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

周仲 張愛茹

摘 要：在開展隧道二次襯砌施工建設(shè)的過(guò)程中，其施工過(guò)程往往會(huì)受到多種因素的影響和干擾，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)隧道襯砌病害問題層出不窮，為后續(xù)工程項(xiàng)目建設(shè)埋下了諸多安全隱患，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)技術(shù)整體效率較低，并且需要現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)對(duì)病害問題進(jìn)行主觀判斷，導(dǎo)致整體判斷水平和判斷結(jié)果差強(qiáng)人意?，F(xiàn)代化的隧道襯砌檢測(cè)技術(shù)已逐步應(yīng)用高效精準(zhǔn)快速的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道襯砌的常見病害和專業(yè)檢測(cè)方法進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，并根據(jù)隧道的實(shí)際建設(shè)表現(xiàn)和內(nèi)部整體狀態(tài)，全面分析了現(xiàn)代化隧道無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，開創(chuàng)了新型的隧道檢測(cè)裝備，推動(dòng)我國(guó)隧道檢測(cè)技術(shù)的持續(xù)良性發(fā)展。

關(guān)鍵詞：襯砌病害;無(wú)損檢測(cè);快速檢測(cè)裝備

中圖分類號(hào)：U456;U457.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日趨完善，公路行業(yè)發(fā)展迅速。它已成為世界上隧道里程和數(shù)量最多的國(guó)家。中國(guó)幅員遼闊。在公路工程項(xiàng)目的施工過(guò)程中，施工質(zhì)量很容易受到氣候、地質(zhì)災(zāi)害等因素的影響。隧道在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，容易出現(xiàn)各種形式的病害，其中襯砌開裂、漏水等問題最為嚴(yán)重。本研究分析了國(guó)內(nèi)外隧道無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和快速檢測(cè)設(shè)備的研究與應(yīng)用，從而識(shí)別運(yùn)營(yíng)隧道的安全風(fēng)險(xiǎn)，為確保隧道長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)提供支持。

1 運(yùn)營(yíng)隧道襯砌常見病害

首先相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)要充分了解運(yùn)營(yíng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)當(dāng)中較為常見的病害問題，以及其產(chǎn)生的主要原因。運(yùn)營(yíng)隧道拱墻襯砌病害問題較為常見，該問題將直接關(guān)乎到隧道安全結(jié)構(gòu)的實(shí)際穩(wěn)定性，需要相關(guān)檢測(cè)人員的著重關(guān)注。通常情況下，運(yùn)營(yíng)隧道較為常見的襯砌病害為襯砌開裂、襯砌空洞、厚度不足，變形超限，滲水漏水等問題。產(chǎn)生這類襯砌病害的主要因素是地質(zhì)條件，施工以及設(shè)計(jì)缺陷、運(yùn)營(yíng)環(huán)境和自然災(zāi)害等方面的因素干擾。襯砌背后空洞和襯砌厚度不足，主要是由于施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程當(dāng)中管理效果較差導(dǎo)致的。襯砌滲水漏水往往受到環(huán)境的因素影響。而襯砌結(jié)構(gòu)的開裂是由于襯砌混凝土結(jié)構(gòu)逐漸劣化的一種直觀呈現(xiàn)。并且，不同的病害問題往往會(huì)共同發(fā)生，在不同病害的作用下，極大的降低了隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，無(wú)法保障隧道的實(shí)際使用性能以及實(shí)際運(yùn)營(yíng)安全性。

2 隧道病害無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

某高鐵隧道施工里程DK165+964（運(yùn)營(yíng)里程K174+486

對(duì)應(yīng)軌道板板號(hào)為L(zhǎng)27574）處，兩線間靠近上行側(cè)拱頂，敲擊后出現(xiàn)掉塊，約0.3 m2，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)，掉塊處朝大里程方向附近約有7 m2脫空，沿線路方向?qū)?.7 m，從拱頂中心線延環(huán)向兩側(cè)各2 m，設(shè)計(jì)斷面襯砌厚度為50 cm，脫空部位最薄襯砌厚度為5 cm，脫空部分成倒梯形（圖1）。

2.1 表觀狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)

首先，對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，能夠發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)表層的裂縫病害，而裂縫病害往往是隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害問題當(dāng)中的重要內(nèi)容?；诹芽p走向與隧道縱向的實(shí)際關(guān)系，可將結(jié)構(gòu)表層裂縫病害分為縱向裂縫，環(huán)向裂縫，以及斜向裂縫三種類型。這三種類型當(dāng)中的縱向裂縫危害最大，將直接降低隧道結(jié)構(gòu)的實(shí)際牢固性。在當(dāng)前技術(shù)背景下，相關(guān)檢測(cè)人員對(duì)于隧道襯砌表觀狀態(tài)的檢測(cè)，主要是運(yùn)用圖像處理技術(shù)以及三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，能夠有效提升檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.1.1 圖像處理技術(shù)

圖像處理技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，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)，能夠?qū)λ淼酪r砌表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)高效的信息采樣，并借助系統(tǒng)當(dāng)中的信號(hào)轉(zhuǎn)換器，將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別保存分析的信息，再通過(guò)圖像的處理，提取到與隧道裂縫相關(guān)的復(fù)信息，從而判斷出隧道病害的實(shí)際狀況與具體程度。相關(guān)技術(shù)人員提出了一種基于圖像處理的隧道表面裂縫檢測(cè)算法以及寬度測(cè)量算法，能夠大大提升隧道襯砌裂縫的識(shí)別效率以及識(shí)別精準(zhǔn)度，同時(shí)圖像處理的研發(fā)團(tuán)隊(duì)也對(duì)裂縫圖像的處理過(guò)程進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化，彌補(bǔ)了采集設(shè)備不穩(wěn)定和外部環(huán)境復(fù)雜性造成干擾的影響。我國(guó)某大學(xué)專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)利用相機(jī)以及各類設(shè)備，提出了現(xiàn)掃描檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了隧道襯砌裂縫狀態(tài)的全面分析。

2.1.2 三維激光掃描技術(shù)

在運(yùn)用三維激光掃描檢測(cè)技術(shù)的過(guò)程當(dāng)中，需要相關(guān)技術(shù)人員運(yùn)用檢測(cè)車的激光掃描設(shè)備對(duì)隧道襯砌表面發(fā)出螺旋式激光射線，從而實(shí)現(xiàn)隧道襯砌表面裂縫狀況的檢測(cè)，根據(jù)結(jié)構(gòu)表面的反饋信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，得到較為準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)，隨后便會(huì)形成裂縫的灰度圖像，再應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)，可以為檢測(cè)人員較為直觀的呈現(xiàn)出隧道表面存在的裂縫等病害實(shí)際圖像。

2.2 內(nèi)部狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)

對(duì)于混凝土襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷問題，運(yùn)用內(nèi)部狀態(tài)的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行缺陷檢測(cè)，例如襯砌脫空、混凝土強(qiáng)度變差等變化。混凝土襯砌內(nèi)部缺陷其實(shí)際表現(xiàn)較為隱蔽，需要應(yīng)用較為專業(yè)的病害檢測(cè)技術(shù)以及檢測(cè)設(shè)備，對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行全面的檢測(cè)，科學(xué)合理的應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)以及沖擊彈性波技術(shù)，可對(duì)隧道襯砌內(nèi)部病害進(jìn)行有效檢測(cè)。

2.2.1 探地雷達(dá)技術(shù)

在應(yīng)用探地雷達(dá)（Ground Penetrating Rada，GPR）技術(shù)進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害問題檢測(cè)的過(guò)程中，相關(guān)技術(shù)人員會(huì)發(fā)射出電磁波脈沖和測(cè)量界面的反射波，再根據(jù)電磁波脈沖和反射波的反饋時(shí)間，對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)電磁波到達(dá)不同的物質(zhì)邊界時(shí)，其部分波能會(huì)被反射，其余的部分波能傳輸?shù)秸谶M(jìn)行的介質(zhì)當(dāng)中。通過(guò)發(fā)射電磁波脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，能夠有效探查物質(zhì)邊界的深度和類型，并通過(guò)雷達(dá)圖的形式顯現(xiàn)出來(lái)。例如密度較差、脫空等病害會(huì)隨著介質(zhì)的變化，再根據(jù)雷達(dá)圖電磁放射波的分析，對(duì)混凝土鋼筋以及鋼拱架，圍巖空氣層，含水層等病害進(jìn)行全面的評(píng)估。相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)于探地雷達(dá)技術(shù)在隧道襯砌缺陷檢測(cè)當(dāng)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了有效分析，同時(shí)部分專業(yè)人員也對(duì)地下工程地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，從而大大提升了運(yùn)營(yíng)隧道車載探地雷達(dá)快速檢測(cè)方式的實(shí)際檢測(cè)準(zhǔn)確度和檢測(cè)效率。

2.2.2 沖擊彈性波技術(shù)

沖擊彈性波技術(shù)在隧道襯砌內(nèi)部病害檢測(cè)過(guò)程當(dāng)中應(yīng)用較為廣泛，主要是利用激振錘激發(fā)產(chǎn)生彈性波的原理。彈性波會(huì)和襯砌內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振作用，對(duì)其共振頻率進(jìn)行分析，計(jì)算出混凝土缺陷位置以及裂縫狀況，同時(shí)根據(jù)振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力波傳導(dǎo)方向，可劃分為縱波、橫波以及瑞利波，沖擊彈性波和振動(dòng)能夠直接反映出混凝土結(jié)構(gòu)缺陷程度以及應(yīng)力作用狀況。

3 隧道檢測(cè)裝備

在開展現(xiàn)代化運(yùn)營(yíng)隧道檢測(cè)工作的過(guò)程中，隧道的病害檢測(cè)不僅需要較為先進(jìn)的檢測(cè)方式和檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)還需要配備與之相匹配的檢測(cè)儀器設(shè)備，通過(guò)二者的共同作用下，才能保障檢測(cè)過(guò)程的有效性和通用性。借助各類巡檢設(shè)備開展各類病害檢測(cè)工作，實(shí)現(xiàn)綜合智能化的檢測(cè)狀態(tài)，是未來(lái)隧道襯砌檢測(cè)工作主導(dǎo)方向。

3.1 無(wú)人機(jī)

應(yīng)用無(wú)人機(jī)設(shè)備，具備較為高效的巡查效果，被廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，其整體結(jié)構(gòu)體積較小，可搭載不同規(guī)格的傳感器，實(shí)際操作極為簡(jiǎn)便，能夠快速準(zhǔn)確的收集數(shù)據(jù)信息，同時(shí)也能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理平臺(tái)。而數(shù)據(jù)平臺(tái)一旦發(fā)現(xiàn)異常狀況便可作出相應(yīng)預(yù)警，動(dòng)態(tài)化的監(jiān)測(cè)隧道病害信息。部分西方發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將無(wú)人機(jī)設(shè)備應(yīng)用在了地鐵系統(tǒng)維修的工作當(dāng)中，有效的對(duì)地鐵隧道進(jìn)行全面巡查。

3.2 巡檢車

在實(shí)地隧道檢測(cè)工作開展的過(guò)程中，移動(dòng)檢測(cè)設(shè)備往往具備更高的檢測(cè)效率，可廣泛的應(yīng)用在各個(gè)環(huán)境當(dāng)中。相關(guān)技術(shù)人員可在移動(dòng)設(shè)備當(dāng)中搭載專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備，例如ccd相機(jī)，探地雷達(dá)，激光掃描儀，對(duì)隧道病害進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，同時(shí)根據(jù)設(shè)備，相對(duì)應(yīng)的算法軟件，從而對(duì)各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效分析，及時(shí)的得到檢測(cè)結(jié)果。

4 總結(jié)

相對(duì)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方式，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具備更高的效率以及更強(qiáng)的精準(zhǔn)度，不會(huì)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)本身造成損害，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中存在一定的弊端。例如圖像處理技術(shù)在自動(dòng)化識(shí)別方面存在欠缺，而三維激光掃描檢測(cè)技術(shù)，整體檢測(cè)速度較慢，探地雷達(dá)技術(shù)的圖像解譯過(guò)程需要較強(qiáng)的主觀猜想，導(dǎo)致最終的辨識(shí)精準(zhǔn)度效果不佳。隨著5G時(shí)代的快速發(fā)展，相關(guān)技術(shù)部門要推動(dòng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的智能化、自動(dòng)化、以及集成化發(fā)展，從而形成一套綜合性的快速檢測(cè)手段，為未來(lái)隧道檢測(cè)領(lǐng)域的研發(fā)和進(jìn)步奠定良好基礎(chǔ)。

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