公路隧道病害快速檢測技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

林海山，張彥龍

(1.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420； 2.廣東交科檢測有限公司)

1 引言

截至2017年年底，中國已通車的公路隧道有16 229處、共計(jì)15 285 km，其中特長隧道902處、共計(jì)4 013 km，長隧道3 841處、共計(jì)6 599 km，中國公路隧道數(shù)量和通車?yán)锍虜?shù)已位居世界第一(圖1)，檢查與養(yǎng)護(hù)工作也愈加繁重。

圖1 中國公路隧道里程和數(shù)量增長趨勢圖

隨著隧道使用壽命的延長，隧道病害問題日益突出，普遍出現(xiàn)襯砌混凝土裂縫、滲漏水等病害。為了及早發(fā)現(xiàn)運(yùn)營中隧道存在的病害，掌握隧道的技術(shù)狀況，保障隧道的安全運(yùn)營，需要通過經(jīng)常檢查、定期檢查、應(yīng)急檢查或?qū)ｍ?xiàng)檢查等方式對隧道進(jìn)行檢測，為進(jìn)一步采取病害處治措施提供科學(xué)依據(jù)和合理建議。

相對于公路路面已普遍采用快速檢測技術(shù)而言，目前，公路隧道主要采用人工目測輔以簡易測量器具的方式對土建結(jié)構(gòu)進(jìn)行常規(guī)檢測，現(xiàn)場記錄病害數(shù)據(jù)及其影像。該方式存在耗時(shí)費(fèi)力、效率低、安全隱患大、主觀性強(qiáng)、需要交通管制以及信息反饋周期長等缺點(diǎn)，愈加難以滿足現(xiàn)階段公路隧道檢測工作量大、檢測結(jié)果時(shí)效性高等要求。針對此突出問題，國外發(fā)達(dá)國家如德國、瑞士、加拿大、日本等較早就開始關(guān)于隧道快速檢測技術(shù)方面的研究，相關(guān)技術(shù)和裝備已經(jīng)較為成熟，近年來，中國一些單位也在這方面取得了重大突破。該文主要介紹目前國內(nèi)外幾種較為成熟的隧道快速檢測技術(shù)和相關(guān)裝備，并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜合比較，以總結(jié)現(xiàn)階段隧道快速檢測技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用中存在的不足，為中國隧道快速檢測技術(shù)的改進(jìn)與推廣應(yīng)用提供參考與借鑒，同時(shí)明確隧道快速檢測技術(shù)今后的發(fā)展方向。

2 國內(nèi)外隧道快速檢測技術(shù)及設(shè)備

目前，無損快速檢測技術(shù)應(yīng)用廣泛。根據(jù)傳感器類型的不同，隧道快速檢測技術(shù)主要分為基于激光掃描技術(shù)和基于攝像拍照技術(shù)兩大類。

2.1 基于激光掃描技術(shù)

2.1.1 激光掃描快速檢測技術(shù)的基本原理

該技術(shù)采用車載激光掃描儀全方位記錄隧道襯砌表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，包括三維坐標(biāo)值、顏色信息與反射率等，數(shù)據(jù)采集速度可達(dá)每秒幾萬點(diǎn)至幾百萬點(diǎn)。后期通過計(jì)算機(jī)軟件基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成灰度圖像，進(jìn)而識別出隧道表面存在的裂縫、滲漏水以及剝落等病害。

2.1.2 現(xiàn)場掃描方法及技術(shù)要點(diǎn)

基于激光掃描技術(shù)的快速檢測設(shè)備的現(xiàn)場檢測步驟主要包括：交通管制、設(shè)備參數(shù)預(yù)設(shè)與設(shè)備調(diào)試、現(xiàn)場檢測實(shí)施。

(1) 交通管制：現(xiàn)場掃描作業(yè)前，需要進(jìn)行必要的交通管制。對于交通量大的高速公路，可選擇晚間交通量相對較小的時(shí)間段，采用分段臨時(shí)交通管制的辦法，減少對公路交通的影響。

(2) 設(shè)備參數(shù)預(yù)設(shè)及調(diào)試：預(yù)先設(shè)置好設(shè)備的掃描頻率等參數(shù)，經(jīng)調(diào)試無誤再開展后續(xù)工作。

(3) 現(xiàn)場檢測實(shí)施：可采用方向指示輔助系統(tǒng)保證車輛沿隧道縱向軸線行駛，借助帶有警示燈的防護(hù)車押車確保安全。若隧道具備全封閉條件時(shí)，可選擇沿隧道中線行駛，使隧道左右側(cè)部位檢測分辨率一致。

2.1.3 檢測設(shè)備

目前國內(nèi)外使用激光掃描技術(shù)的隧道快速檢測設(shè)備以德國Spacetec公司生產(chǎn)的TS3系統(tǒng)為領(lǐng)先水平，還有瑞士Amberg公司生產(chǎn)的GRP5000檢測系統(tǒng)、加拿大Pavemetrics公司生產(chǎn)的LTSS檢測系統(tǒng)等。

(1) 德國SPACETEC TS3檢測系統(tǒng)

SPACETEC TS3隧道三維激光紅外車載檢測系統(tǒng)集可見光、紅外、激光于一體，可以同時(shí)生成視覺影像、熱影像和輪廓記錄，對于隧道的維護(hù)、線路電氣化、隧道施工和整修、軌道清理和安全等有著一定的指導(dǎo)意義。

該系統(tǒng)使用激光和紅外線作為測量介質(zhì)，采用非接觸測量技術(shù)對襯砌裂縫、滲漏水、剝落等隧道外觀病害進(jìn)行檢測，可搭載于能夠?yàn)閮x器和操作平臺提供足夠空間和承載力的車輛上，如面包車或越野車以及所有類型的鐵路車輛。因此TS3適用于鐵路、地鐵和公路隧道。搭載設(shè)備的車輛能夠以2～5 km/h的速度進(jìn)行檢測，裂縫寬度識別精度達(dá)到0.3 mm以上，有效地解決了人眼觀察距離有限、存在缺漏的缺點(diǎn)。系統(tǒng)自帶的病害標(biāo)識軟件Tunnel-Inspector能夠?qū)⑼凰淼啦煌瑫r(shí)間掃描的同一區(qū)域圖片重疊，分析不同位置病害的發(fā)展與變化情況，有助于比對隧道病害歷年的檢測數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確判斷病害的發(fā)展趨勢，為病害處治提供科學(xué)依據(jù)和合理建議。檢測時(shí)需要對道路進(jìn)行封閉，一般在夜間車流量較少時(shí)進(jìn)行分時(shí)封閉檢測，為此檢測單位需要與業(yè)主方、路政、交警等協(xié)調(diào)辦理隧道檢測所需的相關(guān)手續(xù)。

(2) 瑞士GRP5000檢測系統(tǒng)

瑞士GRP5000隧道全息成像掃描系統(tǒng)，以相位式高速激光掃描儀為核心硬件，配套專業(yè)的數(shù)據(jù)采集和后處理軟件，可以獲得隧道襯砌的內(nèi)表面影像圖以及隧道襯砌表面各點(diǎn)距軌道中心線的距離；每秒獲取最高達(dá)50萬個(gè)測點(diǎn)的斷面數(shù)據(jù)，檢測精度0.3 mm。

采用GRP5000系統(tǒng)沿隧道中軸線以主系統(tǒng)承載車為載體，以1～1.5 km/h的行進(jìn)速度對隧道進(jìn)行360°螺旋式掃描，采集隧道表面如滲水、剝落、裂縫等病害的全息成像掃描數(shù)據(jù)，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)隧道表面病害的數(shù)據(jù)并對隧道病害進(jìn)行評估。但因檢測速度限制，現(xiàn)場檢測前，仍舊需要進(jìn)行必要的交通管制。

(3) 加拿大LTSS激光隧道掃描系統(tǒng)

LTSS激光隧道掃描系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置采用6個(gè)高速激光掃描儀來獲取隧道襯砌的二維圖像和高分辨率三維輪廓，圖像分辨率1 mm，檢測速度可以達(dá)到20 km/h。

LTSS系統(tǒng)被用于掃描高速列車鐵路隧道，如28 km長的西班牙瓜達(dá)拉馬隧道，只需3 h，自動分析軟件可用于檢測和評價(jià)節(jié)點(diǎn)、斷裂、裂縫和劣化混凝土以及潮濕區(qū)域隧道襯砌的狀況。由于其采用的180°螺旋式掃描方式只能檢測半幅隧道，因而需要檢測兩次才可獲得全幅隧道的檢測數(shù)據(jù)，而且將兩次檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼合成為難點(diǎn)。

2.2 基于攝像拍照技術(shù)

2.2.1 攝像拍照快速檢測技術(shù)的基本原理

該技術(shù)采用車載高分辨率CCD相機(jī)陣列和輔助照明系統(tǒng)，對隧道表面進(jìn)行快速連續(xù)拍攝并實(shí)時(shí)存儲影像數(shù)據(jù)，后期通過圖像處理軟件分析采集的灰度圖像，識別出隧道表面的裂縫、剝落等病害，并計(jì)算出其幾何特征。

2.2.2 現(xiàn)場拍攝方法及技術(shù)要點(diǎn)

基于攝像拍照技術(shù)的快速檢測車的現(xiàn)場檢測步驟主要包括：檢測前準(zhǔn)備工作、現(xiàn)場檢測實(shí)施。

(1) 檢測前準(zhǔn)備工作：選擇無雨天氣開展現(xiàn)場檢測作業(yè)，避免雨水對外露的相機(jī)陣列和輔助照明燈具的覆蓋遮擋。檢測前，根據(jù)待檢測隧道的凈空輪廓尺寸、車行道數(shù)選擇采集模式，包括單次采集或者多次采集，預(yù)設(shè)好車載陣列相機(jī)的焦距、采集頻率等參數(shù)，提前開啟輔助照明系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)、定位與測距系統(tǒng)等。

(2) 現(xiàn)場檢測實(shí)施：在快速檢測車接近待檢測隧道洞口時(shí)，通過車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開始圖像采集與存儲，且可實(shí)時(shí)動態(tài)觀察各個(gè)相機(jī)采集的圖像質(zhì)量，直至檢測作業(yè)結(jié)束為止。

2.2.3 檢測設(shè)備

目前，國內(nèi)外采用線陣CCD相機(jī)的隧道檢測設(shè)備以日本計(jì)測檢查株式會社研發(fā)的MIMM-R型檢測車為領(lǐng)先水平，中國采用面陣CCD相機(jī)的設(shè)備以武漢武大卓越科技有限責(zé)任公司的TFS隧道快速測量系統(tǒng)、上海同巖土木工程科技股份有限公司的TDV-H2000公路隧道快速檢測車較為成熟。

(1) 日本MIMM-R型隧道損傷快速檢測車

MIMM-R檢測車主要由拍照系統(tǒng)MIS、三維激光掃描系統(tǒng)MMS以及控制系統(tǒng)三部分組成。

MIS部，主要由車輛前方的攝像單元(CCD相機(jī)、LED照明燈)和車廂內(nèi)的錄像機(jī)(圖像記錄裝置VTR)、PC、云臺控制裝置和監(jiān)控顯示器等構(gòu)成。MMS部由位置測量系統(tǒng)和性狀測量系統(tǒng)組成，前者由GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航裝置(IMU)組成，后者由激光掃描儀及相機(jī)組成。

該檢測車能夠以80 km/h的行駛速度采集隧道表面的裂縫、滲漏水、斷面及襯砌形變數(shù)據(jù)，其中裂縫寬度識別精度為0.2 mm以上?，F(xiàn)場采集準(zhǔn)備工作簡單，無需交通管制，后期可以通過平面或三維方式查看隧道的病害分布狀況和變形狀況。

(2) 武大卓越TFS隧道快速測量系統(tǒng)

TFS系統(tǒng)由可見光相機(jī)、紅外熱成像儀、激光掃描儀、慣導(dǎo)系統(tǒng)、編碼器等多個(gè)傳感器以及同步控制器組成。

該系統(tǒng)在同步控制器的控制下，按照設(shè)定的參數(shù)同步觸發(fā)各傳感器獲取隧道內(nèi)壁的圖像信息、紅外溫度場、二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)等。通過后處理軟件識別出隧道的各種病害信息，從而進(jìn)行各種建模、量算，并生成隧道病害信息報(bào)表，作為對隧道管理的依據(jù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以中型卡車作為車載平臺，能夠以80 km/h的行駛速度動態(tài)連續(xù)采集隧道表面的數(shù)據(jù)，裂縫寬度識別精度0.2 mm以上，集成的紅外熱成像儀、高精度激光掃描儀可以同時(shí)檢測滲漏水、脫空、斷面形變等病害。

(3) 上海同巖TDV-H2000隧道病害檢測車

TDV-H2000檢測車采集系統(tǒng)主要包括激光掃描系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)以及環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能夠以60～80 km/h的行駛速度，通過車載面陣相機(jī)，采用紅外補(bǔ)光成像技術(shù)采集隧道表面病害數(shù)據(jù)，相較于可見光成像技術(shù)，檢測過程中對周邊車輛的通行無影響。后處理軟件可以自動識別采集圖像上的裂縫病害，并通過人工干預(yù)來校核裂縫信息的準(zhǔn)確性，裂縫寬度識別精度達(dá)到0.2 mm。

3 現(xiàn)有隧道主要檢測技術(shù)比較

基于激光掃描技術(shù)和基于攝像拍照技術(shù)的隧道快速檢測裝備的主要技術(shù)指標(biāo)綜合比較如表1所示。

基于激光掃描技術(shù)的隧道快速檢測裝備受限于檢測速度過低，無法實(shí)現(xiàn)無交通管制狀態(tài)下的快速檢測，適用于車流量少且對交通影響較小的路段；而高速公路車流量往往很大，尤其一些高橋隧比路段，交通管制時(shí)間長，對于道路交通的影響較大。相比而言，基于攝像拍照技術(shù)的隧道快速檢測車在檢測過程中則無需進(jìn)行交通管制，極大地縮短了現(xiàn)場檢測作業(yè)的時(shí)間，保障了公路交通的安全運(yùn)營，對于病害分析則采用自動識別結(jié)合人工復(fù)核的方式，數(shù)據(jù)處理效率高于人工分析方法。

表1 隧道快速檢測裝備主要技術(shù)指標(biāo)綜合比較

與傳統(tǒng)人工檢測方式相比，基于攝影拍照技術(shù)的隧道快速檢測方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 自動化程度高：通過集成有多種類型傳感器等儀器設(shè)備的檢測車輛，在行駛過程中動態(tài)快速采集隧道圖像數(shù)據(jù)，高效完成外業(yè)采集工作。

(2) 檢測功能全面：快速檢測車除能檢測到適用常規(guī)方法探測到的隧道常見病害，如襯砌開裂、滲漏水、掉塊、露筋等病害外，還能通過激光測距檢測隧道斷面尺寸，用于判斷隧道斷面尺寸收斂變形情況，確保隧道內(nèi)行車安全。

(3) 檢測精度高，成果客觀真實(shí)：檢測系統(tǒng)能夠識別寬度0.2 mm以上的裂縫，克服人眼觀察距離有限、存在遺漏的缺點(diǎn)；圖像式病害展布圖和三維全景圖能夠更加形象、真實(shí)客觀地反映病害形態(tài)、走向、分布等，利于了解隧道的整體技術(shù)狀況。

(4) 判斷病害發(fā)展：系統(tǒng)數(shù)據(jù)和成果均采用電子化方式存儲，可以將歷年的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而準(zhǔn)確判斷病害的發(fā)展和變化情況，為病害處治提供科學(xué)依據(jù)。

(5) 檢測速度快、無需交通管制：傳統(tǒng)目測或借助高空作業(yè)車等檢測方法速度慢，需要長時(shí)間封閉行車道進(jìn)行檢測，對交通影響較大?？焖贆z測方法則無需交通管制，適用于車流量較大的高等級公路隧道檢測。

4 中國隧道快速檢測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前中國應(yīng)用較廣的公路隧道快速檢測車有北京雷德華奧公司的隧道快檢車、武大卓越TFS隧道快速測量系統(tǒng)、上海同巖TDV-H2000隧道病害檢測車，均能實(shí)現(xiàn)無交通管制檢測。

在實(shí)踐中仍然存在一些亟待解決的問題。以裂縫病害為例，實(shí)際采集過程中受運(yùn)營隧道內(nèi)部環(huán)境，如混凝土襯砌表面紋路和裂縫的不均勻性、煙霧粉塵黏附等因素的影響，采集的原始圖像(包含裂縫病害信息、襯砌混凝土背景信息)含有大量噪聲，導(dǎo)致圖像處理分析難度大幅提高。對于病害處理方式，目前采用軟件自動識別和人工復(fù)核相結(jié)合的半自動處理模式，即首先通過分析軟件對隧道圖像進(jìn)行分類，將圖像分為確定無病害的、確定有病害的以及疑似有病害的3類，從而將需要處理的圖像范圍大大縮?。辉俨捎萌斯?fù)核的方式，確認(rèn)各類病害的類型、大小等。這種處理方式可以大幅度提高數(shù)據(jù)處理效率。

由于檢測車采集的是靜態(tài)圖像，對于滲漏水病害，如滴漏、噴射等間斷性或持續(xù)性的病害，往往不能準(zhǔn)確地體現(xiàn)病害的表現(xiàn)形式和具體狀態(tài)。針對運(yùn)營年限較長、病害較為嚴(yán)重或者技術(shù)狀況較差的隧道，建議根據(jù)檢測車的初步檢測結(jié)果，采用人工檢測的方式對重點(diǎn)病害進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)核，以獲得全面準(zhǔn)確的隧道病害信息，為隧道安全評價(jià)和病害處治提供更加準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

隧道快速檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用能夠有效地解決人工檢測的諸多缺點(diǎn)?；诩す鈷呙杓夹g(shù)的快速檢測裝備受限于檢測速度，主要應(yīng)用于鐵路或者地鐵隧道；而基于攝像拍照技術(shù)的快速檢測車，可以實(shí)現(xiàn)無交通管制狀態(tài)下的自動化檢測，更適用于交通流量較大的高等級公路隧道。二者檢測精度相當(dāng)，在病害識別與分析方面，目前仍以軟件自動識別結(jié)合人工復(fù)核的方式為主。

隨著硬件設(shè)備和圖像識別技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)病害檢測高精度化和病害識別自動化將是今后隧道快速檢測技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。