铁路隧道衬砌状态检查车研制及运用

张翠兵

(中国铁路总公司运输局，北京100844)

铁路隧道衬砌状态检查车研制及运用

张翠兵

(中国铁路总公司运输局，北京100844)

通过对国内外隧道衬砌、隧底检测技术和装备进行对比分析，结合我国铁路隧道衬砌状态检测需求，对车载地质雷达系统的主要技术指标和关键技术问题进行了探讨，提出了隧道状态快速检测车的技术方案，研制了铁路隧道衬砌状态检查车。该车可同时对衬砌5条测线、隧底3条测线进行检测，实现了全隧道的无损检测，最高检测速度可达10 km/h，并在新建和既有铁路上得到成功运用，显著提高了铁路隧道无损检测的效率，减轻了劳动强度。

铁路隧道 衬砌 隧底 地质雷达 无损检测

1 概述

隧道作为重要的铁路基础设施，其状态好坏直接关系到铁路行车安全及运输效能。截至2013年底，全路共有运营隧道7 349座4 929.49 km，合资铁路隧道2 981座3 435.81 km。这些隧道建设年代不同，材料各异，结构多样。大量早期建设的隧道，存在不同程度的病害。2013年国家铁路桥隧秋检数据表明，运营线上7 193座隧道中，按照铁路劣化评定标准，劣化等级达到B级及以上的有4 920座，劣化率达到68.4%，且呈逐年上升趋势。《铁路桥隧建筑物修理规则》要求对隧道进行定期检测，及早发现病害，但以往由于检测技术落后，主要依靠表面目视检查、钉锤敲击、人工记录等方法，费工费时。许多检测项目由于缺乏有效检测手段难以实施，大量早期病害和隐性病害(如隧道衬砌厚度不足、围岩状态劣化等)难以及时发现，隧道状态检测技术急需提高。

一些发达国家对隧道衬砌质量和病害检测主要采用地质雷达进行，并研发了专门的车载设备。德国GBM Wiebe公司生产的隧道检测设备主要由4部SIR-20型雷达主机、3台400 MHz屏蔽天线以及Weibe公司生产的400 MHz空气耦合天线组成;该系统可同时检测隧道衬砌厚度、背后空洞及仰拱基底状况，检测深度可达3.0 m。日本JR东日本旅客铁道公司和日本三井船舶公司合作开发的隧道衬砌检测车CLIC(Concrete Lining Inspection Car)，采用轨行式自轮运转车，装备16通道收发空气耦合阵列天线，雷达波中心频率1.5 GHz(频带宽度100 MHz～35 GHz)。衬砌检测车采用3台雷达探测器3次往返检测14条测线，每台雷达探测器扫描覆盖宽度1 m，最大检查深度40 cm，工作速度为3.5 km/h。

近年来，使用地质雷达对隧道进行无损检测的方法也在国内既有铁路和新建铁路隧道验收中广泛应用。原铁道部制定了《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》(TB 10223—2004)、《铁路工程物理勘探规范》(TB 10013—2010)等对其进行规范化管理。《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》(TB 10753—2010)中也要求对隧道衬砌混凝土厚度、背后回填密实度采用无损检测，拱顶设置1条测线，左右拱腰、边墙各设置1条测线，隧底2条测线，全隧检测。

传统的地质雷达检测操作时需搭设操作平台将操作人员抬升到较高的位置，操作人员手持天线进行检测，且一次只能检测1条测线，费时费力，检测速度不高，检测效率较低。特别是在既有线检测时，由于铁路天窗时间有限，该种检测方法远不能满足现场需求，研制先进的隧道衬砌状态检测车，对铁路隧道的技术状态进行快速、准确的检测就显得尤为迫切。

2 隧道衬砌状态检查车研制思路

隧道状态检查车可利用现有客车车体，通过在车体上加装液压操作设备后，再安装地质雷达检测设备。检查车自身不带动力，挂在列车尾部运行，可以快速到达检测目的地，然后加挂在轨道车或机车后对隧道衬砌内部和隧底进行检测。

2.1隧道衬砌内部检测

隧道状态检查车基于对单线隧道衬砌同时检测5条测线，满足最低测线要求的思想，设计确定:安装5条支撑地质雷达天线的机械臂及其控制设备。各臂可以同时工作，每条臂可以在45°范围内旋转并伸缩。

对于病害严重隧道或二、三线隧道，若需要加密测线，可以调整机械臂的位置，进行双向反复检测。

2.2 隧底检测

隧道状态检查车设计可以同时或单独进行衬砌、隧底状态检测。也可以单独进行衬砌检测或隧底检测。隧底状态检测测线为线路中心和钢轨外侧共3条。隧底检测的3个地质雷达天线安装在车体下部。

2.3 地质雷达主要技术指标

2.3.1 检测深度确定

按照《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)规定，对于Ⅱ～Ⅴ级围岩，双线隧道衬砌拱墙部位总厚度35～70 cm，考虑到要探测衬砌背后围岩状况，探测深度确定为1.5 m，能够满足对于衬砌拱墙部位的检测评定要求。

建国以来各时期采用的隧道衬砌标准设计图达数十种。对于有仰拱隧道，双线隧道从轨面到仰拱最低点顶面的距离有176 cm(专隧(93)0030标准图)、202 cm(专隧(01)0034标准图)等。若仰拱厚度按照70 cm计算，轨顶至仰拱底面的距离约2.7 m。若从砟顶算起，约为2.4 m。因此要求检测深度最少能够达到砟顶以下2.5 m，即能够查清大多数隧道仰拱下部情况。

2.3.2 检测精度

《铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定》(铁运函［2004］174号)给出了隧道衬砌缺陷及病害的量化指标如衬砌厚度、衬砌背后空洞长度、回填不密实的长度、基底不密实的长度、仰拱或地板裂损长度等。这给衬砌和隧底检测的精度提出要求。

采用地质雷达进行衬砌和隧底检测的精度，与雷达系统的分辨率密切相关。理论上，分辨率取决于雷达波的脉冲宽度(对应天线中心频率)与探测目标的埋置深度。在一定的中心频率下，分辨率受频带宽度影响，频带宽度又受到天线制造工艺的影响。分辨率分为垂直分辨率和横向分辨率。垂直分辨率决定了对地层厚度、空洞垂向宽度等的量测精度;横向分辨率决定对空洞纵向长度、仰拱纵向裂损长度等的量测精度。

《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》(TB 10223—2004)规定:地质雷达天线可以采用不同频率的天线组合，垂直分辨率应高于2 cm。

依照上述规定，将地质雷达天线的分辨率定为2 cm。在实际检测过程，可以依据检测目标情况，在雷达参数、检测速度等方面进行最优参数设置，保证检测精度。

2.3.3 检测速度

检测速度影响隧道状态检查车的现场检测能力。国内到目前为止，对于衬砌均采用接触式检测。即由人工手持天线，使之密贴在衬砌表面。有时采用轨道车、铲车等架设支架提供人工平台。这种方式决定了检测速度一般不超过5 km/h，理想情况下可到7～8 km/h。

隧道状态检查车在满足检测精度要求下，对检测速度目标的设定，既要有所突破，又要考虑各种制约因素。隧道现场存在各种影响检测速度的制约因素，如电化隧道接触网对拱顶检测形成制约，隧道变截面时要对天线支撑臂的长短进行调整，隧道的照明等附属设施可能对某些测线有影响等等。

检测速度也对地质雷达的技术参数提出要求。检测速度与测点的密度、扫描速率和通道的脉冲重复频率有关。在采样点数一定(一般采用512点)的情况下，单通道脉冲重复频率越高，扫描速率越高。理论上，检测速度为扫描速率与测点间距的乘积，当测点间距一定时，扫描速率越高，检测速度就越高。一般确定一个物体需要20道扫描线。

对于路基检测，根据西安铁路局科研所的经验，测点间距一般设置在5～10 cm。测点间距5 cm，每1 m有20个扫描线。轨枕间距40 cm，有8个扫描线，轨枕宽20 cm，有4个扫描线，可以清晰地看到每根轨枕。一般认为测点间距5 cm的测试速度为最佳速度。测点间距10 cm时的测试速度为最高速度。在测点间距5 cm的情况下，英国和德国的车载路基地质雷达检测速度达到100 km/h。线路方向测点密度决定了水平方向上的分辨率。测点间距5 cm，在30 m的图像上，4 m宽的涵洞比较容易分辨，2 m以下宽度的涵洞比较难以分辨。

对于隧道衬砌和隧底检测，由于是对混凝土构筑物进行检测，加之上面提到的制约因素，设定了比路基检测更高标准的测点间距目标值和较低的检测速度目标值。采用测点间距2 cm。这样，对于0.5 m长的缺陷，可以有25个扫描线，比较容易识别。检测速度目标值设定为10 km/h。

2.4 视频监控

隧道内有各种附属设施，既可能对地质雷达信号产生干扰，影响后期缺陷判识，也可能妨碍天线的正常前进。隧道状态检查车应设置视频摄像系统，对隧道全断面进行摄像，以查清现场环境和可能的突发情况，

以便现场应急处置。视频摄像系统配合激光表面成像系统，可以为后期病害判识中干扰的排除提供帮助。

3 隧道状态检查车关键技术问题

3.1 隧道状态检查车车体

车体采用一节客车车厢，为25T型车体，运营速度160 km/h，定员12人。车辆不自带动力，在转运过程中加挂在列车尾部运行，到达目的地后，加挂在轨道车或机车后进行检测。检测方向固定，车辆的一位端为前进方向，二位端为检测系统端(见图1)。

图1 隧检车车体

3.2 液压机械臂支撑系统

地质雷达安装在液压机械臂支撑系统上，通过液压臂支撑系统把地质雷达送到要求的检测位置上。液压臂支撑系统由电器控制装置、液压驱动装置及5条相互独立的液压臂组成。5条机械臂布置于隧道状态检查车二位端，对应检测拱顶、左右拱腰、左右侧墙5条测线，可一次完成单线隧道检测。

5条液压臂呈X形布置在检测车平台上(图2)。雷达小车在液压臂顶端，其底座固定在多级伸缩臂中最内一级套筒顶部，多级伸缩臂带动雷达小车升降，探测时雷达小车紧贴隧道衬砌内壁。多级伸缩臂的伸长动作由多级柱塞液压缸驱动完成，收缩动作由液压绞车及钢丝绳拖拽完成(图3)。液压臂通过摆动液压缸的伸缩实现在隧道壁面的摆动。5条液压臂可以全部收回至检测车内，伸出后各液压臂的摆动范围为45°，5套雷达检测装置就可以完成隧道地面以上180°范围内指定位置的探测工作。5条液压臂伸缩与摆动均可单独控制，互不干扰。

为适应不同限界隧道的探测，液压臂采用了一种新型的双四连杆机构，可以把液压臂顶端雷达送到与隧道表面近似平行的位置，以达到自动检测隧道衬砌内壁的目的。液压臂通过其顶部的具有避障功能的小车与雷达天线连接。小车采用实心橡胶轮胎与衬砌表面接触，能够保证天线底面与衬砌表面距离固定，见图4。

图2 液压机械臂支撑系统

图3 液压臂构造示意

图4 带避障功能的小车

3.3 隧道衬砌及隧底检测系统

检测系统由隧道衬砌检测模块、隧底检测模块、视频监控模块及测距模块组成。

隧道衬砌状态检测模块包括:1台主机连接5个400 MHz+900 MHz空气耦合式屏蔽天线阵，天线布置于机械臂小车内，5个天线阵通过“桥接”方式连接到主机。

隧底状态检测模块包括2台主机，共4个通道，1台连接3个400 MHz空气耦合式屏蔽天线，另1台连接900 MHz空气耦合式屏蔽天线，天线悬挂于车下中间位置(图5)。

隧道衬砌和隧底检测系统的3台雷达主机通过SINC-UNIT集成化同步单元连接。同步单元将接收到的软件发出的指令分别传递给隧底雷达控制单元和衬砌雷达控制单元，使隧底雷达系统和衬砌雷达系统同步工作，然后隧底雷达控制单元和衬砌雷达控制单元再把采集的数据返回同步单元，雷达数据、视频数据经同步处理后，在数据记录仪上显示、存储。数据记录仪为一台工业控制计算机，并设置一台安装有采集软件的便携式计算机备用。

视频监控模块由分别布置于车顶、隧底的两台摄像机组成，可同步显示、记录检测过程中衬砌表面及隧底情况。测距模块是车载探地雷达系统的重要组成部分，由多普勒测距仪及光电编码器组成，主要用于确定车辆的运行位置。多普勒测距仪应用于高速状态，光电编码器应用于低速状态。

图5 隧底检测雷达天线

4 试运用情况

隧检车研制完成后，先后在北京铁路枢纽西北环线3号隧道、达成线开展了现场试验及试运用。隧检车前后分别连接一辆轨道车，试验时由其中的一辆轨道车牵引。北京铁路枢纽西北环线3号隧道全长为3 453.8 m，建成于1982年，为单线电气化隧道。隧道衬砌形式为直墙式，衬砌材料有混凝土、喷射混凝土及钢筋混凝土。隧底为整体道床，素混凝土铺底，个别区段采用钢筋混凝土仰拱。试验时雷达采集参数设置为道间距2 cm，采样点数512。典型雷达图见图6(a)。2012年，利用隧检车对达成线部分隧道进行了检测，对施工质量和内部缺陷进行了评判，典型检测图像见图6(b)、图6(c)。经现场复核和破检证明，检测结果真实可靠。

图6 地质雷达反射图

5 结论

1)隧检车采用25T型客车车体，集成了地质雷达检测、液压机械臂支撑、视频监视、数据采集及处理等系统，可一次实现隧道衬砌5条测线及隧底3条测线的连续检测和数据采集。

2)通过采用400 MHz+900 MHz天线组合方式，可检测出衬砌厚度、钢筋分布、衬砌及背后缺陷等，检测深度不小于1.5 m，检测速度最高可达10 km/h。

3)液压机械臂支撑系统的5条机械臂可独立进行伸缩、旋转，最大伸出量达8.1 m，可满足大断面铁路隧道衬砌检测的需要。

综上，该车可以满足隧道衬砌、隧底及路基状态检测要求，可有效指导隧道、路基设备的养护维修。下一步将继续研究如何提高液压机械臂对电气化铁路隧道内接触网支柱的避障效果，提高电气化铁路隧道的检测效率。

［1］中华人民共和国铁道部．TG/GW 103—2010铁路桥隧建筑物修理规则［S］．北京:中国铁道出版社，2010．

［2］中华人民共和国铁道部．TB 10223—2004铁路隧道衬砌质量无损检测规程［S］．北京:中国铁道出版社，2004．

［3］中华人民共和国铁道部．TB 10753—2010高速铁路隧道工程施工质量验收标准［S］．北京:中国铁道出版社，2010．

［4］中华人民共和国铁道部．TB 10003—2005铁路隧道设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

［5］中华人民共和国铁道部运输局．铁运函［2004］174号铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定［S］．北京:中华人民共和国铁道部运输局，2004．

［6］昝月稳，张安学，小田义野．铁路路基状态检查车的研制及应用［J］．路基工程，2007(5):30-31．

［7］徐曙，张学飞．新型双四连杆机构在隧道检测装置中的应用［J］．铁道车辆，2013，51(6):31-33．

Research，manufacture and application of inspection vehicle for detecting railway tunnel lining condition

ZHANG Cuibing
(Transport Bureau，China Railway Corporation，Beijing 100081，China)

T hrough analysis comparison of detection technology and equipments for tunnel lining and bottom at home and abroad．By combing with the need of railway tunnel lining state detection in China，the main technical indexes and key technology problems of geological radar system on the vehicle were discussed，technical solution of fast inspection car for tunnel state was presented，and inspection car for the railway tunnel lining state was developed，which could detect 5 lines of tunnel lining and 3 lines of tunnel bottom at the same time and achieve the nondestructive testing of whole tunnel．T he inspection car can reach a maximum detection speed of 10 km/h and has been used in some new and existing railways successfully，which could greatly improve the speed and efficiency of railway tunnel nondestructive detection and reduce the labor intensity．

Railway tunnel;T unnel lining;T unnel bottom;Geological radar;Nondestructive testing

U457+．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．12

1003-1995(2015)04-0040-05

(责任审编 李付军)

2014-12-09;

2015-01-20

铁道部科技研究开发计划项目(2008G017-A)

张翠兵(1973—)，男，四川蓬溪人，高级工程师，博士。