基于空固耦合地震波探测的隧道衬砌病害智能监测装置

技术领域

本发明涉及隧道病害监测技术领域，具体为基于空固耦合地震波探测的隧道衬砌病害智能监测装置。

背景技术

隧道是我国交通线路的重要组成部分之一，对隧道衬砌病害进行监测，对于保障我国交通线路的安全和通畅具有重要意义。目前，常用的两种隧道病害检测方法为车载探地雷达以及超声检测。

对于同一隧道内的某一特定区域而言，常采用超声检测的方式进行监测，但是，在超声检测中，需要以检测仪探头作为震源，进而向隧道衬砌的钢筋混凝土结构中传递超声波此时，检测仪探头内用于产生超声波的压电陶瓷片，需要在使用时持续高频率振动，因此，这些压电陶瓷片在长期的使用过程中，会由于高频率的自振而导致爆裂，进而导致设备无法正常使用。

为此，提出基于空固耦合地震波探测的隧道衬砌病害智能监测装置，其目的在于采用空气-固体耦合的方法，用声波喇叭发射扫频或编码震源，声波通过空气传播到隧道衬砌上，进而在隧道衬砌的固体壁面上激发弹性波，于是，压电陶瓷片不再需要作为震源工作，只需要作为传感器，这样就不再需要考虑自振的爆裂问题。

发明内容

本发明的目的在于提供基于空固耦合地震波探测的隧道衬砌病害智能监测装置，通过声波喇叭和弹性波接收装置，以空气-固体耦合的方式对隧道衬砌进行监测，由此避免采用压电陶瓷片作为震源而引起的压电陶瓷片自振爆裂问题，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于空固耦合地震波探测的隧道衬砌病害智能监测装置，包括：

声波喇叭，弹性波接收装置；

所述声波喇叭用于激励隧道衬砌的固体表面以产生弹性波，所述弹性波接收装置安装在隧道衬砌上，且弹性波接收装置用于接收由声波喇叭激励产生的弹性波。

所述弹性波接收装置包括盒盖，盒体，探测片；

所述盒体安装在隧道衬砌上，所述盒盖安装在盒体上，且盒盖与探测片相互配合，所述盒盖和盒体配合形成用于安装探测片的安装盒，且探测片安装在盒体内，所述探测片上设置有多个压电片。

所述探测片包括薄膜一，多个所述压电片均安装在薄膜一上。

需要预先说明的几点是，其一，本技术方案中，每个薄膜一上的多个压电片共同构成一个监测传感器组，每个监测传感器组均与用于分析监测数据的计算机系统相连接；其二，声波喇叭亦与计算机系统相连接，于是通过计算机系统的编码设置，可以使声波喇叭发射出预设的声波；其三，安装盒的形式不拘泥于常规的盒体形状，也可以采用走线槽的形状，同时，由于安装盒的作用主要是对多个压电片同时进行固定安装，于是，盒盖在与盒体配合安装完成后，盒盖应向安装有多个压电片的薄膜一提供压紧力，以将压电片压紧在衬砌壁面上。

基于以上说明，本技术方案的工作原理为，首先，通过安装盒在隧道衬砌的重点监测区域布置一对薄膜一，并且，将薄膜一上的多个压电片均通过盒盖压紧在衬砌的壁面上，接着，在该对薄膜一的外侧布置一个声波喇叭，并使声波喇叭的声波输出口对着衬砌壁面，然后，打开声波喇叭，使声波喇叭发射声波，声波通过空气传到衬砌的固体表面上，进而在衬砌的固体表面上激励一个弹性波，该弹性波沿衬砌传播，直到分别被两个薄膜一上的多个压电片接收，这些压电片在接收到该弹性波后，因产生振动而向计算机系统发出电信号，计算机系统接收到这些电信号后进行数据分析，进而形成针对该监测区域的探伤报告，至此，完成对隧道衬砌病害的一个监测过程。

在本技术方案中，将声波喇叭作为引发衬砌上的弹性波的震源，而声波喇叭与计算机系统连接，因此，震源的频段和时间函数的给定十分方便，同时，由于声波喇叭通过声波的空气-固体耦合传播的方式，在衬砌上激发弹性波，于是，声波喇叭不需要直接与衬砌接触，只需安装在隧道内并使声波喇叭对准衬砌即可，简化了震源的安装过程。

相较于目前常用的超声检测方式，本发明的震源的选择，舍弃了压电陶瓷片，而采用了声波喇叭，由此避免了压电陶瓷片在产生振动的过程中，由于自振导致的爆裂问题，提高了震源的可靠性。

再者，现有的超声检测需要将监测探头固定安装在衬砌壁面上，然而，监测探头自身在工作过程中需要发生振动，于是，在长时间使用过程中，监测探头可能由于振动导致松动，而监测探头的松动将导致其传播到衬砌上的超声波，与预设的超声波之间的误差增大，进而影响后续的数据分析。在本技术方案中，由于声波喇叭无需与衬砌固定连接，因此也就不存在这个问题。

在本方案的以上基础上，可以在制造时预先将多个压电片安装到同一个薄膜一上，由此可以简化压电片在安装设备时的安装过程，减少工人在安装本发明的过程中，取用压电片所需要的时间。具体而言，现有的压电片，除非特别定制，否则其长度尺寸通常在200mm以内，远小于隧道衬砌内壁横截面的周长长度，于是，若重点监测面积大，则需要依次取用多个压电片，而且，由于衬砌的拱顶形状制约，测量拱顶时，大尺寸的压电片难以贴合衬砌，不利于设备的安装和数据的测量，因此为保证压电片与拱顶的贴合程度，只得采用尺寸较小的压电片，于是更增多了工人取用压电片所耗费的时间；为解决这个问题，本发明在同一个薄膜一上安装多个压电片，此一举措，可以使工人在安装本发明设备时，仅需取用一次压电片，再在安装盒内以类似粘贴胶带的形式贴靠到衬砌壁面上，最后通过盒盖压紧，即可完成本发明设备的安装，简化了设备的安装过程，缩短了设备的安装时间。

值得补充说明的是，对于压变片而言，过大的尺寸不仅会使其难以贴合衬砌拱顶，还会增大其保养和存储难度，其原因在于，过大的尺寸容易由于碰撞等外力作用而导致压电片破损，而且，对于大尺寸压电片而言，单个压电片的成本较高，于是单个压变片的损坏对设备的维修成本影响较大；而通过薄膜一的设置，由以上说明可知，不论压电片数量多少，在单次安装过程中，均只需取用一次压电片，于是可以缩小单个压电片的尺寸，如此，即可降低压电片的保养和存储难度，单个压电片的损坏对设备整体的维修成本影响也将降低，并且，由于压电片均安装在薄膜一上，于是通过收卷和折叠薄膜一，可以提高这些压电片的便携性，降低保养和存储难度；进一步的，在收卷和折叠薄膜一的过程中，可以将多个压电片收入薄膜一内，因此，薄膜一在本发明存储、搬运的过程中，还可以对多个压电片起到保护作用，降低外部环境对压电片造成损害的可能性。

作为本发明的一种优选方案，多个所述压电片为细长片状，多个所述压电片两两之间相互平行安装，且多个压电片的安装方向均垂直于薄膜一的一侧边缘。

所述薄膜一上叠置有薄膜二，且多个压电片均被夹在薄膜一和薄膜二之间，所述薄膜二上开设有用于使多个压电片外露的多个通孔。所述薄膜一和薄膜二均采用塑料材质，且薄膜一与薄膜二采用熔接方式连接。

基于本优选方案，通过设定单个薄膜一上的多个压电片的形状以及安装位姿，使得薄膜一在收卷、折叠以及贴合隧道衬砌的过程中，减少压电片受到的弯矩，进而降低压电片受弯折断的可能，并且，细长片状的压电片能使薄膜一更好的贴合隧道衬砌的拱顶，以及衬砌的其它非平面，且贴合的程度随着压电片在宽度尺寸上的缩小而逐渐提高，于是，提高了本发明应用的广泛程度，同时降低了压变片受损的可能，提高了本发明的使用寿命。

然而，需要说明的是，压电片的细长片状，并非越细越好，其原因在于，虽然压电片越细，就将使得本发明贴合衬砌内壁的程度越高，但是，目前用于制作压电片的材料通常为陶瓷类材料，塑性、韧性、弹性都较低，于是，当压电片过细时，反而会使得压电片极易折断，因此，在压电片尺寸的选择上应根据实际施工需要进行强度计算。

进一步的，设置薄膜二以及多个通孔，因此，通过对薄膜一和薄膜二选取适当的宽度尺寸，可以将多个压电片完全包夹在薄膜一和薄膜二之间，并通过多个通孔，将压电片裸露出来，这意味着，在本发明的工作过程中，压电片仅有一面裸露在环境中，且压电片与导线的接点也将被完全包夹在薄膜一和薄膜二之间而与外部环境隔绝。如此设计的原因在于，隧道处于山体内，整体环境阴冷潮湿，容易导致压电片的接点处受潮发生氧化，进而影响接点处的连接强度以及导线的导电性能，而通过薄膜一和薄膜二的作用，可以将与多个压电片与导线连接的接点保护起来，避免这些接点遭受氧化损害，保证设备的稳定性，延长设备的使用寿命。

再进一步的，将薄膜一和薄膜二均使用塑料材质，由此，薄膜一和薄膜二之间的连接可以通过塑料的热熔贴合，即熔接的方式实现，方便本发明的设备生产，具体而言，可以通过连续地将压电片塑封到薄膜一和薄膜二之间，即可生产任意长度的本发明设备，有利于实现本发明的自动化生产。

除此之外，由于塑料的热熔贴合操作难度较低，于是，本发明设备的维修难度也随之降低。例如，以更换某一损坏压电片为例，只需将薄膜一通过刀具切割开，取出已损坏的压电片，再通过薄膜一上的切口安装上新的、完好的压电片，随后，在切口处覆盖上用作焊料的塑料片，再通过如打火机等加热设备加热的方式，进行热熔贴合，即完成了本发明设备的维修。由此可以发现，本发明的维修仅需要一个用作焊料的塑料片以及一个加热设备，于是，即使在偏远地区内，本发明的维修也是容易实现的。

然而，需要特别注意的是，对于压电片而言，通常使用的压电陶瓷片中，压电陶瓷材料的性能取决于温度，温度的变化会使压电陶瓷的性能发生很大的改变，例如：过高的温度会降低性能以及使用寿命。但是，在前文中提出的，本发明设备的自动化生产方法中，使用了热熔贴合的方法，这意味着在本发明的生产过程中，压电片需要承受不低于薄膜一和薄膜二熔点的温度，而现有常用的压电陶瓷片，其建议安全使用温度为-25℃～80℃，耐高温性能更好的高压压电陶瓷，其建议安全使用温度也仅为175℃左右。

诚然，国内外市场上的确存在有耐温可达260℃、460℃甚至更高温度的压电片，但是，一方面，进口产品的成本高于国内产品，另一方面，对于国内的产品，其生产单位虽然具备研制生产260℃、482℃等较高温度的多种系列压电传感器的能力，但这些产品成本也较高，通常应用于航空领域。因此，这些高耐温性能的压电片均难以在限制成本的同时，适用在隧道衬砌病害监测的领域内。

基于此原因，不妨基于市面上常规压电片的耐温范围，对薄膜一和薄膜二所采用的塑料材料进行选择，使其熔点不高于170℃，由此避免压电片在薄膜一和薄膜二的自动化热熔贴合生产过程中受到损害，有利于本发明设备的生产加工，另外的，还可以降低压电片的成本，进而使本发明设备的整体成本降低。具体的，提出几种符合该温度范围的塑料材料，如：聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚酯树脂UP。

作为本发明的一种优选方案，所述盒盖与盒体之间通过卡扣连接，所述盒体采用无底设计，同一个薄膜一上的多个所述压电片并联连接。

通过设置盒盖材质及其与盒体之间的连接方式，可以简化盒盖和盒体之间的连接方式，不需要特定的工具即可完成盒盖和盒体之间的的拆装，有利于工人的施工以及日后的维修。具体而言，隧道通常处于偏僻地区，交通时间成本大，若采用复杂的、需要特定工具才可拆除的连接方式，若恰好该工具损坏，或遭遇其它特殊情况致使工具无法正常使用，会影响设备的检修效率。例如，若盒盖和盒体之间采用螺纹连接方式，当连接所用的螺丝发生滑牙时，将导致盒盖和盒体的非破坏性拆卸难度提高，但是，若采用金属卡扣连接，则工人徒手即可拆卸盒盖。

需要说明的是，弹性波在不同介质间的传播伴随着波的反射和折射，这都将对弹性波的传播速度造成影响，于是，通过盒体的无底设计，使得压电片能够在盒盖的压紧作用下，直接与隧道衬砌的壁面接触，减少由于弹性波在不同介质内传播而导致的测量误差。进一步的，将同一个薄膜一上的多个所述压电片以并联形式连接，由此，每个压电片在接收到弹性波后所发生的电流将产生叠加，进而弥补单片压电片产生电荷量不足的缺点，提高本发明设备的测量灵敏度。

相对于现有的技术方案，本发明的优点在于：

1、在本技术方案中，相较于目前常用的超声检测方式，本发明的震源的选择，舍弃了压电陶瓷片，而采用了声波喇叭，由此避免了压电陶瓷片在产生振动的过程中，由于自振导致的爆裂问题，提高了震源的可靠性。再者，现有的超声检测探头在长时间使用过程中，监测探头可能由于振动而松动，进而导致传播到衬砌上的超声波，与预设的超声波之间的误差增大，进而影响后续的数据分析。在本技术方案中，由于声波喇叭无需与衬砌固定连接，因此也就不存在这个问题。

2、通过设置薄膜一，并设置压电片的形状和安装方式，不论压电片数量多少，在单次安装过程中，均只需取用一次压电片，于是可以缩小单个压电片的尺寸，还可降低压电片的保养和存储难度，降低设备的维修成本，并且，由于压电片均安装在薄膜一上，于是通过收卷和折叠薄膜一，可以提高这些压电片的便携性，而且，在收卷和折叠薄膜一的过程中，可以将多个压电片收入薄膜一内，因此，薄膜一在本发明存储、搬运的过程中，还可以对多个压电片起到保护作用，降低外部环境对压电片造成损害的可能性。

3、通过设置薄膜一和薄膜二均使用塑料材质，使得薄膜一和薄膜二之间的连接可以通过塑料的热熔贴合实现，方便本发明的设备生产。除此之外，由于塑料的热熔贴合操作难度较低，于是，本发明设备的维修难度也随之降低，即使在偏远地区内，本发明的维修也是容易实现的。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为图1中A部分的配合示意图；

图3为图1中A部分的俯向剖视图；

图4为本发明薄片一、薄片二以及压电片的配合关系的爆炸图；

图5为图4的俯视图；

图6为探测片的局部截面剖视图；

图7为图1的俯向剖视图；

图8为本发明使用流程示意图。

图中：1、盒盖；2、盒体；3、声波喇叭；4、薄膜一；5、压电片；41、通孔；42、薄膜二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1至8所示，展示了本发明的第一种具体实施方式。

作为本发明安装前的准备，预先将薄膜一4、薄膜二42、多个压电片5以及用于将多个压电片5连接到计算机系统的导线安装到一起，具体方式为：先取出多个压电片5，将多个压电片5通过导线并联连接，再取出薄膜一4，将连接好的多个压电片5放置在薄膜一4上，然后，在薄膜一4上通过热熔贴合的方式固定安装上薄膜二42，并使薄膜二42上的通孔41与压电片5一一对齐，此时薄膜一4和薄膜二42将多个压电片5完全裹住。需要说明的是，导线的干路端不受到薄膜一4和薄膜二42的包裹，即导线的干路端外露，用于连接计算机系统，另外，压电片5的尺寸参数选择为10mm*2mm*0.5mm，薄膜一4和薄膜二42采用厚度为0.5mm的透明聚乙烯膜，压电片5与导线的连接通过锡焊实现。

本发明安装时，首先，将盒体2通过螺纹连接的方式安装到隧道衬砌壁面上，再将由薄膜一4、薄膜二42多个压电片5以及相关导线组成的探测片放置到盒体2内并展开，使这些压电片5均与衬砌壁面贴合，然后，将盒盖1安装到盒体2上，至此完成一个本发明中的弹性波接收装置的安装。以相同方法，再在隧道衬砌壁面上安装另一个弹性波接收装置，使待监测区域位于这一对弹性波接收装置之间，最后，在这对弹性波接收装置外侧放置一个声波喇叭3，并使声波喇叭3的声波输出口对着隧道衬砌壁面，至此，完成本发明的安装。

本发明工作时，对一个隧道衬砌进行长时间病害监测，声波喇叭3以每日两次的频率向衬砌发射声波。在正常情况下，在声波喇叭3每次发射声波时，计算机系统接收到的，来自同一薄膜一4上的多个压电片5的电信号，其强度应是相同的，然而，通过计算机系统接收到的近四次数据显示，计算机系统从靠近声波喇叭3一侧的多个压电片5上接收到的电信号，相较于先前数据，其强度降低了7％，初步判断是这些压电片5中有个别发生了损坏，致使并联电路的干路电流减小，故派遣技术人员前往维修。

技术人员到达本发明所在隧道后，将本发明靠近声波喇叭3一侧的多个压电片5从衬砌上拆卸，并分别对它们进行检查以查明故障位置。检查的具体方式为：技术人员用灵敏电流表连接这些压电片5共同连接的导线的干路端，然后，以手指依次按压每个压电片5远离与导线的接点的一端，然后观察灵敏电流表的示数，若灵敏电流表检测到电流，则意味着该片压电片5未损坏；反之，若灵敏电流表未检测到电流，则意味着该片压电片5发发生了断裂损坏，需要更换。

技术人员通过检查，在120片压电片5中查出9片损坏的压电片5，于是对这些损坏的压电片5进行更换。更换的具体方式为：首先，以小刀将薄膜一4与该片损坏的压电片5的对应处切割并取出，使该片压电片5完全暴露出来，接着，在小刀的辅助下将该片压电片5从薄膜二42上取出，然后，通过电烙铁解除该压电片5与对应导线的连接，于是可将该压电片5拆卸，此后，取出新的压电片5放置到薄膜二42上，并在通过锡焊连接上导线后，再取出用作修补材料的聚乙烯膜，用两片金属薄板，配合活动扳手，将聚乙烯膜与薄膜一4被切割开的部分夹紧，接着用火机加热金属薄板，将聚乙烯膜与薄膜一4和薄膜二42熔接为一体，最后，裁切掉多余的聚乙烯膜，并对修补位置以砂纸进行打磨以消除不平整，至此完成单个压电片5的更换。将以上更换操作重复进行，技术人员完成了对本发明的维修。

如图1至8所示，展示了本发明的第二种具体实施方式，与本发明的第一种具体实施方式相比，其区别在于，发生损坏的位置在于压电片5与对应导线的接点处，其原因为薄膜一4被划破，致使导线暴露在隧道内阴冷潮湿的环境中，而产生了氧化，影响了导线的导电性能。该种故障在计算机系统上同样体现为电信号强度的降低，但降低的过程是缓慢、连续的。因此，本具体实施方式中的检测方式为：计算机系统收集记录并分析周期为15天的电信号强度数据，当此周期内的平均电信号强度相较于上一周期，产生了5％及以上的变化时，计算机系统提出警示。

另一点区别在于，技术人员检查故障位置的方法为，以目视的方式直观地进行观察，即可以透过透明的薄膜一4和薄膜二42观察到导线锈蚀处不同的颜色。然后以与第一种具体实施方式中相同的方式即可修复。