合武高鐵隧道安全監(jiān)測及預(yù)警方法應(yīng)用的探討

卓長智 中國鐵路上海局集團有限公司合武鐵路有限公司

1 既有隧道的狀況

合武鐵路安徽段共有隧26座，總長45.653 km。其中，3 km～10 km 隧道4座，總長21.934 km；10 km 以上隧1座，長10.766 km。合寧鐵路共有隧道2座，總長2.005 km。

經(jīng)業(yè)內(nèi)權(quán)威檢測，28座隧道共發(fā)現(xiàn)1 080處襯砌缺陷（二襯背后不密實或空洞），襯砌缺陷段總長共3 120.8 m。其中，有19座隧道存在不同程度的隧道二襯厚度不足，共計270處。

2018年，設(shè)備管理單位再次對28座隧道進行全面排查，發(fā)現(xiàn)空響、滲漏水、露筋及其它等280處缺陷，發(fā)現(xiàn)雙塊式軌枕擋肩開裂、脫落30處。

2 缺陷形成原因及檢修

2.1 缺陷形成原因

2.1.1 設(shè)計不合理

由于地質(zhì)勘探不到位，隧道穿越古錯落體、滑動帶、巖溶區(qū)暗河，造成隧道先天不足；設(shè)計斷面形式不合理和排水設(shè)計不合理等造成隧道混凝土開裂、排水不暢等病害。

2.1.2 施工造成

由于超挖或坍方后未按規(guī)范回填或壓注漿工作，造成初期支護與圍巖之間留有較大范圍的空隙，混凝土振搗不密實或存在空洞，形成積水空間；所選防水材料不合格（不合理）或防水板的鋪設(shè)存有缺陷；施工中的塌方處理不徹底，形成不密實、脫空等缺陷；欠挖或變形過大，造成二次襯砌厚度不足等。

2.1.3 維護不當

洞外排水系統(tǒng)遭破壞，未及時修復(fù)；洞內(nèi)水溝被堵，造成基底積水，使基底圍巖軟化，產(chǎn)生翻漿冒泥。

2.2 現(xiàn)有的檢查維修方式

一般利用封鎖點或天窗點集中檢查和日常檢查。就目前的檢查檢測水平而言，隧道維修尚屬于勞動密集型行業(yè)，大多依靠傳統(tǒng)的方法。加之，維修工人技術(shù)水平有限，對隧道的認知不足；隧道內(nèi)設(shè)備多，涉及專業(yè)部門多，協(xié)調(diào)配合復(fù)雜。這些導(dǎo)致檢測、維修進度受到嚴重的影響，效率、質(zhì)量不高。因此，需要對現(xiàn)有高鐵隧道的巡檢方式進行改進，采用最新的科技信息技術(shù)實現(xiàn)對隧道狀態(tài)和運輸安全的實時監(jiān)測、智能分析、科學(xué)診斷，進一步加強對鐵路運輸安全的分析掌控，為基礎(chǔ)設(shè)施與設(shè)備的養(yǎng)護維修提供科學(xué)依據(jù)，有效降低高鐵巡檢人員的勞動強度，并提高巡檢效率和巡檢人員的人身安全性，最終變“定期檢測”為“自動檢測”；變“定期修”為“故障修”、“可預(yù)見性維修”。

3 設(shè)計原則

系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，以計算機應(yīng)用技術(shù)為手段，以鐵路隧道綜合安全集成管理為目標。

3.1 實用性

系統(tǒng)務(wù)必完全滿足各項安全防護與監(jiān)管的實際需求，采用當前計算機主流應(yīng)用技術(shù)和相對成熟的系統(tǒng)集成管理模式，在適當考慮未來發(fā)展需求的前提下，避免盲目追求系統(tǒng)設(shè)計超前性和設(shè)備豪奢性。

3.2 可擴展性

系統(tǒng)設(shè)計嚴格遵循相關(guān)技術(shù)的國際、國內(nèi)和行業(yè)標準，確保系統(tǒng)之間的透明性和互聯(lián)互動，并充分考慮與其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)的連接。在設(shè)計和設(shè)備選型時，將科學(xué)預(yù)測未來擴容需求，進行余量設(shè)計，便于兼容于擴展。

3.3 穩(wěn)定性與安全性

系統(tǒng)的建設(shè)需要融合以往建設(shè)經(jīng)驗，結(jié)合具體應(yīng)用需求，使用具有成熟應(yīng)用實踐的軟件平臺架構(gòu)確保系統(tǒng)的健壯性，選用具備高可靠性、高安全性，具有數(shù)萬小時平均無故障時間的設(shè)備，同時為關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵部件設(shè)計冗余備份。

3.4 易管理性與易維護性

系統(tǒng)采用全中文、圖形化軟件平臺實現(xiàn)系統(tǒng)的管理與維護?？勺詣訖z測系統(tǒng)中任何一臺設(shè)備的運行狀態(tài)，并顯示出詳細情況，以輔助管理人員及時準確地判斷和解決問題。

4 技術(shù)原理

4.1 分布式光纖傳感技術(shù)原理

當光纖注入一束激光，光纖中每點均會發(fā)生布里淵光散射效應(yīng)，布里淵散射光的中心頻率漂移量與光纖各點的軸向應(yīng)變相關(guān)。利用相應(yīng)的解調(diào)和分析技術(shù)可以實現(xiàn)光纖中每一點應(yīng)變的分布式檢測。脈沖光以一定的頻率自光纖的一端入射，與光纖中的聲子產(chǎn)生布里淵散射，其中的背向布里淵散光沿光纖原路返回到脈沖光的入射端，得到光纖沿線各個采樣點的散射光譜。當光纖沿線的存在軸向應(yīng)變時，背向布里淵散射光的頻率將發(fā)生漂移，頻率的漂移量與光纖應(yīng)變變化呈良好的線性關(guān)系。

4.2 技術(shù)優(yōu)勢

4.2.1 長距離、大范圍監(jiān)測

光纖兩個突出優(yōu)點就是傳輸數(shù)據(jù)量大和損耗小，在無需中繼的情況下，可以實現(xiàn)十幾公里的遠程監(jiān)測;分布式光纖傳感器是真正的分布式測量，可以連續(xù)的得到沿著探測光纜幾十公里的測量信息，誤報和漏報率大大降低，同時實現(xiàn)實時監(jiān)測，可對道路、隧道、管線等線性工程進行長距離無盲區(qū)的全覆蓋監(jiān)測。

4.2.2 分布式不漏測

分布式感測光纜可以實現(xiàn)做到隧道工程線路的全長覆蓋，對于覆蓋到每一點都可以監(jiān)測，避免重點災(zāi)害發(fā)生漏監(jiān)。

4.2.3 耐腐蝕、抗電磁干擾，穩(wěn)定性好

分布式感測光纜其本質(zhì)為二氧化硅，性質(zhì)穩(wěn)定、天生絕緣，同時光纖傳感器的信號是以光纖為載體的，本征安全，不受任何外界電磁環(huán)境的干擾，在高電磁環(huán)境中可以正常工作；光纖傳感器由于完全的電絕緣，本征防雷可以抵抗高電壓和高電流的沖擊。

4.2.4 多參量監(jiān)測

通過一根光纜，采用不同調(diào)制解調(diào)技術(shù)，可以實現(xiàn)對應(yīng)變、溫度、以及振動等多變量感測，從壓力、溫度、振動、變形等多角度進行滲漏探測。對管廊結(jié)構(gòu)和設(shè)施進行多種參量測量，可以做到多參數(shù)閾值報警，相互印證，避免的單一因素的多干擾性，綜合探測提升探測的準確性，降低其誤報率。

4.2.5 絕緣、無需現(xiàn)場供電

光纖傳感器內(nèi)傳輸?shù)氖枪庑盘?，解調(diào)儀器設(shè)備通過發(fā)射和接收光信號，來對光纖傳感器進行測試。傳感器無需現(xiàn)場供電，能耗低。

4.2.6 壽命長，成本低，系統(tǒng)簡單

光纖的材料一般皆為石英玻璃，其具有不腐蝕，耐火，耐水及壽命長的特性，通常可以服役30年。對于大面積、大范圍線性工程監(jiān)測，光纖傳感技術(shù)均攤成本低廉；通過波分、時分復(fù)利用技術(shù)可以實現(xiàn)光纖傳感器多點多參量串聯(lián)監(jiān)測，易于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測；其測試解調(diào)系統(tǒng)可實現(xiàn)模塊化，易于系統(tǒng)集成。

4.2.7 靈敏度高，測量精度高，定位精準

大多數(shù)光纖傳感器的靈敏度和測量精度都優(yōu)于一般的傳感器，可以測試異常區(qū)進行精準定位，光纖監(jiān)測技術(shù)可以實現(xiàn)幾個微應(yīng)變的測試精度。

5 技術(shù)方案

5.1 分布式光纖視覺復(fù)合線纜系統(tǒng)

將分布式光纖、高清攝像頭、供電纜集成在一體的線型結(jié)構(gòu)中，形成分布式光纖視覺光纜（見圖1）。

圖1 分布式光纖視覺復(fù)合線纜

其中分布式光纖既是一種無源的傳感設(shè)備，后臺接入光纖信號分析主機，能夠感知異常溫升，振動等隧道內(nèi)環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時也是傳輸通道，能夠?qū)⒁曨l數(shù)據(jù)，實時狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送到控制中心后臺。

采用低照度、小體積、低功耗的高清攝像頭模塊，隨著復(fù)合線纜一起在隧道內(nèi)鋪設(shè)。隧道內(nèi)監(jiān)控視頻通過光纖傳回后臺，在數(shù)據(jù)處理單元采用視頻拼接技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對隧道內(nèi)進行全方位的實時監(jiān)控。通過對隧道內(nèi)攝像頭的位置進行標定，工作人員可以隨時查看指定區(qū)間的隧道內(nèi)實時視頻圖像。通過視頻分析服務(wù)器陣列對隧道內(nèi)監(jiān)控視頻進行智能圖像分析識別，能夠?qū)崟r監(jiān)測隧道內(nèi)異物入侵、掉塊、積水異常、接觸網(wǎng)吊柱損壞、火災(zāi)等重大安全異常情況。從而全方位的把握整個隧道內(nèi)的實時狀態(tài)。

由于集成了供電及數(shù)據(jù)傳輸載體，分布式光纖視覺復(fù)合光纜具備無限擴展的可能性。例如，可根據(jù)需要在線纜的布設(shè)路徑上部署各種傳感設(shè)備，例如氣體傳感器，粉塵傳感器、濕度傳感器等；還可以接入無線傳輸熱點，為隧道內(nèi)各種設(shè)備設(shè)施提供無線數(shù)據(jù)接入的途徑。

5.2 隧道口落石監(jiān)測系統(tǒng)

山體塹坡的落石將嚴重威脅鐵路行車安全。在隧道口被動網(wǎng)上增設(shè)應(yīng)力監(jiān)測光纜，當發(fā)生山體塹坡、邊坡的落石并對被動網(wǎng)造成貫穿或明顯拉伸等會對被動網(wǎng)造成損壞的事件時將導(dǎo)致應(yīng)力光纜發(fā)生形變，嚴重時可導(dǎo)致光纜斷線。監(jiān)測主機對該現(xiàn)象進行遠程感知定位，并根據(jù)應(yīng)變值獲取現(xiàn)場實際形變量；在適當位置安裝監(jiān)控攝像機與之聯(lián)動，當光纜監(jiān)測到異常應(yīng)力變化時可自動調(diào)用攝像機對該位置進行跟蹤監(jiān)控，便于相關(guān)人員及時了解現(xiàn)場情況；并在線路旁增設(shè)智能電子哨兵，對是否有落入線路且可能對行車造成影響的障礙物進行實時監(jiān)測。通過以上三重手段對可能出現(xiàn)的山體塹坡、邊坡的落石事件進行實時監(jiān)測，同時也可以在事故發(fā)生時迅速定位，遠程觀察現(xiàn)場情況，利于及時對事故現(xiàn)場進行搶修和搶險（見圖2）。

圖2 隧道口落石監(jiān)測系統(tǒng)部署示意圖

5.3 隧道巡檢系統(tǒng)

圖3 隧道巡檢機器人示意圖

在高鐵隧道內(nèi)壁安裝巡檢軌道，智能巡檢設(shè)備沿著軌道勻速前進（見圖3）。機器人巡檢設(shè)備上可以掛載多種傳感設(shè)備，包括高精度3D激光雷達，超高分辨率線陣相機，高清面陣監(jiān)控相機等。

（1）3D激光雷達實時掃描隧道內(nèi)壁，獲取其完成的3D點云數(shù)據(jù)，通過3D點云拼接技術(shù)，形成隧道內(nèi)部的完整3D模型。再通過基于3D模型的自動識別，歷史數(shù)據(jù)比對等計算過程，能夠?qū)崿F(xiàn)隧道內(nèi)壁裂紋檢測，隧道形變檢測與預(yù)警、隧道頂部塌陷、掉塊檢測、漏水檢測、隧道內(nèi)軌面異物檢測等功能；同時獲取隧道高精度結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，如任意里程斷面徑向收斂數(shù)據(jù)，包括橢圓度，長軸，短軸，偏轉(zhuǎn)角，斷面任意高度的水平凈空線，圓心高度凈空線長，頂點高度，圓心坐標等數(shù)據(jù)。

（2）超高分辨率線陣相機配合補光系統(tǒng)，在軌道機器人勻速運動的同時，對隧道內(nèi)壁進行高速拍照，通過對超高分辨率的圖片的拼接技術(shù)，形成隧道內(nèi)完成的高清圖像，利用基于深度學(xué)習(xí)的圖片智能識別技術(shù)，圖像比對，基準圖像分析等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)隧道內(nèi)病害監(jiān)測，例如隧道內(nèi)壁裂紋檢測，隧道形變檢測與預(yù)警、隧道頂部塌陷、掉塊檢測、漏水檢測、接觸網(wǎng)吊柱脫落、隧道內(nèi)軌面異物檢測等（見圖4）。

圖4 超高分辨率線陣掃描隧道內(nèi)壁展開圖

（3）高清面陣監(jiān)控相機用于實現(xiàn)對隧道內(nèi)實時視頻監(jiān)控，尤其當發(fā)現(xiàn)隧道病害及緊急情況時，通過控制中心能夠?qū)崟r查看現(xiàn)場情況。

（4）隧道巡檢機器人搭載了3D激光雷達，超高分辨率線陣相機等設(shè)備用以實現(xiàn)對隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)和設(shè)備設(shè)施狀態(tài)的高精度檢測?？紤]到列車運行的安全性，隧道巡檢機器人考慮采用遠程遙控以及現(xiàn)場手工啟動與回收兩種方式，只在隧道內(nèi)無列車運行的時段進行巡檢；支持巡檢機器人精確位置反饋，且配有備用蓄電池供電，保證即使出現(xiàn)電力故障時，也能確保巡檢機器人的回收與定位。

5.4 報警處置

分布式光纖視覺復(fù)合線纜系統(tǒng)、隧道口落石監(jiān)測系統(tǒng)、隧道巡檢系統(tǒng)這三個系統(tǒng)，可根據(jù)需要安裝在重點隧道內(nèi)，對隧道狀況進行全面實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)采用鐵路電纜傳輸，數(shù)據(jù)及監(jiān)控中心設(shè)在設(shè)備管理單位的調(diào)度中心，實時盯控，可按照需要動態(tài)配置報警閾值，當發(fā)生異物入侵、掉塊、積水異常、接觸網(wǎng)吊柱脫落、火災(zāi)等重大安全異常情況時，管理維護者能夠獲得足夠、比較完整的信息。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)可以知道具體位置、規(guī)模；我們根據(jù)系統(tǒng)返回的信息，及時采取不同應(yīng)急處置措施。條件成熟了也可接入列控中心，直接進行預(yù)警。

6 結(jié)束語

目前，利用分布式光纖、光柵、軌道機器人、智能圖像、激光雷達、電子傳感器等多源信息感知與融合技術(shù)，在鐵路設(shè)備監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段，需要有從理論到實踐、從實踐到理論循環(huán)往復(fù)的過程。本文通過對鐵路隧道設(shè)備的健康監(jiān)測與智能手段應(yīng)用的分析，從而為隧道養(yǎng)修工作提供全面精準的感知和診斷，可以有效地增強工務(wù)部門對設(shè)備狀況的掌控能力，及時發(fā)現(xiàn)問題，處置病害，減少或消除地質(zhì)災(zāi)害造成的事故和對運輸構(gòu)成的威脅，幫助提高工務(wù)巡檢效率和質(zhì)量。