陶 磊， 蔣雅君， 魏晨茜， 李 鵬， 劉世圭

(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031； 2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 成都 610041)

近20年來，我國(guó)公路隧道建設(shè)發(fā)展迅速，截止2019年底，我國(guó)大陸運(yùn)營(yíng)公路隧道已超過1.9萬(wàn)座，總長(zhǎng)超過1.8萬(wàn)km[1]。目前很多運(yùn)營(yíng)公路隧道逐漸出現(xiàn)各種病害，這些病害不僅影響隧道的使用功能，更對(duì)行車安全產(chǎn)生極大隱患[2]。為保障隧道內(nèi)行車安全，應(yīng)進(jìn)行隧道檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道病害，并進(jìn)行相應(yīng)的處治[3]。然而隨著我國(guó)運(yùn)營(yíng)隧道的數(shù)量越來越龐大，隧道檢測(cè)任務(wù)越來越繁重，運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)單位工作壓力增大[4]。

目前，我國(guó)公路隧道檢測(cè)主要以人工為主，即檢測(cè)人員配備必要的檢查工具或設(shè)備，采用在隧道內(nèi)步行或部分車行的方式，對(duì)隧道進(jìn)行目測(cè)或儀器檢查[5]。人工檢測(cè)速度慢，且檢測(cè)人員對(duì)病害的判斷主觀性較大，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間在隧道內(nèi)檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員的人身安全和健康存在一定風(fēng)險(xiǎn)[6]。為提高檢測(cè)效率和精度，公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[7-8]。根據(jù)檢測(cè)成像原理的不同，目前公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)主要分為基于攝像測(cè)量和基于激光掃描的2類自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[8]。這2類檢測(cè)系統(tǒng)尤其是前者，在隧道工程中已得到了一定應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是工作效率高、檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度低、檢測(cè)自動(dòng)化程度高，但因其數(shù)據(jù)量大、后處理較為復(fù)雜等缺點(diǎn)，在應(yīng)用中也存在一些局限[9-11]。

為對(duì)公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)踐應(yīng)用中的發(fā)展前景進(jìn)行分析，本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用情況，針對(duì)基于攝像測(cè)量原理的公路隧道快速檢測(cè)技術(shù)與人工檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比和分析，并從檢測(cè)工作實(shí)際需求出發(fā)探討該技術(shù)的發(fā)展方向，為推進(jìn)公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考。

1 公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)

以國(guó)內(nèi)某型隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)為例，結(jié)合其現(xiàn)場(chǎng)使用情況，對(duì)基于攝像測(cè)量的公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)的主要技術(shù)原理進(jìn)行總結(jié)。

1.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由供電及控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、圖像拼接系統(tǒng)、病害識(shí)別系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)5部分組成，如圖1所示。該快速檢測(cè)系統(tǒng)的部件主要包括牽引車、傳感器支架、測(cè)量機(jī)柜、GPS系統(tǒng)、儲(chǔ)存柜以及編碼器等，其外觀如圖2所示。

圖1 某型公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)組成

圖2 某型公路隧道快速檢測(cè)車[12]

1.2 成像及病害識(shí)別

1.2.1 采集系統(tǒng)

該采集系統(tǒng)的核心是基于攝像測(cè)量自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，即通過使用CCD(Charge Coupled Device)工業(yè)相機(jī)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行連續(xù)拍攝的方式得到隧道結(jié)構(gòu)表面圖像，然后利用后處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析，對(duì)圖像中的病害進(jìn)行識(shí)別、處理后提取得到具體的病害信息[8]，如圖3所示。

圖3 采集系統(tǒng)單張成果圖示例

1.2.2 圖像拼接系統(tǒng)

該隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)沿隧道壁面弧形方向設(shè)置有多個(gè)CCD工業(yè)相機(jī)，每個(gè)相機(jī)通過一次曝光可獲得一定范圍的隧道壁面圖像。在拍攝成像時(shí)，系統(tǒng)沿隧道壁面和設(shè)備行進(jìn)方向會(huì)得到多張邊緣部分重疊的隧道實(shí)景圖像，采集結(jié)束后通過后處理軟件對(duì)這些重疊的圖像進(jìn)行有序拼接，然后轉(zhuǎn)換形成隧道完整的二維表面影像[7]，其成果如圖4所示。

圖4 二維表面影像拼接成果示例

1.2.3 病害識(shí)別系統(tǒng)

在復(fù)雜的圖像中準(zhǔn)確識(shí)別各類病害并提取出具體的病害信息是病害識(shí)別系統(tǒng)所要解決的關(guān)鍵技術(shù)。目前后處理技術(shù)一般分為2步：一是預(yù)處理圖像，采用中值濾波方法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，消除圖像中的噪點(diǎn)，使圖像更清晰，更易于識(shí)別；二是提取病害數(shù)量化信息，通過邊緣算子等具體算法提取裂縫、滲水等病害的量化信息，裂縫主要以長(zhǎng)度、寬度等特征表征，滲水主要以面積等來描述[13]。具體的病害識(shí)別如圖5所示。

圖5 隧道襯砌病害識(shí)別成果示例

2 公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)比

通過該型公路隧道快速檢測(cè)車在實(shí)體隧道定期檢測(cè)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)與傳統(tǒng)人工檢測(cè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，分析如下。

2.1 檢測(cè)流程

公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)以及人工檢測(cè)工作流程分別如圖6、圖7所示?？紤]到不影響交通，兩者一次都只采集半幅隧道斷面信息。檢測(cè)車在正常行駛下進(jìn)行采集，待全幅斷面信息采集完后，在后處理軟件中將采集影像拼接成完整隧道斷面圖像，再識(shí)別并記錄病害類別、長(zhǎng)度、寬度及分布部位，最后以表格的形式導(dǎo)出整個(gè)隧道病害信息，為病害分析以及報(bào)告出具提供資料。人工檢測(cè)一般先對(duì)一側(cè)道路進(jìn)行封道，對(duì)該側(cè)半幅隧道進(jìn)行檢測(cè)，在檢測(cè)過程中對(duì)病害進(jìn)行人工定位、量測(cè)、描述記錄，待一側(cè)檢測(cè)完畢后再對(duì)另一側(cè)道路進(jìn)行封道、檢測(cè)，待兩側(cè)都檢測(cè)完成后再將病害信息匯總。

對(duì)比圖6和圖7可知，在隧道定期檢查過程中，隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)較人工檢測(cè)，對(duì)交通影響小，采用自動(dòng)化采集、信息化處理，檢測(cè)工作效率高，顯著降低了檢測(cè)人員工作安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)工作流程

圖7 人工檢測(cè)工作流程

2.2 定位與樁號(hào)

人工檢測(cè)時(shí)主要采用在邊墻部位臨時(shí)標(biāo)記人工樁號(hào)對(duì)隧道樁號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，作為隧道病害的定位參照物。人工樁號(hào)標(biāo)記方法存在一定誤差，導(dǎo)致隧道病害的定位也會(huì)產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)誤差，而且不同檢測(cè)單位設(shè)置樁號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，使得現(xiàn)場(chǎng)同一處病害前后2次檢測(cè)常常無法準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)[14]。

公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)利用GPS系統(tǒng)對(duì)行駛的檢測(cè)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，可獲取車輛行駛的軌跡以及具體空間坐標(biāo)的位置，在檢測(cè)過程中利用編碼器對(duì)具體里程樁號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，保證獲得車輛空間位置的統(tǒng)一性，人為因素產(chǎn)生的誤差大大降低，保證了隧道樁號(hào)的準(zhǔn)確性，也保證了隧道病害定位的精準(zhǔn)性[15]。

2.3 病害檢測(cè)項(xiàng)目

根據(jù)JTG H12—2015《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》[5]要求，隧道土建結(jié)構(gòu)定期檢查內(nèi)容包括了洞口、洞門、襯砌、路面、檢修道、排水系統(tǒng)、吊頂及各種預(yù)埋件、內(nèi)裝飾、標(biāo)志標(biāo)線及輪廓標(biāo)9大項(xiàng)，隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)可對(duì)襯砌、檢修道、內(nèi)裝飾等部位病害進(jìn)行檢測(cè)，目前還不能對(duì)隧道定期檢查全部項(xiàng)目進(jìn)行檢查，檢測(cè)內(nèi)容較為局限。

2.4 裂縫識(shí)別精度

基于攝像測(cè)量原理的公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)拍攝測(cè)量的主要裝置為CCD工業(yè)相機(jī)，其具有較高的動(dòng)態(tài)范圍、分辨率和靈敏度，裂縫識(shí)別精度可達(dá)0.2 mm[11, 16]。隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)掃描所識(shí)別的隧道襯砌表面裂縫寬度為0.3 mm，襯砌裂縫檢測(cè)實(shí)例如圖8所示。

圖8 隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)環(huán)向裂縫

人工檢測(cè)主要采用人工肉眼檢測(cè)并輔以儀器進(jìn)行檢測(cè)。肉眼檢測(cè)對(duì)裂縫的判斷主觀性較大，檢測(cè)精度低，難以保證檢測(cè)結(jié)果的精確性；除了常規(guī)憑借人工肉眼對(duì)裂縫進(jìn)行判斷外，還借助一些輔助儀器進(jìn)行人工檢測(cè)，如使用裂縫寬度觀測(cè)儀來測(cè)量裂縫寬度，即用具有一定放大倍數(shù)的顯微鏡直接觀測(cè)裂縫寬度，測(cè)量精度達(dá)到0.01 mm～0.05 mm[7]，如圖9所示。

圖9 裂縫寬度觀測(cè)儀測(cè)量

在隧道定期檢查中，隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)的裂縫檢測(cè)數(shù)據(jù)基本滿足隧道養(yǎng)護(hù)規(guī)范[5]中對(duì)裂縫評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的量級(jí)要求，相對(duì)于裂縫寬度觀測(cè)儀，隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)避免了繁瑣的儀器操作，提高了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)效率。

3 公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化

為提高公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，筆者結(jié)合公路隧道定期檢查的工作需求，探討該系統(tǒng)的下一步優(yōu)化方向。

3.1 增加可檢查的項(xiàng)目

目前該系統(tǒng)主要針對(duì)襯砌表觀病害進(jìn)行檢測(cè)，尚不能對(duì)隧道定期檢查的全部檢查項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)。為增強(qiáng)該系統(tǒng)在公路隧道定期檢查中的實(shí)用性，須對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，通過增加及調(diào)整布設(shè)攝像機(jī)位置與角度對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的其他部位進(jìn)行拍照，如在車頂布設(shè)相機(jī)用于對(duì)洞門進(jìn)行拍照，在車頭或車尾底部設(shè)置橫向排布的相機(jī)對(duì)路面拍照。

對(duì)于檢測(cè)設(shè)備難以檢查到的部位，如洞口、排水系統(tǒng)等可輔以人工檢測(cè)，利用人工檢測(cè)靈活性的優(yōu)勢(shì)，對(duì)這些部位進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)，以得到完整的定期檢查數(shù)據(jù)。

3.2 提高定位準(zhǔn)確度

隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)利用GPS系統(tǒng)對(duì)行駛的車輛進(jìn)行定位，在檢測(cè)過程中利用編碼器對(duì)具體里程樁號(hào)進(jìn)行標(biāo)定。在實(shí)際檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)在隧道內(nèi)因GPS信號(hào)易被削弱，傳播信號(hào)易中斷，導(dǎo)致提供的車輛位置信息不準(zhǔn)確；同時(shí)檢測(cè)車輛在行駛過程中，無法始終確保車輛軌跡與隧道軸線方向平行，導(dǎo)致編碼器對(duì)里程樁號(hào)標(biāo)定時(shí)造成偶然誤差。鑒于此，將INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS相組合，二者補(bǔ)強(qiáng)。INS的積累誤差能夠被GPS有效消除，而在GPS信號(hào)失鎖時(shí)INS能夠提供短時(shí)精確的定位[17]；在隧道二襯內(nèi)表面增加隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)可識(shí)別的養(yǎng)護(hù)樁號(hào)標(biāo)記，為后期數(shù)據(jù)處理中里程修正提供可靠的參考依據(jù)。

3.3 提高病害結(jié)果識(shí)別精度

實(shí)際運(yùn)營(yíng)隧道襯砌表面較為復(fù)雜，對(duì)后續(xù)圖像處理產(chǎn)生了較多干擾，如涂抹在襯砌表面的防火涂料、襯砌表面臟污等都會(huì)對(duì)圖像處理產(chǎn)生噪聲干擾，這些干擾最終會(huì)導(dǎo)致在識(shí)別裂縫時(shí)存在缺陷，如可能導(dǎo)致裂縫斷裂和寬度失真等問題，從而影響到裂縫病害的識(shí)別精度[18]。為提升實(shí)際檢測(cè)環(huán)境下病害結(jié)果識(shí)別精度，需從以下2方面著手：一是從拍攝測(cè)量原理出發(fā)，選用拍攝分辨率、拍攝精度更高的相機(jī)，以及改善相機(jī)拍攝過程中的輔助光源效果，減少不均勻光照產(chǎn)生的識(shí)別干擾；二是從后期圖像處理出發(fā)，針對(duì)影響裂縫識(shí)別的圖像噪聲、不均勻光照干擾，應(yīng)分別開發(fā)適用的后處理算法，來提高隧道襯砌表面圖像的清晰度和病害識(shí)別效果。

3.4 制定快速檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

在我國(guó)近年運(yùn)營(yíng)隧道檢測(cè)工作中，公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)得到了快速應(yīng)用，但是缺乏專門針對(duì)隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，另外也由于成像原理、識(shí)別精度、數(shù)據(jù)格式等方面的差異，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和通用性也存在一定局限，對(duì)后期養(yǎng)護(hù)工作造成不便。據(jù)了解，重慶某高校已在編制公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)快速檢測(cè)規(guī)程，該規(guī)程將建立快速、統(tǒng)一的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系，有利于確保檢測(cè)工作高效率的進(jìn)行以及技術(shù)成果的通用性。

3.5 納入隧道養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)

在隧道運(yùn)營(yíng)管理中，檢測(cè)數(shù)據(jù)是隧道安全性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，是為隧道養(yǎng)護(hù)維修提供具體決策方案的依據(jù)之一[19]。將公路隧道快速檢測(cè)的數(shù)據(jù)納入隧道養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)中，可為隧道的安全性評(píng)價(jià)及未來狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)提供及時(shí)、有效的數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而可為隧道的養(yǎng)護(hù)維修提供更合理的決策方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

作為隧道檢測(cè)技術(shù)未來發(fā)展的趨勢(shì)之一，近年來我國(guó)公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)正在得到逐步的推廣和應(yīng)用。公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)效率高的優(yōu)勢(shì)，對(duì)病害識(shí)別能達(dá)到一定的精度要求，一定程度上緩解了運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)單位越來越繁重的隧道檢測(cè)壓力。

同時(shí)，目前階段在實(shí)際應(yīng)用中隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)仍存在一定的局限，如檢查項(xiàng)目有限、樁號(hào)及病害定位誤差、病害識(shí)別失真、后期數(shù)據(jù)處理繁瑣等，仍然需要繼續(xù)開展相關(guān)的研發(fā)工作，提高其實(shí)用性。檢測(cè)工作作為隧道養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)重要的一環(huán)，建立規(guī)范化的快速檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系以及提供更加準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)也是公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)未來發(fā)展的方向。