現(xiàn)存高鐵隧道襯砌裂縫檢測方法的應(yīng)用比較分析

羅 蕊， 王 睿， 喻曉豪

(四川師范大學(xué)工學(xué)院，四川成都610068)

截至2018年底，我國高鐵運(yùn)營里程已達(dá)到2.9×104km以上[1]。在高鐵隧道的建設(shè)和運(yùn)營中，由于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、設(shè)計(jì)施工不夠完善以及其他人為因素使隧道不可避免地發(fā)生病害。其中，裂縫是隧道襯砌最為常見的病害之一，當(dāng)裂縫擴(kuò)展到一定程度時(shí)，必將導(dǎo)致受力狀態(tài)發(fā)生改變，致使結(jié)構(gòu)破壞的機(jī)率增大，同時(shí)還可能引發(fā)滲漏水、結(jié)構(gòu)凍害等表觀病害[2-3]。防治裂縫的前提是及時(shí)、準(zhǔn)確、快速地檢測到裂縫的相關(guān)數(shù)據(jù)。目前檢測裂縫的主要方法有雷達(dá)檢測法、圖像處理檢測法、激光掃描檢測法、超聲波檢測法、沖擊彈性波檢測法、光纖傳感檢測法，本文對上述檢測方法從檢測原理、檢測效率以及應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)性分析和比較。

1 探地雷達(dá)檢測

1.1 探地雷達(dá)檢測原理

探地雷達(dá)主要利用不同的介質(zhì)在電磁特性上的差異會(huì)造成反射回波在波幅、波長以及波形上有相應(yīng)的變化這一原理。探地雷達(dá)系統(tǒng)通常由發(fā)射機(jī)、收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)、接收機(jī)以及處理信號的主機(jī)等部分組成。在實(shí)際應(yīng)用中，如圖1所示，探地雷達(dá)在發(fā)射出電磁波后，可以通過信號接收裝置對反射回波信號進(jìn)行接收，并對該信號進(jìn)行分析。通過分析其反射波譜的形狀、頻譜特征和反射時(shí)間等參數(shù)，進(jìn)而得出檢測裂縫的孔隙度、張開度、線密度等性質(zhì)。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

1.2 探地雷達(dá)檢測可行性分析

探地雷達(dá)是檢測和識別地下目標(biāo)的一種有效設(shè)備，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，被廣泛應(yīng)用于巖土勘查、工程建筑結(jié)構(gòu)勘查及生態(tài)環(huán)境探測等方面。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 直接成像，檢測效率高：由于雷達(dá)反射波可以直接以圖像的形式呈現(xiàn)，便于對目標(biāo)物的結(jié)構(gòu)和形態(tài)進(jìn)行直接分析，提高檢測效率；

(2) 按需匹配，應(yīng)用范圍廣：探地雷達(dá)可以通過為不同的待檢測裂縫匹配不同頻率的檢測天線來得出最佳檢測結(jié)果；

(3) 無損檢測：探地雷達(dá)采用了非接觸式檢測，不會(huì)對待測物本身造成損害；

(4) 結(jié)果精確：探地雷達(dá)對待測物體的檢測精度達(dá)到了厘米級，能夠滿足現(xiàn)有大部分的檢測精度要求。

1.3 探地雷達(dá)檢測的局限性

探地雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中也存在一定的局限性：

(1) 干擾因素：由于探地雷達(dá)的工作環(huán)境并不單一，干擾因素(雜波和噪音)的存在降低了目標(biāo)回波信號處理的效率，且為后期的目標(biāo)回波處理帶來了不必要的干擾；

(2) 探測深度受限：由于高頻電磁波在介質(zhì)中具有高衰減性，這種局限性可能會(huì)導(dǎo)致探地雷達(dá)在檢測深度較大的裂縫時(shí)出現(xiàn)檢測出現(xiàn)偏差或無法識別裂縫等問題。

2 圖像處理檢測法

2.1 圖像處理檢測原理

圖像處理檢測法在實(shí)際應(yīng)用中先利用以CCD相機(jī)為核心部件的圖像采集系統(tǒng)對隧道斷面進(jìn)行連續(xù)的信息采集，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后?jīng)過A/D信號轉(zhuǎn)換，再次將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可以識別的數(shù)字圖像信息，輸入計(jì)算機(jī)并存盤[6](圖2)。再經(jīng)過圖像處理系統(tǒng)，提取出襯砌裂縫信息，如裂縫的范圍，具體位置以及裂縫的走向、寬度等。

圖2 圖像處理檢測法原理

2.2 圖像處理檢測法可行性分析

圖像處理檢測法是一種便捷高效、適用性強(qiáng)的裂縫采集方式，其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1) 無損檢測：圖像采集對待采集裂縫進(jìn)行采集時(shí)(相機(jī)連續(xù)拍照)采用非接觸式檢測；

(2) 檢測精度可調(diào)控：在進(jìn)行圖像采集的時(shí)，可以通過選取不同的圖像采集器、或是采用不同的拍攝角度、增加額外的光源條件等方式來獲取更加清晰的采集圖像。除此之外，還可以采用不同的算法來提高圖像處理的精度；

(3) 檢測效率高：在進(jìn)行圖像采集時(shí)，可將圖像采集器放置于勻速行駛的檢測車上，大幅度的減少因?yàn)闄z測者操作不當(dāng)所造成的誤差。同時(shí)也可以最大限度地提高檢測效率，減少檢測時(shí)對周圍環(huán)境的影響，增大檢測的安全性。

2.3 圖像處理檢測法的缺點(diǎn)

但由于圖像處理檢測法在一定程度上依賴于后期算法對圖像進(jìn)行處理，因此該方法仍存在一定的缺點(diǎn)：

(1) 檢測結(jié)果準(zhǔn)確性有待提高：當(dāng)后期圖像處理后裂縫的灰度值與背景或噪音的差異較小且不易區(qū)分時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一是圖像背景的雜點(diǎn)或噪音極易在圖像處理時(shí)被劃為裂縫，二是將裂縫作為不需要的雜點(diǎn)或噪音去除；

(2) 缺少運(yùn)算時(shí)間短，精度高的算法：大部分隧道裂縫自動(dòng)檢測系統(tǒng)都采取了在現(xiàn)場采集圖像，然后將采集的圖像進(jìn)行離線處理的方法，這種處理方法耗時(shí)長，且不利于補(bǔ)測；

(3) 未完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化圖像處理檢測：圖像處理檢測法由于各種干擾物和滲漏水處產(chǎn)生的噪點(diǎn)對采集的裂縫圖像具有一定的影響，導(dǎo)致在圖像處理后的裂縫識別階段，由算法處理后仍需借助人工識別從而達(dá)到要求精度。

3 三維激光掃描技術(shù)檢測

3.1 三維激光掃描技術(shù)檢測原理

三維激光掃描系統(tǒng)包含有三維激光掃描儀、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理平臺(tái)、電源及其他附屬配件。三維激光掃描系統(tǒng)的作用原理是：當(dāng)檢測車按照指定路線行進(jìn)時(shí)，檢測車上搭載的激光儀進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，以發(fā)射出螺旋線形式的激光對待檢測物體表面進(jìn)行掃描。對接收到的信號進(jìn)行分析得到有關(guān)數(shù)據(jù)之后，經(jīng)計(jì)算得出待檢測物體表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，由大量的點(diǎn)位置得出待檢測物體表面的圖像。由于隧道是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，在對三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理進(jìn)行三維模型重建時(shí)，需從全局和局部兩個(gè)方面進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析和提取。再應(yīng)用數(shù)字圖像重建技術(shù)，對裂縫進(jìn)行成像處理，實(shí)現(xiàn)對裂縫的真實(shí)再現(xiàn)。

3.2 三維激光掃描技術(shù)檢測可行性分析

三維激光掃描由于其理論和應(yīng)用技術(shù)均較為成熟，在實(shí)際工程中得到廣泛的應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1) 無損檢測：激光檢測時(shí)采用無接觸表面檢測，不會(huì)對被待檢測物體造成損傷；

(2) 采樣率高：相較于傳統(tǒng)的檢測方式，激光檢測每站所測量的斷面?zhèn)€數(shù)更多，且每個(gè)斷面點(diǎn)的密度更大；

(3) 布點(diǎn)靈活：進(jìn)行激光檢測時(shí)，由于斷面測量間隔相較于傳統(tǒng)的檢測方式(一般為大于5m)更短，且可以根據(jù)檢測位置的實(shí)際情況調(diào)整測量間隔，對于情況較為復(fù)雜的部位可以設(shè)置較為密集(大于1m)的測站。

3.3 三維激光掃描技術(shù)檢測的局限性

三維激光掃描技術(shù)也有其局限性：

(1) 檢測誤差：在檢測時(shí)，由于儀器本身的制造誤差或是激光掃描的測距、測量角度選取不當(dāng)?shù)仍颍紩?huì)給測量結(jié)果造成一定的誤差；

(2) 檢測效率低：三維激光掃描通過數(shù)字圖像重建技術(shù)建立模型，需要測量大量的三維點(diǎn)坐標(biāo)，檢測量與數(shù)據(jù)處理量極大。

4 超聲波檢測法

4.1 超聲波檢測原理

超聲波在有缺陷的混凝土中傳播時(shí)，會(huì)在缺陷部位發(fā)生反射、折射、散射等現(xiàn)象，導(dǎo)致聲學(xué)參數(shù)發(fā)生變化。超聲波檢測法最常利用的兩種方法就是正負(fù)波檢測法和首波相位反轉(zhuǎn)檢測法。超聲波接收波形會(huì)在其換能器間距在裂縫深度的兩倍以內(nèi)時(shí)發(fā)生變化，此時(shí)超聲波接收波形的首波出現(xiàn)正波，而在裂縫深度兩倍以外出現(xiàn)負(fù)波。根據(jù)這一性質(zhì)，利用正負(fù)波計(jì)算出裂縫深度。首波相位反轉(zhuǎn)檢測法則是利用了當(dāng)換能器置于裂縫兩側(cè)時(shí)與裂縫間距不同，會(huì)引起首波的波幅和相位的變化。

4.2 超聲波檢測法可行性分析

超聲波檢測法利用超聲波的在介質(zhì)中傳播的聲學(xué)參數(shù)對裂縫進(jìn)行識別，其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1) 適用性強(qiáng)：當(dāng)裂縫深度較小時(shí)，可采取首波相位反轉(zhuǎn)法對返回信號進(jìn)行分析計(jì)算，能得出較為精準(zhǔn)的處理結(jié)果；

(2) 可操作性強(qiáng)：檢測混凝土裂縫深度時(shí)采用不對稱布置測點(diǎn)使測量時(shí)儀器的擺放更加靈活，提高了其可操作性；

(3) 對裂縫識別性好：聲測裂縫其頻率較高,指向性好，波在介質(zhì)中傳播時(shí)，在阻抗差異明顯的界面上會(huì)發(fā)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換[11]。

4.3 超聲波檢測法的局限性

超聲波檢測法由于其自身的性質(zhì)所限制，也具有一定的局限性：

(1) 不具備普適性：當(dāng)裂縫的深度增加，測距增大,負(fù)波的振幅下降很快，致使負(fù)波的測量平均誤差增大。超聲波頻譜響應(yīng)性能差[11],不適用于深度大且裂縫內(nèi)填充情況較為復(fù)雜的情況；

(2) 檢測效率低：由于裂縫內(nèi)情況較為復(fù)雜，依據(jù)時(shí)聲學(xué)參數(shù)的變化作為裂縫識別依據(jù)需花費(fèi)大量時(shí)間處理數(shù)據(jù)。

5 沖擊彈性波檢測法

5.1 沖擊彈性波檢測原理

沖擊彈性波作為一種應(yīng)力波,一般由不同大小的激振錘激發(fā),能量大且集中,能夠穿透10m左右的混凝土。機(jī)械沖擊引發(fā)的應(yīng)力波包含了縱波、橫波和應(yīng)力波。應(yīng)力波波前到達(dá)裂縫的混凝土-空氣界面,由波阻抗差異導(dǎo)致波基本會(huì)被反射,形成反射波,此時(shí)應(yīng)力波無法傳遞到裂縫的另一側(cè),混凝土質(zhì)點(diǎn)不產(chǎn)生位移,接收點(diǎn)的傳感器接收不到信號值。當(dāng)混凝土中的應(yīng)力波波前傳播至裂縫最深極限位置時(shí),既產(chǎn)生衍射現(xiàn)象,形成球形的衍射波。當(dāng)球形衍射波第一次傳播至接收端處時(shí),引起混凝土表面質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移,接收傳感器所接收到的時(shí)域信號表現(xiàn)為振幅突變。

5.2 沖擊彈性波檢測可行性分析

沖擊彈性波檢測法通過分析應(yīng)力波在裂縫處的混凝土-空氣界面處發(fā)生的反射、衍射等傳播現(xiàn)象，得出裂縫的基本信息。其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1) 頻譜反應(yīng)明顯：沖擊彈性波具有較高的能量，對于尺寸較小的裂縫也能識別，提高了裂縫的檢測范圍；

(2) 檢測精度高：由于沖擊彈性波波長較長，且頻率較低，衰減緩慢，能夠大范圍使用且不受裂縫中填充雜質(zhì)的影響。

5.3 沖擊彈性波檢測法缺點(diǎn)

沖擊彈性波檢測法在實(shí)際應(yīng)用過程中也具有一定的缺點(diǎn)：

(1) 非無損檢測：由于振錘在激發(fā)應(yīng)力波時(shí)需對待測物體進(jìn)行錘擊，會(huì)對被檢測物體表面造成一定的損傷；

(2) 檢測效率低：由于沖擊彈性波需采用振錘激發(fā)應(yīng)力波，需在不同檢測點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行操作，耗費(fèi)時(shí)間長，檢測效率低。

6 光纖傳感檢測法

6.1 光纖傳感檢測原理

光線傳感器通常是由光傳感元件、信號處理器、光導(dǎo)纖維、光源等組成的。光纖傳感器主要利用了光波在光纖中傳播時(shí)，光波的振幅、相位、偏振態(tài)、波長等，在外界作用因素的影響下發(fā)生改變。由于光纖極具敏感性，在有裂縫產(chǎn)生的地方會(huì)發(fā)生微彎，如圖3所示，在微彎處，在光纖中傳輸?shù)墓鈺?huì)產(chǎn)生能量輻射。根據(jù)瑞利散射原理，可以通過對接收到的散射光進(jìn)行分析，通過對分析出的光的衰減波形，從而得出裂縫的信息。

圖3 光纖監(jiān)測裂縫細(xì)部結(jié)構(gòu)

6.2 光纖傳感檢測法可行性分析

隨著光纖在實(shí)際生活中的普及，光纖傳感檢測法也得到了一定的發(fā)展，其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)探測靈敏：光纖受到微小的外力作用時(shí)會(huì)發(fā)生微彎曲，使其傳光能力發(fā)生很大的改變。這一性質(zhì)不僅可以檢測到裂縫的產(chǎn)生，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控裂縫是否發(fā)展；

(2)抗干擾性強(qiáng)：光纖在工作時(shí)不受電磁或其他雜質(zhì)的干擾，使其探測結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性和可靠性；

(3)可探測距離長：光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)長距離鋪設(shè)，加大了光線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測范圍。

6.3 光纖傳感檢測法缺點(diǎn)

光纖傳感檢測法也存在著一定的缺點(diǎn)：

(1)成本高：光纖預(yù)埋時(shí)搭建光線傳感器網(wǎng)由于其鋪設(shè)的復(fù)雜性，增加成本；

(2)不易后期維護(hù)：由于光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)埋于地下，且鋪設(shè)線路十分復(fù)雜，在進(jìn)行定期檢查或后期維護(hù)時(shí)困難較大。

7 結(jié)論

本文分別從理論原理、可行性(優(yōu)缺點(diǎn))等方面對雷達(dá)檢測法、圖像處理檢測法、三維激光掃描檢測法、超聲波檢測法、沖擊彈性波檢測法、光纖傳感檢測法六種方法全面分析了如何檢測現(xiàn)存高鐵隧道的襯砌裂縫。分析發(fā)現(xiàn)，由于襯砌裂縫特點(diǎn)的不同，因此所采用的最佳檢測方法也隨之不同。

對于一般裂縫，探地雷達(dá)即可以進(jìn)行檢測；如果周圍環(huán)境光線較為黯淡或其他外界條件相對較差，則可采用圖像處理檢測法；如果環(huán)境條件較復(fù)雜，三維激光掃描檢測法會(huì)是比較合適的檢測方法；超聲波檢測法適用于檢測裂縫深度不大的情況；若是需要準(zhǔn)確測得深度較大的隧道襯砌裂縫，則應(yīng)該采用沖擊彈性波檢測法；若探測范圍較大且相對不考慮經(jīng)濟(jì)成本可選用光纖傳感檢測法。

總體來說, 隧道襯砌裂縫檢測的方式方法有待進(jìn)一步完善, 且準(zhǔn)確度、實(shí)時(shí)性、復(fù)雜性和普適性等方面還未達(dá)到滿意的效果, 檢測算法尚存在精度與速度的矛盾。