合武高鐵隧道安全監測及預警方法應用的探討

卓長智 中國鐵路上海局集團有限公司合武鐵路有限公司

1 既有隧道的狀況

合武鐵路安徽段共有隧26座，總長45.653 km。其中，3 km～10 km 隧道4座，總長21.934 km；10 km 以上隧1座，長10.766 km。合寧鐵路共有隧道2座，總長2.005 km。

經業內權威檢測，28座隧道共發現1 080處襯砌缺陷（二襯背后不密實或空洞），襯砌缺陷段總長共3 120.8 m。其中，有19座隧道存在不同程度的隧道二襯厚度不足，共計270處。

2018年，設備管理單位再次對28座隧道進行全面排查，發現空響、滲漏水、露筋及其它等280處缺陷，發現雙塊式軌枕擋肩開裂、脫落30處。

2 缺陷形成原因及檢修

2.1 缺陷形成原因

2.1.1 設計不合理

由于地質勘探不到位，隧道穿越古錯落體、滑動帶、巖溶區暗河，造成隧道先天不足；設計斷面形式不合理和排水設計不合理等造成隧道混凝土開裂、排水不暢等病害。

2.1.2 施工造成

由于超挖或坍方后未按規范回填或壓注漿工作，造成初期支護與圍巖之間留有較大范圍的空隙，混凝土振搗不密實或存在空洞，形成積水空間；所選防水材料不合格（不合理）或防水板的鋪設存有缺陷；施工中的塌方處理不徹底，形成不密實、脫空等缺陷；欠挖或變形過大，造成二次襯砌厚度不足等。

2.1.3 維護不當

洞外排水系統遭破壞，未及時修復；洞內水溝被堵，造成基底積水，使基底圍巖軟化，產生翻漿冒泥。

2.2 現有的檢查維修方式

一般利用封鎖點或天窗點集中檢查和日常檢查。就目前的檢查檢測水平而言，隧道維修尚屬于勞動密集型行業，大多依靠傳統的方法。加之，維修工人技術水平有限，對隧道的認知不足；隧道內設備多，涉及專業部門多，協調配合復雜。這些導致檢測、維修進度受到嚴重的影響，效率、質量不高。因此，需要對現有高鐵隧道的巡檢方式進行改進，采用最新的科技信息技術實現對隧道狀態和運輸安全的實時監測、智能分析、科學診斷，進一步加強對鐵路運輸安全的分析掌控，為基礎設施與設備的養護維修提供科學依據，有效降低高鐵巡檢人員的勞動強度，并提高巡檢效率和巡檢人員的人身安全性，最終變“定期檢測”為“自動檢測”；變“定期修”為“故障修”、“可預見性維修”。

3 設計原則

系統的規劃設計以應用需求為導向，以計算機應用技術為手段，以鐵路隧道綜合安全集成管理為目標。

3.1 實用性

系統務必完全滿足各項安全防護與監管的實際需求，采用當前計算機主流應用技術和相對成熟的系統集成管理模式，在適當考慮未來發展需求的前提下，避免盲目追求系統設計超前性和設備豪奢性。

3.2 可擴展性

系統設計嚴格遵循相關技術的國際、國內和行業標準，確保系統之間的透明性和互聯互動，并充分考慮與其它業務系統的連接。在設計和設備選型時，將科學預測未來擴容需求，進行余量設計，便于兼容于擴展。

3.3 穩定性與安全性

系統的建設需要融合以往建設經驗，結合具體應用需求，使用具有成熟應用實踐的軟件平臺架構確保系統的健壯性，選用具備高可靠性、高安全性，具有數萬小時平均無故障時間的設備，同時為關鍵設備、關鍵部件設計冗余備份。

3.4 易管理性與易維護性

系統采用全中文、圖形化軟件平臺實現系統的管理與維護。可自動檢測系統中任何一臺設備的運行狀態，并顯示出詳細情況，以輔助管理人員及時準確地判斷和解決問題。

4 技術原理

4.1 分布式光纖傳感技術原理

當光纖注入一束激光，光纖中每點均會發生布里淵光散射效應，布里淵散射光的中心頻率漂移量與光纖各點的軸向應變相關。利用相應的解調和分析技術可以實現光纖中每一點應變的分布式檢測。脈沖光以一定的頻率自光纖的一端入射，與光纖中的聲子產生布里淵散射，其中的背向布里淵散光沿光纖原路返回到脈沖光的入射端，得到光纖沿線各個采樣點的散射光譜。當光纖沿線的存在軸向應變時，背向布里淵散射光的頻率將發生漂移，頻率的漂移量與光纖應變變化呈良好的線性關系。

4.2 技術優勢

4.2.1 長距離、大范圍監測

光纖兩個突出優點就是傳輸數據量大和損耗小，在無需中繼的情況下，可以實現十幾公里的遠程監測;分布式光纖傳感器是真正的分布式測量，可以連續的得到沿著探測光纜幾十公里的測量信息，誤報和漏報率大大降低，同時實現實時監測，可對道路、隧道、管線等線性工程進行長距離無盲區的全覆蓋監測。

4.2.2 分布式不漏測

分布式感測光纜可以實現做到隧道工程線路的全長覆蓋，對于覆蓋到每一點都可以監測，避免重點災害發生漏監。

4.2.3 耐腐蝕、抗電磁干擾，穩定性好

分布式感測光纜其本質為二氧化硅，性質穩定、天生絕緣，同時光纖傳感器的信號是以光纖為載體的，本征安全，不受任何外界電磁環境的干擾，在高電磁環境中可以正常工作；光纖傳感器由于完全的電絕緣，本征防雷可以抵抗高電壓和高電流的沖擊。

4.2.4 多參量監測

通過一根光纜，采用不同調制解調技術，可以實現對應變、溫度、以及振動等多變量感測，從壓力、溫度、振動、變形等多角度進行滲漏探測。對管廊結構和設施進行多種參量測量，可以做到多參數閾值報警，相互印證，避免的單一因素的多干擾性，綜合探測提升探測的準確性，降低其誤報率。

4.2.5 絕緣、無需現場供電

光纖傳感器內傳輸的是光信號，解調儀器設備通過發射和接收光信號，來對光纖傳感器進行測試。傳感器無需現場供電，能耗低。

4.2.6 壽命長，成本低，系統簡單

光纖的材料一般皆為石英玻璃，其具有不腐蝕，耐火，耐水及壽命長的特性，通常可以服役30年。對于大面積、大范圍線性工程監測，光纖傳感技術均攤成本低廉；通過波分、時分復利用技術可以實現光纖傳感器多點多參量串聯監測，易于構建網絡化監測；其測試解調系統可實現模塊化，易于系統集成。

4.2.7 靈敏度高，測量精度高，定位精準

大多數光纖傳感器的靈敏度和測量精度都優于一般的傳感器，可以測試異常區進行精準定位，光纖監測技術可以實現幾個微應變的測試精度。

5 技術方案

5.1 分布式光纖視覺復合線纜系統

將分布式光纖、高清攝像頭、供電纜集成在一體的線型結構中，形成分布式光纖視覺光纜（見圖1）。

圖1 分布式光纖視覺復合線纜

其中分布式光纖既是一種無源的傳感設備，后臺接入光纖信號分析主機，能夠感知異常溫升，振動等隧道內環境狀態數據，同時也是傳輸通道，能夠將視頻數據，實時狀態數據傳送到控制中心后臺。

采用低照度、小體積、低功耗的高清攝像頭模塊，隨著復合線纜一起在隧道內鋪設。隧道內監控視頻通過光纖傳回后臺，在數據處理單元采用視頻拼接技術，能夠實現對隧道內進行全方位的實時監控。通過對隧道內攝像頭的位置進行標定，工作人員可以隨時查看指定區間的隧道內實時視頻圖像。通過視頻分析服務器陣列對隧道內監控視頻進行智能圖像分析識別，能夠實時監測隧道內異物入侵、掉塊、積水異常、接觸網吊柱損壞、火災等重大安全異常情況。從而全方位的把握整個隧道內的實時狀態。

由于集成了供電及數據傳輸載體，分布式光纖視覺復合光纜具備無限擴展的可能性。例如，可根據需要在線纜的布設路徑上部署各種傳感設備，例如氣體傳感器，粉塵傳感器、濕度傳感器等；還可以接入無線傳輸熱點，為隧道內各種設備設施提供無線數據接入的途徑。

5.2 隧道口落石監測系統

山體塹坡的落石將嚴重威脅鐵路行車安全。在隧道口被動網上增設應力監測光纜，當發生山體塹坡、邊坡的落石并對被動網造成貫穿或明顯拉伸等會對被動網造成損壞的事件時將導致應力光纜發生形變，嚴重時可導致光纜斷線。監測主機對該現象進行遠程感知定位，并根據應變值獲取現場實際形變量；在適當位置安裝監控攝像機與之聯動，當光纜監測到異常應力變化時可自動調用攝像機對該位置進行跟蹤監控，便于相關人員及時了解現場情況；并在線路旁增設智能電子哨兵，對是否有落入線路且可能對行車造成影響的障礙物進行實時監測。通過以上三重手段對可能出現的山體塹坡、邊坡的落石事件進行實時監測，同時也可以在事故發生時迅速定位，遠程觀察現場情況，利于及時對事故現場進行搶修和搶險（見圖2）。

圖2 隧道口落石監測系統部署示意圖

5.3 隧道巡檢系統

圖3 隧道巡檢機器人示意圖

在高鐵隧道內壁安裝巡檢軌道，智能巡檢設備沿著軌道勻速前進（見圖3）。機器人巡檢設備上可以掛載多種傳感設備，包括高精度3D激光雷達，超高分辨率線陣相機，高清面陣監控相機等。

（1）3D激光雷達實時掃描隧道內壁，獲取其完成的3D點云數據，通過3D點云拼接技術，形成隧道內部的完整3D模型。再通過基于3D模型的自動識別，歷史數據比對等計算過程，能夠實現隧道內壁裂紋檢測，隧道形變檢測與預警、隧道頂部塌陷、掉塊檢測、漏水檢測、隧道內軌面異物檢測等功能；同時獲取隧道高精度結構數據，如任意里程斷面徑向收斂數據，包括橢圓度，長軸，短軸，偏轉角，斷面任意高度的水平凈空線，圓心高度凈空線長，頂點高度，圓心坐標等數據。

（2）超高分辨率線陣相機配合補光系統，在軌道機器人勻速運動的同時，對隧道內壁進行高速拍照，通過對超高分辨率的圖片的拼接技術，形成隧道內完成的高清圖像，利用基于深度學習的圖片智能識別技術，圖像比對，基準圖像分析等技術，能夠實現隧道內病害監測，例如隧道內壁裂紋檢測，隧道形變檢測與預警、隧道頂部塌陷、掉塊檢測、漏水檢測、接觸網吊柱脫落、隧道內軌面異物檢測等（見圖4）。

圖4 超高分辨率線陣掃描隧道內壁展開圖

（3）高清面陣監控相機用于實現對隧道內實時視頻監控，尤其當發現隧道病害及緊急情況時，通過控制中心能夠實時查看現場情況。

（4）隧道巡檢機器人搭載了3D激光雷達，超高分辨率線陣相機等設備用以實現對隧道內結構和設備設施狀態的高精度檢測。考慮到列車運行的安全性，隧道巡檢機器人考慮采用遠程遙控以及現場手工啟動與回收兩種方式，只在隧道內無列車運行的時段進行巡檢；支持巡檢機器人精確位置反饋，且配有備用蓄電池供電，保證即使出現電力故障時，也能確保巡檢機器人的回收與定位。

5.4 報警處置

分布式光纖視覺復合線纜系統、隧道口落石監測系統、隧道巡檢系統這三個系統，可根據需要安裝在重點隧道內，對隧道狀況進行全面實時監測，數據采用鐵路電纜傳輸，數據及監控中心設在設備管理單位的調度中心，實時盯控，可按照需要動態配置報警閾值，當發生異物入侵、掉塊、積水異常、接觸網吊柱脫落、火災等重大安全異常情況時，管理維護者能夠獲得足夠、比較完整的信息。根據監控系統可以知道具體位置、規模；我們根據系統返回的信息，及時采取不同應急處置措施。條件成熟了也可接入列控中心，直接進行預警。

6 結束語

目前，利用分布式光纖、光柵、軌道機器人、智能圖像、激光雷達、電子傳感器等多源信息感知與融合技術，在鐵路設備監測領域的應用尚處于起步階段，需要有從理論到實踐、從實踐到理論循環往復的過程。本文通過對鐵路隧道設備的健康監測與智能手段應用的分析，從而為隧道養修工作提供全面精準的感知和診斷，可以有效地增強工務部門對設備狀況的掌控能力，及時發現問題，處置病害，減少或消除地質災害造成的事故和對運輸構成的威脅，幫助提高工務巡檢效率和質量。