高精度盾构隧道壁注浆检测系统及方法与流程

高精度盾构隧道壁注浆检测系统及方法
1.技术领域
2.本公开涉及隧道建造技术领域，尤其涉及高精度盾构隧道壁注浆检测系统及方法。
3.

背景技术：

4.盾构隧道壁注浆完成后需要检测注浆厚度、注浆密度等，通常通过探地雷达进行相关检测，具体为通过发射天线向待检测区域发射高频电磁波，并通过接收天线接收反射的电磁波，因电磁波在地下介质中传播时，遇到存在电性差异的界面就会发生反射，因而可以根据接收到的电磁波的波形、振幅强度和时间变化特征等信息，确定待检测区域的地下介质的空间位置、结构、形态和厚度。
5.然而针对盾构机管片注浆来说，如果外侧岩壁属性（主要是介电常数等）与注浆接近时，反射波的相变较小，无法分辨注浆的厚度和密度。并且，盾构机管片是由钢筋混凝土制成，钢筋骨架形成网状结构，厘米级的结构尺寸与厘米级的电磁波的波长存在较为明显的衍射现象，会对反射波造成明显的干扰，降低了探测的准确度。此外，由于电磁波的穿透性较弱，会造成回波信号较弱，难以准确识别。
6.

技术实现要素：

7.为克服相关技术中由于受筋骨架形成网状结构衍射干扰及电磁波穿透性影响，导致盾构隧道壁注浆探测准确性较低的问题，本公开提供高精度盾构隧道壁注浆检测系统及方法。
8.根据本公开实施例的第一方面，提供一种高精度盾构隧道壁注浆检测系统，包括：控制模块、与所述控制模块通信连接的多个探测模块，其中，每一所述探测模块包括多个声音发射单元和与每一所述声音发射单元对应设置的声音接收单元；其中，每一所述探测模块中的所述多个声音发射单元设置在阶梯状的高度不同的发射基座上；所述控制模块用于，控制所述多个声音发射单元向被检测区域发出预设频率的出射声波信号，并控制所述声音接收单元接收经所述被检测区域反射的反射声波信号，并根据接收到的相同频率的所述出射声波信号与所述反射声波信号的时间差、不同发射平面的高度差以及所述出射声波信号的传播速度，确定所述待检测区域的注浆属性信息。
9.在其中一个实施例中，所述多个探测模块之间发出的声音的频率不同、且每一探测模块中的多个声音发射单元发出的声音的频率相同。
10.在其中一个实施例中，所述发射基座之间的高度差不同、且所述发射基座之间的距离不同。
11.在其中一个实施例中，所述多个探测模块呈直线分布，且相邻探测模块之间的间隔距离相同。
12.在其中一个实施例中，所述系统还包括：机械移动模块，所述机械移动模块与所述控制模块通讯连接，所述多个探测模块设置于所述机械移动模块上，所述多个探测模块随所述机械移动模块移动而移动检测位置；所述控制模块用于，控制所述机械移动模块沿管片轨道移动。
13.在其中一个实施例中，所述控制模块还用于，根据每一次移动所述机械移动模块后采集的所述待检测区域的注浆属性信息，得到所述盾构隧道壁的注浆属性图像。
14.根据本公开实施例的第二方面，提供一种高精度盾构隧道壁注浆检测方法，应用于第一方面中任意一项所述的控制模块，所述方法包括：控制多个探测模块中的声音发射单元向被检测区域发出预设频率的出射声波信号，每一所述探测模块包括多个声音发射单元，每一所述探测模块中的所述多个声音发射单元设置在阶梯状的高度不同的发射基座上；控制所述多个探测模块中的声音接收单元接收经所述被检测区域反射的反射声波信号，其中，所述声音接收单元与每一所述声音发射单元对应设置；根据接收到的相同频率的所述出射声波信号与所述反射声波信号的时间差、不同发射平面的高度差以及所述出射声波信号的传播速度，确定所述待检测区域的注浆属性信息。
15.在其中一个实施例中，所述多个探测模块之间发出的声音的频率不同、且每一探测模块中的多个声音发射单元发出的声音的频率相同。
16.在其中一个实施例中，所述发射基座之间的高度差不同、且所述发射基座之间的距离不同。
17.在其中一个实施例中，所述多个探测模块呈直线分布，且相邻探测模块之间的间隔距离相同。
18.在其中一个实施例中，所述方法包括：控制机械移动模块沿管片轨道移动，其中，所述多个探测模块设置于所述机械移动模块上，以使得所述多个探测模块随所述机械移动模块移动而移动检测位置。
19.在其中一个实施例中，所述方法还包括：根据每一次移动所述机械移动模块后采集的所述待检测区域的注浆属性信息，得到所述盾构隧道壁的注浆属性图像。
20.本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：通过将每一探测模块中的多个声音发射单元和与每一声音发射单元对应设置的声音接收单元设置在阶梯状的高度不同的发射基座上，并控制多个声音发射单元向被检测区域发出预设频率的出射声波信号，并控制声音接收单元接收经被检测区域反射的反射声波信号，并根据接收到的相同频率的出射声波信号与反射声波信号的时间差、不同发射平面的高度差以及出射声波信号的传播速度，确定待检测区域的注浆属性信息。可以避免钢筋骨架形成网状结构衍射干扰及电磁波穿透性影响，清晰地分辨出管片层、注浆层、岩壁层，避免电磁波反射引起的误差和回声干扰，可以提高盾构隧道壁注浆探测的准确性。
21.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
22.附图说明
23.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
24.图1是根据一示例性实施例示出的一种高精度盾构隧道壁注浆检测系统的示意图。
25.图2是根据一示例性实施例示出的高精度盾构隧道壁注浆检测方法的流程图。
26.具体实施方式
27.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
28.图1是根据一示例性实施例示出的一种高精度盾构隧道壁注浆检测系统的示意图，如图1所示，所述高精度盾构隧道壁注浆检测系统，包括：控制模块11、与所述控制模块11通信连接的多个探测模块12，其中，每一所述探测模块12包括多个声音发射单元121和与每一所述声音发射单元1201对应设置的声音接收单元122；其中，每一所述探测模块12中的所述多个声音发射单元121设置在阶梯状的高度不同的发射基座上；所述控制模块11用于，控制所述多个声音发射单元121向被检测区域发出预设频率的出射声波信号，并控制所述声音接收单元122接收经所述被检测区域反射的反射声波信号，并根据接收到的相同频率的所述出射声波信号与所述反射声波信号的时间差、不同发射平面的高度差以及所述出射声波信号的传播速度，确定所述待检测区域的注浆属性信息。
29.在本公开实施例中，每一个探测模块12由4个相同频率的声音发射单元121组成，声波源的频率为20 khz-500 khz，功率损耗范围为1300 mw-5000 mw。
30.其中，每一声音发射单元121的尺寸为直径20 mm，长度70 mm.，4个声音发射单元121以阶梯状的方式排列成一个阵列，例如，第一台阶的高度为0，第一台阶上设置有第一声音发射单元和第一声音接收单元；第二台阶位于第一台阶的右侧，第二台阶的高度为10 cm，第二台阶上的声音发射单元与第一台阶上的声音发射单元距离为5 cm，第二台阶上设置有第二声音发射单元和第二声音接收单元；第三台阶的高度为15 cm，第三台阶位于第二台阶的下方，第三台阶上的声音发射单元与第二台阶上的声音发射单元距离为10 cm，第三台阶上设置有第三声音发射单元和第三声音接收单元；第四台阶的高度为20 cm，第四台阶位于第三台阶的左侧，第四台阶上的声音发射单元与第三台阶上的声音发射单元距离为15 cm，第四台阶上设置有第四声音发射单元和第四声音接收单元。
31.声音接收单元排布方式与声音发射单元的组成相似，设置接收单一频率的反射声
音信号，即通过确定对应设置的声音发射单元的声音频率，通过滤波器等将非该声音发射单元的频率的反射声音信号进行滤除，以仅接收对应该探测模块的发射声音的频率。接收模块直接设置在相应声源模块下方70mm处，即也采用四个声音接收单元组成，接收器的尺寸为20mm的正方形截面，四个声音接收单元以10cm的均匀间距、直线方式排布。
32.工作时，例如，针对注浆属性信息中的注浆厚度，首先测试不同频率的在管片层和注浆层中的传播速度，然后将模块放置在距离管壁20 cm的轨道上，由不同台阶上的声源分别发出声波，利用波的回波时间可以得到不同介质层的厚度，发出后，第一次回波为管片层回波，时间记录为t1，声波在空气中的传播速度为v0，第二次回波为注浆层回波，记录时间为t2，声波在管片层中的传播速度为v1，第三次回波为岩壁层回波，记录时间为t3，声波在注浆层中的传播速度为v2，则注浆厚度的为：d=(t
3-t2)*v2。
33.上述系统中通过将每一探测模块中的多个声音发射单元和与每一声音发射单元对应设置的声音接收单元设置在阶梯状的高度不同的发射基座上，并控制多个声音发射单元向被检测区域发出预设频率的出射声波信号，并控制声音接收单元接收经被检测区域反射的反射声波信号，并根据接收到的相同频率的出射声波信号与反射声波信号的时间差、不同发射平面的高度差以及出射声波信号的传播速度，确定待检测区域的注浆属性信息。可以避免钢筋骨架形成网状结构衍射干扰及电磁波穿透性影响，清晰地分辨出管片层、注浆层、岩壁层，避免电磁波反射引起的误差和回声干扰，可以提高盾构隧道壁注浆探测的准确性。
34.在其中一个实施例中，所述多个探测模块之间发出的声音的频率不同、且每一探测模块中的多个声音发射单元发出的声音的频率相同。这样，可以通过多频段的声音检测待检测区域的注浆属性信息。
35.在其中一个实施例中，所述发射基座之间的高度差不同、且所述发射基座之间的距离不同。
36.在其中一个实施例中，所述多个探测模块呈直线分布，且相邻探测模块之间的间隔距离相同。
37.例如，该系统包括4个探测模块，并且4个探测模块相邻模块距离均为10cm。
38.在其中一个实施例中，所述系统还包括：机械移动模块，所述机械移动模块与所述控制模块通讯连接，所述多个探测模块设置于所述机械移动模块上，所述多个探测模块随所述机械移动模块移动而移动检测位置；所述控制模块用于，控制所述机械移动模块沿管片轨道移动。
39.本公开实施例中，可以预设每一次检测的初始位置，并从初始位置对管片的整个圆周进行检测。
40.在本公开实施例中，机械移动模块可以按照匀速移动，其中匀速移动的速度为10 cm/s，并且，从初始位置为管片顶部开始检测，并且沿四分之一圈管片轨道开始检测，其中，距离隧道壁最近的声音发射单元与隧道壁的距离为20 cm，机械移动模块的震动频率范围10~55 hz，有效承载面积为800*800 mm。
41.在其中一个实施例中，所述控制模块还用于，根据每一次移动所述机械移动模块后采集的所述待检测区域的注浆属性信息，得到所述盾构隧道壁的注浆属性图像。
42.在本公开实施例中，可以通过不同颜色代表待检测区域的注浆成分和注浆厚度，
通过移动探测模块，对盾构隧道壁的不同待检测区域进行颜色标注，进而根据不同待检测区域的注浆成分和注浆厚度具有不同的颜色，可以得到盾构隧道壁的注浆属性图像。
43.其中，由于不同高度的台阶产生了不同的距离，同一探测单元内取平均值可以更加精确地得到该范围内的注浆层厚度。再利用厚度和探测位置进行二维绘图，得到注浆层的厚度分布二维图像。此外由于设置了不同频率的位置梯度，还同时得到了频率和探测位置的二维图像，不同频率的声波，对于不同密度的介质反射率不同，探测器同步接收声波能量，可以得到注浆层对于不同频率的反射率，根据不同频率反射率与探测位置的二维图像，还可以判断注浆层的成分，凝固程度等参数。
44.上述方法通过多频率声源及探测器的设计，利用不同频率对于介质层反射能力不一样，可以很清晰地分辨出管片层（混凝土和钢筋网层）、注浆层、岩壁层等，提高了识别速度，也避免了某些频率对于管片或者注浆层、岩壁层的误差和回声干扰，可以准确、快速地确定待检测区域的注浆厚度；多个探测模块呈阶梯度排布，可以得到频率与探测位置的二维图像，不同频率的声波，对于不同密度的介质反射率不同，探测器同步接收声波能量，可以得到待检测区域对于不同频率的声音的反射率不同，进而根据不同频率的反射率与探测注浆属性信，得到盾构隧道壁的注浆属性二维图像，这样可以提供确定注浆层的成分、凝固程度等参数的准确性。
45.基于相同的发明构思，本公开实施例还提供一种高精度盾构隧道壁注浆检测方法，应用于上述的所述高精度盾构隧道壁注浆检测系统中的控制模块，参见图2所示，所述方法包括：在步骤s21中，控制多个探测模块中的声音发射单元向被检测区域发出预设频率的出射声波信号，每一所述探测模块包括多个声音发射单元，每一所述探测模块中的所述多个声音发射单元设置在阶梯状的高度不同的发射基座上；在步骤s22中，控制所述多个探测模块中的声音接收单元接收经所述被检测区域反射的反射声波信号，其中，所述声音接收单元与每一所述声音发射单元对应设置；在步骤s23中，根据接收到的相同频率的所述出射声波信号与所述反射声波信号的时间差、不同发射平面的高度差以及所述出射声波信号的传播速度，确定所述待检测区域的注浆属性信息。
46.在其中一个实施例中，所述多个探测模块之间发出的声音的频率不同、且每一探测模块中的多个声音发射单元发出的声音的频率相同。
47.在其中一个实施例中，所述发射基座之间的高度差不同、且所述发射基座之间的距离不同。
48.在其中一个实施例中，所述多个探测模块呈直线分布，且相邻探测模块之间的间隔距离相同。
49.在其中一个实施例中，所述方法包括：控制机械移动模块沿管片轨道移动，其中，所述多个探测模块设置于所述机械移动模块上，以使得所述多个探测模块随所述机械移动模块移动而移动检测位置。
50.在其中一个实施例中，所述方法还包括：根据每一次移动所述机械移动模块后采集的所述待检测区域的注浆属性信息，得到所述盾构隧道壁的注浆属性图像。
51.本领域技术人员在考虑说明书及实践本公开后，将容易想到本公开的其它实施方
案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
52.应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。