基于小波分析的盾构隧道衬砌结构隐伏质量缺陷识别及其可视化关键技术研究

There are lots of problems generally existing in shield tunneling, such as lining cracks and water leakage. Quality diseases of the lining sructure are the major causes for this problem. How to recognize and find the quality disease of lining structure rapidly, conveniently, nondestructively and accurately arouses great concerns of tunnel engineers, especially the concealed quality diseases. In order to solve lining cracks problem of shield tunneling effectively, concealed quality diseases in precast segment of shield tunneling lining structure are chosen as a research object on the basis of modern nondestructive testing techniques. Combining nondestructive testing means, wavelet (packet) theory and 3D image visualization technology, the conjugation condition among segment outer wall of shield tunneling, grout body and strata is studied. Furthermore, the spatial position and geometrical dimensions of segment internal cracks and back cavity, as well as spatial distribution of their physical pattern of grout body behind segment is also investigated. In addition, key technologies to identify and visualize the processing of concealed quality diseases of shield tunneling lining structure are developed. The research results can provide accurately information feedback for handing quality diseases of shield tunneling to achieve the pre-control objective against possible accidents, and also provide a powerful theory basis and technical means for the final settlement of lining cracks and water leakage of shield tunneling.

盾构隧道普遍存在不同程度的衬砌开裂与渗漏水问题，衬砌结构中的质量病害是产生这一问题的最主要的原因，如何实现快速、及时、简便、无损、精确地识别与发现衬砌结构中的质量病害特别是其中的隐伏质量缺陷已引起了隧道工程界的高度关注。本课题在即时跟踪现代无损检测手段及其分析技术前沿研究基础上，以有效解决盾构隧道衬砌的开裂问题为出发点，选择盾构隧道装配式管片衬砌结构中极不易察觉的隐伏质量缺陷为研究对象，采用无损检测手段、小波（包）理论和三维图像可视化技术相结合的方法，研究盾构隧道管片外壁与地层的接合情况、管片背后空洞的空间位置与几何尺寸、管片内在裂缝的长度、宽度与深度以及背后注浆体的空间分布形态和物理力学性能，着力解决盾构隧道衬砌结构隐伏质量缺陷识别及其可视化过程中的关键技术。研究成果可为盾构隧道质量缺陷处治提供准确的动态信息反馈，为最终解决盾构隧道衬砌开裂和渗漏水问题提供强有力的理论依据。

隧道混凝土衬砌是隧道的主要承载结构，其质量好坏直接影响隧道的安全和正常运营。隧道衬砌质量是隧道结构性病害专项检查的重要内容。无损检测方法在探测和推断隧道衬砌结构内部是否存在缺陷或不均匀性方面有重要作用。然而，目前在无损检测数据信息的准确解译及精细化识别等方面还存在诸多不足，影响了隧道衬砌结构隐伏质量缺陷识别的准确性和精度。本课题在即时跟踪现代无损检测手段及其分析技术前沿研究基础上，选择盾构隧道装配式管片衬砌结构中极不易察觉的隐伏质量缺陷为研究对象，采用无损检测手段、小波提升理论和雷达切片技术相结合的方法对隧道衬砌结构隐伏质量缺陷的精细化识别及三维可视化问题展开研究。基于完全重构滤波器条件和改进的提升格式小波构造基本流程，结合实测地质雷达信号单道波形变化特点，构造得到具有线性相位、高消失矩、高正则性且与GPR信号波形相似度高的双正交小波基（Tshg3.5小波）。针对探测物表面强干扰信号屏蔽作用及微弱有效信号难以识别的问题，提出了一种正交匹配追踪与小波域谱白化方法相结合的信号分析方法（OMWS法），并将其应用到室内混凝土结构微裂缝缺陷的识别中。将具有平移不变性的二维非抽样小波与F-K算法相结合，提出了一种基于二维非抽样小波变换与F-K域算法的地质雷达信号偏移处理方法（UWFK法），并将其应用于地质雷达图像中缺陷目标体信号的偏移处理中，最终得到了空洞信号归位准确、绕射波信号有效收敛的偏移处理结果。提出了基于小波变换的信号时-能密度法以提取信号奇异特征点，运用构造的Tshg3.5新小波基对地质雷达空洞探测数据进行特征点信息提取分析，获得了质量缺陷尺寸量化分析结果，并采用插值和相交处理，获得了缺陷三维可视化结果。研究成果为隧道衬砌结构的健康诊断与质量安全评价提供准确资料，为盾构隧道质量缺陷处治提供立体化动态信息反馈，为隧道工程使用耐久性及运营安全性提供了理论支撑与技术保障。