基于空气耦合冲击回波的隧道衬砌内部损伤快速检测与评估研究

Lining structure is the most important support system to tunnels, however, the damages within the linings throw out great threats to the structural safety. The ability of detecting and evaluating these internal damages rapidly, is the key to enhance the reliability of the lining structure and to ensure the transportation functions of tunnels. In this project, an approach using air-coupled impact-echo to detect and evaluate the damages within tunnel linings is proposed. The leaky waves from the air-solid interface will be first characterized and then the applicability of the traditional impact-echo method on detecting damages within curved structures will be discussed. The influences of different factors, such as damage depth and curvature of linings, on the air-coupled impact-echo response will be investigated, and damage index will be established with different data mining methods. After that, a damage rapid detection and evaluation system will be built based on the virtual instruments techniques, and a damage warning and monitoring model of lining structures will be proposed. The research in this project will provide theoretical and practical supports to the construction and maintenance of tunnel structures.

衬砌结构是隧道的重要支护体系，与表面损伤相比，衬砌内部损伤具有更强的隐蔽性和更高的危害性，对其进行快速准确的检测与评估对降低隧道维护成本，提高衬砌结构耐久性与可靠性，保障隧道正常运营功能至关重要。针对背后空洞、分层剥离等典型衬砌结构内部损伤工况，本项目从气-固耦合的角度出发，以空气作为衬砌结构与检测系统之间应力波传播的耦合介质，开展基于空气耦合冲击回波的隧道衬砌内部损伤快速检测与评估研究。首先研究冲击激励下隧道衬砌与空气界面冲击回波的漏泄波声场特性与其传播规律；引入曲率参数，探讨经典冲击回波理论在曲面板壳结构中的应用范围与适用条件；分析不同深度、不同类型损伤下，不同曲率衬砌结构的空气耦合冲击回波响应特性；深入挖掘衬砌结构内部损伤的有效表征方法并建立相应的损伤评估指标；进而结合虚拟仪器技术，建立基于数据驱动的衬砌结构内部损伤快速检测与评估模型。为隧道的安全建设和有效运营与维护提供科学支撑。

衬砌内部损伤具有更强的隐蔽性和更高的危害性，对其进行快速准确的检测与评估对降低隧道维护成本，提高衬砌结构耐久性与可靠性，保障隧道正常运营功能至关重要，本项目从气-固耦合的角度出发，以空气作为衬砌结构与检测系统之间应力波传播的耦合介质，开展基于空气耦合冲击回波的隧道衬砌内部损伤快速检测与评估研究。通过本项目研究获得了冲击激励下隧道衬砌与空气界面冲击回波的漏泄波声场特性与其传播规律，得到了经典冲击回波理论在曲面板壳结构中的应用范围与适用条件，研究发现当衬砌曲率直径与板厚比值（D/T）大于20时衬砌中冲击回波的模态响应结果和平面板状态下是相近的，冲击回波的基础理论能够有效应用于D/T比大于20的衬砌结构，当D/T比小于15时，曲率对响应信号的峰值频率影响较大，传统的冲击回波计算方法不再适用；研究分析了不同影响因素不同损伤情况下衬砌结构的空气耦合冲击回波响应特性，研究发现大直径的钢球作为激励源能够更有效的对衬砌内部损伤情况做全面的检测，在不同深度的缺陷工况下，深度较深的缺陷更容易激发冲击回波模态，而浅层缺陷是弯曲模态和冲击回波模态的叠加，对敲击点与缺陷的相对位置进行了研究，研究发现其对冲击回波信号的峰值频率影响不大，只要敲击点在缺陷上部响应信号的峰值频率比较稳定；深入挖掘衬砌结构内部损伤的有效表征方法并建立了相应的损伤评估指标，提出了新的基于冲击回波响应能量比的损伤指标，并基于数值模拟和试验结果对实验室预制带缺陷衬砌进行了全面的损伤检测评估与成像。本项目的相关研究成果可为隧道的安全建设和有效运营与维护提供科学支撑。