪音的覆盖下，提取的尾波62信噪比往往不能满足要求，如果截取列车1驶离阶段的地震记录作为参考信号，因为后续的直达波能量快速降低，能够提取到信噪比更高的尾波62信号。
20.隧道2内设置有数据分析处理仪5，数据分析处理仪5上设置尾波62干涉的自动预警阈值，自动化地提出预警，报告有可能出现衬砌层21损伤的部位。
21.所述的地震检波器3包括固定于隧道2顶部的顶部检测组及固定于隧道2侧壁的侧部检测组，地震检波器3与数据分析处理仪5之间采用通信电缆4联通，地震检波器3一般可以用3条地震测线组成，隧道2顶部一条，隧道2壁每侧一条，对于截面积比较大的隧道2，可
以通过增加测线条数进行加密，比如顶部一条，隧道2壁每侧两条，每条地震测线都沿着隧道2延伸方向排列，最佳道间距通过试验确，将地震检波器3固定在衬砌表面的方法有两种：一种是在衬砌表面开一个圆柱形小孔将地震检波器3嵌入，另外一种是直接用混凝土将地震检波器3粘接在衬砌上，地震数据通过通信电缆4传输到隧道2外，地震数据的传输用“时分复用”总线，可以实现各道数据的并行同步采集。
22.所述的两个定位装置7之间还具有多个定位装置7且地震检波器3均匀分布于相邻定位装置7之间，定位装置7采用红外线定位，为了保证地震信号有足够高频率的成分，同时有足够高的能量，要选取列车1刚刚驶离、距离地震检波器3不太远的地震信号进行处理，如果隧道2比较长，为了满足上述要求，需要对隧道2地震数据进行分段处理，比如每100米作为一段，以保证地震信号能量强、高频成分也没有被大量衰减。