隧道裂損襯砌滲漏水紅外特征識別試驗研究

鄭艾辰 何兆益 李家琪 張瑞琳 譚冰心 黃 鋒

(1 重慶交通大學土木工程學院， 重慶 400074)(2 重慶交通大學省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點實驗室， 重慶 400074)

襯砌滲漏水是隧道工程中最為常見的結構病害之一[1].長期滲漏水會導致襯砌受力不均影響結構安全[2]，引起地層不均勻沉降[3]，嚴重時還會影響隧道運營安全，如電力系統(tǒng)短路、路面濕滑等問題[4].因此，襯砌滲漏水病害檢測一直是隧道工程養(yǎng)護的重點工作之一[5].然而，隧道滲漏水識別目前仍以人工目測為主，很大程度上依賴于主觀判斷，識別精度和效率都有待提高[6].紅外熱成像法是目前滲漏水識別應用較為廣泛的非接觸式檢測方法[7-8]，與傳統(tǒng)的人工檢測方法及其他方法相比，用于隧道內的特定照明和空氣環(huán)境下優(yōu)勢更明顯，其測量結果更直觀，客觀性更強，精確度更高.

當前，紅外熱成像方法在隧道襯砌滲漏水檢測方面已經引起了一些關注[9].Lu等[10]利用紅外熱成像技術對電纜隧道滲漏水區(qū)域進行檢測并識別.顧天雄等[11]通過不同缺陷類型的混凝土試件模擬電纜隧道的滲漏水情況，并基于紅外圖像處理技術對滲漏水面積進行提取.豆海濤等[12]通過現場試驗，研究了在不同影響因素下的隧道襯砌滲漏水紅外輻射特征，并通過紅外圖像處理及襯砌表面輻射率修正計算出了滲水區(qū)域的實際面積.吳杭彬等[13]提出了一種基于紅外熱成像的地鐵隧道滲漏水提取方法，并針對滲水區(qū)域等溫線，采用質心距離函數模型對滲水類型、位置進行了研究，為滲漏水缺陷反演分析提供了一種新的思路.

基于紅外熱成像技術的隧道襯砌滲漏水檢測方法還處于發(fā)展階段，在襯砌裂損類型的多變性、地下水滲流條件的復雜性以及運營隧道環(huán)境的特殊性等方面，還需深入研究.為此，本文采用自主研制的滲漏水試驗裝置，通過紅外熱成像技術探測含缺陷混凝土滲漏水面積及裂縫形態(tài)，分析不同缺陷類別和滲流速度條件下的滲漏水紅外輻射特征，為隧道襯砌結構滲漏水快速、定量識別提供理論依據.

1 室內模型試驗方案

1.1 試驗裝置

隧道襯砌滲漏水過程中，滲漏水區(qū)域會和周圍混凝土區(qū)域產生溫度差異，紅外熱像儀就是利用這種溫差進行隧道內滲漏水檢測的[14].本次室內模型試驗采用的紅外輻射探測裝置為日本NEC R300型紅外熱像儀，其光譜范圍為8～14 nm，熱靈敏度為0.05 ℃，精度±1 ℃，圖像分辨率為360×240像素.室內試驗通過自主研制的隧道滲漏水模擬裝置及水溫、環(huán)境控制系統(tǒng)來實現，試驗裝置由整體可封閉的亞克力模型罩體模擬隧道內真實環(huán)境，采用空氣加濕器控制罩體內濕度，試驗過程中保持室內照明燈光關閉，僅開啟模型內預設燈帶，使其照度符合隧道內真實照度情況，如圖1所示.試驗設備主要由紅外熱像儀、亞克力罩體、燈帶、加濕器、溫濕度計、照度計、工業(yè)級水泵、高精度智能溫控計、玻璃轉子流量計、自制試件支架、橡膠管及水桶等組成，紅外熱像儀到被測混凝土試件表面的距離為1 m.

(a) 裝置整體示意圖

(b) 裝置實物圖

(c) 試件局部圖

1.2 試驗工況

已有研究[15]表明，隧道滲漏水病害主要是由于以下2個原因：①裂縫寬度和匯水通道的形成，即襯砌裂損程度；②地下水系條件直接導致滲流量的變化.因此，本次試驗主要考慮襯砌的缺陷形式和滲流速度2個因素.此外，大量工程調查表明[16]，隧道內混凝土滲漏水缺陷主要為點狀缺陷和線狀裂縫，而線狀裂縫又分為縱向裂縫、斜向裂縫和環(huán)向裂縫.因此，為了模擬隧道襯砌中常見的點狀、水平裂縫、豎直裂縫、45°斜向裂縫，制作尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的C30混凝土試件，線狀缺陷(1 mm×30 mm)通過插入鋼板預制，點狀缺陷(直徑6 mm)待試件養(yǎng)護成型后通過鉆頭鉆孔獲得.缺陷中心位置距離底面約25 cm，試件缺陷示意圖如圖2所示.預試驗表明，當流速小于200 mL/min時水流難以發(fā)生滲漏，當流速超過1 000 mL/min時滲漏水將轉變?yōu)楣蔂钌淞?，故本試驗中水流速度控制?00～1 000 mL/min之間.試件澆筑養(yǎng)護完成后，在上頂面鉆6 mm圓孔聯(lián)通預制缺陷，插入水管進行注水試驗.試驗共設計4種工況：工況1為6 mm點狀缺陷；工況2為與水平方向夾角成0°的1 mm×30 mm線狀缺陷；工況3為與水平方向夾角成45°的1 mm×30 mm線狀缺陷；工況4為與水平方向夾角成90°的1 mm×30 mm線狀缺陷.每種工況對應200、400、600、800、1 000 mL/min五種不同流速，正交構成20組試驗.每種缺陷間隔10 s拍攝一張照片，拍3次，共獲得200張紅外圖片，過程中根據需要拍攝可見光照片和視頻.試驗過程中室溫控制在約19.9 ℃，水溫控制在約22.5 ℃，試件表面溫度約為19.6 ℃，相對濕度約為70%，照度控制在約200 lx.試件與水溫間的溫差控制在2～3 ℃，更接近真實的溫差情況.試驗中可見光圖像與紅外熱像儀圖像對比如圖3所示.由圖可知，二者滲漏水區(qū)域的幾何形態(tài)較為相似，但實際工程中由于能見度較低，可見光照片往往難以識別，相比之下紅外照片明顯具有更高的辨識度，且不受光照環(huán)境影響.

(a) 缺陷位置示意圖(單位：mm)

(b)試件澆筑過程

(a) 可見光

(b) 紅外光

2 滲漏水幾何特征分析

2.1 不同滲流速度下幾何形態(tài)

對于含6 mm點狀缺陷(工況1)的混凝土試件，在不同流速作用下的紅外熱像圖如圖4所示.可以看出，圖像總體上呈對稱分布，由于單一出水口頂端均呈現山峰形，隨著流速的增加，滲漏水區(qū)域橫向寬帶逐漸增加，圖像整體逐漸過渡為峰頂鈍化的三角形形態(tài).

(a) 流速200 mL/min

(b) 流速400 mL/min

(c) 流速600 mL/min

(d) 流速800 mL/min

(e) 流速1 000 mL/min

對于含有1 mm×30 mm水平裂縫缺陷(工況2)的試件，不同流速下的滲漏水紅外熱像圖如圖5所示.可以看出，隨著流速的增加，整體上呈現出上邊和裂縫形態(tài)一樣的水平形狀，在800 mL/min以下時，圖像隨著流速的增加呈輕微擴張趨勢，但在1 000 mL/min流速時，圖像出現明顯擴張，呈梯形.這說明當流速達到一定程度時，水平狀裂縫缺陷整體呈梯形形態(tài).

對于含有45°斜裂縫缺陷的試件，不同流速下的滲漏水紅外熱像圖如圖6所示.45°斜裂縫條件下的滲漏水圖像總體上呈非對稱分布，當流速小于600 mL/min時，圖像上端呈現與傾斜裂縫尺度相當的斜面；隨著流速的增加，滲漏水逐漸充滿裂縫，圖像變成類似梯形的形狀.

(a) 流速200 mL/min

(b) 流速400 mL/min

(c) 流速600 mL/min

(d) 流速800 mL/min

(e) 流速1 000 mL/min

(a) 流速200 mL/min

(b) 流速400 mL/min

(c) 流速600 mL/minn

(d) 流速800 mL/min

(e) 流速1 000 mL/min

對于含有90°豎直裂縫缺陷的試件，不同流速下的滲漏水紅外熱像圖如圖7所示.可以看出，紅外圖像始終保持頂端為錐型，隨著流速的增加，滲水區(qū)由狹窄的長條狀逐漸轉變?yōu)榻迫切?，頂?/p>

(a) 流速200 mL/min

(b) 流速400 mL/min

(c) 流速600 mL/min

(d) 流速800 mL/min

(e) 流速1 000 mL/min

錐型的寬度也逐漸增加.

2.2 不同缺陷形式下幾何特征

含不同缺陷形式試件在流速為200 mL/min條件下的滲漏水紅外熱像圖分別如圖4(a)、5(a)、6(a)和7(a)所示.其中，圖4(a)為直徑6 mm點狀缺陷滲漏水紅外熱像圖，出水口位置為光滑的半圓形；圖5(a)為水平裂縫，其出水口處紅外熱像圖片和裂縫趨勢大致相同，整體圖像形狀類似于長方形；圖6(a)為1 mm×30 mm的45°斜裂縫滲漏水紅外熱像圖，出水口位置為尖部和裂縫方向走勢相同，下部向左突出的S狀圖形；圖7(a)為90°垂直裂縫滲漏水紅外熱像圖，出水口位置為上部是尖狀、下部相對規(guī)則的圖形.

同樣，流速為600 mL/min條件下的滲漏水紅外熱像圖如圖4(c)、5(c)、6(c)和7(c)所示.由圖可見，缺陷形式對滲漏水區(qū)域幾何特征的影響具有類似的規(guī)律.

3 滲漏水溫度場與缺陷識別

3.1 不同缺陷形式下的溫度場

實際工程中，由于隧道中光線較差，點狀滲漏水和豎直裂縫滲漏水從可見光角度來說形態(tài)較相似，但仔細觀察紅外熱成像圖像不難發(fā)現，其滲漏水起始位置的形狀具有明顯區(qū)別.通過紅外熱像儀自帶的InfReC Analyzer NS9500處理軟件將各個像素點的溫度導出至Origin內，繪制出等溫線圖像.由于下部區(qū)域水流在自重作用下基本呈現矩形形態(tài)，差別不大，故等溫線圖像主要選取在頂部區(qū)域.圖8為點狀滲漏和垂直裂縫滲漏等溫線圖，其整體趨勢為低溫區(qū)域包圍高溫區(qū)域，且圖像整體呈上部突出，中下部相對較規(guī)則的形狀.從最內側高溫區(qū)域等溫線最上方可以看出，圖8(a)為光滑圓弧形狀，圖8(b)為類似30°的三角形形狀.在隧道內較昏暗的可見光條件下，在不同流速的滲漏水過程中，點狀缺陷和線狀缺陷可以通過紅外熱成像圖片進行較好的區(qū)分.圖像整體呈現低溫區(qū)域包含高溫區(qū)域的形態(tài)，這主要是由于水溫和混凝土試件表面的溫差有關.

(a) 點狀滲漏

(b) 90°裂縫滲漏

不同缺陷條件下滲漏水紅外圖像的等溫線幾何形態(tài)特征如圖9所示.等溫線可簡單歸納為以下幾種基本形式：點狀滲漏水內側等溫線輪廓近似為“酒瓶形”，豎直裂縫內側等溫線輪廓近似為銳角三角形，隨著溫度的不斷擴散，2種缺陷的外輪廓較為相似.傾斜裂縫外輪廓近似為順裂縫方向的傾斜梯形，水平裂縫外輪廓近似為長方形，其通過外部輪廓較容易區(qū)分.實踐中，可根據試驗等溫線圖像特征，通過分析紅外熱像圖起始位置形態(tài)，初步判斷隧道襯砌滲漏水位置的缺陷形式.隧道襯砌裂縫檢測工作中，由于可見光拍攝的圖片清晰度較差，裂縫識別算法還不成熟，對于裂縫的識別精度往往較差[17].因此，根據滲漏水區(qū)域的幾何形態(tài)特征，可大致估計隧道襯砌的基本裂損形式.

(a) 點狀缺陷

(b) 豎直裂縫

(c) 傾斜裂縫

(d) 水平裂縫

3.2 不同滲漏速度下的溫度場

截取1 mm×30 mm豎直裂縫混凝土試件滲漏水表面上過缺陷中心同一位置處直線，沿試件水平方向繪制距離-紅外輻射溫度值圖，如圖10所示.由于模擬滲漏水的水溫高于混凝土試件表面溫度，因此橫截面上中間位置處溫度較高，隨著流速增加，邊緣溫度保持不變，其溫度覆蓋范圍逐漸增加，溫度范圍整體呈覆蓋趨勢.當流速為1 000、800、600、400、200 mL/min時，滲漏水區(qū)域最高溫度分別為21.82、21.68、21.66、21.29、20.92 ℃.溫度最高處均為同一橫坐標對應位置附近，其最高溫度位于滲漏點位置處，且隨著流速的增加而增加.

不同缺陷形式在相同流速下過缺陷中心處的同一橫斷面溫度分布如圖11所示.曲線圖整體呈單峰曲線狀，波峰位置與缺陷位置相對應.水平裂縫和傾斜裂縫由于水流面積較大，波峰位置相對較平坦.豎直裂縫、點狀裂縫和水平裂縫整體呈溫度包圍趨勢，其峰值覆蓋面積隨裂縫橫斷面寬度的增加而增加.

圖10 不同流速下相同橫斷面溫度分布

圖11 不同缺陷形式在相同流速下同一橫斷面溫度分布

觀察20組試驗的熱成像照片，可以大致看出沿滲漏點豎直方向溫度逐漸升高，整體呈現低溫區(qū)域包含高溫區(qū)域的形態(tài).截取1 mm×30 mm豎直裂縫混凝土試件滲漏水表面上同一位置處直線，沿試件縱坐標繪制距離-紅外輻射溫度值圖，如圖12所示.在相同流速情況下，沿線溫度呈上升趨勢；隨著流速的增加，不同流速下其縱斷面溫度也逐漸增加.

圖12 不同流速下相同縱斷面溫度分布

從滲漏點位置至試件底部，其溫度不斷增加，溫度變化幅度相近.在50 mm附近溫度隨試件縱向距離急劇增加，說明滲漏水位置位于距試件上表面50 mm左右處.0～50 mm處為混凝土試件的溫度，50～250 mm處為試件表面溫度，試件豎直方向最低點溫度隨著流速變化，其范圍為從21.97 ℃至22.88 ℃，接近模擬滲漏水的自來水溫度.分析可知，通過溫度場的分布規(guī)律可以反推缺陷類型.

3.3 質心距離函數曲線分析

質心距離函數是最為常見的圖像輪廓描述方法之一，不涉及形狀位置的質心信息(即平移不變性)，且具有很好的魯棒性[18].為此，本文采用質心距離函數方法，對典型缺陷下的紅外圖像輪廓特征進行量化分析.具體分析及繪圖流程如下：

①將各溫度值轉化到相應臨近區(qū)間內，提取等溫線.由于各出水口曲線最內側等溫線形狀不規(guī)律，故采用特征性更強的從高溫區(qū)向低溫區(qū)(由內向外)的第2條等溫線作為分析對象.

②計算等溫線輪廓坐標.采用角度采樣以獲得均勻的樣本間距x(i)和y(i)，i=1,2,…,N，采樣點間隔為1°.

③計算輪廓線質心坐標，即

(1)

式中，Xc為質心橫坐標；Yc為質心縱坐標；n為等溫線上采樣點個數；Xi、Yi分別為采樣點橫縱坐標.

④計算質心距離D，

(2)

⑤繪制函數曲線.通過Matlab編程，選取質心與等溫線左側邊緣最下方采樣點的連線為起點，按順時針旋轉至質心與等溫線右側邊緣最下方采樣點連線，依次求取采樣點與質心的距離.

通過以上方法，得到各缺陷條件下的質心函數距離曲線，如圖13所示.可以看出，不同缺陷形式下的曲線特征也存在明顯差異：點狀缺陷時端部呈現最大值，中間位置為波峰處(基本與缺陷位置吻合)，2個波谷較為對稱；豎直裂縫時為單波峰形式(亦對應缺陷水平位置)，2個波谷基本呈對稱分布；傾斜裂縫時曲線也為單波峰形式(波峰處位于裂縫中心附近)，但雙波谷差值較大；水平裂縫時曲線較為復雜，表現為多個波峰和波谷的形式，缺陷位置基本位于2個波峰之間.實際情況下可通過質心距離函數曲線的不同形態(tài)，來反演估計出水口缺陷的類型和出水孔的位置.

4 滲漏水面積識別與分析

4.1 圖像處理與計算方法

采用MATLAB將原始紅外熱像圖按如下操作進行圖像處理：①對原始圖像進行灰度處理；②采用基于離散余弦變換的圖像去噪方法對圖像進行平滑處理；③通過閾值分割的方法對圖像進行二值化處理.以工況4(1 mm×30 mm豎直裂縫)流速為200 mL/min為例，依次進行灰度處理、降噪、二值化處理(見圖14)，得到可進行面積計算的黑白圖像.經處理后的圖像更接近于實際圖像形態(tài)，邊緣形態(tài)效果良好.

(a) 點狀缺陷

(b) 豎直裂縫

(c) 水平裂縫

(d) 傾斜裂縫

(a) 原始圖像

(b) 灰度處理

(c) 降噪

(d) 二值化

經圖像分割優(yōu)化后，首先可統(tǒng)計出滲漏水區(qū)域占試件總面積的百分數，然后得到滲漏水區(qū)域面積A，可按下式計算：

A=A0α

(3)

式中,A0為混凝土試件實際面積;α為滲水區(qū)域面積占混凝土平面面積的比值.

4.2 統(tǒng)計結果與分析

根據式(3)計算出不同缺陷形式條件下混凝土表面滲漏水區(qū)域面積隨滲漏水流速的變化規(guī)律，如圖15所示.從圖像整體規(guī)律看，各缺陷的滲漏水面積隨著流速呈線性增長.其中，傾斜裂縫的變化斜率最大，滲水面積隨流速的增長速度最快，在600 mL/min之前，其滲漏水位置主要集中在斜裂縫下端，其滲漏水面積接近于點狀滲漏，其初始值和斜率都與點狀缺陷接近；從600 mL/min起，滲漏水位置充滿整條裂縫，面積-流速曲線斜率呈增加趨勢；1 mm×30 mm豎直裂縫和6 mm孔的斜率相對較為平緩，增長速率相近；1 mm×30 mm水平裂縫由于其圖像在800 mL/min的流速下面積變化不大，故其曲線在800 mL/min以下時斜率較為平緩，流速大于800 mL/min后斜率發(fā)生增長，滲漏水面積增大，這與試驗獲得的紅外熱像圖變化規(guī)律是一致的.

圖15 滲漏水區(qū)面積隨流速變化曲線

5 結論

1) 缺陷形式對滲漏水幾何形態(tài)(尤其是出水孔附近)有重要影響，點狀、豎直和水平裂縫滲漏水紅外熱像圖均呈現與缺陷類似的對稱分布，傾斜裂縫呈現斜坡式非對稱分布.隨著滲漏速度的增加，缺陷形式對滲漏水區(qū)幾何形態(tài)的控制作用有所降低.

2) 通過滲漏水區(qū)域等溫線的幾何特征，可以快速、初步判斷混凝土的缺陷形式；通過高溫區(qū)等溫線的質心距離函數曲線分析，可以進一步確定缺陷形式及出水口的空間位置.

3) 不同缺陷形式下滲漏水區(qū)域的面積均大致隨滲漏水速度呈線性增長，點狀與豎直裂縫增長速率較為接近，低流速下傾斜裂縫與點狀初始值接近.

4) 研究成果為隧道襯砌滲漏水檢測提供了新的方向，但由于襯砌的裂損形式多樣性和復雜性，以及隧道內部運營環(huán)境的影響，基于紅外熱成像原理的隧道滲漏水檢測技術還有待進一步深入研究.