铁路隧道复合衬砌脱空的危害分析与防治

铁路隧道复合衬砌脱空和支护厚度不足占隧道缺陷、病害的比例极高.以200 km·h-1客货共线双线隧道为例,采用ANSYS有限元分析软件,按“共同变形”受力模型计算分析脱空对结构承载能力的影响.初支脱空时,在不同级别围岩变形压力的作用下,初支拱顶部位向内侧压弯呈增大趋势,这是初支向内压裂(碎)乃至坍塌的主要原因之一;衬砌脱空时,导致衬砌拱顶部位向外侧或向其对应的空洞边缘外侧压弯呈增大趋势,造成衬砌向外压裂甚至可能引起脱空水平投影范围外沿侧纵向开裂.严重的脱空可能导致隧道结构在施工阶段或运营阶段发生压溃、侵限、放射状开裂和坍塌,而且初支脱空的危害性比衬砌脱空更大.通过分析脱空的形态和成因,结合工程实践经验,从施工和施工管理角度提出了脱空防治的具体措施和建议.     

基于MFCC的高铁隧道衬砌脱空智能识别

衬砌脱空作为高铁隧道常见病害之一,威胁车辆和人员安全。目前,高铁隧道衬砌脱空检测多采用人工敲击听声的方法进行判断,受主观影响较大,准确率会受到影响。基于传统叩诊法原理并结合声音识别技术,对高铁隧道衬砌脱空的智能识别进行研究。采集京广高铁某隧道敲击检查的270段敲击声音样本,分析密实和脱空状态下的时域和频域特征。分析发现：衬砌背后密实与脱空时域波形特征和短时能量均有显著差异;密实状态下主频与次主频在6 200 Hz左右,脱空状态下主频与次主频在800 Hz左右。提取36维梅尔频率倒谱系数（MFCC）,降维处理后作为机器学习数据集。采用极端梯度提升（XGBoost）算法训练与测试,建立基于MFCC的高铁隧道衬砌脱空智能识别模型,与优化的支持向量机（CV-SVM）模型和梯度提升决策树（GBDT）模型相比,识别准确率更高,达到96.87%。该模型可用于衬砌背后脱空的定性识别,相较于人工检测,智能化和信息化程度极大提升,对智能化和自动化诊断高铁隧道衬砌脱空缺陷具有重要意义。     

衬砌脱空雷达波数值模拟与定量解释

地质雷达是隧道衬砌脱空病害检测主要方法,常规探测理论是以菲涅尔带半径为最终空间分辨率,小于该半径的脱空不能识别,而大于该半径的脱空在定量解释上也存在困难。针对隧道脱空检测常用900 MHz天线,采用时域有限差分对不同脱空量的模型进行雷达波数字模拟计算,并合成雷达记录剖面。在分析脱空区域顶、底反射叠加波形特征及振幅变化的基础上,给出不同脱空量模型的波形双峰极值点幅度变化规律,提出基于极值点振幅比反演脱空量的解释策略,并给出反演结果的拟合算法。该策略不仅为脱空区脱空量分析提供一条途经,同时为地质雷达在脱空定量解释方面提供有效的技术手段。     

弹性波技术在高速铁路道岔区板式无砟轨道离缝检测中的应用

高速铁路板式无砟道岔区的离缝脱空无法通过人工方法有效检测，须采用无损方法。针对这一问题，采用弹性波法对板式无砟轨道道岔区段进行检测，分析了黏结良好区域和脱空区域的反射波形特征，给出了道岔黏结质量评价方法和评价指标。结果表明：弹性波法能有效检测板式无砟道岔离缝脱空，可通过时域反射系数和卓越频率两个指标综合识别离缝；相对于黏结良好状态，脱空状态下时域反射系数明显增加，反射系数大于0.7时可判定为脱空；存在脱空时，脱空深度位置对应的频率峰值表现出较强的反射特征。将检测结果绘制成等值线图，可直观显示离缝脱空位置；计算离缝面积比，可评价道岔区轨道板底部的黏结状态。     

基于广义柔度曲率信息熵的板式轨道脱空损伤识别

板式轨道填充层作为轨道结构关键部位,在高频列车荷载和环境共同作用下出现脱空损伤,引起脱空位置轨道结构刚度改变。为有效检测板式轨道的轨道板脱空情况,采用数值仿真分析得到无砟轨道模态信息,利用轨道脱空区域广义柔度曲率局部峰值进行轨道脱空损伤识别。结合广义柔度、均匀荷载面(Uniform load surface, ULS)、曲率和局部信息熵,提出可定位损伤的ULS曲率信息熵,并在CRTS III板式轨道上进行验证。研究结果表明：广义柔度曲率利用轨道脱空前后模态信息计算轨道脱空损伤曲率差,能够有效定位脱空位置;ULS曲率信息熵表征值只需要轨道的一阶模态信息便能够有效地反映轨道脱空位置及面积,且克服了广义柔度曲率需要健康模态信息的不足;轨道对称位置上相同面积脱空的ULS曲率信息熵值相同;ULS曲率信息熵值与脱空面积和厚度成正相关关系;ULS曲率信息熵表征值具有较好的损伤识别敏感性,能够识别小于单个测点布置面积的0.1 m×0.1 m小面积脱空,并且对轨道板边脱空识别敏感性高于轨道板中脱空识别敏感性。     

模态分析在隧道二衬脱空声振检测中的应用

研究目的:声振法在隧道二衬脱空检测中具有低成本、易实施的特点,但由于仪器设备及技术手段限制,目前尚无成熟可靠的脱空识别判定依据。针对单次振动激励下的响应块体,本文通过进行数值模态分析,以得到模态参数与二衬结构形态参数的对应关系,从而提出定量的脱空判定标准。研究结论:(1)完全脱空响应块体基频值随平均脱空深度增大呈三次多项式规律增大,浅部脱空块体的基频值低于深部脱空块体,平缓脱空面较倾斜脱空面块体基频值更大,脱空面为水平时基频达到最大值;前两阶固有频率差值变化规律同基频-平均脱空深度曲线类似;(2)局部脱空响应块体基频值随脱空长度增大呈Logistic函数规律减小,脱空长度相同时,基频值随起始脱空深度增大而增大;前两阶固有频率差值随脱空长度增大而增大,结果曲线在脱空长度为30 cm处存在节点,前后差异明显;(3)由判定曲线图可确定二衬结构的精确形态参数,实现定量脱空判定,并提出了快速求得脱空特征参数的作图法;(4)该研究成果可为声振法在隧道二衬脱空检测中的工程运用提供理论依据。     

基于图像识别技术的隧道衬砌裂缝检测系统研究

首先分析了既有隧道衬砌裂缝检测系统存在的问题,然后应用最新技术发展成果,提出基于图像识别技术的隧道衬砌裂缝检测系统。该系统能对隧道衬砌图像予以高速采集和存储,其后端采用基于深度学习的裂缝识别算法对海量的隧道衬砌图像数据进行快速识别,并提取裂缝特征参数。将该系统安装在现有轨道车上进行了试验,结果表明该系统可以50 km/h的速度对1 mm以上衬砌裂缝无遗漏采集。     

探地雷达天线阵技术在隧道衬砌质量检测中的应用

介绍了探地雷达基本原理、工作方法及天线阵技术原理.结合工程实例,详细阐述了用探地雷达天线阵技术检测隧道衬砌中衬砌厚度、混凝土衬砌疏松高含水、拱架与钢筋网、初衬与二衬之间脱空区等,并给出了相应的雷达图像和波形特征,实践证明探地雷达天线阵技术检测效率高,效果好.     

基于地质雷达法检测钢筋混凝土结构衬砌脱空的研究

地质雷达法是目前隧道衬砌检测的主流方法,在检测钢筋及拱架间距、素混凝土结构等方面有优异的表现。当衬砌为钢筋混凝土结构时,由于电磁波的"趋肤"效应,检测结果不甚理想。以宝兰客专定西至兰州段某隧道区域钢筋混凝土结构的地质雷达检测为例,对典型的"脱空"地质雷达图像进行研究,并通过"破检"和敲击等方式进行验证。研究及验证表明,当衬砌层较薄或雷达信号的增益调节不当时,会有疑似脱空的假信号,易造成脱空误判;当钢筋分布密集时,衬砌脱空检测有一定困难,容易出现漏判。因此,应采用多种方法进行综合判识。另外,敲击法在检测衬砌浅部脱空时效果较好,应推广应用。     

隧道二衬背后空洞智能化检测和预防技术撤回

目前隧道衬砌质量检测方法仍然以“地质雷达+敲击法”为主,敲击法存在检测效率低、精度低、受人为因素影响大,容易出现漏检误检等诸多问题。为了提升敲击法在隧道衬砌检测中的有效性,基于敲击回声研究了隧道衬砌智能化检测新技术,通过采用自动敲击、声音自动采集和智能识别方法,在数值仿真的基础上从时域、频域、时频域维度提取隧道衬砌空洞特征参数,进一步建立对正常回声与空响回声的识别模型,针对空洞识别模型进行的模拟实验和实际隧道现场试验,数据结果表明,智能化检测新技术的空洞识别正确率达90%以上,可以有效识别空洞,实现隧道衬砌智能化检测。同时结合后期智能预防措施,采用最新衬砌空洞预防技术,可最大程度地减少和避免空洞的出现,以确保隧道运营安全。     

含缺陷高铁隧道衬砌探地雷达检测模型试验

依托银西高铁某隧道建立含缺陷高铁隧道衬砌模型,采用900和400 MHz探地雷达天线分别进行检测试验,在分析雷达剖面缺陷表现形式的基础上,总结缺陷处波形特征和频谱特征;提出1种利用点状物体反射双曲线确定雷达波零线位置并反演雷达波传播速度,进而计算隧道衬砌厚度的方法;通过在模型中对应位置钻孔取芯,验证采用雷达波波形特征和频谱特征识别隧道衬砌缺陷的准确性和衬砌厚度计算方法的精度。结果表明:雷达波波形特征和频谱特征可用于辅助识别衬砌缺陷类型,2种天线对衬砌中空洞缺陷和钢筋分布的探测效果良好,能探测到面积不足0.1 m~2的空洞;计算8处设计缺陷的衬砌厚度,最大相对误差4.11%,平均相对误差1.53%,衬砌厚度计算方法具有较高的精度;目标体埋藏深度对检测结果的影响远大于目标体规模,如探测埋深较大的目标体,需提高设备的发射功率或降低天线的中心频率;缺陷检出率与缺陷规模、测线密度等因素相关,可通过增加测线数量来提高缺陷检出率。     

脱空钢管混凝土偏心受压力学性能试验研究

本文进行了30个核心混凝土脱空的钢管混凝土偏心受压构件试验研究,试验参数有脱空率、偏心率、加载模式及构件长细比.试验过程中记录了试件在各级荷载下的纵向、横向变形,以及中截面纵向、横向应变,获得了试件破坏时承受的最大荷载.试验结果表明,核心混凝土脱空降低了钢管混凝土极限承载力,脱空率越大,极限承载力越小;偏心率越大,极限承载力也越小;在脱空一侧加载较之在非脱空一侧加载的极限承载力小;脱空对长柱极限承载力影响比短柱小.     

基于VMD-HHT冲击回波法的隧道衬砌检测技术研究

研究目的:针对常规冲击回波法在进行隧道衬砌脱空检测时容易出现多重峰值、虚假频率等问题,提出以模糊熵和相关系数为综合目标函数的遗传算法对原始信号进行最优化变分模态分解(VMD),然后基于希尔伯特-黄变换(HHT)计算信号的边际谱,并据此进行脱空检测分析,解决了傅里叶变换对非平稳冲击回波信号分析存在的固有缺陷,并基于仿真信号和隧道衬砌物理模型检测信号对数据处理方法进行了验证。研究结论:(1)以模糊熵和相关系数为综合目标函数的遗传算法有效实现了VMD分解参数的最优化,避免了人为设定参数所具有的偶然性;(2)VMD能够自适应地实现对冲击回波信号不同主频分量的有效分离,不存在模态混叠,因此能够有效滤除噪音信号,提高数据信噪比;(3)本文所提出的基于改进VMD-HHT的冲击回波法能够对衬砌厚度进行可靠检测,且检测结果中主频清晰明显,干扰远小于常用的傅里叶变换,不容易产生误判,有效提高了检测精度;(4)由于傅里叶变换及VMD-HHT处理方法的检测结果均存在一定的误差,因此要精确判断衬砌是否存在脱空,需结合隧道衬砌为密实情况的结果进行综合对比分析。     

高速铁路隧道二次衬砌脱空原因和整治及预防措施

高速铁路隧道二次衬砌脱空直接关系到铁路运营安全。本文首先提出了二次衬砌脱空是由于工艺设备改进缓慢和施工过程工序把控不严等原因造成。介绍了回填注浆法和开窗二次浇筑法两种二次衬砌脱空的整治措施,以及两种整治措施的优缺点和注意事项,随后提出了优先选用先进工艺设备、加强过程管控和适度改进现有工艺设备的预防措施。优先选用先进工艺设备方面介绍了目前较为先进的数控防水板台车和综合性二次衬砌台车两种设备;加强过程管控方面提出了严控超欠挖、测算应浇筑方量、严控防水板安装质量等方面的要求;适度改进工艺设备方面介绍了简易分层分窗浇筑、拱顶灌满回馈装置、带模注浆等方法。最后通过实例验证二次衬砌脱空整治措施和预防措施,均取得了较好的效果。     

冲击回波声频法用于铁路隧道衬砌质量检测

研究开发了冲击回波声频法这一新型无损检测方法,通过非接触式拾取冲击弹性波信号和高分辨力频谱分析,大大提高了对衬砌厚度、缺陷等的识别能力.百余座铁路隧道检测的实际应用及与地质雷达法等的对比验证结果表明,冲击回波声频法具有测试精度高、分辨力强、测试效率较高等特点,非常适合于铁路隧道衬砌质量的检测.     

板底脱空对无砟轨道结构模态的影响

基于CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构参数,研究了不同脱空状态对无砟轨道模态的影响,并对轨道板自振应力进行了分析。结果表明:分析脱空对轨道结构模态的影响时,脱空厚度方向不宜处理为完全损坏,而应取一定的脱空厚度;板端脱空组合对轨道结构模态的影响最大,板中脱空影响最小;板中脱空时脱空形状对轨道结构的模态几乎没有影响;无脱空时轨道板自振应力在扣件处最大,不同脱空状态下轨道板自振应力在脱空区域与自密实混凝土接触边缘较大。研究成果可供无砟轨道脱空识别和结构优化设计参考。     

北京地铁磁器口车站浅埋暗挖法进洞施工方案比较

以北京地铁磁器口车站为例,介绍暗挖车站主体进洞施工技术,对小导洞、单拱挑高二次衬砌、双拱挑高二次衬砌、单拱平移二次衬砌、加强环等5个方案进行分析比选,评价采用加强环方案进洞的效果。     

隧道二衬质量问题成因分析及预防措施

随着国民经济的日益繁荣,科学进步的日新月异,隧道在我国各种交通线路中占的比重日益增大,而对隧道结构安全性起决定作用的二次衬砌实体质量也越来越多引起关注。本文以玉磨铁路在建隧道为工程背景,针对隧道工程实体质量检测中发现的各类问题如二衬厚度不足、二衬脱空、二次衬砌背后脱空、二次衬砌不密实等,提出成因分析并研究预防措施。并通过施工现场实践证明措施有效、可行,从而为解决此类工程问题提供有益参考。     

基于声振法的钢混组合桥面板脱空识别研究

钢混组合结构和钢管混凝土结构的界面脱空对桥梁的安全耐久非常关键。声振法作为一种简单有效的现场无损测试方法,可用于混凝土材质好坏、内部孔洞、剥离及脱空等缺陷检测。运用小波变换方法对钢混组合桥面板声振信号进行分析,将小波时频谱分为3个表征信号内容的区域,即表征混凝土质量的冲击回波高频共振A区、表征脱空区钢板自振特征的B区及表征环境噪声的低频C区,根据各区域的时-频-能量特征可以定性识别钢混界面脱空的程度。在一座钢混组合试验桥桥面板施工时预埋大小不一的泡沫与橡胶片模拟钢混界面的脱空与脱空区有水或是其他介质浸入的情形,声振测试试验验证该法的有效性。     

铁路隧道二衬顶部脱空受力分析及整治措施

本文应用数值模拟方法对某铁路隧道二衬顶部小范围脱空情况进行了受力分析,并提出了顶部开天窗凿除补强的整治措施,同时对补强后的二次衬砌进行了受力分析。分析结果表明:隧道二衬顶部小范围脱空情况下,二衬在应力方面能够满足强度要求,但存在掉块等风险;开天窗凿除补强措施可有效利用既有衬砌结构,同时对既有线的安全和行车影响较小,具有较强的安全性和可操作性;采取补强措施后隧道二衬受力比补强前有一定程度的减小,强度满足要求。该隧道顶部脱空补强措施可为同类隧道工程整治提供参考。