中日韓運(yùn)營(yíng)鐵路隧道檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

王 勇，安哲立，，*，馬偉斌，鄭澤福，郭小雄

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081)

0 引言

交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)持續(xù)發(fā)展，鐵路隧道規(guī)模也不斷攀升。截至2020年底，我國(guó)投入運(yùn)營(yíng)鐵路隧道16 798座，總長(zhǎng)19 630 km；在建鐵路隧道2 746座，總長(zhǎng)約6 083 km；規(guī)劃鐵路隧道6 395座，總長(zhǎng)16 325 km[1]，運(yùn)營(yíng)、在建和規(guī)劃中的鐵路隧道均居世界首位。由于設(shè)計(jì)不當(dāng)、施工不規(guī)范、管理不嚴(yán)格、隧道周邊環(huán)境不確定以及材料自身缺陷等原因，隧道在建設(shè)過(guò)程中易形成質(zhì)量缺陷，在內(nèi)外因素耦合作用下發(fā)展成為隧道病害，威脅行車安全，降低隧道使用壽命。檢測(cè)作為運(yùn)營(yíng)期隧道狀態(tài)信息獲取的最主要方式，是發(fā)現(xiàn)隧道安全隱患、評(píng)估隧道服役性能、制定養(yǎng)護(hù)維修策略的基礎(chǔ)，對(duì)保障隧道運(yùn)營(yíng)安全至關(guān)重要。

韓自力等[2]探討了我國(guó)鐵路隧道狀態(tài)感知體系，提出了隧道狀態(tài)綜合感知技術(shù)體系的基本框架; 馬偉斌等[3]、許學(xué)良等[4]研究了鐵路隧道全生命周期檢測(cè)、監(jiān)測(cè)體系，提出了平臺(tái)化管理及動(dòng)態(tài)檢測(cè)的模式，分析了鐵路隧道既有檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及評(píng)估現(xiàn)狀，提出了針對(duì)性整治技術(shù); 安哲立等[5]針對(duì)川藏鐵路特殊環(huán)境，對(duì)建設(shè)期隧道檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化配置，提出了適用于川藏鐵路的隧道檢測(cè)建議。

以上研究均為我國(guó)鐵路隧道檢測(cè)技術(shù)體系發(fā)展提供了思路，為新技術(shù)應(yīng)用提供了建議。但我國(guó)運(yùn)營(yíng)鐵路隧道總體規(guī)模巨大，對(duì)隧道檢測(cè)提出了更多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)隧道檢測(cè)方式依賴人工、效率低下，先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)普及程度不高，難以滿足大規(guī)模運(yùn)營(yíng)隧道檢測(cè)及時(shí)、高效的需求。各檢測(cè)項(xiàng)目之間彼此獨(dú)立，關(guān)聯(lián)較少，多個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目彼此約束、相互印證的檢測(cè)模式及相關(guān)技術(shù)發(fā)展尚不成熟。同時(shí)，檢測(cè)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度低，缺乏統(tǒng)一的判釋標(biāo)準(zhǔn)，使得檢測(cè)結(jié)果差異較大，無(wú)法對(duì)隧道服役狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確、全面、客觀的評(píng)價(jià)。在檢測(cè)頻率方面，既有檢測(cè)周期固定，尚未形成基于隧道狀態(tài)的動(dòng)態(tài)周期檢測(cè)。數(shù)據(jù)處理、分析與管理剝離，數(shù)據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)效率不高且數(shù)據(jù)可應(yīng)用性差、應(yīng)用率低。

綜上所述，發(fā)展多技術(shù)協(xié)同的快速綜合檢測(cè)手段，建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的處理、分析及評(píng)估模式，構(gòu)建基于平臺(tái)一體化管理的隧道檢測(cè)技術(shù)體系對(duì)我國(guó)大規(guī)模運(yùn)營(yíng)鐵路隧道檢測(cè)具有重要意義。

日本、韓國(guó)在鐵路隧道檢測(cè)領(lǐng)域各有優(yōu)勢(shì)，在中日韓鐵路研究互有合作的背景下，本文對(duì)中日韓隧道檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行調(diào)研和梳理，分析隧道檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向，提出適用于我國(guó)大規(guī)模運(yùn)營(yíng)鐵路隧道的檢測(cè)模式。

1 運(yùn)營(yíng)鐵路隧道常規(guī)檢測(cè)方式概述

1.1 檢查制度

鐵路隧道檢查包括對(duì)隧道及其附屬設(shè)施的檢測(cè)以及對(duì)隧道狀態(tài)、功能的核查。運(yùn)營(yíng)鐵路隧道檢測(cè)是鐵路隧道檢查的一部分，通過(guò)直接或間接的方式發(fā)現(xiàn)隧道缺陷及病害，獲取隧道狀態(tài)信息。

1.1.1 中國(guó)鐵路隧道檢查制度

中國(guó)運(yùn)營(yíng)鐵路隧道檢查包括經(jīng)常檢查、定期檢查、臨時(shí)檢查及專項(xiàng)檢查等[6]。經(jīng)常檢查主要針對(duì)隧道易損部位以及直接影響行車安全的部位，如拱頂、隧底等部位，一般按需制定檢查頻率，主要采用目視觀察、攝影和敲擊等方法;定期檢查一般在春融及汛前對(duì)隧道排水、泄洪及防汛設(shè)備進(jìn)行1次檢查，在秋季對(duì)隧道進(jìn)行1次全面檢查，除采用經(jīng)常檢查使用的方法外，必要時(shí)還會(huì)采用無(wú)損檢測(cè)和鉆孔取芯等方法;臨時(shí)檢查是在隧道發(fā)生破壞性作用后進(jìn)行，如地震、火災(zāi)、洪水等;專項(xiàng)檢查是更詳細(xì)的檢查，采用方法視實(shí)際情況而定，檢查周期較長(zhǎng)、工作量較大，重要隧道一般每5年進(jìn)行1次檢查，普通隧道一般每10年進(jìn)行1次檢查。

1.1.2 日本鐵路隧道檢查制度

日本運(yùn)營(yíng)鐵路隧道檢查包括總體檢查和個(gè)別檢查?？傮w檢查由周期不超過(guò)2年的定期檢查和必要時(shí)進(jìn)行的不定期檢查構(gòu)成[7-8]，一般采用目視觀察和敲擊等方法。其中,定期檢查又包括初次總體檢查、通?？傮w檢查及特別總體檢查。初次總體檢查在隧道投入運(yùn)營(yíng)前進(jìn)行，主要目的是掌握隧道缺陷及劣化情況；通常總體檢查每2年進(jìn)行1次，主要目的是掌握隧道總體情況和劣化程度等；對(duì)于新干線隧道，特別總體檢查每10年進(jìn)行1次，其他隧道每20年進(jìn)行1次。個(gè)別檢查是在總體檢查后認(rèn)為有必要的情況下進(jìn)行的更為詳細(xì)的專項(xiàng)檢查。不定期檢查是在地震、大雨雪等引起的洪水、火災(zāi)等突發(fā)性災(zāi)害后所實(shí)施的應(yīng)急檢查。

1.1.3 韓國(guó)鐵路隧道檢查制度

韓國(guó)運(yùn)營(yíng)鐵路隧道檢查包括日常檢查、定期檢查和一級(jí)隧道綜合安全檢查。日常檢查為每季度1次，主要對(duì)隧道易損部位及重點(diǎn)部位進(jìn)行檢查，確認(rèn)是否存在安全隱患；定期檢查為每2年1次，對(duì)隧道總體情況進(jìn)行較全面的檢查；一級(jí)隧道綜合安全檢查主要針對(duì)長(zhǎng)度在1 km以上鐵路隧道和高速鐵路隧道，檢查頻率為每5年1次，是對(duì)隧道全面詳細(xì)的檢查。

1.2 常規(guī)檢測(cè)技術(shù)

鐵路隧道缺陷主要包括襯砌厚度不足、襯砌混凝土強(qiáng)度不足、襯砌背后空洞及不密實(shí)等，易成為鐵路隧道病害發(fā)生的誘因。鐵路隧道病害在隧道交付運(yùn)營(yíng)時(shí)已存在或在運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)，主要為缺陷演化或隧道劣化所致，主要包括滲漏水、襯砌位移或變形、凈空不足、裂紋、襯砌壓潰或剝落、襯砌腐蝕、整體道床裂損、仰拱或底板裂損、基床軟化及翻漿等[9-10]，隧道病害會(huì)威脅行車安全、降低隧道使用壽命。當(dāng)前，我國(guó)運(yùn)營(yíng)鐵路隧道檢測(cè)以電磁波法、敲擊法、圖像識(shí)別法作為大規(guī)模檢測(cè)的主要方法，鉆孔取芯一般作為驗(yàn)證手段使用，目視觀察在檢測(cè)及驗(yàn)證中均有使用。日韓運(yùn)營(yíng)鐵路隧道常規(guī)檢測(cè)技術(shù)和我國(guó)基本類似，但日本鐵路隧道檢測(cè)更重視目視觀察和敲擊法，將其作為獲取隧道信息并評(píng)價(jià)隧道狀態(tài)的最主要方式。通過(guò)檢查卡逐項(xiàng)進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)，檢查卡對(duì)隧道異常類型及程度進(jìn)行了細(xì)致劃分，作業(yè)人員除對(duì)隧道異常進(jìn)行確認(rèn)，還需要對(duì)其形成原因進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，對(duì)作業(yè)人員要求較高。運(yùn)營(yíng)鐵路隧道缺陷及病害常規(guī)檢測(cè)技術(shù)如表1所示。

表1 運(yùn)營(yíng)鐵路隧道缺陷及病害常規(guī)檢測(cè)技術(shù)

2 運(yùn)營(yíng)鐵路隧道檢測(cè)技術(shù)

2.1 圖像類檢測(cè)技術(shù)

圖像類檢測(cè)技術(shù)主要針對(duì)隧道表觀狀態(tài)及隧道斷面輪廓等進(jìn)行檢測(cè)，目前主要通過(guò)攝像、激光掃描等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，搭配專業(yè)軟件進(jìn)行異常識(shí)別。

2.1.1 圖像識(shí)別檢測(cè)

圖像類檢測(cè)技術(shù)主要是利用線陣CCD相機(jī)攝像及自動(dòng)識(shí)別軟件進(jìn)行隧道缺陷及病害檢測(cè)，此類檢測(cè)多以裂紋識(shí)別為主，還可對(duì)滲漏水、剝落等進(jìn)行識(shí)別。一般將相機(jī)搭載于車輛或移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行圖像采集，具有采集速度快、作業(yè)便捷、人工依賴程度低等特點(diǎn)。

2.1.1.1 軌道式移動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)

同濟(jì)大學(xué)研制了利用線陣CCD相機(jī)及光源組成的檢測(cè)平臺(tái)，發(fā)展成為目前的MTI-200A檢測(cè)平臺(tái)(見(jiàn)圖1)，可檢測(cè)裂紋、滲漏水、掉塊等，其檢測(cè)速度為0～10 km/h，應(yīng)用表明其裂紋最高識(shí)別精度可達(dá)到0.2 mm[11-12]。

圖1 MTI-200A檢測(cè)平臺(tái)

韓國(guó)早在2006年就由漢陽(yáng)大學(xué)研制了裂紋圖像檢測(cè)裝置[13]，后韓國(guó)鐵道技術(shù)研究所研發(fā)了TIBOS檢測(cè)機(jī)器人(見(jiàn)圖2)。該裝置采用二維激光掃描儀和高分辨率攝像機(jī)進(jìn)行綜合掃描，相機(jī)能夠自動(dòng)調(diào)整分辨率、焦距和角度，從而完成對(duì)隧道裂紋、滲漏水及剝落等情況的檢測(cè)。此外，TIBOS還能夠評(píng)估軌道不平順性及鋼軌部件緊固狀態(tài)。激光掃頻速率為30 kHz，攝像機(jī)最大采樣幀率為30 f/s。激光掃描儀和攝像機(jī)均可選擇安裝數(shù)量，最多可安裝3臺(tái)激光掃描儀和90個(gè)攝像頭。裝置檢測(cè)速度為1～6 km/h，有高分辨率檢測(cè)、正常檢測(cè)和高速檢測(cè)3種工作模式。高分辨率檢測(cè)模式下，對(duì)裂紋的識(shí)別精度可達(dá)0.1 mm，目前在韓國(guó)隧道檢測(cè)中已有較成熟應(yīng)用。

圖2 TIBOS檢測(cè)機(jī)器人

2.1.1.2 車載式檢測(cè)平臺(tái)

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“鐵科院”)基于車載線陣相機(jī)開(kāi)發(fā)了圖像識(shí)別檢測(cè)技術(shù)，能夠以50 km/h速度進(jìn)行圖像采集，具備對(duì)寬度1 mm裂紋的識(shí)別能力，采用人工智能算法可有效排除電纜、施工縫、污漬、陰影等干擾項(xiàng)，并對(duì)滲漏水、剝落、掉塊等進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到80%以上。病害識(shí)別結(jié)果如圖3所示。

(a)干擾項(xiàng)排除 (b)裂紋識(shí)別

JR東日本TuLIS襯砌表面攝像車(見(jiàn)圖4)采用激光成像技術(shù)，由12個(gè)傳感器組成，每個(gè)傳感器包括激光和區(qū)域相機(jī)。檢測(cè)時(shí)6個(gè)傳感器組合工作可對(duì)半幅隧道進(jìn)行掃描，通過(guò)激光掃描襯砌表面，照相機(jī)拍攝其反射光，從而獲取檢測(cè)部位的圖像及三維信息。該車縱向檢測(cè)精度和環(huán)向檢測(cè)精度均為1 mm，檢測(cè)速度為20 km/h。

圖4 TuLIS檢測(cè)車

2.1.1.3 圖像后處理軟件

在圖像后處理軟件開(kāi)發(fā)方面，日本中外科技股份株式會(huì)社開(kāi)發(fā)的圖像后處理軟件能夠?qū)⒘鸭y、滲漏水、剝落通過(guò)展開(kāi)圖進(jìn)行形象化展示。襯砌缺陷展開(kāi)如圖5所示。日本理光開(kāi)發(fā)的后處理軟件能自動(dòng)識(shí)別病害并生成缺陷病害CAD圖(見(jiàn)圖6)，為后期養(yǎng)護(hù)維修提供便利。

圖5 襯砌缺陷展開(kāi)圖

圖6 襯砌缺陷自動(dòng)生成圖

2.1.2 三維激光掃描檢測(cè)

三維激光掃描技術(shù)由于其精度高、覆蓋面廣的特點(diǎn)，在隧道檢測(cè)中應(yīng)用廣泛。其在運(yùn)營(yíng)期隧道檢測(cè)中的應(yīng)用包括：隧道內(nèi)輪廓及凈空變化檢測(cè)；隧道侵限情況檢測(cè)；對(duì)破檢的空洞進(jìn)行形態(tài)掃描，計(jì)算空洞體積；隧道滲漏水檢測(cè)[14]。

三維激光掃描技術(shù)在運(yùn)營(yíng)期隧道檢測(cè)中的應(yīng)用效果主要取決于二次開(kāi)發(fā)軟件的算法及其計(jì)算能力。目前三維激光掃描技術(shù)在隧道內(nèi)輪廓及凈空變化檢測(cè)、隧道侵限檢測(cè)中已較廣泛應(yīng)用。對(duì)已破檢驗(yàn)證的空洞體積檢測(cè)精度與空洞形態(tài)及破檢位置有關(guān)，當(dāng)空洞形態(tài)類似梭形、破檢位置居中時(shí)，其檢測(cè)精度較高；當(dāng)空洞形態(tài)極不規(guī)則、破檢位置居空洞邊緣時(shí)，其檢測(cè)精度較差。在檢測(cè)隧道拱頂空洞時(shí)，通過(guò)對(duì)已破檢的襯砌背后進(jìn)行掃描，可識(shí)別空洞的幾何形態(tài)(見(jiàn)圖7)，并計(jì)算空洞尺寸，為后期制定修補(bǔ)空洞方案提供依據(jù)。三維激光掃描技術(shù)在隧道滲漏水檢測(cè)中的識(shí)別率可達(dá)92%，能準(zhǔn)確識(shí)別滲漏水部位及面積[14]。

圖7 襯砌空洞三維掃描成像

由于圖像識(shí)別檢測(cè)裂縫存在圖像畸變等問(wèn)題，利用三維激光掃描進(jìn)行隧道裂縫檢測(cè)開(kāi)始受到關(guān)注[15]。從理論而言，利用三維激光掃描檢測(cè)裂縫不僅無(wú)畸變，同時(shí)可以對(duì)裂縫寬度進(jìn)行高精度測(cè)量，其主要難點(diǎn)在于如何高效獲取高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行后期處理與識(shí)別，當(dāng)前三維激光掃描已初步實(shí)現(xiàn)了在橋梁、軌道板、路面裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用[16-18]。

2.2 探測(cè)類檢測(cè)技術(shù)

探測(cè)類檢測(cè)技術(shù)主要針對(duì)隧道襯砌內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，主要通過(guò)聲波、電磁波、溫度、振動(dòng)的變化進(jìn)行檢測(cè)，是一種無(wú)損的檢測(cè)方式。

2.2.1 沖擊回波檢測(cè)

20世紀(jì)80年代提出沖擊回波法，至20世紀(jì)90年代末理論逐漸完善，并在隧道檢測(cè)中被推廣應(yīng)用。其原理是通過(guò)在隧道壁上激發(fā)并產(chǎn)生沖擊波，在空洞處聲阻抗變化，發(fā)生反射并形成回波，通過(guò)采集回波信號(hào)并進(jìn)行頻譜分析判斷襯砌是否存在空洞。

我國(guó)學(xué)者采用沖擊回波法和遷移學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道襯砌厚度不足、襯砌混凝土強(qiáng)度不足、襯砌背后空洞及不密實(shí)等缺陷的識(shí)別，通過(guò)遷移學(xué)習(xí)所得的訓(xùn)練模型缺陷識(shí)別準(zhǔn)確率總體超過(guò)了95%[19]。工程實(shí)際應(yīng)用也表明了其可靠性和廣泛的應(yīng)用前景。

沖擊回波檢測(cè)在韓國(guó)隧道檢測(cè)中應(yīng)用也較多[20]，韓國(guó)電力公社開(kāi)發(fā)的隧道沖擊回波檢測(cè)裝置(見(jiàn)圖8)，可用于探測(cè)隧道結(jié)構(gòu)與地層間的空洞，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下其檢測(cè)精度達(dá)到了99%。

圖8 隧道沖擊回波檢測(cè)裝置

2.2.2 雷達(dá)檢測(cè)機(jī)器人

隧道爬壁檢測(cè)機(jī)器人(見(jiàn)圖9)利用海綿真空負(fù)壓吸盤(pán)在襯砌表面進(jìn)行爬行，機(jī)器人搭載地質(zhì)雷達(dá)，可在20 m距離內(nèi)利用遙控方式實(shí)現(xiàn)爬壁行走，對(duì)隧道進(jìn)行檢測(cè)，降低了人員高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)[21]。

圖9 隧道爬壁檢測(cè)機(jī)器人

2.2.3 水擊聲音檢測(cè)

日本研發(fā)的水擊聲音法利用水對(duì)襯砌施加振動(dòng)，通過(guò)收音裝置進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，進(jìn)而判釋襯砌剝落情況[22]。水擊聲音法檢測(cè)裝置如圖10所示。

圖10 水擊聲音法檢測(cè)裝置

2.2.4 敲擊檢測(cè)

中國(guó)鐵路成都鐵路局集團(tuán)有限公司等多家單位聯(lián)合開(kāi)發(fā)了智能手機(jī)隧道襯砌敲擊檢測(cè)技術(shù)[23]，通過(guò)對(duì)密實(shí)襯砌敲擊檢測(cè)確定隧道空洞閾值。采用智能手機(jī)作為檢測(cè)平臺(tái)，利用專用激振裝置敲擊襯砌，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析，確定是否存在空洞。此外，自然科學(xué)基金委發(fā)布的2020年高鐵聯(lián)合基金將“鐵路隧道混凝土結(jié)構(gòu)缺陷聲學(xué)特性及識(shí)別方法研究”作為重點(diǎn)資助的研究方向，未來(lái)我國(guó)在敲擊檢測(cè)技術(shù)方面特別是對(duì)缺陷聲學(xué)特征研究方面，將得到更多重視。

日本很早就開(kāi)始對(duì)自動(dòng)敲擊裝置進(jìn)行研發(fā)。2003年，日本哈薩馬環(huán)境事業(yè)開(kāi)發(fā)部聯(lián)合多部門(mén)研發(fā)了自動(dòng)敲擊檢測(cè)車(見(jiàn)圖11)，該車能以1.5～2.0 km/h的速度，間隔30～45 cm進(jìn)行敲擊檢測(cè)。

圖11 自動(dòng)敲擊檢測(cè)車

日本I·T建設(shè)株式會(huì)社研制了手持自動(dòng)敲擊檢測(cè)裝置(見(jiàn)圖12)，該裝置通過(guò)手持自動(dòng)敲擊裝置獲取襯砌敲擊數(shù)據(jù)及敲擊位置信息，并上傳至手持平板電腦，由后臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)判釋襯砌缺陷及病害情況并反饋給平板電腦，整個(gè)過(guò)程能在數(shù)秒內(nèi)完成。其打擊力為0.5～2 N，打擊頻率為2次/s，可連續(xù)敲擊3萬(wàn)次以上，能在氣溫為-20～40 ℃、相對(duì)濕度為10%～90%的環(huán)境下正常作業(yè)。該技術(shù)提高了判釋標(biāo)準(zhǔn)程度，檢測(cè)過(guò)程可由電腦自動(dòng)記錄，大大降低了對(duì)檢測(cè)人員數(shù)量及專業(yè)性的要求。

圖12 手持自動(dòng)敲擊檢測(cè)裝置

日本自動(dòng)控制系統(tǒng)研究所等部門(mén)研發(fā)了隧道檢測(cè)無(wú)人機(jī)，如圖13所示。該裝置搭載攝像機(jī)，沿隧道壁面飛行，并采集圖像。當(dāng)?shù)竭_(dá)敲擊檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，通過(guò)飛行控制使敲擊裝置與隧道壁平行，作業(yè)人員通過(guò)控制器控制敲擊并采集數(shù)據(jù)，完成對(duì)隧道襯砌的檢測(cè)。該裝置避免了檢測(cè)人員高空作業(yè)，可進(jìn)行隧道少人化抽檢及異常確認(rèn)。為提高信噪比，在后期改良中明確了螺旋槳噪聲頻率范圍，可對(duì)無(wú)人機(jī)螺旋槳噪聲進(jìn)行濾波處理。日本大阪大學(xué)開(kāi)發(fā)了可吸附于隧道壁面的檢測(cè)無(wú)人機(jī)[24]，通過(guò)空氣吸盤(pán)可吸附于隧道壁面，保證敲擊的穩(wěn)定性。

圖13 隧道檢測(cè)無(wú)人機(jī)

2.2.5 溫差檢測(cè)

溫差檢測(cè)[25]設(shè)備(見(jiàn)圖14)用照射裝置加熱襯砌，利用襯砌正常部位溫度下降比襯砌剝落部位快的特點(diǎn)，通過(guò)紅外線照相機(jī)對(duì)剝落部位和正常部位進(jìn)行熱成像，判釋剝落等異常情況。該技術(shù)存在的問(wèn)題是設(shè)備費(fèi)用高，加熱耗能大。

圖14 溫差法檢測(cè)車

2.2.6 激光激振檢測(cè)

JR西日本與日本原子能機(jī)構(gòu)等多部門(mén)聯(lián)合研發(fā)了激光激振檢測(cè)裝置[26-28](見(jiàn)圖15)，以取代人工敲擊。該方法使用脈沖激光激振，并通過(guò)激光測(cè)量振動(dòng)變化，從而識(shí)別襯砌剝落、空洞等異常情況。激光激振檢測(cè)法原理如圖16所示。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、遠(yuǎn)距離無(wú)接觸式檢測(cè)，但裝置費(fèi)用高、檢測(cè)范圍小、襯砌表面有污漬時(shí)檢測(cè)準(zhǔn)確性差。

圖15 激光激振檢測(cè)裝置

圖16 激光激振檢測(cè)法原理

2.3 集成綜合類檢測(cè)技術(shù)

集成綜合類檢測(cè)技術(shù)主要指多類型檢測(cè)設(shè)備集成于同一平臺(tái)(一般為車載平臺(tái))進(jìn)行綜合檢測(cè)的技術(shù)，該技術(shù)具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、作業(yè)方式便捷、檢測(cè)功能豐富的特點(diǎn)。

2.3.1 隧道檢測(cè)車

1)鐵科院研制了輪軌式隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)車[29-30](見(jiàn)圖17)，該車能同時(shí)檢測(cè)隧道襯砌內(nèi)部及表面的缺陷和病害，并能對(duì)隧道凈空變化、侵限情況進(jìn)行檢測(cè)。襯砌內(nèi)部最大檢測(cè)深度為1.5 m，垂直分辨率大于2 cm，表觀狀態(tài)檢測(cè)精度為1 mm。

圖17 輪軌式隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)車

2)鐵科院研制的輪胎式隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)車(見(jiàn)圖18)，由襯砌限界檢測(cè)系統(tǒng)、襯砌內(nèi)部缺陷檢測(cè)系統(tǒng)、襯砌表觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)組成，可對(duì)隧道輪廓、襯砌厚度、鋼筋分布、鋼架間距以及仰拱缺陷、襯砌空洞、襯砌表面裂縫、掉塊、滲水情況等進(jìn)行快速檢測(cè)。滿足隧道拱頂和邊墻9條測(cè)線、仰拱4條測(cè)線的檢測(cè)，檢測(cè)作業(yè)速度為3～10 km/h。相較于傳統(tǒng)手持天線，檢測(cè)效率顯著提高。

圖18 輪胎式隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)車

3)上海同巖土木工程科技股份有限公司研制了輪軌式地鐵隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)車(見(jiàn)圖19)，能檢測(cè)裂紋、滲漏水、變形等。標(biāo)稱檢測(cè)速度不低于30 km/h，裂紋檢測(cè)精度可達(dá)0.1 mm。

圖19 輪軌式地鐵隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)車

4)中鐵隧道局集團(tuán)有限公司等多家單位聯(lián)合研發(fā)了集成非接觸探地雷達(dá)、CCD工業(yè)相機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)以及車載式三維激光掃描系統(tǒng)的隧道綜合檢測(cè)車(見(jiàn)圖20)，實(shí)現(xiàn)了隧道襯砌內(nèi)部狀態(tài)、表觀狀態(tài)及幾何形變一體化快速檢測(cè)。該車采用模塊化設(shè)計(jì)，檢測(cè)艙可搭載于汽車、軌道平板車。其非接觸式雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)0.5～4.5 m的遠(yuǎn)距離檢測(cè)。

圖20 隧道綜合檢測(cè)車

5)JR東日本的CLIC檢測(cè)車[31](見(jiàn)圖21)搭載3臺(tái)16通道收發(fā)耦合陣列天線雷達(dá)，安裝在滑動(dòng)臂上的2臺(tái)呈圓弧狀展開(kāi)，安裝在偏移臂上的1根伸長(zhǎng)到正上方，展開(kāi)到拱部進(jìn)行檢查。作業(yè)時(shí)車輛往返3次檢測(cè)14條測(cè)線，能以3.5 km/h速度檢測(cè)40 cm厚襯砌的空洞等缺陷。

圖21 CLIC檢測(cè)車

6)日本計(jì)測(cè)檢查株式會(huì)社等研發(fā)的MIMM-R檢測(cè)車[32-33](見(jiàn)圖22)搭載了連續(xù)圖像攝影系統(tǒng)、高精度三維激光測(cè)量系統(tǒng)、非接觸雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)(配置3條天線)，能檢測(cè)襯砌裂紋、滲漏水、變形、厚度不足、空洞等。該車能以50～70 km/h速度進(jìn)行隧道表觀狀態(tài)檢測(cè)；以50 km/h速度在距襯砌3 m距離進(jìn)行雷達(dá)檢測(cè)，探測(cè)深度為50 cm，通過(guò)探頭的上下升降及前后左右旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同測(cè)線的檢測(cè)。通過(guò)鉆孔驗(yàn)證，厚度不足及空洞檢測(cè)精度可達(dá)80%～90%。其后處理軟件ITAMS2019功能也十分強(qiáng)大，包含5個(gè)子系統(tǒng)：1)分析系統(tǒng)，自動(dòng)提取裂紋；2)Drawing系統(tǒng)，生成檢測(cè)缺陷及病害展開(kāi)圖；3)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)表格生成及管理；4)Viewer系統(tǒng)，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)、圖像和三維圖進(jìn)行展示(見(jiàn)圖23)；5)終端操作系統(tǒng)，連接平板電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)操作。該車最大的特點(diǎn)是能將變形情況與裂紋發(fā)展進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而判斷裂紋是由于外力作用導(dǎo)致還是施工或材料因素引起。

圖22 MIMM-R檢測(cè)車

圖23 檢測(cè)結(jié)果三維圖

2.3.2 巡檢機(jī)器人

集成綜合檢測(cè)技術(shù)除檢測(cè)車外，隧道巡檢機(jī)器人在電力系統(tǒng)、軌道交通等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用[34]。我國(guó)地鐵隧道智能巡檢機(jī)器人(見(jiàn)圖24)能實(shí)現(xiàn)限界入侵、異物入侵、電纜溫度、裂紋、滲漏水、隧道變形和軌道變形檢測(cè)，并可對(duì)隧道進(jìn)行視頻監(jiān)控和三維建模，降低了運(yùn)營(yíng)隧道人工巡檢的需求。

圖24 地鐵隧道智能巡檢機(jī)器人

3 檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及模式

3.1 運(yùn)營(yíng)期隧道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)期隧道總體規(guī)模巨大，傳統(tǒng)隧道檢測(cè)依賴人工、缺乏快速檢測(cè)手段，先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)普及程度不高，難以滿足大規(guī)模運(yùn)營(yíng)隧道檢測(cè)及時(shí)、高效的需求。同時(shí)隧道檢測(cè)內(nèi)業(yè)處理效率不高，可能導(dǎo)致病害整治工作滯后，增大運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)?；谶\(yùn)營(yíng)期隧道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展，結(jié)合鐵路隧道檢測(cè)需求，當(dāng)前運(yùn)營(yíng)期隧道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展具有如下趨勢(shì)。

3.1.1 快速綜合檢測(cè)技術(shù)

隧道檢測(cè)逐漸由單項(xiàng)目獨(dú)立檢測(cè)向一體化綜合檢測(cè)方向發(fā)展。以隧道檢測(cè)車為代表的集成綜合檢測(cè)裝備不僅降低了檢測(cè)過(guò)程的人工需求，其檢測(cè)效率也大幅提升。隨著數(shù)碼攝像、三維激光掃描、無(wú)損檢測(cè)、人工智能等技術(shù)發(fā)展，移動(dòng)式檢測(cè)設(shè)備將具備更強(qiáng)大的檢測(cè)功能，有效提高運(yùn)營(yíng)隧道檢測(cè)的效率及綜合化程度。同時(shí)，智能設(shè)備逐漸取代人工檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)更易實(shí)現(xiàn)，也將使檢測(cè)數(shù)據(jù)更加客觀、可靠。

3.1.2 數(shù)據(jù)智能化判釋

內(nèi)業(yè)處理是制約隧道檢測(cè)效率提高的主要因素之一。判釋依賴人工經(jīng)驗(yàn)，主觀性強(qiáng)，降低了檢測(cè)結(jié)果的可靠性。隨著人工智能技術(shù)發(fā)展及檢測(cè)數(shù)據(jù)樣本庫(kù)的進(jìn)一步豐富，檢測(cè)數(shù)據(jù)的判釋將逐漸形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，判釋過(guò)程將更少依賴人工，其效率將大幅提高。

3.1.3 隧道狀態(tài)協(xié)同評(píng)估

隧道不同類型缺陷的相關(guān)性研究是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)之一，隨著缺陷演化機(jī)制、演化階段表現(xiàn)形式、不同缺陷及病害之間的影響模式等相關(guān)研究的日益完善，隧道狀態(tài)評(píng)估將由獨(dú)立評(píng)估轉(zhuǎn)變?yōu)榛诙嘣磾?shù)據(jù)融合的協(xié)同評(píng)估，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)之間的彼此約束，使評(píng)估結(jié)果更接近隧道的真實(shí)狀態(tài)。

3.2 運(yùn)營(yíng)鐵路隧道檢測(cè)模式

隨著川藏、渝昆等鐵路開(kāi)工建設(shè)，隧線比高、特長(zhǎng)隧道多將成為未來(lái)鐵路隧道的新特點(diǎn)?？焖倬C合檢測(cè)、數(shù)據(jù)智能化判釋、隧道狀態(tài)協(xié)同評(píng)估將成為技術(shù)發(fā)展方向。同時(shí)我國(guó)鐵路隧道運(yùn)營(yíng)所面臨的形勢(shì)比世界上其他國(guó)家都要復(fù)雜，既有技術(shù)和模式無(wú)法完全滿足實(shí)際需求，建立適合我國(guó)國(guó)情的運(yùn)營(yíng)鐵路隧道檢測(cè)模式，既是實(shí)際需求，也是交通強(qiáng)國(guó)所必需。結(jié)合我國(guó)鐵路隧道運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，隧道檢測(cè)應(yīng)重視鋪軌前的隧道檢測(cè)，積累較為完整的隧道初始狀態(tài)數(shù)據(jù)，并構(gòu)建數(shù)字孿生隧道模型，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行運(yùn)維管理。運(yùn)營(yíng)期隧道檢測(cè)模式見(jiàn)圖25?；诳焖?、綜合、智能化檢測(cè)搭建隧道檢測(cè)技術(shù)體系，以此開(kāi)展隧道檢測(cè)，并實(shí)時(shí)更新模型數(shù)據(jù)?；诙嘣磾?shù)據(jù)融合進(jìn)行隧道狀態(tài)協(xié)同評(píng)估并預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)，建立養(yǎng)護(hù)維修專家?guī)燧o助人工決策制定養(yǎng)護(hù)維修方案，實(shí)現(xiàn)依據(jù)隧道狀態(tài)、有目的、分輕重緩急并高效配置人、機(jī)、物、料的隧道維修，即隧道狀態(tài)修。依據(jù)隧道健康狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整檢測(cè)周期，降低檢測(cè)成本，形成以綜合移動(dòng)式檢測(cè)裝備、自動(dòng)巡檢裝備為主要檢測(cè)手段，建立隧道狀態(tài)信息庫(kù)和養(yǎng)護(hù)維修專家?guī)爝M(jìn)行數(shù)據(jù)管理與輔助決策，利用信息管理平臺(tái)進(jìn)行綜合管理，最終實(shí)現(xiàn)大規(guī)模隧道少人化、高效率的檢測(cè)和運(yùn)維管理。

圖25 運(yùn)營(yíng)期隧道檢測(cè)模式

4 結(jié)論與建議

我國(guó)運(yùn)營(yíng)鐵路隧道規(guī)模巨大，不僅給運(yùn)維管理帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)也將承受更多負(fù)擔(dān)。及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道隱患，既是運(yùn)營(yíng)安全保障之所需，也是實(shí)現(xiàn)預(yù)防修的基礎(chǔ)，即在隧道發(fā)生影響正常使用的病害或風(fēng)險(xiǎn)之前進(jìn)行預(yù)防性維修。本文首先介紹了中日韓運(yùn)營(yíng)期隧道檢查制度及周期，總結(jié)了隧道缺陷及病害常規(guī)檢測(cè)技術(shù)。針對(duì)圖像類檢測(cè)技術(shù)、探測(cè)類檢測(cè)技術(shù)、集成綜合類檢測(cè)技術(shù)3個(gè)方面，介紹了中日韓隧道檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展?；谖覈?guó)運(yùn)營(yíng)鐵路隧道檢測(cè)需求及既有技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出了以快速綜合檢測(cè)、數(shù)據(jù)智能化判釋、隧道狀態(tài)協(xié)同評(píng)估為主的發(fā)展趨勢(shì)，分析了適用于我國(guó)運(yùn)營(yíng)鐵路隧道檢測(cè)模式。運(yùn)營(yíng)鐵路隧道檢測(cè)應(yīng)重視鋪軌前的隧道檢測(cè)，確保隧道初始狀態(tài)信息的全面和真實(shí)性，同時(shí)，加快建設(shè)隧道狀態(tài)信息庫(kù)，基于快速、綜合、智能化的隧道檢測(cè)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)期鐵路隧道的動(dòng)態(tài)周期檢測(cè)，達(dá)到降本增效的目的。