高速鐵路新建隧道襯砌質量檢測車的研制與應用

高春雷 王鵬 韓自力 徐濟松 張世紅 何國華

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

隧道作為重要的鐵路基礎設施，其狀態好壞直接關系到鐵路行車安全及運輸效能。截至2019年底，中國投入運營的高速鐵路已超過3.5萬km，共建成高速鐵路隧道3 442座，總長5 515 km；在建高速鐵路隧道1 331座，累計長度約2 560 km；規劃高速鐵路隧道3 208座，累計長度約7 975 km［1］。由于種種原因，部分隧道工程質量存在一些不足，如拱墻背后空洞、襯砌厚度不足等，導致這些隧道通車不久便出現襯砌滲漏水、開裂掉塊，隧底裂損、下沉等病害，這些病害惡化了鐵路隧道服役性能，降低了隧道結構的安全性和穩定性，嚴重威脅高速列車的運行安全［2］。

國內外運營隧道襯砌質量檢測普遍采用地質雷達法，但裝載地質雷達的快速移動車輛平臺仍不多見。日本JR東日本旅客鐵道公司和三井船舶公司合作開發的隧道襯砌狀態檢測車［3］采用3臺雷達探測器，3次往返檢測14條測線，每臺雷達探測器檢測寬度1 m，檢測深度40 cm，工作速度3.5 km/h。德國GBM Wiebe公司生產的隧道檢測車裝有4根頻率1.0 GHz雷達天線，能檢測隧道襯砌、回填土和側壁基巖狀態，記錄下松動的圍巖位置，最大檢查深度1.5 m。中國鐵道科學研究院研制的國內首臺鐵路隧道狀態檢查車，裝備有5組中高頻組合地質雷達天線，可一次5條測線對普速鐵路單線隧道襯砌內部狀態進行檢測，檢測速度3 km/h。上述隧道檢測車均為輪軌式走行車輛，無法滿足我國高速鐵路隧道建設期襯砌質量檢測需求。

本文在總結隧道檢測車設計、運用經驗的基礎上，針對高速鐵路隧道建設期襯砌質量檢測要求和特點，分析針對性更強、技術更先進的輪胎式高速鐵路隧道襯砌質量檢測車的主要技術指標和關鍵技術問題。

1 高速鐵路新建隧道測線布置方法

TB 10223—2004《鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程》［4］和《鐵路隧道檢測技術手冊》［5］規定：普通鐵路隧道襯砌質量檢測要求在隧道拱頂、左右拱腰和左右邊墻各布置1條雷達測線，共5條測線。由于高速鐵路隧道斷面遠大于普通鐵路隧道斷面，根據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》［6］和高速鐵路隧道缺陷和病害統計狀況，增加了雷達測線數量，并結合實際情況變化了布置方式。

雙線高速鐵路隧道上部拱墻布置9條雷達測線，下部仰拱布置4條雷達測線，共計13條，見圖1（a）。單線高速鐵路隧道上部拱墻布置9條雷達測線，下部仰拱布置3條雷達測線，共計12條，見圖1（b）。

經過調查研究，隧道拱頂距離中線2 m范圍內為病害多發區域。為了提高雷達檢測的準確性，將距拱頂中線左右側2 m范圍再劃分為（0，0.5），（0.5，1.0），（1.0，1.5），（1.5，2.0）4個區域，每個區域內各增加1條測線。拱頂加密測線見圖2。

圖2 隧道拱頂加密測線布置

2 高速鐵路新建隧道襯砌質量檢測方法

高速鐵路新建隧道竣工驗收檢測，一般在隧道襯砌與填充層施工完成后，道床施工前進行。根據該階段襯砌檢測的技術要求、現場施工條件以及測線布置方法，高速鐵路新建隧道襯砌質量檢測車確定采用輪胎式走行車輛平臺，裝載3套機器人追蹤檢測裝置，3套襯砌和2套仰拱地質雷達檢測系統，同時配屬隧道襯砌裂縫識別系統，以實現對隧道的全面檢測。

2.1 隧道襯砌內部及隧底結構檢測

隧道襯砌內部檢測主要包括襯砌厚度、鋼筋分布、襯砌密實程度、背后空洞等。隧底結構檢測主要包括道床厚度、仰拱厚度、結構裂損、滲漏水情況等。

隧道檢測車檢測3次，可完成雙線隧道13條測線的檢測。第1次檢測車輛行駛在隧道中間，3套機器人追蹤檢測裝置分別展開，根據隧道輪廓坐標將雷達天線舉升到隧道中間區域3個測點位置，進行拱頂區域檢測，見圖3（a）。第2、第3次檢測車輛行駛在隧道左側或右側，3套機器人追蹤檢測裝置分別將雷達天線舉升到隧道左右拱腰和邊墻3個測點位置進行檢測，見圖3（b）。

圖3 檢測位置

隧道檢測車底部安裝的地質雷達，可在襯砌狀態檢測的同時或者單獨對隧底進行檢測。對于病害嚴重隧道，若需加密測線，可調整機器人位置進行雙向反復檢測。

2.2 隧道襯砌裂縫檢測

隧道檢測車檢測艙前端墻設置5臺相機，檢測拱腰、邊墻的同時，對隧道襯砌表面裂縫情況進行全斷面檢測，見圖4。裂縫檢測系統采用線陣相機加激光照明的集成模塊，對隧道襯砌表面圖像進行快速連續采集，并利用人工智能技術實現對襯砌表面病害的快速自動識別。同時其高效的存儲系統可解決大量數據的傳輸和實時存儲問題，通過多臺計算機協同工作，實現高速鐵路大斷面隧道襯砌的高清晰度圖像采集［7］。

圖4 隧道襯砌裂縫檢測

3 主要技術指標及關鍵技術

3.1 主要技術指標

1）地質雷達探測深度

根據《中國高速鐵路隧道》［8］，時速250～350 km高速鐵路單線、雙線隧道襯砌初期支護與二次襯砌總厚度最大分別為70，78 cm?？紤]預留變形量，單線、雙線隧道復合式襯砌總厚度分別為82，93 cm。選擇探測深度2 m雷達能夠完全覆蓋復合式襯砌及其背后一定范圍，能夠檢測襯砌內部及其背后的病害情況。所以，最大探測深度2 m滿足高速鐵路隧道襯砌檢測要求。

2）地質雷達探測精度

采用地質雷達對襯砌和隧底檢測的精度與雷達系統的分辨率密切相關。理論上分辨率取決于雷達波的脈沖寬度（對應天線中心頻率）與檢測目標的埋置深度［9］。在一定的中心頻率下，分辨率受頻帶寬度影響，頻帶寬度又受到天線制造工藝的影響。分辨率可分為垂直分辨率和橫向分辨率。垂直分辨率決定對地層厚度、空洞垂向深度等垂向尺寸的量測精度；橫向分辨率決定對空洞縱向長度、仰拱縱向裂損長度等縱向尺寸的量測精度。

TB 10223—2004規定：地質雷達天線可以采用不同頻率的天線組合，垂直分辨率應高于20 mm。因此，將地質雷達天線的分辨率定為2 mm。在實際檢測過程中可以依據檢測目標情況，對雷達參數、檢測速度等參數進行優化設置，以保證檢測精度。

3）車輛運行速度和檢測速度

檢測車的速度分為運行速度和檢測速度。為了滿足車輛在新建隧道間轉場及長途運行的需求，根據GB 7258—2017《機動車運行安全技術條件》［10］，最高運行速度不低于80 km/h。

隧道檢測車的現場檢測能力主要取決于地質雷達的探測精度、機器人追蹤檢測的靈敏性以及隧道現場表面不平順對車輛穩定性的影響等。綜合考慮各方面因素，檢測速度目標值定為3～5 km/h。

4）雷達天線與襯砌表面距離

隧道檢測車由于其特殊的作業工況，地質雷達天線與隧道襯砌表面采用非接觸式檢測。但當接觸式天線用于非接觸式檢測時，在天線和檢測目標間增加了空氣層，檢測深度和圖像質量將會受到影響。

根據天線距離襯砌表面 0，100，200，300，400 mm 5種工況檢測數據處理所得的雷達圖像質量，再結合機器人自動追蹤響應能力，隧道襯砌內部檢測時，地質雷達天線與襯砌表面距離設定為（100±20）mm。

3.2 關鍵技術

1）隧道檢測車運行穩定性

高速鐵路隧道襯砌斷面最大高度將近10 m。為了滿足檢測高度需求，收車時、檢測作業時檢測車重心離地高度須分別達到1 700，2 250 mm。

檢測車的穩定性應從3方面保證：①無傾覆性風險，保證收車高速運行狀態和機器人展開檢測狀態均滿足要求；②爬坡越野能力，以保證新建隧道間轉場運輸的順利和安全；③檢測作業時的穩定性，通過車輛減震系統結合機器人自動追蹤響應，減少路面不平順對雷達探測的影響。

根據GB/T 14172—2009《汽車靜側翻穩定性臺架試驗方法》［11］，隧道檢測車順利通過了側翻試驗。隧道檢測車靜止放置于商用車側翻試驗臺，側翻試驗角度逐步加大到28°，檢測車在該位置靜置10 min，穩定無異常。

2）機器人自動追蹤技術

由于隧道檢測車運行路徑不規律、線路不平整，使得檢測過程中雷達天線與測點的位置和姿態出現偏差。因此，需要托舉雷達天線的機器人具有快速響應和調節能力。中國鐵道科學研究院開發的機器人自動追蹤檢測系統，利用激光掃描和數字處理技術，通過對隧道斷面的實時檢測和對檢測車位置的判斷，實現機器人托舉雷達天線對于隧道襯砌檢測點位置的追蹤，從而確保隧道襯砌質量檢測數據的連續性和準確性。通過機器人的姿態調整和跟隨響應，滿足隧道拱頂和邊墻不同測點的檢測要求。

3）多通道地質雷達技術

采用多通道地質雷達技術，通過機械臂托舉天線的工作方式，可以同時檢測3條測線。相對于目前新線人工手持天線一次只能檢測一條測線，檢測效率、檢測精度均顯著提高。

經大量試驗驗證，非接觸式檢測在雷達天線距襯砌20 cm內有較好的檢測效果。通過機器人自動追蹤技術與多通道地質雷達技術相結合，雷達天線與襯砌表面距離在（100±20）mm，既能有效避免路面不平順和襯砌表面凹凸不平的影響，又能快速、安全地獲取檢測數據。

4 隧道檢測車應用

隧道檢測車研制成功后，立即投入到新建高速鐵路隧道襯砌質量檢測中。檢測現場見圖5。

圖5 隧道檢測車檢測現場

2018年11月至2019年12月，累計檢測作業92 d（不含轉場和調度時間），隧道檢測車已在新建高速鐵路完成30座隧道，超過100 km的隧道襯砌質量檢測，檢測速度3～10 km/h。

通過分析地質雷達和裂縫識別系統的檢測數據，得到所檢隧道存在的空洞、不密實、襯砌厚度不足、表面裂縫等缺陷和病害情況。結合現場取芯驗證，有效地指導了隧道施工缺陷的及時修復，保障了新建高速鐵路隧道的施工質量。

5 結論

1）高速鐵路雙線隧道上部拱墻布置9條測線、下部仰拱布置4條測線，單線隧道上部拱墻布置9條測線、下部仰拱布置3條測線，可對襯砌及隧底施工質量及內部缺陷進行檢測評判。

2）隧道檢測車作業速度3～10 km/h，可同時檢測拱墻3條測線、仰拱2條測線；地質雷達天線與襯砌表面距離可保持在（100±20）mm，能夠適應時速250～350 km新建高速鐵路隧道襯砌的檢測要求。

3）隧道檢測車兼具襯砌內部檢測與表面裂縫識別功能，適用于高速鐵路隧道襯砌與填充層施工完成后、道床施工前的隧道襯砌質量檢測，可滿足隧道建設期的檢測需求。