許學(xué)良,馬偉斌,蔡德鉤,杜 翠,安哲立

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

隧道作為一種優(yōu)越的區(qū)域通道連接形式，縮短了行車?yán)锍?，?jié)約了資源，改善了行車條件，保護了自然環(huán)境，降低了交通事故率[1]。近年來，伴隨著高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，新建的和投入運營的鐵路隧道日益增多。截至2016年底，我國時速200 km及以上的鐵路隧道已有 2 906 座，全長達(dá) 4 665.364 km。我國已經(jīng)成為世界上隧道數(shù)量最多、地質(zhì)條件與施工環(huán)境最復(fù)雜、隧道結(jié)構(gòu)形式多樣化的國家[2]。

新建隧道施工開挖過程中存在巖溶、突水、突泥、瓦斯突出等潛在風(fēng)險，尤其在高地應(yīng)力軟巖環(huán)境中，存在巖爆、塌方、圍巖大變形等危害[3-4]，關(guān)系到隧道結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定，必須采用超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測技術(shù)。運營隧道由于前期設(shè)計缺陷、施工質(zhì)量控制不嚴(yán)，后期自然災(zāi)害、結(jié)構(gòu)腐蝕老化等原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)病害，主要表現(xiàn)為錯臺、襯砌變形、裂縫、掉塊、滲漏水、蜂窩麻面等[5-6]。因此，加強對鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)、健康狀態(tài)及相關(guān)環(huán)境的檢測與監(jiān)測十分必要。目前，《鐵路隧道施工規(guī)范》(TB 10204—2002)[7]、《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》(Q/CR 9218—2015)[8]均沒有對運營鐵路隧道的結(jié)構(gòu)健康及其穩(wěn)定性的檢測與監(jiān)測提出要求。這也一直是國內(nèi)外巖土工程界研究的熱點和難點[9]。

本文首先總結(jié)現(xiàn)有的用于新建和運營鐵路隧道的檢測與監(jiān)測技術(shù)，接著介紹國內(nèi)外隧道檢測與監(jiān)測的新技術(shù)和仍然存在的3個問題，繼而針對這些問題提出了鐵路隧道檢測與監(jiān)測發(fā)展趨勢，為鐵路修建和運營維護提供技術(shù)支撐。

1 隧道檢測與監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀

鐵路隧道建設(shè)可分為勘察設(shè)計、施工、竣工驗收和運營4個階段。檢測與監(jiān)測技術(shù)主要服務(wù)于后3個階段，如圖1所示。這3個階段各有側(cè)重，施工階段包括超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測技術(shù)，以監(jiān)測為主，指導(dǎo)施工，優(yōu)化設(shè)計；竣工驗收階段包括襯砌和底板厚度、密實度及背后空洞、強度，以及拱架、鋼筋分布，以檢測為主，與設(shè)計資料核對，不符地段須返工加固；運營階段主要是襯砌表面檢測，以日常巡檢為主，掌握發(fā)展動態(tài)。

圖1 不同階段隧道檢測與監(jiān)測內(nèi)容

1.1 超前地質(zhì)預(yù)報

為了進一步查清隧道開挖前方的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機率和危害程度，需對掌子面前方進行超前地質(zhì)預(yù)報。根據(jù)《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)規(guī)程》(Q/CR 9217—2015)[10]的規(guī)定，隧道超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)綜合采用地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、物探法和超前導(dǎo)坑法進行預(yù)測。其中物探法包括中長距離的彈性波反射法(常用的是地震反射波法)、短距離的電磁波反射法(常用的是地質(zhì)雷達(dá)法)和高分辨率直流電法(常用的是三極空間交匯探測法)。

1.2 監(jiān)控量測技術(shù)

監(jiān)控量測作為質(zhì)量管理的重要手段，越來越受到重視。Q/CR 9218—2015[8]中第4.2節(jié)規(guī)定了鐵路隧道監(jiān)控量測項目包含6個必測項目和12個選測項目。從本質(zhì)上講，隧道不僅僅是單純的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而是圍巖和支護結(jié)構(gòu)的復(fù)合體[11]。因此，在隧道開挖過程中，需要同時考慮圍巖穩(wěn)定狀態(tài)和支護、襯砌可靠度，可以將監(jiān)控量測項目分為5大類：①洞內(nèi)外觀察；②地表沉降；③隧道結(jié)構(gòu)變形；④隧道結(jié)構(gòu)受力；⑤隧道環(huán)境。

1.3 隧道限界檢測

鐵路隧道限界是為了確保列車安全行駛時有足夠的空間，在限界內(nèi)除了機車車輛以及與機車車輛相互作用的建筑物和設(shè)備外，其他建筑物和設(shè)備不得侵入[12]。目前隧道限界檢測設(shè)備主要有通過隧道限界檢測車、便攜式鐵路限界測量儀和全站儀[13]。

1.4 襯砌和底板厚度及背后空洞檢測

隧道竣工后，襯砌和底板厚度、密實度及背后空洞檢測方法有打擊聲法、沖擊波法、電磁波法、超聲波法和聲發(fā)射法。其中，電磁波法包括地質(zhì)雷達(dá)法、射線法、電磁感應(yīng)法、紅外線法等。這些方法各有特點和適用范圍?？紤]現(xiàn)場的實際條件和檢測成本，一般常用的檢測方法是打擊聲法和地質(zhì)雷達(dá)法。

1.5 襯砌和底板強度檢測

為了校核澆筑的混凝土強度是否滿足設(shè)計要求，襯砌和底板混凝土強度的檢測方法可分為有損檢測和無損檢測。

有損檢測包括鉆孔取芯法、拔出法和貫入阻力法，以鉆孔取芯法最為常用。該方法可以直觀地獲得隧道襯砌和底板厚度、質(zhì)量和背后情況，但會對隧道結(jié)構(gòu)防排水系統(tǒng)造成破壞，檢測速度慢，效率低，一般用于對其他檢測或監(jiān)測方法的標(biāo)定。

襯砌和底板強度的無損檢測方法有回彈法、超聲波法。回彈法反映的主要是構(gòu)件表面10～15 cm的強度狀況，且回彈值受構(gòu)件表面影響較大。超聲波法反映的是構(gòu)件內(nèi)部的強度狀況，但聲波值受骨料粒徑、砂漿等影響較大。相比于采用單一的超聲波法或回彈法，超聲-回彈綜合法彌補了單一檢測方法的不足，測試結(jié)果具有影響因素少、精度高、適應(yīng)范圍廣等特點。

1.6 襯砌和底板拱架、鋼筋分布檢測

拱架和鋼筋相當(dāng)于隧道的骨架，在圍巖較差的環(huán)境必須采用[14]。常用的襯砌和底板拱架、鋼筋密度檢測方法有地質(zhì)雷達(dá)法和鋼筋檢測儀。地質(zhì)雷達(dá)屬于電磁波的一種，對鋼筋、鋼拱架等鐵磁物的探測特別敏感，探測結(jié)果不能給出鋼筋直徑大小，但能準(zhǔn)確定位鋼拱架、鋼筋的數(shù)量及分布情況[15-17]。相比于地質(zhì)雷達(dá)法，鋼筋檢測儀不僅能獲得鋼筋密度分布情況，而且能有效探測到鋼筋直徑大小，但該方法探測深度較淺，為約20 cm 的深度范圍。

1.7 襯砌表面檢測

襯砌表面檢測內(nèi)容包括錯臺、襯砌裂縫、襯砌掉塊或剝落、滲漏水等。常用的檢測方法包括人工或人工儀器檢測。這種檢測方法直觀，對檢測人員要求高，勞動強度大，工作效率低，檢測結(jié)果受人為主觀因素影響，并且反饋滯后。

2 國內(nèi)外隧道檢測與監(jiān)測新技術(shù)

新建和運營的隧道數(shù)量日益增多，而檢測與監(jiān)測的有效窗口時間卻非常有限，傳統(tǒng)的檢測與監(jiān)測技術(shù)越來越難以滿足需求?？萍嫉陌l(fā)展推動著隧道檢測與監(jiān)測技術(shù)快速進步，檢測與監(jiān)測設(shè)備向自動化、智能化、集成化方向發(fā)展。下文以襯砌內(nèi)部及背后狀態(tài)、襯砌變形和檢測設(shè)備行走方式各舉幾例，介紹國內(nèi)外隧道檢測與監(jiān)測當(dāng)前新技術(shù)。

2.1 襯砌內(nèi)部及背后狀態(tài)檢測新技術(shù)

襯砌混凝土的檢測方法有多種，但最常用的還是人工打擊，通過打擊回聲判斷襯砌內(nèi)部及背后有無缺陷。由于手工打擊作業(yè)效率低，勞動強度大，且安全隱患大，日本開發(fā)出了一種新技術(shù)——激光打擊聲，如圖2所示。該方法是采用高強度脈沖激光照射隧道壁面，誘發(fā)混凝土共振，根據(jù)共振頻率，判斷混凝土內(nèi)部缺陷。搭載在軌道車上，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、非接觸式探測襯砌內(nèi)部病害，但檢測深度有待進一步提高。

圖2 激光打擊聲檢測系統(tǒng)

圖3 敲擊回音診斷機

敲擊回音診斷機是另一種敲擊檢測設(shè)備[18]，如圖3 所示，采用大型通用的臂式機械手，機械手前端安裝有5個并列小錘，每隔0.2 s敲擊一次，每隔0.1 s根據(jù)聲壓級和聲壓衰減特性分析收到的回音診斷襯砌內(nèi)部及背后存在的病害。該診斷機可一次對30 cm的陣列點進行敲擊診斷，最大診斷效率可達(dá)400 m3/h，但仍需要進一步提高。

2.2 襯砌變形檢測新技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)利用激光測距原理，如圖4所示，記錄被測物體表面大量密集點的三維坐標(biāo)信息和反射率信息，即點云數(shù)據(jù)，通過計算機技術(shù)建立被測目標(biāo)的三維矢量模型。

圖4 三維激光掃描原理

在襯砌變形檢測方面，謝雄耀等[19]提出了基于三維激光掃描技術(shù)的隧道全斷面變形測量方法，使隧道變形可視化。李宗平等[20]提出基于三維激光掃描數(shù)據(jù)，采用點云及模型嵌套技術(shù)，快速實現(xiàn)隧道三維變形、支護侵限、二襯厚度評估等。三維激光掃描不受外界光源限制，但采集過程需要不斷移動設(shè)備，采集信息數(shù)據(jù)量大，后期處理任務(wù)重。

光纖傳感技術(shù)在國際上屬于尖端技術(shù)。其工作原理是：由于外界被測參數(shù)作用，入射光與在光纖傳輸過程中，其光學(xué)性質(zhì)如頻率、波長(顏色)、強度、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，通過光探測器進行調(diào)解處理后即可獲得被測參數(shù)[21]，如圖5所示。

圖5 光纖監(jiān)測技術(shù)原理

與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)相比，光纖監(jiān)測具有距離長、精度高和耐久性好等特點。以分布式光纖為例，定位誤差在±5 cm，應(yīng)變誤差為±(2～50)×10-6。光纖傳感技術(shù)在隧道縱向和環(huán)向變形監(jiān)測上發(fā)揮著重要作用[22-24]，但該方法對安裝精度要求極高，光纖本身易折斷，安裝成本高。

2.3 檢測平臺行走方式新技術(shù)

1)在病害檢測方面

西班牙Euroconsult公司開發(fā)出了隧道檢測設(shè)備Tunneling[25]，時速能達(dá)到30 km。瑞士Terra公司開發(fā)的裂縫檢測設(shè)備tCrack，如圖6所示，可用于隧道裂縫檢測，速度約為2.5 km/h。上海通芮斯克公司研發(fā)出了MTI-100隧道檢測車，時速3～5 km，利用6臺CCD線陣相機，可實現(xiàn)裂縫、滲漏水、掉塊、剝落等病害的識別與位置記錄。西南交通大學(xué)王睿等[26]研制了車載式高鐵隧道襯砌裂縫檢測系統(tǒng)，檢測速度為13 km/h，可識別0.2 mm裂縫。中國鐵道科學(xué)研究院開發(fā)的隧道全息成像測量系統(tǒng)，可在時速5 km條件下動態(tài)生成隧道表面全息圖像，檢測分辨率優(yōu)于3 mm。

圖6 裂縫檢測設(shè)備tCrack

圖7 GPR5000及其工作原理示意

2)在襯砌變形方面

瑞士AMBERG公司生產(chǎn)的GPR5000移動測量系統(tǒng)[27]如圖7所示。該設(shè)備搭載二維激光掃描儀，在軌道上邊走邊掃描。通過IMS5000或TunnelMap軟件，對采集的點云數(shù)據(jù)進行解析和評價。該系統(tǒng)工作時激光頭以200 r/s超高速旋轉(zhuǎn)，采集速率為100萬點/s。其基于反射率的隧道全斷面掃描圖像，不僅可以測量隧道限界，還可用于人工識別襯砌滲漏水、掉塊、裂縫等病害。在測量行走速度≤1.5 km/h時，可識別0.3 mm 寬的裂縫；在測量行走速度≤6 km/h時，可識別1.5 mm寬的裂縫。最新型的GPR5000設(shè)備可自動行走，行駛速度較慢，約為4 km/h。如何提高檢測速度、自動識別表面病害是該系統(tǒng)仍需改進的地方。中國鐵道科學(xué)研究院自主研發(fā)的手推式鐵路凈空檢測儀SJ-S-100由檢測模塊和手推式小車組成，與該套設(shè)備功能相近。北京交通大學(xué)李鵬等[28]開發(fā)了隧道限界檢測車，通過搭載了多臺CCD線陣相機交叉采集隧道斷面信息并轉(zhuǎn)化成數(shù)字圖像實現(xiàn)隧道限界檢測目的，時速能達(dá)到70 km。

2.4 存在的問題

目前，隧道建設(shè)的顯著特點是長距離、大斷面。雖檢測與監(jiān)測技術(shù)得到了一些長足發(fā)展，但仍存在以下3個問題。

1)數(shù)據(jù)傳輸速度慢。隧道檢測與監(jiān)測范圍擴大，精度提高，必然會增加數(shù)據(jù)量。傳統(tǒng)的傳輸方法遠(yuǎn)不能滿足海量檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，人工攜帶存儲設(shè)備的方法速度慢，從而影響后續(xù)數(shù)據(jù)處理分析。

2)人工識別效率低。采集的大量檢測數(shù)據(jù)需要專門人員分析處理，不僅增加了人力成本，勞動強度大，而且檢測結(jié)果受人為主觀因素影響大。

3)檢測與監(jiān)測體系不完善。檢測與監(jiān)測技術(shù)日益增多，一種檢測手段可同時檢測多種病害，對同一種缺陷或病害也有多種檢測與監(jiān)測手段。如何運用好這些檢測與監(jiān)測技術(shù)，充分發(fā)揮其作用，目前尚未形成完善的隧道結(jié)構(gòu)病害綜合檢測體系[29-30]。

3 隧道檢測與監(jiān)測發(fā)展趨勢

3.1 洞內(nèi)洞外分級處理

隨著鐵路隧道數(shù)量日益增多，隧道檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)隨之增加。對于隧道圍巖和襯砌這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，企圖使用單一方法查明隧道實際情況是不可能的。單一技術(shù)存在一些弊端，干擾因素較多或結(jié)果精度不夠，因此，需要多項檢測與監(jiān)測技術(shù)相互補充和相互印證，這使得數(shù)據(jù)量更加龐大。如何高效地傳輸這些海量的檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)是首先要解決的問題。

根據(jù)隧道現(xiàn)場實際情況，采用基于物聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)，將檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸過程分為隧洞內(nèi)和洞外2部分，如圖8所示。

圖8 隧洞內(nèi)和洞外網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由于隧道內(nèi)信號非常弱或者無信號，因此，在隧道內(nèi)傳感器和檢測設(shè)備通過光纖或無線組網(wǎng)技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉磧?nèi)綜合洞室。然后通過GPU服務(wù)器作進行一級初步處理，去除冗余，提煉有用數(shù)據(jù)，縮小數(shù)據(jù)量。再通過洞口RTU基站，借助目前最先進的5G無線通信技術(shù)，將縮小后的檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)快速上傳到云處理平臺即隧道外BIM(Building Information Modeling)管理平臺進行二級最終處理。

3.2 人工智能識別

大量的隧道檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)靠人工識別耗時耗力，而且檢測結(jié)果依據(jù)經(jīng)驗因人而異，有失客觀性。通過人工智能實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速識別能有效解決這一問題。人工智能包括深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)平臺3個部分。深度學(xué)習(xí)是指利用已經(jīng)驗證的檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)與對應(yīng)的結(jié)果，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、蒙特卡洛搜索等方法對系統(tǒng)算法不斷訓(xùn)練，形成類似人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)“大腦”，再對后續(xù)檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)自動識別。數(shù)據(jù)挖掘是指根據(jù)通過統(tǒng)計分析、情報檢索、專家系統(tǒng)、機器學(xué)習(xí)等方法從目前已有的海量檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)中搜索隱藏的隧道潛在風(fēng)險和病害。大數(shù)據(jù)平臺是指利用廣泛的計算機網(wǎng)絡(luò)，采用分布式計算架構(gòu)，依托云計算的分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫、云存儲、在線識別、可視化等技術(shù)，實現(xiàn)檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)快速處理、及時反饋。

3.3 系統(tǒng)化

鐵路隧道檢測與監(jiān)測是一項系統(tǒng)工程，通過融合多項檢測與監(jiān)測技術(shù)，建立一套隧道健康狀態(tài)智能評判系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示。

圖9 鐵路隧道健康狀態(tài)智能評判系統(tǒng)

該體系依據(jù)“系統(tǒng)檢查、重點突出”的原則，不僅涵蓋前期地質(zhì)勘探調(diào)研，建設(shè)期的超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測和運營時期檢測工作，而且根據(jù)這些檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)確定隧道風(fēng)險區(qū)段，集中對風(fēng)險區(qū)段重點監(jiān)測。這些檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳匯總到同一個平臺上，即隧道BIM管理平臺下的隧道檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，根據(jù)隧道健康評判系統(tǒng)對隧道進行整體穩(wěn)定性評價。同時，提出合理的治理措施，確保隧道全生命周期安全。

4 結(jié)語

在國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和保護生態(tài)環(huán)境方針指導(dǎo)下，隧道因其充分利用土地資源、縮短行車?yán)锍獭⒐?jié)約資源、利于生態(tài)保護的優(yōu)點，在鐵路建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。由于勘察設(shè)計缺陷、施工質(zhì)量控制不嚴(yán)以及后期地質(zhì)災(zāi)害、結(jié)構(gòu)腐蝕等原因，隧道施工階段和后期運營階段都需要依靠檢測與監(jiān)測技術(shù)保證施工安全，保障運營維護。

本文首先總結(jié)歸納了新建隧道現(xiàn)有的監(jiān)控量測技術(shù)和運營隧道的檢測與監(jiān)測技術(shù)，并以襯砌內(nèi)部及背后狀態(tài)、襯砌變形檢測和檢測設(shè)備行走方式為例，介紹了國內(nèi)外當(dāng)前檢測與監(jiān)測新技術(shù)。根據(jù)當(dāng)前隧道建設(shè)長距離、大斷面的特點和現(xiàn)場實際情況，指出了隧道檢測與監(jiān)測技術(shù)仍存在的3大問題。針對這些問題，結(jié)合最新的科學(xué)技術(shù)，提出了隧道洞內(nèi)洞外分級處理、人工智能識別和檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)化3大發(fā)展趨勢，為鐵路修建和運營維護提供技術(shù)支撐。

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