公路隧道健康状态综合检测技术探讨

■何祖辉

（1.福建省交通科学技术研究所;2.福建省公路水运工程重点实验室，福州 350004）

1 公路隧道现状分析

我国是一个多山的国家，75%左右的国土是山地或重丘，为了缩短公路里程，改善路线线形和交通运输条件，保护环境，节约土地，山区公路建设中已越来越重视隧道方案[1]。近10年来，随着我国交通基础设施建设规模的逐步扩大，高速公路建设迅猛发展，公路隧道数量日益增多，建设规模越来越大。据我国公路水路交通行业统计，截至2016年底，全国公路总里程达457.73×104km，公路隧道15181处、1403.97×104m，相比2015年增加1175处、135.58×104m。 其中，特长隧道 815处、362.27×104m，长隧道 3520 处、604.55×104m[2]。

图1 中国公路隧道数量历年增长示意图

我国隧道多在2000年后建成，经过10多年的使用，已经进入病害多发期，从最近几年的建设规模和速度来看，其中公路隧道每年以净增1000座以上的速度在增长，从隧道的数量、已有规模来看，我国已成为世界上隧道工程最多、最复杂、发展最快的国家。

常规的检测工作是隧道养护工作的重要环节。传统的隧道病害检测以人工作业为主，辅助激光测距仪、红外测温仪、超声波探伤仪和地质雷达等仪器，检测速度慢，劳动强度大，危险系数高，不能满足大规模隧道的普查工作，更不适合在运营中的公路或铁路隧道进行检测。为此，本文提出采用智能检测车（对隧道衬砌外观检测）、地质雷达（对隧道衬砌内部检测）与人工调查相结合的综合检测技术。

2 智能检测车快速检测系统（TFS）

2.1 快速检测系统简介

系统通过无损检测方式，以0～80km/h速度对隧道进行动态连续检测。以中型底盘车作为车载平台，在平台上安装多个精密传感器，如POS定位系统、里程计、工业相机、断面扫描仪、红外热像仪等。如图2所示。

智能检测车一次通行，即可完成隧道定位、衬砌裂缝、渗漏水、断面变形、通风、照度、交安设施等综合数据的采集，采用相应的软件模块对数据进行管理分析，可检索查询隧道病害情况，根据指标计算模型对隧道病害进行评价并可一键生成检测报告及展示图[3][4]，如图3所示。

图2 公路隧道快速检测车

图3 隧道检测系统总体框架图

2.2 快速检测各子系统

快速检测各子系统如图4～8所示。

图4 定位系统中布置在隧道内的控制标靶

（1）定位系统

由于隧道中GPS信号完全被屏蔽，即使采用惯性导航等高精度定位设备，在长大隧道的情况下，误差会随着隧道的长度增加而累积，最终的结果偏差较大而达不到定位目的。

接下来，我的“麻烦”便接踵而至。首先，找到我的是机械加工车间的主任，见面第一句话：“你为什么没有提前跟我沟通？你有什么资格处罚他们？”“你知道吗，被处罚的两名员工都是在这里工作了十几年的老员工，你考虑过他们的感受吗？”听到这些，我极力反驳，一场争吵不可避免的发生了。

图5 衬砌裂缝检测子系统

图6 衬砌渗漏水检测子系统

图7 断面形变检测子系统

图8 亮度检测子系统

为了克服隧道中GPS信号被屏蔽的影响，获得长期高精度轨迹，引入外部高精度位置信息对误差进行修正。本文提出了一种适用于无GPS信号环境下DMI融合测量控制点数据的方法进行定位。该方法建立在高精度DMI里程计和公路隧道快速检测系统获取隧道断面数量的基础上，引入测量控制点传递定位，通过公路隧道快速检测系统采集的衬砌影像获取测量控制点位置，如图4所示，对隧道内桩号进行修正，限制其误差发散，从而得到高精度空间位置，保证病害定位精度≤0.05%（长大隧道需布置控制点）。

图9 隧道桩号定位示意图

（2）衬砌裂缝检测子系统

隧道衬砌裂损、检修道等病害的获取采用48盏高亮度频闪LED辅助照明16台高分辨率面阵相机对隧道的衬砌表观、检修道进行连续影像拍摄。获取隧道衬砌全副影像需先检测单洞两车道或单洞三车道隧道的1/2单洞，然后检测另外1/2单洞，对采集的隧道断面影像进行无缝拼接，可实现公路隧道快速检测系统获取真实的衬砌全断面影像。

（3）衬砌渗漏水检测子系统

检测车配有多台高分辨率红外热像仪，使用红外热像仪完成双车道隧道内壁热图像数据的采集，通过温度差异性的分析，实现隧道内壁渗水、漏水、脱空等病害的识别。

（4）断面形变检测子系统

检测车配有单台高精度激光扫描仪，利用激光扫描仪一次扫描完毕后，即可得到整个隧道的断面尺寸，根据隧道表面细微的段差，得出隧道检查所需要的高精度3D形状，可用于判断隧道净空尺寸与设计断面尺寸及建筑限界的相关关系，进一步确保隧道内行车安全。

（5）亮度检测子系统

采用LMK亮度测试仪通过获得的景观在图像上的灰度信息来计算真实的亮度值，这样获得的图像上就包含了景观的亮度信息和几何空间信息。这样就实现了用非常简单、省时的方法解决复杂的测试任务。对于长距离的道路或隧道，可以动态获取图像系列的方法来完成测试。获得的亮度分布图像可以在办公室里进行分析处理，借助于专业图像解析的亮度测试技术，整个范围的道路、隧道立面亮度、照度信息可以同时获得。

关于照明情况的初步的一般信息通过伪彩色的形式形象的显示在获得的亮度图像中。如图8所示，不同的颜色表示不同的亮度值。图像的右边既是不同颜色与亮度值的对应关系。对图像进行取对数处理，可更加直观的展示动态范围较高的图像。

2.3 试验比对分析

为了验证智能检测车快速检测系统（TFS）对隧道进行快速自动化检测时所采集数据的准确性，测试与传统人工测量方式所采集的数据在隧道病害定位、类型判别、尺寸测量等方面的偏差，本次试验将智能检测车对某隧道的自动化检测数据与使用裂缝宽度仪对隧道的人工检测数据进行比对。

智能检测车对隧道由南到北行驶方向的单洞全幅，以60km/h的检测速度进行自动化测量，并使用配套的数据处理软件对隧道病害的桩号定位、类型、尺寸等进行处理自动输出隧道病害明细表。原始图像数据存挡以备后期比对核验。

使用ZBL-F103裂缝宽度观测仪，对隧道由南到北行驶方向的单洞进行病害抽样测量，以精确采集该隧道部分病害的准确桩号、病害类型以及尺寸信息。

试验比对结果表明，与传统的裂缝宽度观测仪相比，智能检测车具有较高的病害检测覆盖率及病害类型准确率，且病害桩号偏差与病害尺寸测量偏差较小，在可接受范围之内，见表1。智能检测车检测速度较快，检测速度可达80km/h且一次通行，即可完成洞门、洞口、路面、检修道、排水设施、吊顶预埋件、内装饰、交通标志标线、衬砌（裂缝、渗漏水、断面变形）等多种隧道数据的采集，可应用于大规模的定期检测，具有较好的推广应用价值。

图10～图13分别为ZBL-F103裂缝宽度观测仪 （左图）与隧道快速检测系统TFS（右图）对病害检测的原始图像。

表1 试验比对结果

图10 右幅K0+065竖缝

图12 左幅K0+018竖缝

图13 左幅K0+047斜缝

3 地质雷达

传统的人工调查及智能检测车只能完成隧道的衬砌外观检测，对衬砌内部病害（衬砌厚度不足、衬砌背后空洞、钢筋缺陷等）不能进行有效的检测，衬砌的内部病害会使衬砌受力和围岩的应力状态发生改变，降低衬砌结构的安全性，因此在对公路隧道进行健康状态诊断时，应加入对衬砌内部病害的分析，衬砌内部病害的检测一般采用地质雷达。

地质雷达是一种利用宽频脉冲电磁波探测衬砌内不同介质分布形态的一种无损检测方法。其工作原理为：地质雷达主机通过发射天线在隧道衬砌层表面向内部发射频率为数百兆赫兹的电磁脉冲波，当电磁波遇到不同的媒质界面时便会发生反射、透射、散射或衍射，产生不同程度的波能吸收和衰减，这些现象集中反映在地质雷达记录的波形和波阻抗特征的变化上，反射波返回衬砌层表面，被接收天线所接收。在对接收天线接收到的电磁波进行处理和分析的基础上，根据接收到的电磁波波形、强度、双程走时等参数便可推断地下目标体（空洞、分界面等）的空间位置、结构、电性及几何形态，从而达到对地下隐蔽目标的探测[5][6]。它以其高分辨率和高准确率、快速、连续且高效的无损检测方法迅速得到人们的认可，并广泛应用于建筑、铁路、公路、水利、水电、采矿、城市地下网管等各个方面[7]。

综合考虑智能检测车和地质雷达在隧道检测中的优缺点，在此基础上提出的智能检测车、地质雷达与人工调查相结合的综合检测技术可有效、全面、快速地对公路隧道病害进行检测，为隧道进行健康诊断分析提供依据。

4 综合检测技术应用实例分析

以福州福永高速公路丘山隧道左洞为例，隧道起止桩号为ZK38+646～ZK39+411，全长765m，分别采用智能检测车及地质雷达对其进行外观及内部病害进行检测。

智能检测车共发现病害23处，其中裂缝21处（裂缝渗水4处），点渗1处，洞口排水沟缺陷1处，详见表2，典型病害点见图14，期间为验证智能检测车快速检测系统对隧道外观检测的可靠性，采用了人工配合裂缝测宽仪及激光测距仪进行验证，得出隧道快速检测系统病害识别准确率≥90%，达到了预期的检测效果。

图14 典型病害点

以地质雷达检测隧道衬砌内部病害时，布置拱顶、左右拱腰、左右边墙及仰拱共6条测线，对地质雷达采集信号进行处理分析，得到清晰的图像，根据图像可判断衬砌厚度、衬砌背后空洞及不良地质体等情况，本次共发现衬砌内部病害共5处，其中典型病害如图15、图16所示。

图15 丘山隧道ZK38+766～+771拱顶测线段衬砌厚度和缺陷图

图16 丘山隧道ZK39+012～+018拱顶测线段衬砌厚度和缺陷图

通过采用智能检测车、地质雷达及人工调查相结合的综合检测技术，得到了较为完整的公路隧道土建结构技术状况评定指标，依据《公路隧道养护技术规范》（JTG H12-2015）对隧道类型进行评价 ，得出隧道土建结构技术状况为1类隧道。

表2 丘山隧道（左洞）主要缺陷一览表

5 总结

通过实践应用表明智能检测车隧道快速检测系统检测速度及病害识别准确性较人工检测均具有很大优势。隧道快速检测系统自动化检测效率高，图像清楚，病害规模、定位精准，检测盲点少，且数据随时可查，应用前景广阔。与地质雷达、人工调查相结合的综合检测技术可有效、全面、快速地对公路隧道病害进行检测，为隧道进行健康诊断分析提供依据，对现行的公路隧道健康诊断及安全评估，不断完善隧道信息化养护管理系统，提升隧道质量、服务水平具有重要意义。

[1]中华人民共和国交通部.JTG D70-201，公路隧道设计规范.北京:人民交通出版社,2010.

[2]交通运输部.2016年交通运输行业发展统计公报[N].中国交通报,2017.

[3]章伟.卓越科技推出自主研发隧道快速检测系统[J].市政技术,2015,33(02):10.

[4]王平让.隧道病害快速检测技术现状及分析比较[J].公路与汽运,2016,(03):241-245.

[5]赵晓博.地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用[J].工程地球物理学报,2013,10(01):107-110.

[6]袁海波.地质雷达在公路隧道二衬质量检测中的应用[J].西部探矿工程,2016,28(01):185-187.

[7]薄会申.铁路隧道衬砌质量检测与评价地质雷达技术实用手册[M].地质出版社，2006.

[8]中华人民共和国交通部.JTG H12-2015，公路隧道养护技术规范[M].北京:人民交通出版社，2015.