隧道滲漏非接觸式快速檢測方法

摘要 滲漏是水下隧道常見病害之一，但因隧道安裝防火板而導致滲漏隱蔽不易檢測。紅外熱成像技術是一種非接觸無損檢測技術，可快速測量表面溫度場。該文采用紅外熱成像技術，擬建立隧道隱性滲漏車載非接觸式快速檢測方法。為此，該文搭建室內滲漏模擬試驗平臺進行可行性研究，其中平臺包含雙層防火板、紅外熱成像相機和移動支架。在試驗中，重點比較了滲漏位置（板中和板縫）、滲漏時間等參數對檢測效果的影響。試驗結果表明：在熱成像圖上可以顯著識別防火板背后的滲漏區域，其溫差僅為1～2°C。同時，通過移動支架模擬車載速度20～30 km/h的情況，動態熱成像圖可以滿足隧道隱性滲漏檢測的要求。該試驗研究表明基于紅外熱成像技術可建立隧道隱性滲漏車載非接觸式快速檢測系統。

關鍵詞 隧道滲漏；非接觸式快速檢測方法；紅外熱成像；防火板

中圖分類號 TU375.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0103-03

0 引言

隧道滲漏問題[1-2]是水下隧道工程中常見的一種病害，但因隧道常裝有防火板，導致滲漏常隱藏在板背后，難以直接快速檢測。因此，提出隧道隱性滲漏快速檢測技術，具有重要工程價值。

常用隧道滲漏檢測方法有人工目測法[3]、隧道滲流壓力計在線監測法[4]、可見光圖像識別法[5]等。人工目測法簡單，但效率低且干擾交通，無法檢測微小或隱性滲漏；滲流壓力計可實現在線監測，但受測點區域限制；可見光圖像識別法設備簡單，算法成熟且成本低，但受隧道光線環境影響導致效果差。

紅外熱像技術是一種非接觸式測量技術，具有響應時間短、分辨率高等優勢，在隧道滲漏檢測方面引起了研究人員的關注。Asakura等[6]通過對隧道滲漏的紅外車載檢測試驗，證實了利用紅外檢測滲漏水的可行性。豆海濤等[7]研究了多因素對襯砌表面紅外輻射特征的影響，建立了隧道襯砌表面輻射率修正指標，提取了滲漏紅外熱圖像特征。鄭艾辰等[8]系統地研究了隧道環境下滲漏水的紅外特征，為滲漏水識別提供了依據。

該文采用紅外熱成像技術，擬建立隧道隱性滲漏車載非接觸式快速檢測方法。為此，該文搭建室內滲漏模擬試驗平臺進行了可行性研究，重點考察滲漏位置、滲漏時間、車載速度等參數對檢測效果的影響。

1 紅外熱成像工作原理

當物體處于絕對零度以上時，其內部的帶電粒子運動會導致其以不同波長的電磁波形式向外輻射能量。這些電磁波的波長范圍從紫外光區到紅外光區，但主要集中在800～1 500 nm的紅外光區。物體的自發輻射能量在各個方向上都存在，其大小取決于波長分布以及表面溫度情況。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確獲得物體表面溫度。物體表面單位面積輻射出的總功率（W/m2）與溫度的關系為[9]：

J=σ×T4 （1）

式中：σ——斯蒂芬—波耳茲曼常數，其值為5.67*10?8 W/m2K4；T——溫度（K）。

依據上述原理設計紅外熱成像系統，主要包括紅外光學系統、紅外探測器、電子信息處理系統和圖像顯示系統。首先，紅外光學系統將物體表面發出的紅外輻射匯聚在紅外探測器的焦平面上；其次，紅外探測器將紅外熱輻射轉換為電信號；然后，電子信息處理系統將電信號進行放大與處理；最后，處理后的電信號被轉譯為圖像呈現在顯示器中。

2 隧道隱性滲漏檢測可行性試驗設計

2.1 紅外熱成像設備

檢測時設備距離隧道頂面約有3～5 m，為保證覆蓋范圍以提高檢測效率，應選擇合適的視場角。相機覆蓋范圍與視場角的計算關系為[10]：

W=2Dtan（θH 2 ） （2）

H=2Dtan（θV 2 ） （3）

式中：W——水平覆蓋范圍（m）；H——垂直覆蓋范圍（m）；D——鏡頭距離（m）；θH——水平視場角（?）；θV——垂直視場角（?）。

空間分辨率是光學系統能夠分辨的最小物理尺寸，即單位長度下的像素數表示。通過計算得到水平視場角須大于30°，垂直視場角須大于20°，空間分辨率不小于0.8 mrad。此外，根據經驗滲漏區和非滲漏區的溫差僅為幾攝氏度，因此，設備溫差分辨率一般需達到0.1℃。考慮檢測車輛一般速度可控制在20～30 km/h，設備的幀率應大于20 Hz。

綜上考慮，該文采用武漢某公司的紅外熱成像測溫設備，參數如下：單鏡頭視場角31.95°×24.25°，空間分辨率0.895 mrad，3 m最小測量尺寸2.68 mm，溫度測量精度±2°C或±2%，熱靈敏度為0.1℃，視頻幀率25 Hz。

為便于對比，在試驗中采用紅外測溫槍（熱靈敏度±2°C）測量防護板表面指定位置的溫度。

2.2 隧道隱性滲漏模擬試驗

在該試驗中，防火板為硅酸鈣防火板，單塊尺寸為40 cm×40 cm，采用雙層錯縫拼裝方式模擬實際隧道防火板，即里層2塊、外層3塊，板間用結構膠黏接。為了模擬滲漏，采用在里層防火板的背面敷多層無紡濕布的方式，布條寬約5 cm，長約18 cm。無紡濕布分別布置于里層防火板的板中與板縫位置，分別模擬板中與板縫位置發生滲漏但水未滲出防火板的情況。

在試驗中，紅外熱成像相機固定在可移動支架上，防火板直立在地面上，與相機鏡頭垂直，間距為3 m。試驗分為靜態試驗與動態試驗，其中動態試驗中支架移動速度約為20～30 km/h。靜態試驗時，按照無紡濕布敷設時間（0 min、10 min、20 min、30 min）分別考察滲漏時間對檢測效果的影響。動態試驗在滲漏發生30 min后實施。

3 試驗結果與分析

3.1 靜態滲漏水熱力圖特征分析

熱成像檢測結果如圖3所示，在滲漏發生20 min后，可以從熱力圖上顯著識別滲漏區域，且滲漏區域的溫度低于非滲漏區域的溫度。

提取熱力圖上的溫度數據進行溫差計算，其結果如表1所示。結果表明，隨著滲漏時間增加，滲漏區與非滲漏區的溫度差異逐漸穩定，不同滲漏位置的溫差接近（約1～2℃）。與熱溫槍測量結果相比，紅外熱成像測量的溫差略大，主要原因可能是熱溫槍測量精度不足。

3.2 動態滲漏水熱力圖特征分析

設備移動速度20～30 km/h，利用紅外熱成像儀錄制熱成像視頻，從視頻中提取有滲漏的某幀圖片如圖4所示。從圖中結果可知，從動態熱力圖上的溫度場分布特征，可以顯著識別滲漏區域。與靜態成像結果相比，圖像清晰度和形狀準確度上都有一定的下降。

4 結論與展望

該文通過模擬隧道隱性滲漏試驗，研究熱成像技術用于該類病害快速檢測的可行性，得到以下主要結論：

（1）紅外熱成像技術可以準確識別防火板背后的隱性滲漏，溫差分辨率可達0.1℃；

（2）紅外熱成像技術可以達到厘米級的空間分辨率，可識別早期的微小滲漏；

（3）在車載速度20～30 km/h的情況下，動態熱成像熱力圖中滲漏水區域圖像特征明顯，可以用于隧道滲漏車載式快速檢測。

該文通過室內模擬試驗初步證明了紅外熱成像技術用于隧道隱性滲漏車載非接觸式快速檢測的可行性。但考慮實際隧道環境復雜，還需要進一步進行現場驗證，開發滲漏智能識別方法，以實現隧道滲漏非接觸式快速檢測與應用。

參考文獻

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[3]陸曉華.隧道滲漏及表觀損傷檢測方法對比分析.[J].信息科技，2013（7）： 381.

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[5]馬戀.紅外與可見光融合下的隧道內車道線識別方法[D].重慶：重慶交通大學，2023.

[6]Asakura， T， Kojima. Y. Tunnel maintenance in Tapan.[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2003（2）：161-169.

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[8]鄭艾辰，何兆益，李家琪，等.隧道裂損襯砌滲漏水紅外特征識別試驗研究[J].東南大學學報（自然科學版），2022（1）：109-116.

[9]毛南平.基于紅外熱成像法的隧道滲漏水檢測技術[J].山西建筑，2016（31）：181-183.

[10]劉先富，趙會妮，熊兵，等.紅外光譜輻射計鏡頭視場角測量研究[J].電光與控制，2024（3）：110-114.