運營隧道襯砌病害檢測技術研究現狀分析

唐 超，劉 春，周澤棲

（重慶科技學院 安全工程學院，重慶 401331）

近年來，我國隧道及地下工程建設事業有了較快發展，運營隧道數量、長度均快速增加。運營隧道大多具有隱蔽性特征，襯砌結構受外界因素影響較大。隨著運營時間的延長、隧道主體相關力學性能出現偏差及地質因素的影響等，各種隧道襯砌病害問題浮現。隧道在我國民眾的生產生活中發揮著重要的作用，一旦隧道出現事故，將對人們的生命財產安全造成巨大的影響。因此，對隧道結構采取定期檢查檢測，保障隧道結構的安全狀態是必不可少的一環。針對襯砌病害日益突出的問題，發達國家如德國、日本等，較早就開始了關于隧道快速檢測技術方面的研究，相關技術及裝備已經較為成熟，近年來，國內也在這方面取得了重大突破[1]。便捷、快速、高精度、自動化的無損檢測技術是隧道病害檢測的發展趨勢。本研究對目前國內外隧道無損檢測技術及快速檢測裝備的研究應用進行分析，對檢測技術的發展趨勢和研究方向進行預測與展望，以識別運營隧道的安全風險，為保證隧道長期安全穩定運行提供支撐。

1 運營隧道襯砌常見病害

運營隧道拱墻襯砌病害問題直接影響到隧道安全結構穩定性，是襯砌病害檢測關注的重點。一般運營隧道常見的襯砌病害有襯砌開裂、襯砌空洞及厚度不足、變形超限、滲漏水等。襯砌開裂主要受地質條件、施工及設計因素、運營環境、自然災害等方面影響；襯砌背后空洞及厚度不足，主要受施工和運營兩方面共同作用；襯砌滲漏水主要受環境因素影響。襯砌開裂作為襯砌混凝土劣化等病害的一種直觀呈現形式，通常情況下伴隨著其他幾種病害同時發生。這些病害大大降低了隧道結構的穩定性，影響了隧道的使用性能及運營的安全性。

2 隧道病害無損檢測技術

隧道無損檢測技術是指在不破壞隧道結構本身的狀態及特性等前提下，識別隧道結構出現的病害而產生的新興技術，主要對目前國內外研究較多的探地雷達技術、沖擊彈性波技術、三維激光掃描技術、圖像處理技術進行研究。

2.1 表觀狀態檢測技術

表觀狀態檢測主要涉及襯砌裂縫的檢測。襯砌裂縫是隧道襯砌病害最突出的問題，按照裂縫走向與隧道縱向的相互關系，可以分為縱向裂縫、環向裂縫和斜向裂縫3種。其中，縱向裂縫危害極大，嚴重影響隧道結構的穩定性。目前，國內外對于隧道襯砌表觀狀態的檢測，主要是通過圖像處理技術及三維激光掃描技術完成。

2.1.1 圖像處理技術

圖像處理技術，即通過以電荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）相機為核心的圖像采集系統，對隧道襯砌表面進行連續信息采樣，通過信號的轉換，將其轉換為計算機可識別信息并保存分析，經過圖像處理，提取隧道裂縫相關信息，判斷隧道病害信息。某學者提出了一種基于圖像處理的隧道表面裂縫檢測算法及寬度測量算法，可較好地實現隧道襯砌裂縫的智能識別。另一學者對裂縫圖像的處理過程進行了優化，消除了由采集設備不穩定、外部環境的復雜性造成的噪聲問題。西南交通大學冷彪等[2]利用線陣相機及各種設備，提出了線掃描檢測方法，對隧道襯砌裂縫狀態進行分析。

2.1.2 三維激光掃描技術

三維激光掃描檢測技術主要通過檢測車的激光掃描運轉，對隧道襯砌表面發出螺旋式激光射線，檢測表面裂縫情況，接收反饋信號并進行數據分析，得到三維坐標，形成裂縫灰度圖像，同時應用數字圖像技術，可以直觀地識別出隧道表面存在的裂縫等病害。20世紀末，美國率先將激光技術發展到三維測量領域。目前，三維激光掃描技術已經發展到更高的測量精度和更廣的應用領域。某學者在三維激光掃描技術的裂縫采集及提取方面進行了改進；另一學者把三維激光掃描技術與近景攝影測量技術在隧道的檢測監測中進行結合運用；謝雄耀等[3]提出了一種基于點云數據的隧道三維建模算法并驗證其可靠性。

2.2 內部狀態檢測技術

內部狀態檢測技術主要用于混凝土內部缺陷檢測，如襯砌脫空、混凝土強度不足等病害。隧道襯砌內部缺陷屬于隱蔽性病害，需采用專業技術進行病害檢測。《鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程》（TB 10233—2004）中明確了探地雷達技術及沖擊彈性波技術可用于隧道襯砌病害檢測。

2.2.1 探地雷達技術

探地雷達（Ground Penetrating Rada，GPR）是通過發射電磁波脈沖和測量界面反射波，基于返回時間來確定其混凝土強度。當電磁波到達不同的物質邊界時，部分波能將被反射，其余的波能將傳輸到正在進行的介質中。由發射的電磁波脈沖收集的數據，可以指示邊界的深度和類型，并且可以通過雷達圖的形式來顯示。如不密實、脫空等病害都伴隨著介質的改變，通過分析雷達圖電磁放射波，可以對混凝土、鋼筋及鋼拱架、圍巖、空氣層、含水層進行病害綜合評判。某學者探究了探地雷達技術在隧道襯砌缺陷檢測中的具體應用；另一學者對地下工程的地質雷達超前探測領域進行了系統研究。昝月穩等[4]對車載探地雷達進行了深入研究，并提出了高鐵隧道車載探地雷達快速檢測方法。

2.2.2 沖擊彈性波技術

沖擊彈性波技術是利用激振錘激發產生彈性波的原理，基于彈性波與襯砌內部混凝土結構產生共振作用，結合共振頻率，計算混凝土缺陷位置及裂縫等，根據振動產生的應力波傳播方向，分為P波（縱波）、S波（橫波）和R波（瑞利波），沖擊彈性波及振動可以直接反映混凝土的結構缺陷及力學性能。國內學者姜勇等[5]通過現場測定混凝土材料動彈性模量，并建立其與混凝土抗壓強度的關系，結合測強曲線，研發了基于R波的混凝土強度的檢測體系。

3 隧道檢測裝備

隧道病害的快速高效精準檢測不僅需要先進的檢測技術，同時也需要相匹配的設備儀器，二者結合才能完善檢測程序。將各種病害檢測技術搭載在巡檢設備上進行綜合智能化檢測，是隧道檢測領域的發展方向。

3.1 無人機

無人機由于高效的巡查功能，被廣泛應用于各個領域，具有體積小、可搭載多傳感器、操控簡單的特點，在數據收集方面具有較大作用。無人機攜帶各類傳感器，在隧道中進行巡檢工作，收集各類數據，并將數據實時傳輸到數據處理平臺。處理平臺對異常數據作出預警，實時監測隧道病害信息。2020年3月，東京地鐵公司發明了一種無人駕駛遙控飛機來協助東京地鐵系統維修工作人員開展地鐵隧道巡檢工作。

3.2 巡檢車

巡檢車是目前國內應用最為廣泛的移動檢測裝備，通過搭載各種檢測設備，如CCD相機、探地雷達、激光掃描儀等對隧道病害進行檢測，同時，基于與設備相對應的算法軟件，對設備所收集的數據進行處理分析，及時得到巡檢結果。目前，國內外搭載線陣CCD相機的先進巡檢車，有日本株式會社研發的MIMM-R型檢測車、武大卓越TFS隧道快速測量系統、上海同巖TDV-H2000隧道病害檢測車，裂縫寬度識別精度均可達到0.2 mm；搭載激光掃描技術的快速檢測設備，包括德國的TS3系統、瑞士的GPR5000檢測系統以及加拿大的LTSS檢測系統，檢測精度及效率處于領先水平。快速巡檢裝備可實現檢測隧道內部變形及裂縫等病害的功能，同時自動進行圖像處理、完成三維建模及病害識別等。

4 結語

無損檢測方法區別于傳統檢測方法，具有更加高效、精準且不損害結構本身的特點，但是仍然存在一些弊端。圖像處理技術在快速自動化識別方面有所欠缺；三維激光掃描檢測技術受限于檢測速度，檢測效率較低；探地雷達技術圖像解譯主觀性較強，辨識精度低；沖擊彈性波技術在檢測混凝土強度時，未考慮到鋼筋的影響，結果存在誤差。隨著5G時代的來臨，發展更加智能化、自動化、集成化的綜合快速檢測手段，打造綜合型的病害檢測系統，是未來隧道檢測領域的研究方向。