激光成像技術(shù)在鐵路隧道檢測(cè)中的應(yīng)用

■ 宋國(guó)華 劉建瑞

隧道襯砌表面病害的檢查是無(wú)損檢測(cè)中重要的一步，表面病害隨著時(shí)間的發(fā)展將成為結(jié)構(gòu)的內(nèi)部病害，同時(shí)表面病害多是內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害在襯砌表面的反映。但目前檢查和檢測(cè)手段落后，基本沿用“眼看手量”的方法，一些病害難以發(fā)現(xiàn)，且耗費(fèi)大量人力、物力。激光成像系統(tǒng)是采用三維激光掃描技術(shù)，根據(jù)鐵路隧道檢測(cè)需求研發(fā)的一種輕型隧道檢查小車，該系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的缺陷，實(shí)際應(yīng)用中取得了很好效果。

1 激光成像系統(tǒng)測(cè)量原理

激光成像系統(tǒng)是把三維激光掃描技術(shù)用于隧道等地下工程的施工、竣工測(cè)量和運(yùn)營(yíng)維護(hù)測(cè)量，是一種集光、機(jī)、電技術(shù)為一體的多功能輕型隧道檢查小車。該系統(tǒng)能無(wú)損、快速獲得地下結(jié)構(gòu)綜合數(shù)字圖像信息。當(dāng)小車在軌道上行走時(shí)，激光器發(fā)射激光并以螺旋線形式對(duì)隧道表面進(jìn)行全斷面高密度掃描，通過(guò)分析發(fā)射和接收激光信號(hào)的強(qiáng)度和相位差，可以獲得隧道襯砌內(nèi)表面的影像信息，形成灰度圖及隧道襯砌表面掃描點(diǎn)坐標(biāo)。系統(tǒng)測(cè)量原理見(jiàn)圖1。

2 系統(tǒng)組成

激光成像系統(tǒng)硬件主要包括：（1）軌道測(cè)量小車：用于里程、軌距、高低、超高等測(cè)量；（2）超高速相位式激光掃描儀：掃描最高頻率100 Hz，采樣頻率500 000測(cè)點(diǎn)/s，測(cè)點(diǎn)為10 000個(gè)/圈，測(cè)量范圍1～20 m，對(duì)于每個(gè)已測(cè)點(diǎn)，該設(shè)備都可產(chǎn)生三維坐標(biāo)和反射率信息；（3）高可靠性的筆記本電腦。

系統(tǒng)軟件包括圖像采集與處理軟件和與之配套的圖像信息管理軟件。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

激光成像系統(tǒng)在檢測(cè)過(guò)程中可即時(shí)顯示隧道輪廓圖，并可在現(xiàn)場(chǎng)看到初步測(cè)量結(jié)果。數(shù)據(jù)后處理工作由專用數(shù)據(jù)處理軟件和與之配套的隧道圖像信息管理軟件進(jìn)行。根據(jù)采集的隧道表面圖像，進(jìn)行病害判讀，并將病害信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)，還可根據(jù)需要對(duì)各類病害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖2。

4 應(yīng)用實(shí)例

采用激光成像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)某鐵路多個(gè)運(yùn)營(yíng)隧道進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。根據(jù)自動(dòng)生成的隧道病害展開(kāi)圖，能夠初步判斷隧道表面病害存在的位置，然后利用圖像信息處理軟件的統(tǒng)計(jì)功能，對(duì)病害分布做定量分析。

4.1 圖像數(shù)據(jù)分析處理

圖3—圖6是經(jīng)過(guò)處理的隧道襯砌表面病害掃描圖像。

通過(guò)對(duì)所采集的圖像進(jìn)行分析，結(jié)合隧道圖像信息管理軟件，可對(duì)隧道襯砌表面病害（裂紋、掉塊、滲水、腐蝕等）及隧道內(nèi)設(shè)施（接觸網(wǎng)、避車洞等）的分布進(jìn)行標(biāo)明。采用統(tǒng)計(jì)分析的方法對(duì)隧道病害程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖7所示為根據(jù)隧道圖像掃描結(jié)果并配合隧道繪圖軟件制作的隧道狀況展開(kāi)圖。隧道襯砌表面病害及隧道內(nèi)設(shè)施在圖中通過(guò)不同圖例加以標(biāo)明。

圖8、圖9是根據(jù)隧道病害情況圖并利用隧道圖像信息管理軟件統(tǒng)計(jì)功能進(jìn)行的病害分類統(tǒng)計(jì)，TB××表示區(qū)段，每個(gè)區(qū)段長(zhǎng)度為10 m。

圖1 激光成像系統(tǒng)測(cè)量原理

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

圖3 隧道邊墻滲水

圖4 隧道邊墻裂紋

圖5 隧道拱頂?shù)魤K（已修補(bǔ)）

圖6 隧道拱頂腐蝕

圖7 隧道病害狀況展開(kāi)圖

圖8 隧道裂縫累積長(zhǎng)度分布圖

由圖中可定量看到各個(gè)區(qū)域內(nèi)裂縫長(zhǎng)度、漏水面積等。

4.2 檢測(cè)系統(tǒng)需進(jìn)一步研究的問(wèn)題

通過(guò)隧道數(shù)據(jù)分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)比，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)中存在一些問(wèn)題需進(jìn)一步研究分析：

（1）對(duì)于季節(jié)性滲水這樣的病害，在沒(méi)有水滲出的情況下，隧道壁上也留有水的痕跡，圖像上難以分辨清是否有水滲出；

圖9 隧道襯砌滲漏水累積面積分布圖

（2）對(duì)于隧道洞口處（白天進(jìn)行檢測(cè)的情況）的裂紋，可能受到光線影響，一些裂紋無(wú)法識(shí)別出來(lái)，當(dāng)隧道壁和裂紋顏色接近時(shí)，識(shí)別裂紋也比較困難；

（3）當(dāng)處理后的圖像導(dǎo)入圖像管理軟件時(shí)，圖像需進(jìn)行壓縮，有些細(xì)小裂紋在圖像管理軟件中無(wú)法識(shí)別出來(lái)，識(shí)別時(shí)還需對(duì)照導(dǎo)出的圖片進(jìn)行判讀。

5 結(jié)論與建議

（1）采用激光成像系統(tǒng)對(duì)隧道襯砌表面病害進(jìn)行檢測(cè)，能夠很方便的將病害分布情況標(biāo)明，并自動(dòng)生成隧道病害狀況展開(kāi)圖。

（2）引進(jìn)隧道激光掃描成像系統(tǒng)進(jìn)行隧道檢測(cè)，為搭建隧道病害數(shù)字化管理平臺(tái)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）隧道洞口處的檢測(cè)應(yīng)盡量在夜間進(jìn)行。

（4）對(duì)于有些難以判斷的病害，應(yīng)通過(guò)導(dǎo)出的圖片進(jìn)行判讀，并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)一些病害的記錄。

[1]鐵道部運(yùn)輸局基礎(chǔ)部．鐵路隧道檢測(cè)技術(shù)手冊(cè)[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2007

[2]肖書(shū)安，張正祿．高速鐵路隧道竣工測(cè)量新技術(shù)[J]．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(9)