激光成像技術在鐵路隧道檢測中的應用

■ 宋國華 劉建瑞

隧道襯砌表面病害的檢查是無損檢測中重要的一步，表面病害隨著時間的發展將成為結構的內部病害，同時表面病害多是內部結構病害在襯砌表面的反映。但目前檢查和檢測手段落后，基本沿用“眼看手量”的方法，一些病害難以發現，且耗費大量人力、物力。激光成像系統是采用三維激光掃描技術，根據鐵路隧道檢測需求研發的一種輕型隧道檢查小車，該系統彌補了傳統方法的缺陷，實際應用中取得了很好效果。

1 激光成像系統測量原理

激光成像系統是把三維激光掃描技術用于隧道等地下工程的施工、竣工測量和運營維護測量，是一種集光、機、電技術為一體的多功能輕型隧道檢查小車。該系統能無損、快速獲得地下結構綜合數字圖像信息。當小車在軌道上行走時，激光器發射激光并以螺旋線形式對隧道表面進行全斷面高密度掃描，通過分析發射和接收激光信號的強度和相位差，可以獲得隧道襯砌內表面的影像信息，形成灰度圖及隧道襯砌表面掃描點坐標。系統測量原理見圖1。

2 系統組成

激光成像系統硬件主要包括：（1）軌道測量小車：用于里程、軌距、高低、超高等測量；（2）超高速相位式激光掃描儀：掃描最高頻率100 Hz，采樣頻率500 000測點/s，測點為10 000個/圈，測量范圍1～20 m，對于每個已測點，該設備都可產生三維坐標和反射率信息；（3）高可靠性的筆記本電腦。

系統軟件包括圖像采集與處理軟件和與之配套的圖像信息管理軟件。

3 數據處理與分析

激光成像系統在檢測過程中可即時顯示隧道輪廓圖，并可在現場看到初步測量結果。數據后處理工作由專用數據處理軟件和與之配套的隧道圖像信息管理軟件進行。根據采集的隧道表面圖像，進行病害判讀，并將病害信息存入數據庫，還可根據需要對各類病害進行統計分析。數據處理流程見圖2。

4 應用實例

采用激光成像檢測系統對某鐵路多個運營隧道進行檢測，并對數據進行分析處理。根據自動生成的隧道病害展開圖，能夠初步判斷隧道表面病害存在的位置，然后利用圖像信息處理軟件的統計功能，對病害分布做定量分析。

4.1 圖像數據分析處理

圖3—圖6是經過處理的隧道襯砌表面病害掃描圖像。

通過對所采集的圖像進行分析，結合隧道圖像信息管理軟件，可對隧道襯砌表面病害（裂紋、掉塊、滲水、腐蝕等）及隧道內設施（接觸網、避車洞等）的分布進行標明。采用統計分析的方法對隧道病害程度進行評價。

圖7所示為根據隧道圖像掃描結果并配合隧道繪圖軟件制作的隧道狀況展開圖。隧道襯砌表面病害及隧道內設施在圖中通過不同圖例加以標明。

圖8、圖9是根據隧道病害情況圖并利用隧道圖像信息管理軟件統計功能進行的病害分類統計，TB××表示區段，每個區段長度為10 m。

圖1 激光成像系統測量原理

圖2 數據處理流程

圖3 隧道邊墻滲水

圖4 隧道邊墻裂紋

圖5 隧道拱頂掉塊（已修補）

圖6 隧道拱頂腐蝕

圖7 隧道病害狀況展開圖

圖8 隧道裂縫累積長度分布圖

由圖中可定量看到各個區域內裂縫長度、漏水面積等。

4.2 檢測系統需進一步研究的問題

通過隧道數據分析結果和現場實際情況對比，發現檢測系統中存在一些問題需進一步研究分析：

（1）對于季節性滲水這樣的病害，在沒有水滲出的情況下，隧道壁上也留有水的痕跡，圖像上難以分辨清是否有水滲出；

圖9 隧道襯砌滲漏水累積面積分布圖

（2）對于隧道洞口處（白天進行檢測的情況）的裂紋，可能受到光線影響，一些裂紋無法識別出來，當隧道壁和裂紋顏色接近時，識別裂紋也比較困難；

（3）當處理后的圖像導入圖像管理軟件時，圖像需進行壓縮，有些細小裂紋在圖像管理軟件中無法識別出來，識別時還需對照導出的圖片進行判讀。

5 結論與建議

（1）采用激光成像系統對隧道襯砌表面病害進行檢測，能夠很方便的將病害分布情況標明，并自動生成隧道病害狀況展開圖。

（2）引進隧道激光掃描成像系統進行隧道檢測，為搭建隧道病害數字化管理平臺提供了數據基礎。

（3）隧道洞口處的檢測應盡量在夜間進行。

（4）對于有些難以判斷的病害，應通過導出的圖片進行判讀，并加強現場對一些病害的記錄。

[1]鐵道部運輸局基礎部．鐵路隧道檢測技術手冊[M]．北京：中國鐵道出版社，2007

[2]肖書安，張正祿．高速鐵路隧道竣工測量新技術[J]．鐵道標準設計，2007(9)