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。     

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。     

基于回声信号的隧道衬砌空洞特征分析与识别

针对铁路隧道衬砌空洞问题，本文通过对比隧道衬砌整体数值模型与平板数值模型的差异，确定可以采用边长3 m平板模拟实际衬砌进行模型试验。设计了多种空洞工况，通过在不同位置施加敲击力获得衬砌空洞回声信号，分析敲击力、敲击位置、空洞边长、空洞深度对回声信号声压、功率、频率的影响，给出了一种利用敲击回声信号的频率和变帧长的梅尔倒谱系数识别衬砌空洞的方法。经对9种不同边长和深度空洞衬砌样本识别，总体识别准确率达到85.8%。     

隧道衬砌空洞敲击回声特性

为提高隧道衬砌空洞检测效率、指导隧道衬砌空洞自动敲击检测装置研制，开展隧道衬砌空洞敲击回声特性研究。依托我国双线隧道结构形式建立隧道衬砌声-结构耦合模型，以边长分别为0.4,0.6和1.0 m、衬砌厚度分别为0.05,0.15和0.35 m的9种空洞为重点，仿真分析敲击力、敲击点位置、空洞边长和衬砌厚度与衬砌回声声场分布特性间的关系；通过模型试验，验证仿真模型参数设置及仿真分析方法的可靠性。结果表明：空洞边长越大或空洞处衬砌厚度越小，基频越低；9种空洞的振动主频在318～1 837 Hz，计算时按200～2 000 Hz取值，该范围下隧道空间内声模态对隧道衬砌敲击回声声场分布影响较小；为识别边长0.4 m、衬砌厚度0.15 m的最小空洞，敲击力幅值应不小于5 kN，脉冲宽度应不大于0.3 ms；回声采集传感器应布设在距敲击点不大于1.0 m，且与敲击点轴线夹角不大于30°的范围内；面积不小于1.0 m²、衬砌厚度小于0.20 m的空洞，其敲击回声声压级超过50 dB，空洞特征易于识别。     

探地雷达在隧道衬砌空洞检测的正演模拟应用研究

按照时域有限差分解麦克斯韦偏微分方程的思路,通过基于时域有限差分的数值模拟方法,利用Matlab语言,编制了隧道衬砌空洞的二维正演程序,正演探地雷达波形在隧道衬砌空洞中的传播规律,分析了探地雷达在探测隧道衬砌空洞的有效性以及衬砌空洞的雷达波反射特征。正演模拟结果表明:衬砌空洞雷达反射信号强,且呈现多次反射特征,通常呈现双曲线特征,振幅强,频率低,在空洞下部仍有强反射界面信号,上下界面两组信号时程差较大。借助于实例,将模拟结果与实际检测结果进行了对比分析,取得了良好的效果,说明数值模拟是探地雷达波形识别的一种有效手段,因而,可以采用该方法对隧道结构衬砌背后的空洞病害进行有效检测,以指导隧道的安全评估。     

铁路隧道衬砌表观病害智能检测技术

针对铁路隧道衬砌表观病害检测需求，梳理并分析技术现状，介绍隧道衬砌表观病害智能检测系统的研制情况和系统组成。提出铁路隧道衬砌表观病害智能检测面临的技术难点，分析图像快速采集、病害智能识别、病害样本库构建等智能检测关键技术。通过基于实测数据集以及现场检测复核等手段，验证铁路隧道衬砌表观病害智能检测系统关键参数。结合现场运用情况，分析铁路隧道衬砌表观病害智能检测系统运用效率。智能检测系统应用表明，铁路隧道衬砌表观病害智能检测技术可大幅提升隧道衬砌病害检测的自动化和智能化水平。     

铁路隧道整体式衬砌地质雷达检测模拟试验研究

根据我国铁路隧道模筑混凝土整体式衬砌结构,足尺寸施做整体式衬砌试件模型,并设置衬砌背后空洞、回填不密实等典型工况,进行地质雷达检测模拟试验。试验结果表明:地质雷达扫描图能反映各种预先设置的衬砌背后空洞、回填不密实等衬砌异常情况;并出现强反射区、同相轴连续等典型特征;衬砌及衬砌背后回填不密实厚度在准确测定各介质层相对介电常数条件下,能够进行定量分析,检测精度可达±4cm;衬砌背后空洞厚度则可通过其与反射波振幅比的线性关系计算。模拟试验结果可为实际工程地质雷达检测结果定性、定量解释提供参考。     

背后存在空洞时盾构隧道管片的开裂机理及承载能力分析

为探讨盾构隧道管片背后存在空洞时管片空间受力特征及承载力变化情况,基于扩展有限元原理,采用载荷-结构计算方法,以长沙轨道交通2号线为研究背景,建立隧道衬砌三维计算模型,分别对衬砌结构16点位和2点位背后存在空洞时衬砌结构空间受力特征进行分析比较,根据分析结果,再对衬砌结构2点位背后存在空洞时衬砌结构极限承载力变化情况、开裂形态进行模拟分析。研究结果表明:衬砌结构16点位和2点位背后分别存在沿环向20°,30°和40°范围空洞时,空洞处衬砌应力集中明显,但均未出现开裂现象;随着荷载的增大,管片开裂主要位于管片环8点位和2点位方向,8点位处表现为内侧纵向开裂,2点位处表现外侧环向开裂;空洞的存在明显降低了衬砌结构的极限承载力,当衬砌结构2点位背后存在沿环向40°空洞时,衬砌极限承载力下降了30.68%。该研究可为隧道衬砌裂缝诱因分析、衬砌病害防治与修复研究提供一定的参考与借鉴。     

地震作用下隧道衬砌背后空洞影响机制研究

研究目的:由于隧道衬砌背后空洞的存在对隧道抗震影响很大,本文以高烈度地震区的敦煌-格尔木铁路阔克萨隧道为研究背景,研究隧道衬砌背后空洞位置、空洞大小、围岩级别和隧道埋深等因素对隧道结构的地震动力响应规律及影响机制,并提出合理的加固方案,确保地震作用下隧道运营安全。研究结论:(1)空洞的存在降低了衬砌结构的变形性能和抗震特性;(2)对空洞隧道拱顶最大主应力影响最敏感的因素是围岩级别,其后依次为空洞环向大小、空洞位置、空洞径向大小和空洞轴向大小,而隧道埋深则是最不敏感的因素;(3)回填注浆加固方案可降低隧道衬砌的拉应力,改善衬砌的内力和应力分布,回填注浆+套拱加固方案要比回填注浆+锚杆方案作用效果好,回填注浆+锚杆+套拱组合加固方案抗震效果最佳;(4)本研究成果对隧道衬砌背后存在空洞时在地震作用下的空洞影响机制和加固方案选取具有一定的指导意义。     

路基探地雷达图像层位智能识别与状态评价

针对有砟铁路路基层位探地雷达图像人工追踪效率低、精度低的问题，提出了基于深度学习的路基层位智能识别与状态评价技术。根据多条线路现场实测数据建立样本集，基于YOLO v5和U-Net训练智能识别模型，提出了层位厚度、道床-基床界面平整度评价指标计算方法。结果表明：本文提出的有砟铁路路基层位智能识别方法具有较高精度，且U-Net模型识别效果优于YOLO v5模型，识别、评价结果与人工追踪结果偏差较小，满足铁路路基检测工程的实际需求。     

某铁路隧道衬砌拱腰拉裂拱顶压溃病害原因探析

隧道衬砌缺陷致害研究是当前热点,对衬砌病害产生原因进行探析对隧道施工及设计来说尤为重要。通过结合相关资料、建立FLAC2D二维模型对某隧道出现的拱腰拉裂、拱顶压溃病害原因进行初探,研究结果表明:(1)拱顶背后存在空洞是引起隧道衬砌拱腰拉裂、拱顶压溃病害的主要原因。(2)拱顶背后存在空洞将引起衬砌受力发生显著变化,具体表现为拱部由衬砌背后无脱空工况下的洞内侧受拉转变成洞外侧受拉,且拱顶衬砌内表面处出现压应力集中。     

隧道衬砌内部空洞探测的FDTD正演模拟与试验研究

针对隧道衬砌内部空洞缺陷,基于时域有限差分(FDTD)法,对探地雷达电磁波在空洞缺陷衬砌内的传播过程进行正演模拟,分析空洞横向直径变化对电磁波反射响应特征影响,进而设计两类不同尺寸的空洞模型,测试探地雷达在规则空洞的反射响应特征。结果表明:随着空洞横向直径的增大,正演合成图显示的空洞反射响应特征表现为由双曲线逐步向矩形变化,探地雷达实测规则空洞的反射响应特征为双曲线,与正演模拟结果一致,为识别雷达图谱提供有效的支持,提高后续解译的可靠性,为地质雷达探测隧道衬砌内部空洞缺陷的结果提供可靠的解释依据。     

背后空洞引起高速铁路隧道衬砌裂缝形态的FEM对比分析

衬砌背后空洞和衬砌开裂是威胁高速铁路隧道行车安全的最主要问题。高速铁路隧道衬砌背后空洞不仅是威胁隧道结构安全的重要因素,更是造成衬砌结构开裂最主要的原因。通过基于虚拟裂缝模型的扩展有限元方法(XFEM)和基于弥散裂缝模型的常规有限元分析方法(CFEM)的地层结构模型,对高速铁路隧道衬砌拱肩背后一定范围内空洞引起的衬砌开裂形态进行数值模拟分析,开裂形态表现为拱肩背后空洞近拱顶边缘的二次衬砌内侧开裂,同时初期支护环向贯通开裂。研究表明,扩展有限元法能较好地描述衬砌开裂的走向、长度等开裂形态以及扩展规律等,而ANSYS中的SOLID65单元能实现对衬砌背后空洞引起衬砌开裂范围的定性描述,两者之间相互补充和相互验证能较为准确地描述衬砌开裂的几何信息,进而有助于衬砌结构开裂应力场分析。     

高铁大断面隧道衬砌智能化建造及质量控制技术

隧道智能建造技术作为中国“智能铁路”重要组成部分,引领了隧道修建技术的发展方向。为提高隧道施工智能化水平,保证衬砌及断面整体施工质量和使用寿命,以京张高铁八达岭隧道为背景,提出了一系列复杂大断面隧道衬砌智能化建造及质量控制技术。二衬结构混凝土智能振捣和浇筑技术可实现混凝土的自动化施工,减少现场作业人员50%,降低现场数据记录耗时90%;自主设计了一套以智能温湿控制系统为核心的衬砌智能养护台车,智能控制和调节养护区域内温度和湿度,显著降低人工投入和减少人为质量缺陷,提高施工效率;提出二衬防脱空自动报警、防顶裂技术,有效防止衬砌空洞和开裂的发生,使空洞发生概率由16%降为6%,二衬开裂概率由22%降为8%;衬砌智能化建造及质量控制技术在新八达岭隧道的成功应用,提高了隧道衬砌的施工质量水平和综合管理能力。     

隧道质量无损检测中雷达波形分析与探讨

通过对不同衬砌类型下的衬砌密实性、拱架的特征波形做进一步地梳理和深入探讨,分析不同衬砌工况下空洞、拱架对应的主要判定特征;对衬砌结构划分类别,并对衬砌密实性、拱架的判定特征在不同衬砌工况下多条隧道雷达波形差异性进行分析和对比,总结出不同衬砌工况下的共性。在隧道二次衬砌内无钢筋布设时,空洞和拱架之间存在影响,但可以判定;在隧道二次衬砌内存在钢筋布设时,钢筋对背后的脱空和拱架具有屏蔽作用,影响雷达图像的判释。     

泡沫混凝土在隧道衬砌背后空洞中的处治技术研究

泡沫混凝土是一种新型独特的多功能建材,具有轻质、整体性能好、低弹减震性好等特点。结合G312线六盘山隧道加固改造工程背景,对隧道在施工过程中进行了衬砌背后空洞区探测,综合分析衬砌背后空洞原因,确定采用泡沫混凝土对衬砌背后空洞进行处治;重点讨论了材料优点和使用要求以及隧道衬砌背后空洞处治施工工艺。通过该方法和手段保证了衬砌背后空洞的受力安全,降低对隧道衬砌的附加荷载,并形成缓冲层,为隧道加固改造工程及类似施工提供技术参考。     

高速铁路隧道拱顶二次衬砌背后存在空洞时气动荷载对其的影响

为了探索隧道拱顶二次衬砌背后不同范围内存在空洞条件下高速列车气动荷载对隧道二次衬砌结构的影响,采用隧道空气动力学的流体力学分析方法及结构力学分析方法,对二次衬砌结构的受力进行研究。研究结果表明:在气动荷载作用下,隧道二次衬砌结构处于"拉—压"的循环受力状态中;在隧道拱顶二次衬砌背后存在空洞时,衬砌结构上产生的瞬态应力变化规律与其受到的气动荷载变化规律一致,当列车运行速度为350km·h-1时,二次衬砌结构上产生的最大瞬态应力是同一时刻气动荷载的约39倍;在最大正峰值气动荷载作用下,随着拱顶二次衬砌背后空洞范围的增大,拉应力范围逐渐变小,拉应力值先增大后减小;在最大负峰值气动荷载作用下,隧道拱顶二次衬砌第一主应力仅有压应力而无拉应力作用,而且随着拱顶二次衬砌背后空洞范围的增大,二次衬砌受压区的范围逐渐变小,压应力值先增大后减小;二次衬砌结构上产生的最大应力绝对值随着列车运行速度的提高而增大,且与列车运行速度的平方成二次函数关系。     

基于对应分析模型的隧道衬砌病害主成因挖掘

基于对应分析模型提出隧道衬砌病害主成因挖掘方法.根据隧道衬砌病害的样本和成因的调查资料,建立隧道衬砌病害对应分析模型的列联表;通过因子分析,建立对应分析模型中的R型因子分析与Q型因子分析的关系;计算对应分析模型的收敛性,采用特殊点排除法优化对应分析模型的收敛性;将隧道衬砌病害样本点和成因点绘制在二维对应分析图中;根据两者在图中的对应位置关系判断导致隧道衬砌病害的主成因.根据收集的18座隧道衬砌病害资料,采用提出的隧道衬砌病害主成因挖掘方法,利用SPSS软件进行主成因挖掘.结果表明,样本隧道衬砌病害的主成因有衬砌背后空洞、衬砌厚度不足、围岩处理不当和塑性地压4个.     

铁路隧道衬砌灌注质量智能化保障技术

隧道结构时有掉块、水害、底鼓、开裂等病害产生,衬砌掉块因其发生无预兆、严重危及行车安全的特点被称为铁路隧道首害。空洞、脱空等衬砌质量缺陷是导致掉块等病害发生的主要隐患。既有检测技术的局限性、施工期间环境的特殊性、混凝土多相混合的模糊性、工艺工法的隐蔽性,导致长期以来无法掌握混凝土冲顶的实际状态。经深层次分析拱顶空洞成因,针对性研发了衬砌灌注状态监测装置,设计隧道衬砌冲顶状态智能判释系统,形成高速铁路隧道衬砌冲顶质量智能化保障技术。该技术于京张高铁八达岭隧道开展试用,为现场提供实时指导依据,达到了降低衬砌施工质量缺陷、提升隧道品质的目的。     

围岩空洞对重载铁路隧道动力稳定性的影响

以浩吉铁路万荣隧道为研究对象,基于围岩拱部空洞的各类参数(长度、高度、分布范围),对隧道动力响应特性、隧道衬砌应力等进行研究。在分析列车动力荷载的施加机理与施加方法的基础上,建立车辆-轨道-隧道动力有限元模型,计算在列车荷载的作用下,不同的空洞参数对隧道位移、加速度、衬砌主应力等方面的影响。研究表明,空洞加剧了隧道各部位的振动响应,其中拱顶的动力响应变化最大,空洞高度从0增大到20 cm时,拱顶的位移峰值增大了近3倍,而仰拱部位位移最小;空洞也改变了衬砌混凝土的受力状态(由受压变为受拉),这对于混凝土材料极为不利;随着空洞范围的不断增大,动力荷载对拱顶的影响加剧,拱顶的加速度峰值由无空洞状态的1.62 m/s^-2增加到3.49 m/s^-2,此时结构已处于不稳定状态。