運(yùn)營(yíng)隧道襯砌病害檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

唐 超，劉 春，周澤棲

（重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，重慶 401331）

近年來(lái)，我國(guó)隧道及地下工程建設(shè)事業(yè)有了較快發(fā)展，運(yùn)營(yíng)隧道數(shù)量、長(zhǎng)度均快速增加。運(yùn)營(yíng)隧道大多具有隱蔽性特征，襯砌結(jié)構(gòu)受外界因素影響較大。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的延長(zhǎng)、隧道主體相關(guān)力學(xué)性能出現(xiàn)偏差及地質(zhì)因素的影響等，各種隧道襯砌病害問(wèn)題浮現(xiàn)。隧道在我國(guó)民眾的生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要的作用，一旦隧道出現(xiàn)事故，將對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的影響。因此，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)采取定期檢查檢測(cè)，保障隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)是必不可少的一環(huán)。針對(duì)襯砌病害日益突出的問(wèn)題，發(fā)達(dá)國(guó)家如德國(guó)、日本等，較早就開(kāi)始了關(guān)于隧道快速檢測(cè)技術(shù)方面的研究，相關(guān)技術(shù)及裝備已經(jīng)較為成熟，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也在這方面取得了重大突破[1]。便捷、快速、高精度、自動(dòng)化的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是隧道病害檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。本研究對(duì)目前國(guó)內(nèi)外隧道無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及快速檢測(cè)裝備的研究應(yīng)用進(jìn)行分析，對(duì)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向進(jìn)行預(yù)測(cè)與展望，以識(shí)別運(yùn)營(yíng)隧道的安全風(fēng)險(xiǎn)，為保證隧道長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行提供支撐。

1 運(yùn)營(yíng)隧道襯砌常見(jiàn)病害

運(yùn)營(yíng)隧道拱墻襯砌病害問(wèn)題直接影響到隧道安全結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是襯砌病害檢測(cè)關(guān)注的重點(diǎn)。一般運(yùn)營(yíng)隧道常見(jiàn)的襯砌病害有襯砌開(kāi)裂、襯砌空洞及厚度不足、變形超限、滲漏水等。襯砌開(kāi)裂主要受地質(zhì)條件、施工及設(shè)計(jì)因素、運(yùn)營(yíng)環(huán)境、自然災(zāi)害等方面影響；襯砌背后空洞及厚度不足，主要受施工和運(yùn)營(yíng)兩方面共同作用；襯砌滲漏水主要受環(huán)境因素影響。襯砌開(kāi)裂作為襯砌混凝土劣化等病害的一種直觀呈現(xiàn)形式，通常情況下伴隨著其他幾種病害同時(shí)發(fā)生。這些病害大大降低了隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，影響了隧道的使用性能及運(yùn)營(yíng)的安全性。

2 隧道病害無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

隧道無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是指在不破壞隧道結(jié)構(gòu)本身的狀態(tài)及特性等前提下，識(shí)別隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的病害而產(chǎn)生的新興技術(shù)，主要對(duì)目前國(guó)內(nèi)外研究較多的探地雷達(dá)技術(shù)、沖擊彈性波技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、圖像處理技術(shù)進(jìn)行研究。

2.1 表觀狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)

表觀狀態(tài)檢測(cè)主要涉及襯砌裂縫的檢測(cè)。襯砌裂縫是隧道襯砌病害最突出的問(wèn)題，按照裂縫走向與隧道縱向的相互關(guān)系，可以分為縱向裂縫、環(huán)向裂縫和斜向裂縫3種。其中，縱向裂縫危害極大，嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于隧道襯砌表觀狀態(tài)的檢測(cè)，主要是通過(guò)圖像處理技術(shù)及三維激光掃描技術(shù)完成。

2.1.1 圖像處理技術(shù)

圖像處理技術(shù)，即通過(guò)以電荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）相機(jī)為核心的圖像采集系統(tǒng)，對(duì)隧道襯砌表面進(jìn)行連續(xù)信息采樣，通過(guò)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別信息并保存分析，經(jīng)過(guò)圖像處理，提取隧道裂縫相關(guān)信息，判斷隧道病害信息。某學(xué)者提出了一種基于圖像處理的隧道表面裂縫檢測(cè)算法及寬度測(cè)量算法，可較好地實(shí)現(xiàn)隧道襯砌裂縫的智能識(shí)別。另一學(xué)者對(duì)裂縫圖像的處理過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化，消除了由采集設(shè)備不穩(wěn)定、外部環(huán)境的復(fù)雜性造成的噪聲問(wèn)題。西南交通大學(xué)冷彪等[2]利用線陣相機(jī)及各種設(shè)備，提出了線掃描檢測(cè)方法，對(duì)隧道襯砌裂縫狀態(tài)進(jìn)行分析。

2.1.2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描檢測(cè)技術(shù)主要通過(guò)檢測(cè)車的激光掃描運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)隧道襯砌表面發(fā)出螺旋式激光射線，檢測(cè)表面裂縫情況，接收反饋信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到三維坐標(biāo)，形成裂縫灰度圖像，同時(shí)應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)，可以直觀地識(shí)別出隧道表面存在的裂縫等病害。20世紀(jì)末，美國(guó)率先將激光技術(shù)發(fā)展到三維測(cè)量領(lǐng)域。目前，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到更高的測(cè)量精度和更廣的應(yīng)用領(lǐng)域。某學(xué)者在三維激光掃描技術(shù)的裂縫采集及提取方面進(jìn)行了改進(jìn)；另一學(xué)者把三維激光掃描技術(shù)與近景攝影測(cè)量技術(shù)在隧道的檢測(cè)監(jiān)測(cè)中進(jìn)行結(jié)合運(yùn)用；謝雄耀等[3]提出了一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的隧道三維建模算法并驗(yàn)證其可靠性。

2.2 內(nèi)部狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)

內(nèi)部狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)主要用于混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)，如襯砌脫空、混凝土強(qiáng)度不足等病害。隧道襯砌內(nèi)部缺陷屬于隱蔽性病害，需采用專業(yè)技術(shù)進(jìn)行病害檢測(cè)?！惰F路隧道襯砌質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)規(guī)程》（TB 10233—2004）中明確了探地雷達(dá)技術(shù)及沖擊彈性波技術(shù)可用于隧道襯砌病害檢測(cè)。

2.2.1 探地雷達(dá)技術(shù)

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Rada，GPR）是通過(guò)發(fā)射電磁波脈沖和測(cè)量界面反射波，基于返回時(shí)間來(lái)確定其混凝土強(qiáng)度。當(dāng)電磁波到達(dá)不同的物質(zhì)邊界時(shí)，部分波能將被反射，其余的波能將傳輸?shù)秸谶M(jìn)行的介質(zhì)中。由發(fā)射的電磁波脈沖收集的數(shù)據(jù)，可以指示邊界的深度和類型，并且可以通過(guò)雷達(dá)圖的形式來(lái)顯示。如不密實(shí)、脫空等病害都伴隨著介質(zhì)的改變，通過(guò)分析雷達(dá)圖電磁放射波，可以對(duì)混凝土、鋼筋及鋼拱架、圍巖、空氣層、含水層進(jìn)行病害綜合評(píng)判。某學(xué)者探究了探地雷達(dá)技術(shù)在隧道襯砌缺陷檢測(cè)中的具體應(yīng)用；另一學(xué)者對(duì)地下工程的地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)研究。昝月穩(wěn)等[4]對(duì)車載探地雷達(dá)進(jìn)行了深入研究，并提出了高鐵隧道車載探地雷達(dá)快速檢測(cè)方法。

2.2.2 沖擊彈性波技術(shù)

沖擊彈性波技術(shù)是利用激振錘激發(fā)產(chǎn)生彈性波的原理，基于彈性波與襯砌內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振作用，結(jié)合共振頻率，計(jì)算混凝土缺陷位置及裂縫等，根據(jù)振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力波傳播方向，分為P波（縱波）、S波（橫波）和R波（瑞利波），沖擊彈性波及振動(dòng)可以直接反映混凝土的結(jié)構(gòu)缺陷及力學(xué)性能。國(guó)內(nèi)學(xué)者姜勇等[5]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定混凝土材料動(dòng)彈性模量，并建立其與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，結(jié)合測(cè)強(qiáng)曲線，研發(fā)了基于R波的混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)體系。

3 隧道檢測(cè)裝備

隧道病害的快速高效精準(zhǔn)檢測(cè)不僅需要先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)也需要相匹配的設(shè)備儀器，二者結(jié)合才能完善檢測(cè)程序。將各種病害檢測(cè)技術(shù)搭載在巡檢設(shè)備上進(jìn)行綜合智能化檢測(cè)，是隧道檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展方向。

3.1 無(wú)人機(jī)

無(wú)人機(jī)由于高效的巡查功能，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，具有體積小、可搭載多傳感器、操控簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)收集方面具有較大作用。無(wú)人機(jī)攜帶各類傳感器，在隧道中進(jìn)行巡檢工作，收集各類數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理平臺(tái)。處理平臺(tái)對(duì)異常數(shù)據(jù)作出預(yù)警，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道病害信息。2020年3月，東京地鐵公司發(fā)明了一種無(wú)人駕駛遙控飛機(jī)來(lái)協(xié)助東京地鐵系統(tǒng)維修工作人員開(kāi)展地鐵隧道巡檢工作。

3.2 巡檢車

巡檢車是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的移動(dòng)檢測(cè)裝備，通過(guò)搭載各種檢測(cè)設(shè)備，如CCD相機(jī)、探地雷達(dá)、激光掃描儀等對(duì)隧道病害進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)，基于與設(shè)備相對(duì)應(yīng)的算法軟件，對(duì)設(shè)備所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，及時(shí)得到巡檢結(jié)果。目前，國(guó)內(nèi)外搭載線陣CCD相機(jī)的先進(jìn)巡檢車，有日本株式會(huì)社研發(fā)的MIMM-R型檢測(cè)車、武大卓越TFS隧道快速測(cè)量系統(tǒng)、上海同巖TDV-H2000隧道病害檢測(cè)車，裂縫寬度識(shí)別精度均可達(dá)到0.2 mm；搭載激光掃描技術(shù)的快速檢測(cè)設(shè)備，包括德國(guó)的TS3系統(tǒng)、瑞士的GPR5000檢測(cè)系統(tǒng)以及加拿大的LTSS檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)精度及效率處于領(lǐng)先水平?？焖傺矙z裝備可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)隧道內(nèi)部變形及裂縫等病害的功能，同時(shí)自動(dòng)進(jìn)行圖像處理、完成三維建模及病害識(shí)別等。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)損檢測(cè)方法區(qū)別于傳統(tǒng)檢測(cè)方法，具有更加高效、精準(zhǔn)且不損害結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，但是仍然存在一些弊端。圖像處理技術(shù)在快速自動(dòng)化識(shí)別方面有所欠缺；三維激光掃描檢測(cè)技術(shù)受限于檢測(cè)速度，檢測(cè)效率較低；探地雷達(dá)技術(shù)圖像解譯主觀性較強(qiáng)，辨識(shí)精度低；沖擊彈性波技術(shù)在檢測(cè)混凝土強(qiáng)度時(shí)，未考慮到鋼筋的影響，結(jié)果存在誤差。隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，發(fā)展更加智能化、自動(dòng)化、集成化的綜合快速檢測(cè)手段，打造綜合型的病害檢測(cè)系統(tǒng)，是未來(lái)隧道檢測(cè)領(lǐng)域的研究方向。