隧道工程中锚杆与衬砌钢筋质量缺陷及衬砌背后空洞等问题直接影响隧道结构的安全性能。运用无损检测方法及时发现和评估隧道工程的质量病害,开发与之匹配的现代信号分析技术,对分析、诊断和提高隧道工程质量具有重要意义。本文结合当前隧道工程质量检测中存在的问题,以隧道衬砌病害三维可视化这一前沿课题为出发点,提出“隧道工程模拟试验检测及其信号特征分析”这一研究课题,主要工作如下:(1)通过理论计算设计试验方案,运用沙槽装置进行隧道工程模拟试验,基于无损检测方法对隧道工程模拟试验进行检测。为准确识别锚杆缺陷位置,采用超声波法对沙槽中的模拟锚杆进行检测;应用EMD方法对超声波检测信号进行分析,实现锚杆质量缺陷的精确识别,揭示了超声波在锚杆中的传播规律和特性。(2)为量化衬砌内钢筋的精准位置、剔除浅层钢筋对深层钢筋及目标物的干扰,采用地质雷达法分别对沙槽中不同走向、埋深钢筋进行检测;应用HHT方法对钢筋质量信号进行去噪分析,运用多种偏移手段剔除浅层钢筋对深层钢筋的干扰;结合阿卡黑隧道工程实例,对现场检测数据进行分析,取得了良好的效果。(3)为实现空洞尺寸的量化,采用地质雷达法对沙槽中模拟空洞进行检测。应用ARMA功率谱分析判断空洞及裂隙带在测线方向的范围,一定程度上实现空洞尺寸的量化。结合老坡隧道工程实例,对现场检测数据进行分析,取得了良好的效果。本文研究工作立足学科前沿,采用先进的现代信号分析技术,对锚杆、衬砌钢筋质量缺陷及衬砌背后空洞等问题进行了研究,具有较高的理论和实用价值,为系统研究隧道工程病害检测奠定了理论和实践基础。