一種隧道基底密實(shí)性檢測系統(tǒng)、檢測方法及存儲介質(zhì)與流程
本發(fā)明涉及地震檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種隧道基底密實(shí)性檢測系統(tǒng)、檢測方法及存儲介質(zhì)。
背景技術(shù)：
表面波(或稱面波)是沿固體介質(zhì)表層傳播的一種彈性波，其具有兩個顯著的特性，一是它的傳播速度與剪切波傳播速度相近(vr/vs≈0.95)；二是在分層介質(zhì)中具有頻散特性。利用前一特性，通過測試表面波傳播速度就可以計算得到介質(zhì)的彈性模量，從而對介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)做出評價；利用后一特性，通過測試表面波的頻散曲線(表面波速度隨頻率或波長的變化曲線)，就可計算得到各層的厚度和波速，進(jìn)而得到介質(zhì)在不同深度范圍內(nèi)的力學(xué)性質(zhì)變化情況。利用表面波測試方法技術(shù)，可以進(jìn)行工程地質(zhì)勘查、巖土物理參數(shù)測試和混凝土工程質(zhì)量無損檢測等。因此，面波勘探近年來得到發(fā)展，并在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。
目前，我國鐵路建設(shè)快速發(fā)展，高鐵隧道的質(zhì)量和安全性是關(guān)系乘客人身安全的備受關(guān)注的重要方面。高鐵或地鐵隧道基底為混凝土澆筑的硬質(zhì)地面，可能出現(xiàn)不密實(shí)的情況，其是高鐵隧道的基床底部與圍巖連接處有虛渣、淤泥、或吊空充泥充水，這有可能對高鐵或地鐵運(yùn)行安全帶來隱患，因此很有必要對高鐵或地鐵隧道基底進(jìn)行面波檢測。
高鐵隧道基底不密實(shí)，其實(shí)是高鐵隧道的基床底部與圍巖連接處有虛渣、淤泥、或吊空充泥充水，在列車動荷載作用下，使得隧底剛度降低。這種病害的規(guī)模一般比較小，為0.1-0.5m左右。
高鐵隧道隧底表層是高剛度的混凝土層，下部又是剛度較高的圍巖，當(dāng)在高鐵隧道基底下存在不密實(shí)層，地層結(jié)構(gòu)將變?yōu)椋焊?低-高速度形態(tài)，根據(jù)“劉云幀”、“梅汝吾”研究成果：在高波速表層覆蓋下部低速地層時，頻率波數(shù)譜的基階面波峰形僅出現(xiàn)在小波數(shù)(大波長)的區(qū)域，往大波數(shù)(短波長)范圍出現(xiàn)密集到連續(xù)不可分的高階模態(tài)能量峰。當(dāng)進(jìn)行高鐵隧道基底不密實(shí)檢測時，面波的能量將擴(kuò)展分布于基階和多個高階的模態(tài)中，形成復(fù)雜的頻散特性。目前的多道面波測深方法不完全能適應(yīng)這種地層分層結(jié)構(gòu)類型(請參見：《工程物探新技術(shù)》，作者：劉云幀地質(zhì)出版社，2006，p1-p51《多道瞬態(tài)面波勘察新技術(shù)》，劉云禎，梅汝吾)。
現(xiàn)階段的瞬態(tài)面波(瑞雷波、瑞利波或表面波)法是探測軟弱地基和地下空洞的有效方法，該方法是在地面上安置多個(大于6個)檢波器，形成一條剖面，在剖面的一端利用重錘錘擊地面，從而產(chǎn)生沿地面?zhèn)鞑サ拿娌ǎ瑱z波器接收面波信號并以數(shù)字的形式存儲，對多道檢波器接收的信號進(jìn)行二維頻譜分析，得到面波傳播速度隨速度變化曲線，依據(jù)速度-深度曲線的形態(tài)判斷是否存在空洞，依據(jù)傳播速度的快慢，判斷地層的軟硬程度。
但是，根據(jù)面波理論：轉(zhuǎn)換的波數(shù)限(kmax)是采樣道間距h的倒數(shù)的一半(kmax＝0.5/h)。在波數(shù)限定區(qū)間以外，會出現(xiàn)變換折疊(空間假頻)造成的干擾。因此采樣道間距h直接影響到探測精度。通常的瞬態(tài)面波法采樣道間距h一般為2～5m，該道間距難以探測小于0.2m的空洞，其探測精度無法滿足高鐵隧道基底不密實(shí)檢測要求。
由于現(xiàn)有技術(shù)中沒有一種對高鐵或地鐵隧道基底的密實(shí)性(是否存在小空洞)進(jìn)行檢測的方法，因此，如何準(zhǔn)確、快速地檢測隧道基底的密實(shí)性是一個亟待解決的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種隧道基底密實(shí)性檢測系統(tǒng)及檢測方法，其能夠準(zhǔn)確、快速地對隧道基底密實(shí)性進(jìn)行檢查，從而能夠探測隧道基底小于0.2m的空洞不密實(shí)信息。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種隧道基底密實(shí)性檢測系統(tǒng)，其包括：
多個面波拾振傳感器，所述多個面波拾振傳感器采用小微道間距、小偏移距檢測表面波振動信號，并將表面波振動信號轉(zhuǎn)換成電信號；
面波儀，其連接各個面波拾振傳感器，用于接收拾振傳感器檢測到的電信號，并對接收的電信號進(jìn)行放大和模/數(shù)轉(zhuǎn)換處理，得到面波波形數(shù)據(jù)；
處理器，其存儲有計算機(jī)程序，該計算機(jī)程序被執(zhí)行時能夠?qū)λ雒娌▋x得到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所述處理包括以下步驟：
對面波波形數(shù)據(jù)進(jìn)行二維頻譜反演，將時間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻率域，并將頻率域采樣點(diǎn)數(shù)加密，生成頻域數(shù)據(jù)；
在頻率-波數(shù)域跨模態(tài)拾取相速度，得到頻散曲線；
將頻散曲線變換轉(zhuǎn)換到速度-深度域；
將頻散曲線進(jìn)行多模態(tài)數(shù)據(jù)分層反演，地層的分層速度結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；以及
繪制剖面圖和/或曲線圖。
優(yōu)選地，所述小微道間距為0.1m至0.3m，所述小偏移距為0.6m。
優(yōu)選地，所述面波拾振傳感器的采樣率為0.1-0.02ms，采樣點(diǎn)數(shù)為8192樣點(diǎn)。
優(yōu)選地，所述頻率域采樣點(diǎn)數(shù)加密為時間域計算點(diǎn)數(shù)的8倍。
優(yōu)選地，所述處理還包括以下步驟：在二維頻譜反演之前在時間域中選擇“時間-空間”窗口，劃出面波范圍；以及在多模態(tài)數(shù)據(jù)分層反演后，對分層速度結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行正演擬合計算層速度，得到定量的分層速度。
優(yōu)選地，所述拾振傳感器包括：拾振傳感器芯體、傳感器外殼以及金屬板塊；其中，所述拾振傳感器芯體固定在傳感器外殼內(nèi)；所述傳感器外殼下部具有安裝孔或螺柱；所述金屬板塊為非鐵磁性金屬板塊，其通過所述安裝孔或螺柱安裝于所述外殼下部；所述拾振傳感器芯體經(jīng)由所述金屬板塊檢測地面振動面波信號，并將地面振動面波信號轉(zhuǎn)換成電信號。
優(yōu)選地，所述面波檢波器的固有頻率為100hz。
優(yōu)選地，所述金屬板塊底部具有粘結(jié)層。
優(yōu)選地，所述金屬板塊的重量為拾振傳感器芯體重量的200倍以上。
優(yōu)選地，所述面波檢測系統(tǒng)還包括震源，震源采用小型圓球錘
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供的采用如上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的隧道基底密實(shí)性檢測方法包括以下步驟：
用所述多個拾振傳感器采用小微道間距、小偏移距檢測表面波振動信號，并將表面波振動信號轉(zhuǎn)換成電信號；
用所述面波儀接收所述拾振傳感器生成的電信號，并對接收的電信號進(jìn)行放大和模/數(shù)轉(zhuǎn)換處理，得到面波波形數(shù)據(jù)；
由處理器對所述面波儀得到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：
對面波波形數(shù)據(jù)進(jìn)行二維頻譜反演，將時間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻率域，并將頻率域采樣點(diǎn)數(shù)加密，生成頻域數(shù)據(jù)；
在頻率-波數(shù)域跨模態(tài)拾取相速度，得到頻散曲線；
將頻散曲線變換轉(zhuǎn)換到速度-深度域；
將頻散曲線進(jìn)行多模態(tài)數(shù)據(jù)分層反演，地層的分層速度結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；以及
繪制剖面圖和/或曲線圖。
本發(fā)明還提供一種計算機(jī)存儲介質(zhì)，該計算機(jī)存儲介質(zhì)中存儲有計算機(jī)程序，當(dāng)該計算機(jī)程序被執(zhí)行時執(zhí)行如下步驟：
對面波波形數(shù)據(jù)進(jìn)行二維頻譜反演，將時間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻率域，并將頻率域采樣點(diǎn)數(shù)加密，生成頻域數(shù)據(jù)；
在頻率-波數(shù)域跨模態(tài)拾取相速度，得到頻散曲線；
將頻散曲線變換轉(zhuǎn)換到速度-深度域；
將頻散曲線進(jìn)行多模態(tài)數(shù)據(jù)分層反演，地層的分層速度結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；以及
繪制剖面圖和/或曲線圖。
本發(fā)明的隧道基底密實(shí)性檢測系統(tǒng)及方法能夠準(zhǔn)確、快速地對隧道基底密實(shí)性進(jìn)行檢查，從而能夠探測隧道基底小于0.2m的空洞不密實(shí)信息，這可以為高鐵隧道基底穩(wěn)定性檢查提供一種快速有效的技術(shù)手段，使得高鐵隧道基底不密實(shí)還沒有影響到高鐵列車正常運(yùn)行前就可以被發(fā)現(xiàn)需要加固處理的區(qū)段，同時，加固處理后也可以利用本發(fā)明的檢測系統(tǒng)進(jìn)行評價，從而可保障高鐵隧道的正常運(yùn)行。
本發(fā)明的附加優(yōu)點(diǎn)、目的，以及特征將在下面的描述中將部分地加以闡述，且將對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在研究下文后部分地變得明顯，或者可以根據(jù)本發(fā)明的實(shí)踐而獲知。本發(fā)明的目的和其它優(yōu)點(diǎn)可以通過在書面說明及其權(quán)利要求書以及附圖中具體指出的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)到并獲得。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的是，能夠用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的目的和優(yōu)點(diǎn)不限于以上具體所述，并且根據(jù)以下詳細(xì)說明將更清楚地理解本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)的上述和其他目的。
附圖說明
參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：
圖1為高鐵隧道基底不密實(shí)檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明一實(shí)施例中拾振傳感器的示意圖。
圖3為本發(fā)明一實(shí)施中高鐵隧道基底不密實(shí)檢測的流程示意圖。
圖4為本發(fā)明一實(shí)施例中選擇面波范圍的操作界面示意圖。
圖5為采用現(xiàn)有技術(shù)得到的鄰道互相關(guān)頻散曲線數(shù)據(jù)。
圖6為本發(fā)明一實(shí)施例中采用頻率域采樣點(diǎn)數(shù)加密得到的鄰道互相關(guān)頻散曲線數(shù)據(jù)。
圖7為本發(fā)明一實(shí)施例中得到的與圖6對應(yīng)的頻散數(shù)據(jù)。
圖8為本發(fā)明一實(shí)施例中檢測高鐵隧道隧底空洞的結(jié)果圖。
圖9～圖11為本發(fā)明一實(shí)施例中檢測的深度-速度曲線類型圖，其中圖9、圖10和圖11分別為a類曲線、b類曲線和c類曲線。
圖12為現(xiàn)有技術(shù)中面波拾振傳感器的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。這些優(yōu)選實(shí)施方式的示例在附圖中進(jìn)行了例示。附圖中所示和根據(jù)附圖描述的本發(fā)明的實(shí)施方式僅僅是示例性的，并且本發(fā)明的技術(shù)精神及其主要操作不限于這些實(shí)施方式。在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件。
在此，還需要說明的是，為了避免因不必要的細(xì)節(jié)而模糊了本發(fā)明，在附圖中僅僅示出了與根據(jù)本發(fā)明的方案密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)和/或處理步驟，而省略了與本發(fā)明關(guān)系不大的其他細(xì)節(jié)。
針對現(xiàn)有技術(shù)中無法進(jìn)行隧道基底密實(shí)性檢測的問題，本發(fā)明提供了一種高鐵隧道基底密實(shí)性檢測系統(tǒng)和利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的隧道基底密實(shí)性檢測方法，是利用小微道間距、小偏移距采集面波數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理時對頻率進(jìn)行加密采樣，從而可以在高頻部分提取速度與波長信息，根據(jù)頻散曲線形態(tài)判別高鐵隧道基底不密實(shí)等病害的高鐵隧道基底不密實(shí)檢測。
圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例中高鐵隧道基底不密實(shí)檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本系統(tǒng)包括：多個面波拾振傳感器20(圖1中僅示出了2個)、面波儀30以及處理器40?？稍诘孛嫔习仓枚嗟朗罢駛鞲衅?0，形成一條剖面，在剖面的一端用震源10錘擊地面，從而產(chǎn)生沿地面?zhèn)鞑サ拿娌ǎ罢駛鞲衅?0接收面波信號并傳輸給面波儀，以數(shù)字的形式存儲，然后利用處理器40對多道檢波器接收的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
在本發(fā)明中，采用小微道間距及小偏移距的數(shù)據(jù)采集方式。作為示例，本實(shí)施例中采用12道拾振傳感器，偏移距h2為0.6m，道間距h1為0.1m至0.3m，優(yōu)選為0.1、0.2m或0.3m。拾振傳感器可采用高采樣率地震記錄接收：通頻帶0.5-10000hz，每個測點(diǎn)的采樣率設(shè)定為0.01-0.1ms(如0.02ms)，采樣點(diǎn)數(shù)優(yōu)采設(shè)定為8192樣點(diǎn)。以上數(shù)據(jù)僅為示例，本發(fā)明并不限于此，例如，還可以采用更多道或更少道的拾振傳感器，偏移距h2可小于、等于或略大于0.6m，采樣點(diǎn)數(shù)也并不限于8192個樣點(diǎn)，還可以設(shè)定為1024、2048個樣點(diǎn)或4096個樣點(diǎn)等。在本發(fā)明一示例中，針對隧底病害縱向為小尺度的特點(diǎn)，為了提高瞬態(tài)面波法的分辨率，將通常采用的固有頻率為4.5hz的拾振傳感器改為高頻(100hz)速度型拾振傳感器，即采用固有頻率為100hz的拾振傳感器。
各面波拾振傳感器20安放于混凝土板50上?，F(xiàn)有技術(shù)中面波拾振傳感器通常為帶有尾椎的傳感器(如圖12所示，圖12中，標(biāo)號11表示與外部的連接線，12為拾振傳感器外殼，13為拾振傳感器芯體，14為尾椎)，其尾椎難以安裝在水泥地面并難以與地面有效地耦合，從而會影響拾振傳感器的檢測準(zhǔn)確度。為了保證拾振傳感器與混凝土地面接觸良好以及有效耦合，本發(fā)明對拾振傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。
如圖2所示為本發(fā)明一實(shí)施例中的拾振傳感器的示意圖。該實(shí)施例中用金屬板塊來代替尾錐，金屬板塊可以為鐵板塊、銅板塊或其他金屬板塊等，但優(yōu)選地為非鐵磁性金屬板塊，如青銅板塊。具體地，圖2中示出的面波拾振傳感器包括：拾振傳感器芯體(如單分量拾振傳感器芯體)22、傳感器外殼23以及金屬板塊24。其中，拾振傳感器芯體22固定在傳感器外殼23內(nèi)，外殼下部具有安裝孔(如螺孔，但并不限于此)或螺柱25，金屬板塊24通過安裝孔安裝固定于拾振傳感器外殼下部，或者通過螺紋連接方式或其他方式安裝固定于傳感器外殼，并且優(yōu)選是可拆卸的。傳感器芯體經(jīng)由金屬板塊接收地面振動信號，并將地面振動面波信號轉(zhuǎn)換成電信號，得到的信號可經(jīng)由與外部的連接線21傳輸至外部設(shè)備(如面波儀)。金屬板塊可為扁圓柱形或方塊形，其重量優(yōu)選地大于芯體重量的200倍，本發(fā)明采用1kg金屬板塊。
優(yōu)選的，金屬板塊底部可以具有粘結(jié)層，以將面波拾振傳感器的金屬板塊粘附于硬質(zhì)地面(如隧道底面混凝土)，從而有效耦合。該粘結(jié)層可以是粘泥形成的粘性層，當(dāng)然，還可以是其他粘性材料形成的粘性層，只要能將面波拾振傳感器的金屬板塊與硬質(zhì)地面有效地耦合。
如上所述，本發(fā)明卸下了檢波器的原尾椎，另行連接了金屬板塊，并通過面波拾振傳感器和混凝土板之間的粘結(jié)層(如粘泥)使得面波拾振傳感器的金屬板塊與硬質(zhì)地面粘合，從而使檢波器與混凝土地面有效耦合，并克服了水泥面安裝檢波器困難的問題。
在圖1所示的系統(tǒng)中，面波儀30連接拾振傳感器20，接收拾振傳感器20檢測到的電信號，并對接收的電信號進(jìn)行放大和模/數(shù)轉(zhuǎn)換處理，得到處理器能夠識別的面波波形數(shù)據(jù)。處理器40連接面波儀20，處理器40中存儲有小微道間距瞬態(tài)面波專用處理軟件(計算機(jī)程序)，執(zhí)行該軟件來對面波儀得到的面波波形數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以得到頻散曲線等數(shù)據(jù)。后面將對計算機(jī)程序進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理的步驟進(jìn)行詳細(xì)描述。
本發(fā)明可以采用常規(guī)的重錘做震源。另選地，本發(fā)明還可采用與常規(guī)的重錘不同的震源10，作為一示例，本發(fā)明采用的震源采用小型圓球錘
面波儀將來自面波拾振傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)處理器能夠識別的數(shù)字形式的面波波形數(shù)據(jù)，傳輸給處理器。處理器采用面波處理軟件進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理過程。該處理包括：在時間域利用“波的干涉消長現(xiàn)象”圈出面波范圍；運(yùn)用二維傅里葉變換，將時間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻率-波數(shù)域數(shù)據(jù)，并對頻率進(jìn)行加密采樣；在“f-k”域的譜圖中上采用跨模態(tài)(不分模態(tài))拾取相速度，得到頻散曲線；在h-v域轉(zhuǎn)換頻散曲線，采用多模態(tài)數(shù)據(jù)反演方法，得到定量的層速度和層厚結(jié)果等，完成多個測點(diǎn)的測線地質(zhì)與速度剖面圖。
下面將結(jié)合如上所述的系統(tǒng)描述本發(fā)明的高鐵隧道基底密實(shí)性檢測方法。
首先進(jìn)行測試前準(zhǔn)備工作，在檢測區(qū)域內(nèi)根據(jù)任務(wù)要求，沿縱向(列車行駛方向)布置測線。按圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)連接各儀器設(shè)備，拾振傳感器用粘泥粘接在測點(diǎn)上。
在測試前準(zhǔn)備工作完成后，便可以進(jìn)行面波數(shù)據(jù)的采集。
在要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，通過圓球與金屬觸發(fā)片的撞擊使人工智能瞬態(tài)面波儀觸發(fā)，從而產(chǎn)生沿隧底表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ú⒛軌虮幻娌▋x接收；震源與多道拾振傳感器通過電纜與人工智能瞬態(tài)面波儀相連接，拾振傳感器通過粘泥與混凝土隧底面相耦合，從而將沿隧底表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ㄕ駝有盘柦?jīng)拾振傳感器傳輸給人工智能瞬態(tài)面波儀；其中，拾振傳感器是用于將地面振動的面波信號轉(zhuǎn)換成電信號并通過電纜將電信號送入人工智能瞬態(tài)面波儀。
人工智能瞬態(tài)面波儀是是計算機(jī)技術(shù)與電子技術(shù)和人工智能相結(jié)合的專用混凝土表面波測試儀，其將接收到的電信號放大、經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制形式的波形數(shù)據(jù)，然后再傳輸至裝有小微道間距瞬態(tài)面波專用處理軟件的計算機(jī)(處理器)內(nèi)，利用小微道間距瞬態(tài)面波專用處理軟件來進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。
為了適應(yīng)這種小微道間距、小偏移距的數(shù)據(jù)采集方式，本發(fā)明采用單端激振法，在一個采用小微道間距瞬態(tài)面波探測示例中，優(yōu)選采用12道高頻(100hz)速度型拾振傳感器。人工智能瞬態(tài)面波儀例如為sw16-12a面波儀。采用12個道拾振傳感器，通頻帶0.5-10000hz，每個通道采用高采樣率接收地震數(shù)據(jù)，采樣率設(shè)定為0.01～0.1毫秒，采樣點(diǎn)數(shù)可設(shè)定為2048～8192個樣點(diǎn)(優(yōu)選地設(shè)定為8192個樣點(diǎn))。偏移距h2約為0.6m，道間距h1為0.1～0.3米，優(yōu)選為0.1、0.2m或0.3m。
下面描述處理器執(zhí)行小微道間距瞬態(tài)面波處理軟件對采集后的數(shù)據(jù)的處理過程。圖3所示為該處理過程包含的步驟的示意圖。
在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理前，需首先調(diào)入數(shù)據(jù)文件。
該步驟可以是調(diào)入面波儀生成的面波數(shù)據(jù)文件，然后通過顯示器對波形記錄進(jìn)行監(jiān)視，其中，監(jiān)視顯示窗內(nèi)可上下移動記錄波形圖像，并可增減垂直和水平比例尺，還可增減記錄波形的振幅和改變波形的顯示顏色或灰度，并可上、下移動光標(biāo)至記錄的任意位置讀取橫坐標(biāo)距離和縱坐標(biāo)時間，另外還可以讀取記錄參數(shù)，如采樣率或道間距等等。
步驟s310，在時間域中選擇“時間-空間”窗口，劃出面波范圍。
高鐵隧道基底密實(shí)性檢測的原始記錄波形中，上部是速度較高的高階面波，其下部是低速的基階波，兩者之間呈現(xiàn)“波的干涉消長現(xiàn)象”，本發(fā)明充分利用這一現(xiàn)象，在“時間-空間”窗口中搜索和確定基階、高階面波的峰脊，可劃出面波范圍，即圈定面波波形數(shù)據(jù)窗口。
圖4為本發(fā)明一實(shí)施例中選擇面波范圍的操作界面示意圖，其中橫坐標(biāo)為距離(m)，縱坐標(biāo)為時間(ms)。如圖4所示，在距離-時間域(x-t域)中調(diào)整x1、x2，即可圈定出面波波形數(shù)據(jù)窗口，其中，x1和x2為調(diào)整道窗口。在調(diào)整面波窗口時，通過上下左右箭頭鍵翻頁鍵等將光標(biāo)轉(zhuǎn)向。操作界面顯示窗口中還可自動顯示x1、x2對應(yīng)的速度v1和v2的值。
步驟s320，進(jìn)行二維頻譜反演，將時間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻率域，并將頻率域采樣點(diǎn)數(shù)加密，生成頻域數(shù)據(jù)。
由于高鐵隧道隧底密實(shí)性檢測時，地表是高速層，頻散曲線為負(fù)頻散，高階波有著很強(qiáng)的能量團(tuán)，因此，本發(fā)明中，根據(jù)高鐵隧底結(jié)構(gòu)的面波頻散特點(diǎn)，利用處理器中存儲的小微道間距瞬態(tài)面波處理軟件合理選擇不同振型(高階波、基階波)的面波范圍，并進(jìn)一步對選擇的數(shù)據(jù)進(jìn)行二維頻譜反演，即運(yùn)用二維傅里葉變換，將時間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻率域，生成瞬態(tài)面波頻域數(shù)據(jù)。
瞬態(tài)激振所產(chǎn)生的原始面波記錄波形是時間域信號，包含了多個單頻面波。本發(fā)明中，運(yùn)用二維傅里葉變換，將時間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻率域，數(shù)據(jù)處理器利用“譜分析法”進(jìn)行頻譜和相位分析，將各個頻率的面波分離出來，計算相鄰拾振器的相位差，則用相位差和道間距可進(jìn)一步計算出相鄰道長度內(nèi)面波的傳播速度。
為了得到頻散曲線，通常需要對測點(diǎn)的記錄作相干函數(shù)和互功率譜分析(計算)。作相干函數(shù)分析的目的是對記錄信號的各個頻率成分的質(zhì)量作出估計，并判斷噪聲干擾對有效信號的影響程度。作互功率譜分析的目的是利用互功率譜的相位特性求出這側(cè)點(diǎn)在各個不同頻率時的相位差，再求出相速度。由于相干函數(shù)分析等處理可參照現(xiàn)有技術(shù)，在此不做贅述。
在計算功率譜時，現(xiàn)有技術(shù)是：在時間域內(nèi)的計算點(diǎn)數(shù)n與輸出的頻率域點(diǎn)數(shù)nf一致，即一般采用n＝64、128、512或1024去計算功率譜，輸出的頻率域內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)相應(yīng)的為nf＝64、128、512或1024，與n一致。在本發(fā)明中，為了可以在高頻部分提取速度信息，將頻率域采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行了加密。
具體地，在計算功率譜時將互功率譜輸出的頻域內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)(或稱計算點(diǎn)數(shù))nf在時間域計算點(diǎn)數(shù)n的基礎(chǔ)上進(jìn)行加倍擴(kuò)展。功率譜中有效頻率范圍為0～采樣頻率的二分之一(折疊頻率以下)，互功率譜輸出最佳采樣點(diǎn)數(shù)由現(xiàn)有技術(shù)的64、128、512、1024，擴(kuò)展到1024、2048、4096、8192，實(shí)現(xiàn)對頻率的加密采樣，由此可以在高頻部分提取速度信息，從而在后續(xù)由速度-頻率域轉(zhuǎn)換成速度-深度域時，在淺層有更高的離散采樣信息，因此獲得淺部從基階到高階的變化信息，不同階的頻散曲線連續(xù)性更強(qiáng)。
例如，假如選取時間域的計算點(diǎn)數(shù)為n＝1024，則輸出的頻率域內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)nf＝8192，頻率域的采樣是現(xiàn)有技術(shù)的8倍，即在一個頻率域周期(0～2πf，其中f＝1000/采樣率，采樣率為0.1至0.02ms)內(nèi)，采樣點(diǎn)數(shù)加密到時間域計算點(diǎn)數(shù)的8倍，因此可以在高頻部分有效提取速度信息。這樣，在此后由速度-頻率域(公式(1))轉(zhuǎn)換成速度-深度域時(公式(2))，在淺層能有更高的離散采樣信息，從而獲得淺部從基階到高階的變化信息，使得不同階的頻散曲線連續(xù)性更強(qiáng)。在此，8倍的采樣點(diǎn)數(shù)加密僅為舉例，還可以是其他加密倍數(shù)，如4倍。
h＝λr/2＝vr/2f公式(2)
圖5所示為采用現(xiàn)有技術(shù)得到的鄰道互相關(guān)頻散曲線數(shù)據(jù)。圖6所示為本發(fā)明中采用頻率域采樣點(diǎn)數(shù)加密后得到的鄰道互相關(guān)頻散曲線數(shù)據(jù)。如圖5所示，通常的瞬態(tài)面波法由于沒有采用頻率域采樣點(diǎn)數(shù)加密，基階與高階波重疊在一塊，難以區(qū)分，圖中由于該道的面波數(shù)據(jù)疊加了多個模態(tài)，頻散曲線的相速度出現(xiàn)劇烈變化，看不出和地層的關(guān)聯(lián)性；其探測精度也無法滿足高鐵隧道基底不密實(shí)檢測要求。而如圖6所示，本發(fā)明通過將頻率域采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行加密，由此得到的頻散數(shù)據(jù)能夠區(qū)分出基階與高階波。圖7是與圖6對應(yīng)的采用本方法的頻散曲線數(shù)據(jù)，曲線分層明顯。
本發(fā)明利用小微道間距和對頻率的加密采樣處理可有效提取高頻速度信息，實(shí)現(xiàn)基階與高階模態(tài)分離，從而能夠提取淺層速度結(jié)構(gòu)信息，以便達(dá)到利用多道瞬態(tài)面波法對高鐵隧道基底不密實(shí)檢測的目的。
步驟s330，在頻率-波數(shù)域(f-k域)跨模態(tài)拾取相速度數(shù)據(jù)，得到頻散曲線。
由于高鐵隧道隧底檢測時，地表是高速層，頻散曲線為負(fù)頻散，高階波有著很強(qiáng)的能量團(tuán)，因此本發(fā)明采用軟件在“f-k”域的譜圖中上采用跨模態(tài)(不分模態(tài))拾取相速度數(shù)據(jù)，以得到頻散曲線。
具體地，在制作頻散曲線過程中，在頻率-波數(shù)域(f-k域)搜索確定目的面波的峰脊，跨模態(tài)(即不分模態(tài))地拾取f-k域頻散數(shù)據(jù)。
步驟s340，在深度-速度(h-v)域轉(zhuǎn)換頻散曲線。
在“f-k”域中的頻散等值線圖上確認(rèn)基階、高階面波頻散曲線并轉(zhuǎn)化為深度-速度(h-v)域(或速度-波長域)的頻散曲線，在此基礎(chǔ)上可完成對頻散曲線的深度解釋。
步驟s350，通過人機(jī)聯(lián)作速度分層，進(jìn)行多模態(tài)頻散數(shù)據(jù)分層反演計算。
利用頻散曲線進(jìn)行分層反演計算，頻散曲線上某深度的面波速度是地面到該深度的平均速度，需要根據(jù)頻散曲線特征進(jìn)行分層，并進(jìn)行分層反演計算，得到地層的分層速度結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。
步驟s360，進(jìn)行正演擬合。
利用反演得到地層的速度結(jié)構(gòu)模型，在已確定的總分層數(shù)目下采用固定層厚反演層速度的方法再進(jìn)行計算調(diào)整，反復(fù)修改分層結(jié)果進(jìn)行正演擬合直到兩條頻散曲線擬合到預(yù)定程度為止，得到定量的分層速度。
步驟s370，繪制剖面圖和/或曲線圖，輸出結(jié)果。
完成檢測點(diǎn)面波頻散曲線提取后，可繪制多個測點(diǎn)的頻散曲線族和/或測線地質(zhì)與速度剖面圖。
由于步驟s340～步驟s370可采用現(xiàn)有技術(shù)，因此本發(fā)明中不做贅述。
在高鐵隧道隧底存在空洞的情況下，高階面波能量增強(qiáng)，但又不能完全與基階面波分離，從而頻散曲線為高、基階面波混合的形態(tài)，在剪切波速與深度剖面圖中，瞬態(tài)面波頻散曲線表現(xiàn)為多次重復(fù)、曲線回折、無深部面波信號等現(xiàn)象。據(jù)此可以判定在隧道基底存在不密實(shí)隱患，即測點(diǎn)處高鐵基底有虛渣、淤泥或空洞、充泥、充水位置。
也就是說，根據(jù)頻散曲線形態(tài)，將瞬態(tài)面波頻散曲線出現(xiàn)多次重復(fù)、曲線回折、無深部面波信號等部位判定為隧道基底不密實(shí)，即高鐵隧道基底有虛渣、淤泥或空洞、充泥、充水位置。判別高鐵隧道基底不密實(shí)等病害。
非限制性示例：
圖8是滬昆鐵路麻拉寨隧道隧底無損檢測項目得到的剖面數(shù)據(jù)的示例。采用本發(fā)明的高鐵隧道基底不密實(shí)的檢測系統(tǒng)及方法對滬昆鐵路麻拉寨隧道隧底進(jìn)行過實(shí)驗檢測，系統(tǒng)中的面波儀采用sw16-12a面波儀，拾振傳感器采用固有頻率為100hz的檢波器。
本示例中，采用小微道間距、小偏移距的數(shù)據(jù)采集方式：0.6米偏移距，0.2米道間距，12道接收；為保證傳感器與混凝土地面接觸良好，去掉傳感器尾錐，另接鐵板塊，采用粘泥粘接使拾振傳感器與混凝土地面耦合；采用單端激振法，采樣率0.02ms，采樣點(diǎn)數(shù)為8192樣點(diǎn)。同時為克服水泥面安裝拾振傳感器的困難和提高檢測效率，并用一條帶子將12道拾振器和敲擊板連接在一起，形成整體移動。測線長度25m。
圖8示出根據(jù)本示例的檢測高鐵隧道隧底空洞的結(jié)果圖。附圖8所示，洞身標(biāo)1176-1182、1195-1203、1219-1225處面波波速偏低，這表明以上3段的隧底仰拱下存在空洞或溶蝕裂隙，是麻拉寨隧道隧底突泥、突水的主要原因。在深度0-0.8米范圍內(nèi)有一高速層，應(yīng)為仰拱。以上檢測結(jié)果經(jīng)鉆探驗證后，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的檢測結(jié)果完全準(zhǔn)確，表明利用瞬態(tài)面波法檢測高鐵隧道基底不密實(shí)是可行的。
圖9～圖11是本次檢測的曲線類型圖，分別是a～c三種類型的曲線，其中：
(1)a類曲線：該類曲線特點(diǎn)是深度較淺時(0-0.6m)，vr較高，結(jié)合隧底結(jié)構(gòu)分析，該層為隧底填充層及仰拱，完整性較好。隨著深度的增加曲線出現(xiàn)一個小臺階，或曲線斜率變化，是一個分層點(diǎn)(隧底與圍巖界面)。隨后vr隨深度增大，曲線平緩，表明該處圍巖完整，圍巖無明顯變化。
(2)b類曲線：該類曲線特點(diǎn)是深度較淺時(0-0.4m)，該層完整性較好。隨著深度的增加曲線出現(xiàn)一個大回折，回折之后隨后vr隨深度增大，曲線平緩，表明該處隧底有空洞，該處圍巖完整，圍巖無明顯變化。
(3)c類曲線：該類曲線特點(diǎn)是深度較淺時(0-0.4m)，vr較高，該層完整性較好，隨著深度的增加曲線出現(xiàn)一個開口，開口之后隨后vr隨深度增大，曲線平緩，表明該處基底出現(xiàn)不密實(shí)，而圍巖無明顯變化。
根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)，采用小微道間距、小偏移距進(jìn)行面波記錄(優(yōu)選采用高采樣率進(jìn)行面波記錄)，在數(shù)據(jù)處理手段上實(shí)現(xiàn)對頻率的加密采樣，并利用多個模態(tài)的辦法獲得檢測高鐵隧道基底測點(diǎn)下方的分層，因此可以在高頻部分提取速度與淺層深度信息，對多個模態(tài)小傾角斷續(xù)扁串珠體能量團(tuán)實(shí)現(xiàn)了有效分離，達(dá)到了提高檢測分辯率的目的。根據(jù)基于小微道間距面波的頻散曲線與高鐵隧道基底情況之間的關(guān)系，可以確定高鐵隧道基底不密實(shí)的位置和深度，從而根據(jù)頻散曲線形態(tài)判別高鐵隧道基底不密實(shí)等病害。
上述高鐵隧道基底不密實(shí)檢測系統(tǒng)及方法可以為高鐵隧道基底穩(wěn)定性檢查提供一種快速有效的技術(shù)手段，使得高鐵隧道基底不密實(shí)還沒有影響到高鐵列車正常運(yùn)行前就可以被發(fā)現(xiàn)需要加固處理的區(qū)段，同時，加固處理后也可以利用本發(fā)明的檢測系統(tǒng)進(jìn)行評價，從而可保障高鐵隧道的正常運(yùn)行。
本發(fā)明的系統(tǒng)和方法不僅適用于高鐵隧道，同樣適用于其他具有類似結(jié)構(gòu)的隧道。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例公開的高鐵隧道基底密實(shí)性檢測系統(tǒng)，不僅能夠保證檢波器與地面有效地耦合，提高了對面波的檢測準(zhǔn)確度，尤其適用于硬質(zhì)地面，諸如高鐵隧道基底。此外，本發(fā)明的震源采用小型鋼球錘以及與面波儀連接的金屬觸發(fā)片，有利于表面波的接收以及精準(zhǔn)檢測。
本發(fā)明中，針對一個實(shí)施方式描述和/或例示的特征，可以在一個或更多個其它實(shí)施方式中以相同方式或以類似方式使用，和/或與其他實(shí)施方式的特征相結(jié)合或代替其他實(shí)施方式的特征。
需要說明的是，上述實(shí)施例僅為說明本發(fā)明而非限制本發(fā)明的專利范圍，任何基于本發(fā)明的等同變換技術(shù)，均應(yīng)在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
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