地鐵隧道病害快速檢測技術(shù)淺析

賀建

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正文：

1.前言

我國地鐵最早在1969年于北京落成，運行至今已有四十年。目前地鐵作為城市中最主要的通勤工具給城市的繁榮和發(fā)展提供了保障，中國已成為世界上隧道和地下工程最多最復(fù)雜、發(fā)展最快的國家。地鐵所處環(huán)境有局限性和復(fù)雜性，發(fā)生病害后難以治理，產(chǎn)生事故后危害極大。標(biāo)準(zhǔn)化且快速的隧道病害檢查作為隧道病害治理的第一步，必要且緊迫。通過隧道病害全面檢查，了解隧道使用狀況，排摸不良區(qū)段，及時發(fā)現(xiàn)危險源，為隧道維護治理提供依據(jù)，并開展針對性的整治工作，甚至應(yīng)急處理，從而消除隱患。

2.傳統(tǒng)方式

目前地鐵隧道的檢測方式還是采用人工肉眼識別，然后用標(biāo)尺測量，相機拍照記錄裂縫特質(zhì)形態(tài)，人工記錄裂縫位置信息,該方檢測到裂縫準(zhǔn)確率低，容易漏檢，在檢測工程中，人員安全性差，檢測效率低，同時由于隧道的許多部位不容易靠近，需要借助車載式隧道檢測設(shè)備來完成檢測工作。而人工檢測效果依賴維護檢測人員的專業(yè)技術(shù)水平，安全防護意識，個人情緒等因素。受地鐵運營的制約，有效作業(yè)時間少、工效低，所形成的海量紙質(zhì)信息給后續(xù)病害信息的統(tǒng)計與分析增加了很大的難度。

對于目前已處于運營期間的地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測內(nèi)容主要包括區(qū)間隧道拱頂及道床的沉降、隧道管片的側(cè)向位移及隧道結(jié)構(gòu)的收斂變形等。運營隧道在地鐵運行期間是不允許作業(yè)人員進入軌行區(qū)的，所以傳統(tǒng)的人工作業(yè)模式無法保證監(jiān)測監(jiān)測的頻率。

3.全自動全站儀監(jiān)測系統(tǒng)

自動全站儀也叫做測量機器人，是一種可以自動搜索、識別及精確照準(zhǔn)目標(biāo)。并且可以自動測量距離、角度、三維坐標(biāo)等信息的智能型電子全站儀。自動全站儀即是在普通全站儀的基礎(chǔ)上集成驅(qū)動系統(tǒng)、影像傳感器系統(tǒng)、智能照準(zhǔn)識別系統(tǒng)等發(fā)展而成的。儀器通過工業(yè)相機獲取影像，然后通過識別匹配在計算機和控制器，通過操縱器和馬達進行完成精確照準(zhǔn)，進而通過傳感器獲取目標(biāo)點的三維坐標(biāo)信息，得到目標(biāo)物體的位置信息以及隨時間的變化。

全自動全站儀監(jiān)測的優(yōu)點在于全程不需要人工參與，即使在運營時段依然可以連續(xù)測量數(shù)據(jù)，缺點是系統(tǒng)的安置需要通過前期設(shè)計留下預(yù)留孔來安放全站儀底座和標(biāo)靶棱鏡，而且僅能觀測到隧道的結(jié)構(gòu)形變無法觀測到表面病害及背后空洞。

4.激光掃描檢測系統(tǒng)

激光掃描檢測技術(shù)的最初階段是采用全景三維激光掃描儀在所選取的隧道內(nèi)連續(xù)布設(shè)測站進行隧道輪廓掃描，并在相鄰測站之間設(shè)置參考標(biāo)靶，對于采集到的點云數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)系歸化、點云壓縮等預(yù)處理操作后，再進行隧道斷面的截取和擬合，最終獲取隧道收斂變形結(jié)果。固定式激光掃描系統(tǒng)需分段掃描后再進行點云數(shù)據(jù)的拼接，每臺激光掃描儀的工作范圍大概在30m左右，為了方便后期云點數(shù)據(jù)的拼接需要兩側(cè)有25%～30%邊界搭接，而且對現(xiàn)場工作人員的操作要求和后期點云數(shù)據(jù)拼接處理的精度要求都很高。

激光掃描小車的優(yōu)勢相對于規(guī)定全景掃描在于其線型掃描的模式。全景掃描時掃描儀不僅會采集到豎直面的數(shù)據(jù)，還會采集到前后面的信息，是對周圍的物體進行全方位的掃描。在隧道掃描中會產(chǎn)生大量的無用點，給后期的云點拼接工作帶來不便。線性掃描的模式，掃描儀的激光發(fā)射器只在豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動，水平面固定不動。激光發(fā)射器轉(zhuǎn)動一圈，得到的掃描點呈一條螺旋線，因此被稱為線掃描模式。

該技術(shù)的有點在于描所達到的精度可達0.03毫米，在一些較大的裂縫也可以在點云圖中反映，所得結(jié)果精度較高。缺點是檢測速度雖然可以達到5km～10km每小時，但相對于30km長的地鐵來說檢測一遍依然是較大的工作量。

5.圖像分析技術(shù)檢測系統(tǒng)

圖像分析技術(shù)是以機器視覺為基礎(chǔ)的新興檢測技術(shù)，該技術(shù)利用高速光學(xué)成像技術(shù)以及多圖像識別方法，在移動車載平臺上安裝相機設(shè)備，對地鐵隧道進行高清拍攝，高速獲取隧道表面的數(shù)字圖像并存儲，同時記錄圖像拍攝位置，再利用數(shù)字圖像處理算法將海量圖像數(shù)據(jù)與病害特征數(shù)據(jù)庫進行隧道病害特征匹配與病害識別分析。

攝像機在行駛過程中對隧道進行高速拍攝，同時使用傳感器進行補償，并將所拍攝的圖像進行融合，再分段對融合后的圖像進行裂縫、水漬、剝落等特征檢測。對圖像中的元素進行分析，分理出圖像中的異常元素，再對異常部分進行特征提取，然后和已知災(zāi)害特征進行對比分析，對災(zāi)害種類和干擾元素進行分類，再將災(zāi)害部位進行標(biāo)注，計算災(zāi)害的長寬及面積，對嚴(yán)重程度進行評估。

開始檢測之前，需先將各相機拍攝物距調(diào)整到一致距離，然后通過人工標(biāo)識將裂縫尺貼于隧道壁上，記錄下裂縫尺的拍攝狀態(tài)。再通過標(biāo)定板等模擬地鐵行進過程當(dāng)中轉(zhuǎn)彎、震動時產(chǎn)生的扭曲，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保存。

圖像分析技術(shù)的優(yōu)點在于檢測速度快可以達到35km～40km每小時，前期數(shù)據(jù)采集使用人力少。識別精度可以達到0.02mm，接近規(guī)范對裂縫最小的定義。缺點在于首先CCD相機光照要求較高，不均勻的光照和亮度低的光源均會對圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響，隧道表面紋理的不均勻性以及混凝上材料的色差，導(dǎo)致采集到的圖像背景顏色存在較大的變化，隧道內(nèi)管線、油污等都會對分析效果造成影響。

6.結(jié)束語

隨著各大城市地鐵的開通，地鐵隧道的維護和保養(yǎng)的工作量也將隨之增加。傳統(tǒng)人工辦法速度慢精度差已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在的時代需求，各種快速檢測的邏輯都是講數(shù)據(jù)采集與病害分析分開，盡量將工作交給電腦完成。將實體的工程問題改變?yōu)閿?shù)字化提高分析效率。可以預(yù)見在不遠的將來更多的人工智能設(shè)備將會投入到工程檢測當(dāng)中，為人們的交通出行保駕護航。