唐 超，劉 春，周澤棲

（重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，重慶 401331）

近年來，我國隧道及地下工程建設(shè)事業(yè)有了較快發(fā)展，運營隧道數(shù)量、長度均快速增加。運營隧道大多具有隱蔽性特征，襯砌結(jié)構(gòu)受外界因素影響較大。隨著運營時間的延長、隧道主體相關(guān)力學(xué)性能出現(xiàn)偏差及地質(zhì)因素的影響等，各種隧道襯砌病害問題浮現(xiàn)。隧道在我國民眾的生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要的作用，一旦隧道出現(xiàn)事故，將對人們的生命財產(chǎn)安全造成巨大的影響。因此，對隧道結(jié)構(gòu)采取定期檢查檢測，保障隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)是必不可少的一環(huán)。針對襯砌病害日益突出的問題，發(fā)達國家如德國、日本等，較早就開始了關(guān)于隧道快速檢測技術(shù)方面的研究，相關(guān)技術(shù)及裝備已經(jīng)較為成熟，近年來，國內(nèi)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(shù)是隧道病害檢測的發(fā)展趨勢。本研究對目前國內(nèi)外隧道無損檢測技術(shù)及快速檢測裝備的研究應(yīng)用進行分析，對檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢和研究方向進行預(yù)測與展望，以識別運營隧道的安全風(fēng)險，為保證隧道長期安全穩(wěn)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是襯砌病害檢測關(guān)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(zhì)條件、施工及設(shè)計因素、運營環(huán)境、自然災(zāi)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(huán)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(xiàn)形式，通常情況下伴隨著其他幾種病害同時發(fā)生。這些病害大大降低了隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(shù)

隧道無損檢測技術(shù)是指在不破壞隧道結(jié)構(gòu)本身的狀態(tài)及特性等前提下，識別隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的病害而產(chǎn)生的新興技術(shù)，主要對目前國內(nèi)外研究較多的探地雷達技術(shù)、沖擊彈性波技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、圖像處理技術(shù)進行研究。

2.1 表觀狀態(tài)檢測技術(shù)

表觀狀態(tài)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(guān)系，可以分為縱向裂縫、環(huán)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。目前，國內(nèi)外對于隧道襯砌表觀狀態(tài)的檢測，主要是通過圖像處理技術(shù)及三維激光掃描技術(shù)完成。

2.1.1 圖像處理技術(shù)

圖像處理技術(shù)，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(tǒng)，對隧道襯砌表面進行連續(xù)信息采樣，通過信號的轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為計算機可識別信息并保存分析，經(jīng)過圖像處理，提取隧道裂縫相關(guān)信息，判斷隧道病害信息。某學(xué)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(xiàn)隧道襯砌裂縫的智能識別。另一學(xué)者對裂縫圖像的處理過程進行了優(yōu)化，消除了由采集設(shè)備不穩(wěn)定、外部環(huán)境的復(fù)雜性造成的噪聲問題。西南交通大學(xué)冷彪等[2]利用線陣相機及各種設(shè)備，提出了線掃描檢測方法，對隧道襯砌裂縫狀態(tài)進行分析。

2.1.2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描檢測技術(shù)主要通過檢測車的激光掃描運轉(zhuǎn)，對隧道襯砌表面發(fā)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(shù)據(jù)分析，得到三維坐標，形成裂縫灰度圖像，同時應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)，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(shù)發(fā)展到三維測量領(lǐng)域。目前，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到更高的測量精度和更廣的應(yīng)用領(lǐng)域。某學(xué)者在三維激光掃描技術(shù)的裂縫采集及提取方面進行了改進；另一學(xué)者把三維激光掃描技術(shù)與近景攝影測量技術(shù)在隧道的檢測監(jiān)測中進行結(jié)合運用；謝雄耀等[3]提出了一種基于點云數(shù)據(jù)的隧道三維建模算法并驗證其可靠性。

2.2 內(nèi)部狀態(tài)檢測技術(shù)

內(nèi)部狀態(tài)檢測技術(shù)主要用于混凝土內(nèi)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(nèi)部缺陷屬于隱蔽性病害，需采用專業(yè)技術(shù)進行病害檢測?！惰F路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》（TB 10233—2004）中明確了探地雷達技術(shù)及沖擊彈性波技術(shù)可用于隧道襯砌病害檢測。

2.2.1 探地雷達技術(shù)

探地雷達（Ground Penetrating Rada，GPR）是通過發(fā)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(zhì)邊界時，部分波能將被反射，其余的波能將傳輸?shù)秸谶M行的介質(zhì)中。由發(fā)射的電磁波脈沖收集的數(shù)據(jù)，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(zhì)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(xué)者探究了探地雷達技術(shù)在隧道襯砌缺陷檢測中的具體應(yīng)用；另一學(xué)者對地下工程的地質(zhì)雷達超前探測領(lǐng)域進行了系統(tǒng)研究。昝月穩(wěn)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(shù)

沖擊彈性波技術(shù)是利用激振錘激發(fā)產(chǎn)生彈性波的原理，基于彈性波與襯砌內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振作用，結(jié)合共振頻率，計算混凝土缺陷位置及裂縫等，根據(jù)振動產(chǎn)生的應(yīng)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(jié)構(gòu)缺陷及力學(xué)性能。國內(nèi)學(xué)者姜勇等[5]通過現(xiàn)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(guān)系，結(jié)合測強曲線，研發(fā)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(shù)，同時也需要相匹配的設(shè)備儀器，二者結(jié)合才能完善檢測程序。將各種病害檢測技術(shù)搭載在巡檢設(shè)備上進行綜合智能化檢測，是隧道檢測領(lǐng)域的發(fā)展方向。

3.1 無人機

無人機由于高效的巡查功能，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，具有體積小、可搭載多傳感器、操控簡單的特點，在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理平臺。處理平臺對異常數(shù)據(jù)作出預(yù)警，實時監(jiān)測隧道病害信息。2020年3月，東京地鐵公司發(fā)明了一種無人駕駛遙控飛機來協(xié)助東京地鐵系統(tǒng)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(nèi)應(yīng)用最為廣泛的移動檢測裝備，通過搭載各種檢測設(shè)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(shè)備相對應(yīng)的算法軟件，對設(shè)備所收集的數(shù)據(jù)進行處理分析，及時得到巡檢結(jié)果。目前，國內(nèi)外搭載線陣CCD相機的先進巡檢車，有日本株式會社研發(fā)的MIMM-R型檢測車、武大卓越TFS隧道快速測量系統(tǒng)、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(shù)的快速檢測設(shè)備，包括德國的TS3系統(tǒng)、瑞士的GPR5000檢測系統(tǒng)以及加拿大的LTSS檢測系統(tǒng)，檢測精度及效率處于領(lǐng)先水平?？焖傺矙z裝備可實現(xiàn)檢測隧道內(nèi)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(jié)語

無損檢測方法區(qū)別于傳統(tǒng)檢測方法，具有更加高效、精準且不損害結(jié)構(gòu)本身的特點，但是仍然存在一些弊端。圖像處理技術(shù)在快速自動化識別方面有所欠缺；三維激光掃描檢測技術(shù)受限于檢測速度，檢測效率較低；探地雷達技術(shù)圖像解譯主觀性較強，辨識精度低；沖擊彈性波技術(shù)在檢測混凝土強度時，未考慮到鋼筋的影響，結(jié)果存在誤差。隨著5G時代的來臨，發(fā)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(tǒng)，是未來隧道檢測領(lǐng)域的研究方向。