隧道二襯背后空洞智能化檢測和預防技術

王 琨

(中交三公局河北雄安交通軌道分公司，北京 101100)

引言

近年來，我國鐵路隧道建造技術發展突飛猛進，到2020年底，中國已經投入運營工作的鐵路隧道有16 798座，總長度為19 630 km。隨著隧道長度不斷增加，我國隧道已經進入高維修時期，隧道病害不斷涌現，嚴重威脅隧道運營安全。根據2015年中國鐵路總公司統計的鐵路隧道現況資料，投入運營的鐵路隧道中出現隧道襯砌嚴重腐蝕裂損的隧道有4 431座，長約272.3 km[1]，其中隧道襯砌背后空洞問題是一個較為突出的隱患，二襯背后空洞會降低施工作業質量以及生產效率，從而影響鐵路隧道后期運營過程的安全性和長期效應(使用年限)，已經成為較為嚴重的隧道質量問題。[2]為了保障隧道質量，先進可靠的空洞檢測技術和預防整治技術成為了隧道建設的關鍵技術難題。

襯砌空洞檢測方法分為有損檢測法和無損檢測法兩大類。因為有損檢測法破壞了襯砌的整體性，需要后續工藝的處理，成本昂貴。隨著工業科技的不斷發展，這種傳統的檢測方法在隧道建設過程中已經逐漸消失，取而代之的是現代工業科技的無損檢測法。國內外許多學者采用不同媒介(電磁波、聲波、超聲波)對隧道襯砌結構內部進行大量研究，總結歸納出目前國內外襯砌空洞無損檢測的主要方法，其中包括敲擊法、地質雷達法、沖擊回波法、超聲波檢測法，每種方法都有其各自的優缺點，見表1。羅宏建[3]、李金川[4]、吳霞等[5]成功將窄脈沖高頻率超聲波技術運用在不同材料內部結構缺陷的檢測中，但該方法對界面要求較高，不適用于襯砌檢測。姜勇[6]、周先雁[7]、王偉[8]采用短時的機械沖擊產生的低頻應力波(聲波)對隧道襯砌缺陷進行檢測，證實沖擊回波檢測襯砌中空洞缺陷的可行性，但是該方法對襯砌表面質量要求高，檢測效率低，不適用于實際施工環境。唐浩等[9]對地質雷達檢測法開展了一系列的試驗與正演數值模擬研究工作，研究工作發現模擬的結論和整個試驗的結論基本是一致的，這對于地質雷達檢測有著重要的參考價值；張康喬[10]以濟萊項目王家隧道為例，陳偉等[11]以山東在建某隧道為例，分析歸納了地質雷達襯砌檢測中存在的誤差及影響檢測精度的原因，對如何提高地質雷達在隧道襯砌檢測中的精度進行了探討總結；劉博[12]、昝文博等[13]利用固定頻率的電磁波對襯砌表觀病害和結構內部缺陷進行研究，研究結果表明地質雷達法可有效地對襯砌中的空洞缺陷進行分析，但是該方法易受鋼筋、水的影響，后期識別工作量大。劉濤[14]通過對人工敲擊法進行分析，分析結果表明敲擊法對隧道襯砌表面質量要求就低得多，成本低，而且不受施工環境影響，作業靈活高效；但是龔彥峰等[15]研究認為敲擊法的缺陷也十分突出，目前主要依靠人工檢測,,在人力擊振的條件下，其最大測試深度一般不超過0.15 m，檢測質量受人為因素影響較大，偶然性大，代表性差，容易出現漏檢誤檢，檢測速度慢，自動化識別程度低，難以全面、準確檢測，遠不能滿足現場需求。

表1 4種無損檢測法的優缺點比較

綜上所述，敲擊法相比于其他檢測方法開展工作更加方便快捷，更加具備選擇傾向性，但受人為因素影響嚴重。通過調研國內外多種隧道檢測技術，分析現有隧道檢測技術的特點，發現目前的檢測技術存在自動識別程度低、檢測效率較慢等問題，本文研究在基于檢測自動化技術、管理智能化理念和模式的基礎上初步提出將背后空洞智能化檢測技術和預防監控技術應用于隧道質量檢測和監控中，有效地解決了目前國內人工敲擊法的缺陷，同時保留其優點，提升了敲擊檢測技術在隧道襯砌檢測中的有效性，實現隧道襯砌檢測過程和檢測結果分析自動化，消除人為因素干擾，為隧道安全運行奠定良好基礎。

1 隧道襯砌背后空洞智能化檢測技術

襯砌背后空洞給隧道施工和運營帶來極大的安全隱患。因此，對該段隧道襯砌質量進行檢測就顯得尤其重要，及時發現施工工藝缺陷、施工管理缺陷等，才能通過空洞治理技術進行處理，最大限度地保證工程質量，提高生產效率，同時還能大大減少后期的處理費用。

21世紀以來，機械設備制造能力日新月異，信息技術發展迅猛，隨著信息化與機械化高度融合及其技術在隧道工程上的綜合應用，智能化勢必成為未來隧道工程發展的主流趨向。新時代下隧道建造工程的需求和要求日益增多，為了順應時代的發展，引領時代的潮流，隧道工程必須促進隧道襯砌智能化檢測技術和隧道建設高度融合，提升隧道工程項目的品質，為隧道安全運行奠定良好基礎。

1.1 基于敲擊回聲的背后空洞智能化檢測

基于敲擊回聲的隧道襯砌空洞智能化檢測是基于自動敲擊技術、聲音自動采集技術、空洞聲學特征提取及智能識別技術，將新一代的機械技術、信息技術與隧道襯砌質量檢測技術相結合，實現隧道襯砌質量檢測全過程的智能化理念和模式。

隧道襯砌空洞智能化檢測技術的指標要求：(1)實時識別；(2)識別準確率不低于80%；(3)識別距離襯砌表面15 cm以內空洞；(4)識別脫空面積不小于0.2 m2的空洞。

1.2 基于敲擊回聲的背后空洞智能化檢測技術原理

隧道襯砌空洞智能化檢測的理念和模式是建立在數值仿真的基礎之上的，通過建立鐵路隧道襯砌空洞模型，其中包括結構單元模型、聲學單元模型以及結構-聲學耦合模型，計算敲擊作用下，不同空洞大小、襯砌厚度的模態、聲場分布及時頻特征，作為空洞特征參數的參考數據庫，為試驗和方案設計提供指導。在數值仿真的指導下，提出了隧道襯砌空洞智能化檢測的方案設計，主要分為自動敲擊、聲音采集以及智能識別三個系統。下面具體介紹以下各個模塊的基本原理和特征。

(1)自動敲擊技術

自動敲擊技術采用基于彈簧儲能的自動敲擊裝置，具有噪音小，結構簡單，敲擊力精度高等優點。自動敲擊裝置組成主要包括伺服電機、凸輪、蓄力彈簧、敲擊錘頭等。原理是伺服電機帶動凸輪轉動，彈簧被壓縮，敲擊錘處于最低位置；隨后凸輪與彈簧脫離，彈性勢能釋放，錘頭向上快速彈出；敲擊錘頭彈出敲擊襯砌面，電機轉動，繼續壓縮彈簧。自動敲擊技術特點在于敲擊動作靈敏，敲擊沖量可調可控，敲擊頻率0.5～5 Hz可調可控，可實現邊走邊敲擊，敲擊距離監測。

(2)聲音采集技術

聲音自動采集技術主要包括傳感模塊、采集模塊和處理模塊，原理是ECM傳聲器檢測到自動敲擊裝置敲擊襯砌面發出的聲學信號，隨后按一定規律將檢測到的聲學信號轉變成電信號輸出到采集模塊，通過采集模塊統一采集所需的敲擊回聲后輸出到嵌入式處理器。

(3)智能識別技術

智能識別主要包括預處理、信號處理分析、機器學習3個模塊，識別流程見圖1。首先通過數據清洗和濾波獲取純凈的聲音信號，然后對有效的敲擊聲學信號進行信號處理分析，提取多維特征參數，方法為從時域、頻域、時頻域的維度構建隧道襯砌空洞指數，從而構建對正常回聲與空響回聲的識別模型，判斷是否存在空洞，構建多維特征向量的空洞識別算法，識別準確率良好；同時采用深度學習等算法進行深入研究信號特征，識別空洞的大小、深度等。

圖1 襯砌空洞智能識別流程

1.3 基于敲擊回聲的背后空洞智能化檢測技術特點

(1)不受外界施工環境影響，對隧道襯砌表面質量要求低，作業靈活高效，實時識別，對襯砌空洞識別的檢測正確率、重復性好，數據分析難度小，結果圖像簡單直觀。

(2)隧道襯砌空洞智能化檢測技術具有自動敲擊、同步采集、自動去噪、智能識別、聲光報警、自動標記等功能，是該項技術相對于傳統人工敲擊法最大的創新之處，實現了隧道襯砌檢測自動化，消除了傳統檢測過程中人為因素的干擾。

(3)在智能識別隧道襯砌空洞的同時，還可以通過深度學習等算法進行深入研究信號特征，識別空洞的大小、深度等，具有創新性，也具有實際應用價值。

(4)實現了檢測結果分析自動化，現場采集數據可快速自動出結果，檢測效率較人工敲擊法有極大提升。

(5)目前基于敲擊回聲的隧道襯砌空洞智能化檢測技術還處于應用的初期階段，應用較少，可能還存在一些潛在的技術缺陷，還需要進一步的研究完善。

1.4 現場試驗

基于敲擊回聲的隧道襯砌空洞自動敲擊檢測裝置，主要針對鐵路隧道襯砌進行現場試驗，已經在北京東郊試驗場模擬空洞和新建京張鐵路第七標段西黃莊、董家莊和祁家莊3條鐵路隧道進行實際敲擊和信號采集試驗。

(1)新建京張鐵路JZSG-7標西黃莊、董家莊、祁家莊3條鐵路隧道屬于全線重點控制性工程，起訖里程為DK 132+250～DK 137+130、DK 142+195～DK 143+357、DK 144+125～DK 149+865，三條隧道的長度均超過了1 000 m，設計速度為350 km/h和250 km/h，最大埋深77～100 m。隧址區屬低山丘陵，地形起伏較大，工程地質條件十分復雜，隧址區巖性發育比較復雜，總體以砂巖為主，在不同部位有較大變化，主要有白云巖、泥巖、泥質粉砂巖、細砂巖等，局部穿插有玄武巖、安山巖、輝綠巖等巖脈巖，且洞身及洞頂范圍內巖石大多遭受風化作用，自穩成洞能力較差。隧址區范圍內構造不發育，僅在里程DK 132+600附近有斷層破碎帶，斷裂帶附近巖體較為破碎，但范圍內節理裂隙發育，降低了巖體的穩定性。隧道大部分地段地下水不發育。綜上所述，3條隧道施工難度較大，故對施工質量要求較高。

(2)針對全部采集樣本數據，60%～70%樣本用于研究分析，其余樣本用于測試，同一敲擊點的多個聲音樣本作為一個整體，分配于研究分析樣本集或測試樣本集中，試驗場地和各個隧道場地的數據均出現在分析集和測試樣本集中。在北京東郊試驗現場模擬實驗和3條實際鐵路隧道試驗中，主要采集5個不同參數下敲擊襯砌面發出的聲學信號數據，其中包括3個外因參數(采集位置、敲擊位置、敲擊力)和2個內因參數(空洞尺寸和空洞處襯砌厚度)，目的是為了研究這些參數與敲擊回聲特性關系。數據結果表明，通過分析敲擊回聲的沖擊響應變化曲線(見圖2)，所有采集的數據中空洞信號的沖擊響應頻譜存在明顯拱起(第一主頻)，實心信號的沖擊響應頻譜則不存在這一現象，我們稱其為空洞特征，可以用來判斷是否存在空洞。

圖2 不同參數的沖擊響應變化曲線

同時通過分析不同參數下的沖擊響應變化曲線，發現空洞特征即第一主頻的頻率僅僅與空洞尺寸和空洞處襯砌厚度2個內因參數有關，與其他3個外因參數無關，采集的樣本數據顯示，見表2，固定的空洞尺寸和襯砌厚度對應的主頻頻率也是固定的，不受外因參數的影響，例如空洞尺寸為0.16 m2和襯砌厚度為150 mm的空洞對應的主頻頻率是1 800 Hz，不論在什么采集位置、敲擊位置以及敲擊力的情況下，主頻頻率固定是1 800 Hz，不同的外因參數只影響第一主頻的聲壓級(可以理解為沖擊響應的強度)；同時還發現襯砌厚度越薄、空洞尺寸越大，第一主頻越低，聲壓級較高，空洞特征越明顯，易識別，但當襯砌厚度超過150 mm時第一主頻的聲壓級較低，相應的空洞特征就不明顯，不易識別。因此我們可以通過深入研究敲擊回聲的信號特征，進一步分析第一主頻的特性得到空洞的分布深度及規模大小。

表2 不同內因參數的主頻特性統計

對4個現場實地采集的樣本其中一部分數據用于空洞識別正確率測試，數據結果表明：北京東郊試驗場模擬空洞試驗和3條隧道現場空洞試驗的空洞識別正確率相似，高達90%以上，這一統計結果證明基于敲擊回聲的背后空洞智能化檢測技術初步證實有一定實用性，但還處于應用的初期階段，應用較少，可能還存在一些潛在的技術缺陷，還需要進一步的研究完善。

1.5 其他智能化檢測技術

除了基于敲擊回聲的智能化檢測技術外，目前正在研究的還有基于AI檢測機器人的智能化檢測技術和基于檢測車圖像識別的智能化檢測技術等。

基于AI檢測機器人的智能化檢測技術主要采用地質雷達探測技術，將高靈敏地質雷達安裝在檢測機器人上，開發空洞智能分析軟件，實現隧道襯砌空洞快速檢測快速分析的目標。

基于檢測車圖像識別的智能化檢測技術是由圖像采集系統、全幅圖像拼接系統、圖像智能識別系統、歷史數據比對系統、報告自動生成5項技術組成，能夠將檢測結果從二維轉為三維，實現可視化，極大地提高數據處理的效率，同時實現檢測自動化和決策智能化。圖像識別智能檢測技術對襯砌表面裂縫具有較好的檢測效果，但是無法檢測出襯砌背后空洞。

2 隧道襯砌空洞智能預防技術

通過采用上述隧道襯砌空洞智能化檢測技術，實現隧道襯砌質量檢測全過程的智能化，消除人為因素的干擾，更進一步地保障隧道襯砌的質量。但是我們知道只有先進、可靠的檢測技術是遠遠不夠，正所謂治標不治本，僅僅只發展先進的襯砌空洞檢測技術能夠達到最大效果就是減少后期因襯砌空洞引起的安全隱患，依然解決不了隧道工程的通病，普遍出現二襯背后空洞現象，無法從源頭減少和避免其出現。通過對具體工程實例京張鐵路隧道背后空洞分析，清楚地了解到襯砌背后空洞的形成原因、分布特征以及襯砌空洞對結構安全性影響，針對空洞形成原因及分布特征，發展新一代的襯砌背后空洞預防和整治技術，在采用隧道襯砌空洞智能化檢測技術的基礎上，同時結合后期預防措施和施工控制措施以最大程度地減少和避免空洞的出現，從而確保襯砌質量能夠滿足隧道整體質量要求，為隧道安全運行奠定良好基礎。

2.1 二襯防脫空自動報警技術

隧道內二襯背后脫空問題始終困擾著現場的施工生產，襯砌澆筑混凝土過程中，肉眼看不見襯砌是否有脫空現場，無法判斷是否需要繼續泵送混凝土。若泵送混凝土過量，泵送壓力變大，易造成臺車模板移位、模板變形的情況。為了有效地解決這一施工難題，文章初步探索采用二襯防脫空自動報警技術，實現襯砌澆筑混凝土過程預警智能化，從而確保混凝土灌注飽滿密實。

二襯防脫空自動報警技術是一種以電子探測技術為核心的防脫空智能預防技術，主要包括數據采集、預警管理、數據分析3個模塊，見圖3。通過激光三維掃描獲取隧道實際開挖斷面信息，根據二襯模板安裝信息，計算二襯混凝土所需總量，并監測混凝土澆筑實際使用量，從而預測空洞尺寸。同時，利用液位繼電器工作原理，在隧道頂部設立探頭，當混凝土注滿時會將探頭和臺車的拱板接通導電，從而產生注滿的信號，進一步觸發聲光報警系統，對應提醒泵送操作手混凝土目前澆筑的高度，還需要澆筑多少方量澆筑完畢，可以有效的避免空洞的產生。

圖3 二襯防脫空自動報警系統構架

在拱頂預埋5條接觸式貫通電路，通過混凝土與電路接觸導電，觸發聲光系統，從而確保混凝土灌注飽滿密實。在臺車電氣控制部分加裝液位繼電器和聲光報警指示燈等電氣元件，將澆筑拱頂混凝土流動的物理信號轉換成電信號再轉換成現場施工人員易于識別的聲光信號，當澆筑到位時報警燈變亮，同時發出蜂鳴聲，起到提示作用，見圖4。結合二襯臺車排氣、注漿裝置，將單導線探頭從注漿、排氣口位置探出，探頭可重復利用，節約了導線消耗用量，施工成本較低。

圖4 二襯防脫空自動報警系統工作原理

共設置5組預警點，所有輸出電壓均為安全電壓，具有較高的安全性。在臺車電氣控制部分加裝液位繼電器和聲光報警指示燈等電氣元件，將澆筑拱頂混凝土流動的物理信號轉換成電信號再轉換成現場施工人員易于識別的聲光信號，當澆筑到位時報警燈變亮，同時發出蜂鳴聲，起到提示作用。

2.2 防頂裂技術

隧道內的施工縫處經常有混凝土開裂現象，會對后期的通車運營情況造成極大的安全隱患，文章初步采用臺車防頂裂裝置，防止臺車在混凝土澆筑過程中上浮頂裂已澆筑端混凝土。

防頂裂技術工作原理是在二襯模板臺車搭接端頭左、右側設置防頂裂裝置，防頂裂裝置由底座、絲桿、弧形鋼板、銷子等組成。模板臺車就位后，調節絲桿直至弧形鋼板緊貼上組二襯混凝土表面。二襯模板臺車通過端頭左、右側設置防頂裂裝置，防頂裂裝置由底座把壓力傳遞給絲桿，再由絲桿傳遞給弧形鋼板，增大了端頭混凝土的受力面積，減少壓強，模板對混凝土的壓強明顯減少，在混凝土澆筑過程中，有效減少了模板上浮造成施工縫處混凝土頂裂的現象。

可通過布置壓力傳感器等方式檢測絲桿對弧形鋼板的壓力大小，之后科學計算出弧形鋼板對混凝土的壓強，通過調整弧形鋼板的大小，或增加防頂裂裝置的數量減小壓強，來保證弧形鋼板對混凝土的壓強小于端頭混凝土能承受的壓強，進而避免裂縫的產生。

2.3 應用驗證

兩種隧道襯砌空洞預防技術的研發，主要在京張高鐵西黃莊隧道中得到應用與驗證。數據記錄顯示，技術應用前通過第三方檢測驗證情況，襯砌背后脫空情況較多，50組襯砌中約8組有脫空現象，占16%，通過敲擊檢查等措施統計施工縫開裂現象，50組襯砌中約11組有施工縫開裂現象，占22%；技術應用后通過第三方檢測驗證，襯砌背后脫空情況明顯減少，50組襯砌中約3組有脫空現象，占6%，通過敲擊檢查等措施統計，施工縫開裂現象減少，50組襯砌中約4組有施工縫開裂現象，占8%。

綜上所述，二襯防脫空自動報警、防頂裂技術應用后，通過第三方檢測統計缺陷問題數量，襯砌混凝土背后脫空及襯砌施工縫開裂現象已明顯減少。目前二襯防脫空自動報警系統、防頂裂技術已開始在中鐵隧道局各項目進行推廣，襯砌脫空現象和施工縫開裂現象均已明顯減少。

隧道內二襯防脫空自動報警能實時動態監測拱頂混凝土澆筑，同時可以更直觀地提示現場操作人員混凝土澆筑的高度，能檢測襯砌背后是否有脫空情況，確保混凝土灌注飽滿密實。隧道內二襯防頂裂技術可有效保護已澆筑端混凝土，避免開裂。兩項預防技術在應用方面的意義是巨大的，同時在提高勞動效率和減少成本的方面也是不可忽視的。首先可提高襯砌澆筑工人的勞動效率，臺車澆筑人員直接通過聲光報警系統就可以了解混凝土澆筑情況；再者可減少襯砌混凝土的浪費，減少成本，通過聲光報警系統能實時掌握襯砌混凝土的澆筑高度，即可動態準確算出混凝土的剩余需求量，避免向拌合站多要混凝土料，避免材料浪費；最后可減少后期的缺陷整治成本，通過使用防脫空和防頂裂裝置，減少襯砌脫空和施工縫裂縫等病害，把病害問題消滅在萌芽中，減少二次整治的費用。

二襯拱頂防脫空自動報警裝置雖然可以檢測出混凝土是否已與防水板密貼，若混凝土長時間灌注仍未灌滿，泵送混凝土會造成混凝土對模板的壓力增大，易造成模板變形等問題，可以嘗試在模板上安裝壓力傳感器，并通過數據采集設備，以數字化的形式顯示到主控電腦內，已便實時掌握混凝土對模板的壓力。

3 結論

(1)隧道二襯背后空洞智能化檢測是基于自動敲擊技術、聲音自動采集技術、智能識別技術提出的隧道襯砌質量檢測全過程的智能化理念和模式。它是在數值仿真的基礎上從時域、頻域、時頻域維度構建隧道襯砌空洞指數，進一步建立對正常回聲與空響回聲的識別模型，判斷是否存在空洞。

(2)隧道二襯防脫空自動報警技術是一種以電子探測技術為核心的智能預防技術，利用液位繼電器工作原理，在混凝土區域頂部設立探頭，當混凝土注滿時會將探頭和臺車的拱板接通導電，產生注滿信號，觸發聲光報警系統，對應提醒泵送操作手對應探頭點已灌注完成，有效防止空洞發生。

(3)京張鐵路隧道在采用上述隧道二襯背后空洞智能化檢測和智能預防技術進行施工控制后，第三方地質雷達檢測二襯背后1 023處，其中只3處出現楔形空洞，預防治理效果非常明顯。實踐證明，相較于現在主流的隧道質量檢測技術，基于智能化理念和模式的空洞檢測技術具有作業靈活高效、檢測正確率高的優點，消除人為因素的干擾，能夠最大程度地減少空洞的出現。