随着我国交通事业的不断发展,隧道工程的应用十分广泛,由于设计缺陷、施工质量、荷载作用和结构自身老化等原因,隧道结构在其全寿命周期中不可避免地产生不同程度的缺陷和损伤,对隧道进行快速准确的损伤检测,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。本文从气-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。通过数值模拟、试验分析等方式对曲率、敲击小球直径、敲击点位置、缺陷深度等进行了较为全面的分析,论文主要研究成果如下:(1)针对不同曲率半径下的曲面板结构,分析结构冲击回波响应特性,对曲面板型结构的空气耦合冲击回波法的适用性进行了数值模拟的研究。研究发现,当曲面板的曲率直径和厚度比达到20以上时敲击点局部发生的冲击回波模态与平板结构基本相同,而曲率半径较小时曲率不在是可忽略的因素,对冲击回波频率影响较大。(2)采用数值模拟和试验相结合的手段,对曲面板损伤检测中激励小球的直径、敲击点位置、传感器距敲击点距离以及不同深度下的各种缺陷等多种工况进行了对比分析。敲击钢球直径越大其产生的入射波频率越低,衰减越慢,而小直径钢球激发的应力波衰减较快只能检测出浅层的缺陷;敲击点与缺陷的相对位置对响应信号的峰值频率影响较小;冲击回波漏泄波在空气中衰减很快,因此麦克风距敲击点越近接收的信号能量越强检测效果越好;对于不同深度的缺陷,深层缺陷的冲击回波主频率与理论值契合度较高,而浅层缺陷回波经分析其主要是频率较低的弯曲模态响应。(3)由于敲击力度、位置等具有一定的随机性,空气耦合冲击回波主频往往也表现出一定的随机性,传统的基于冲击回波主频进行损伤成像的方法往往由于信号峰值频率的波动产生较大的误差,本文就这一问题提出了一种对成像判定指标的改进方法,该方法考虑无缺陷处频率的波动范围,引入带通滤波器并最终依据其峰值能量的比值形成新的判定指标,随后分别对一块平面板和一块标准地铁隧道曲面衬砌进行了损伤成像验证,研究发现,利用本方法进行损伤成像结果,其缺陷的辨识范围更加准确。