隧道病害检测设备评价方法

孙 ， 黄宏伟， 薛亚东

(同济大学 土木工程学院， 上海 200092)

1 概述

由于地质环境的不确定性、施工质量、运营期动荷载、临近施工等影响因素的存在，导致大部分运营隧道随着运营时间的增加会出现各种病害[1]。一旦隧道出现较大结构安全问题，不仅威胁到隧道内人员安全，无法保证道路畅通，影响道路、铁路运营，给群众出行带来不便，造成严重的社会影响。以裂缝为例，裂缝的存在，会使隧道衬砌结构刚度降低，极大地损害支护结构的承载能力[2]。病害发现越早，就可以越早进行处理和修复，从而节省大量时间、金钱，减少对社会造成的不良影响。因此，从运营单位角度来讲，希望尽快发现可能威胁隧道安全的病害，根据病害情况进行有针对性的维修和整治。

传统的隧道检测方法大部分采用人工巡检的方法，通过肉眼观测或者采用辅助工具对隧道内裂缝、渗漏水、空洞等病害进行检测，检测效率低且检测结果受到检测人员主观影响较大。近年来，为提高隧道病害检测效率，各国对机器化检测方法进行了研究，如采用基于机器视觉技术的衬砌表面检测方法[3]，采用探地雷达的隧道衬砌背后空洞检测技术[4]等。经过众多科研人员的长期研究，日本[5]、瑞士[6]、西班牙[7]等国均研发出了各具特点的隧道病害检测设备。但有些检测设备精度或功能存在无法满足某些隧道检测要求，如无法实现全断面检测，在针对裂缝检测时检测速度与精度较低；还有些设备在使用时需要运营养护部门提供诸如供电或停放位置等，这些问题往往在运营部门决策时难以发现。这样在面对各种新型检测设备，运营部门如何选择适合自己隧道检测要求的设备，如何在满足效率和精度等技术要求的基础上，选择更经济的设备，是目前隧道运营部门遇到的重要问题。但目前尚无相应的评价方法对这类设备的性能及可靠性进行评价，世界公路组织在2012年提出“公路路面裂缝检测设备评价方法”[8]，但该方法无法直接应用到隧道病害检测设备评价上。

基于此，本文通过建立隧道病害检测设备评价方法来帮助隧道运营部门对设备基础性能、检测水平及检测效果等进行判断，起到避免因为检测设备选择不合理导致无法完成检测任务所造成的经济损失的目的。对于检测设备研发部门来说，如果开发出了并不适用于运营部门的检测设备，则意味着浪费大量的研发费用及人力物力，从这一角度来讲，该方法也对设备研发单位提供了一定的帮助。因此无论从检测的重要性，还是从经济效益、社会效益来讲，均需要为隧道检测设备建立合理的评价方法。

2 隧道检测设备评价方法

根据评价内容的不同，将隧道检测设备评价方法分为三个层次：基础性能——设备检测功能和精度；检测水平——检测设备的准确性和可重复性；检测效果——检测设备的适用性和实际使用状态。

2.1 检测设备基础性能评价

(1)检测设备基础性能评价的目的：针对检测设备基本性能，协助隧道运营养护部门完成对隧道病害检测设备的初步筛选工作，并使设备研发部门准确认识与定位检测设备。

(2)评价内容与评价对象：共包括两个主要部分，其中检测设备功能介绍以检测设备功能为评级对象，概括说明检测设备可完成的检测工作，检测对象及检测范围等内容。其二传感器性能评价以检测设备的传感器性能为评价对象，通过单元试验的方法验证其是否达到所需要的设计精度。最后由运营养护部门根据其要求给出该部分评价结果。

(3)检测设备基础性能评价意义：帮助制造商明确检测设备的研发目标与研发思路，并将检测设备功能及基本技术指标提供给运营养护部门，帮助其对检测设备进行初步筛选。下面将对两部分评价内容进行说明。

2.1.1检测设备功能介绍

根据检测设备不同，其应包括的介绍内容可以略有不同，但至少应包括：适用隧道(公路隧道，铁路隧道，地铁隧道等)，可完成的检测项目或工作(裂缝、渗漏水、隧道沉降、断面收敛、衬砌背后空洞等)，检测范围(是否为全断面检测)，检测方式(是否为无损检测)，设备使用条件(是否需要封路，是否需要提供供电设施等)。介绍内容一般通过文字形式，将以上检测设备功能性内容逐一列出。

2.1.2检测设备的传感器性能评价

检测设备传感器性能指在对相应病害进行检测时设备中核心传感器的性能，例如线阵或面阵相机(裂缝及渗漏水检测检测等)、激光扫描仪(断面收敛检测等)、探地雷达(背后空洞检测等)。传感器性能评价建议通过单元试验完成，以设备设计检测精度(如裂缝宽度)为指标，对数个不同尺寸病害，采用单元检测设备进行室内测试，记录可测得最小尺寸病害，进而对传感器性能进行验证和评价。不同检测方法及对应检测传感器的试验方法有所不同，其原则为：试验简洁有效；减少试验中传感器所受干扰；采用独立的单元设备进行试验；降低试验费用；以室内试验为主。

单元检测设备由传感器及其辅助设备组成，主要包括：检测传感器(如CCD相机等)、存储及控制设备(如计算机等)、简易搭载平台、附属设备(如照明光源等)等、检测对象(例如混凝土墙面等)、各种不同尺寸的模拟病害或真实病害(以裂缝为例，可以通过不同宽度的裂缝，或通过张贴带有黑线的纸条来模拟)。图1以对相机进行裂缝检测的单元试验为例，图中包含了检测设备，附属设备，控制及供电系统，检测对象等。通过完成单元检测试验判断单元设备传感器性能是否满足设计精度要求。

图1 裂缝检测单元试验示意

最后检测设备基础性能评价主要通过定性方式通过表1完成，当两个选项中有一个为不满足，则认为该设备基础性能无法满足运营养护部门要求。

表1 基础性能评价

2.2 检测设备检测水平评价

(1)检测水平评价目的

对检测设备的检测准确性、检测工作的可重复性等进行验证。

(2)评价内容与评价对象

检测设备检测水平针对隧道病害检测设备进行评价，主要包括检测设备检测准确性评价以及检测可重复性评价两部分内容。检测准确性评价定义为检测设备能否准确捕捉病害信息，是否达到或超过人工病害检测时的准确性，通过试验中病害检测结果与真实病害统计信息对比得出准确率进而进行评价；可重复性评价定义为检测设备在正常工作条件下得到的检测结果是否稳定，可靠，检测结果是否可重复，通过相同条件下对同一检测对象的多次检测并对比每次检测与真实病害情况的差异来进行评价。其中检测准确性由病害检测的准确率表征，检测可重复性由针对某区域进行多次病害检测所得结果的最大偏差率表征。

(3)评价意义

通过较大的病害样本对检测设备最重要的检测准确性与检测可重复性进行评价，该部分工作通过定量的方法对检测设备的检测水平进行评价，帮助隧道运营养护部门对检测设备针对相关病害的检测水平有所掌握。

工作内容主要包括模拟检测试验及评价工作两个部分，其中模拟试验又可分为准备工作与试验工作。评价工作中的模拟试验可在某已知病害情况的试验隧道或专门搭建的模拟隧道进行。由于试验过程会多次往复进行并需对隧道病害数据进行统计与标记，且需要一定的病害样本量，对试验隧道的试验时间以及病害数量等有较高要求，因此在条件允许下建议在模拟隧道进行试验。为此首先对模拟试验准备工作进行描述，进而介绍病害检测准确性评价以及病害检测可重复性评价工作。

2.2.1模拟试验准备工作

模拟试验准备工作应包括以下内容(采用真实隧道进行模拟试验时可省去第一步)：

(1)模拟隧道的搭建

模拟隧道应尽可能接近隧道真实检测环境，例如针对隧道表面检测则模拟隧道表面应采用混凝土表面等；

(2)病害样本准备

应确保试验隧道(模拟或真实隧道)内有足够多的病害样本，如果隧道内天然形成的病害数量较少，可通过人工制作的方式制作模拟病害，例如通过水渍模拟渗漏水，黑色线条或较深划痕模拟裂缝等；

(3)病害信息统计

对试验隧道分格，便于记录每个病害位置信息，统计病害的检测信息(如裂缝宽度、渗水面积、病害位置等)，将该病害信息记录为病害检测信息真值；

(4)试验方案设计

以验证设备病害检测准确性及可重复性为目的，对检测设备模拟试验进行方案设计。

为降低评价工作费用，模拟隧道搭建与病害制作应充分考虑经济效益，并根据实际情况调整，例如隧道长度以足够检测使用，病害接近真实病害即可。准备工作中病害信息统计为整个工作中的重点，且对评价结果影响较大，下面将对这一部分工作重点描述。

2.2.2病害信息统计工作

病害信息统计工作主要包括隧道分格、病害统计两个步骤。隧道分格目的在于便于记录病害在隧道内所处位置，当发现试验中某病害未测到时可以更快的寻找问题传感器。同时其意义在于借此帮助分析重复性检测中在同一区域是否可得到相同检测结果，验证检测是否覆盖设计的全部检测区域，各区域病害检测是否会有所遗漏。

隧道形式不同，检测的目标病害不同，分格方式可能略有不同。隧道分格基本原则可总结为：根据隧道形式，尽量均布各区域，避免出现某一区域过大或过小；尽可能避免同一病害同时出现在多个区域；每一传感器尽可能独立针对相应区域，避免多传感器检测同一分格区域。为更好地说明隧道分格方法，图2以6块管片拼装的盾构隧道为例，进行说明。针对盾构隧道分格，需要考虑管片拼装形式。纵向分格建议按照盾构隧道管片长度分格。环向分格建议以角度来分，其中隧道底部范围一般在检测工作中往往难以涉及(采用雷达进行空洞检测等除外)。隧道检测时不同检测设备的传感器数量会有所不同，且每个检测传感器负责范围也往往不同。在环向分格时应保证每个传感器至少单独负责某一分格范围，便于在发现问题后迅速确定问题传感器。如图2中所示，对盾构隧道环向按照9个区域进行分割。由于不同设备分格方式可能不同，因此建议分格线绘制形式以方便为主。

图2 分格方式示意

隧道分格后，选择不同位置、形态的模拟或真实病害进行统计，得出隧道病害原始记录。病害分布统计应考虑实际隧道病害分布，为确保检测不会出现漏检，病害也应分布在隧道内各个区域，实际隧道中病害较多区域可重点统计。为确保具有统计规律，病害数量不宜过少，如裂缝不应小于50条，渗漏水及空洞等不应小于10处，并采用人工检测方式对病害尺寸进行测量和记录。对于大部分病害检测，做到尺寸检测与人工检测完全一致是难以实现的。同时为提高试验效率，重复性验证统计的病害信息参考运营养护部门病害分级标准对病害进行分级记录，例如裂缝严重程度可根据裂缝宽度分级[9,10]。在验证过程中通过分级信息以及病害位置来判断是否检测准确。当检测结果中病害等级与实际记录等级相符时，认为检测结果一致。

2.2.3模拟试验工作

根据试验目的，模拟试验由准确性验证试验及可重复性验证试验组成。

(1)准确性验证试验

分别在设备正常工作条件和极端工作条件下验证。如当检测设备最高检测速度为5 km/h，建议检测速度为3 km/h时，试验中应分别采用两种不同速度进行，分别记录试验结果。

(2)重复性验证试验

在设备正常工作条件下进行，试验重复次数不应小于3次，试验条件(如试验速度，光照条件等)应保持相同。

通过以上试验采集到检测设备检测结果，并将数据中病害信息进行分类，给出模拟试验报告。检测设备模拟试验检测报告中应至少包括以下内容：试验基本信息(检测设备、试验条件、试验次数)；试验对象(针对何种病害)；准确性试验结果(病害位置、病害等级)；重复性试验结果(病害位置、病害等级)。该报告将作为检测设备检测水平评价的主要内容。

2.2.4检测水平评价工作

根据隧道病害原始记录以及模拟试验检测报告，分别用准确率与重复检测偏差率对检测设备检测准确性及检测可重复性进行定量评价。

评价工作主要包括以下五个步骤：

(1)隧道病害原始记录整理

统计、整理每种病害在模拟隧道内的数量及病害信息(如病害等级、位置等)，并将每个病害信息记录为Ni{N1i1,N1i2…;N2i1,N2i2,…}。Njim表示真实统计的第i种病害的第j个病害的第m条病害信息，第i种病害数量记为N0i。例如第2条裂缝(第1种病害)的严重程度(第1条病害信息)为A，则可记为N211=A；

(2)模拟试验检测结果整理

通过检测设备准确性试验及重复性试验得出模拟试验检测病害信息，记录为Mi{M1i1,M1i2…;M2i1,M2i2,…}，Oi{O1i1,O1i2…;O2i1,O2i2,…}…。其中Mjim，Ojim中i，j，m含义与前文相同，M，O分别表示病害信息为准确性试验或某次重复性试验检测得出的病害信息。

(3)对比试验结果与病害原始记录

如果某病害的每条病害原始记录信息Njim与试验记录M中该病害的病害信息Mjim一致，则认为该条病害信息检测正确。例如准确性试验时，针对空洞记录空洞位置，空洞严重程度两条病害信息。经对比得出M211=A=N211(空洞严重程度)，M212=1-5=N212(空洞位置，1-5代表病害根据隧道分格记录的位置)均相同，则认为该条病害信息正确，该条病害被准确检测出。

(4)计算检测设备准确率与重复检测偏差率

假设某次准确性检测试验结果中第i种病害共有Ri条病害信息正确，该种病害总数量为N0i，则检测设备对该病害进行检测的准确率Pi为Ri/N0i。重复检测偏差率通过多次重复性检测(不小于5次)，对比每次各种病害检测的准确率，得出第x次相应病害检测的准确率差值Qjx=1-Pix，并取其最大差值记为在检测设备针对某种病害进行重复性检测时的偏差率Qi。

(5)检测设备准确性及可重复性评价

将针对病害检测的准确性以及可重复性评价标准列于表2。通过表2和计算得出的病害检测准确率以及重复检测偏差率查得某隧道病害检测设备的准确性评价等级和可重复性评价等级。至此便可完成针对该设备检测水平的评价工作，并将该评价等级提供给运营养护部门，帮助其进行决策。当准确性评价及可重复性评价结果低于C级，则认为该检测设备性能难以完成相应隧道的病害检测工作，如果评价结果为D级则认为该检测设备无法完成相应病害检测工作。

需要指出的是针对隧道检测设备的评价标准比路面检测设备评价标准[6]宽松，主要考虑三个方面因素：隧道检测范围要大于路面检测；隧道检测环境与路面检测不同，隧道衬砌表面与路面相比有众多干扰物如线缆、管道、衬砌表面灰尘等，这些干扰物均会降低隧道检测的准确性；隧道检测精度要求一般比路面检测高，以隧道裂缝检测为例，隧道裂缝一般要求检测宽度低于0.3 mm，路面裂缝一般要求检测宽度在1 mm左右，这本身就提高了对检测设备的要求。该标准也可根据隧道运营养护部门要求相应提高，但检测准确率评价标准应在现有检测技术可以实现的基础上制定，不能脱离实际。

表2 病害检测准确性及可重复性评价标准 %

2.3 检测设备应用效果评价

应用效果评价目的：验证检测设备在真实隧道检测环境时的实际应用效果进行评价。评价内容与评价对象：通过真实隧道检测试验完成，在试验过程中记录实际使用情况以及检测结果，进而通过定性或定量的方法对检测设备实际应用效果进行评价。隧道运营养护部门往往需要隧道检测设备在一定范围内具有较好的适用性。此外隧道病害检测设备在隧道检测时是否可以降低检测工作的强度也十分重要。鉴于这两部分原因，应用效果评价包括检测设备适用性及使用便利性评价两个主要部分。评价意义：隧道病害检测设备最核心的价值是可以在隧道内快速、便捷、准确地完成检测工作，起到替代人工检测的目的。针对检测设备在真实隧道检测时的实际应用效果评价就是基于此，期望起到协助运营养护部门判断检测设备在真实检测条件下的实用效果。应用效果评价工作需要隧道运营养护部门提供进行检测试验的条件。下面将分别介绍检测设备适用性与实际使用便利性评价内容。

2.3.1检测设备适用性评价

检测设备适用性评价基于真实隧道检测进行，需要选择一定数量的隧道来进行检测，建议选择2～5条隧道。评价过程主要由人工检测，设备检测，数据处理以及适用性评价组成。

(1)人工检测与数据记录

检测人员通过人工检测记录某条隧道内病害数量及对应的病害信息(病害位置、病害严重程度等)并作为试验隧道内的原始病害信息。隧道原始病害信息中将第i种病害信息记为Ni{N1i1,N1i2…;N2i1,N2i2,…}，各项含义与检测水平评价中叙述相同。

(2)设备检测

采用检测设备对该隧道进行检测，按照正常检测流程与检测速度完成隧道病害检测工作。记录隧道内病害数量及病害信息，并记录为Mi{M1i1,M1i2…;M2i1,M2i2,…}。

(3)数据处理

由于隧道人工巡测可能会出现漏检、错检等问题，因此适用性评价中并不能用单纯的准确率作为评价标准，需对准确率指标进行修正。

(1)

(4)检测设备适用性评价

通过对多条隧道进行检测，按照以上方法计算每条隧道的现场检测准确率并取平均值，得出整个检测过程中的现场检测准确率，并通过表3对检测设备进行适用性评价。

表3 病害现场检测准确性评价标准 %

2.3.2检测设备使用便利性评价

使用便利性主要通过定性的方法进行评价，主要通过设备检测过程中检测人员根据各项便利性评价指标评分。检测设备不同，评价指标略有差异，各指标选取可参考表4。表中所列地铁、公路、铁路隧道检测设备评价指标，可根据设备现场使用情况进行增加或减少。评价指标的确定应以反映设备在实际检测过程中是否降低工作强度为准。其中针对不同隧道检测，相应的评分权重可能略有不同。例如针对地铁隧道检测，设备检测速度与设备重量对便利性影响更大，而对铁路隧道而言，检测速度与封路时间影响可能会更大。具体权重可由运营管理部门检测人员及专家确定。最后根据各项指标评分以及相应权重值参照得出便利性评分。最后可按照表5中给出检测设备实际使用便利性的评分与对应评价等级。

表4 实际使用便利性评价指标

表5 实际使用便利性评价标准

2.4 评价流程小结

隧道病害检测设备评价方法着眼于帮助隧道养护部门选择合适的检测设备，评价内容涵盖了从设备研发到隧道现场检测的全过程。既包括了设备研发阶段时针对设备性能的评价也包括了设备实际检测中的设备实际使用评价，评价流程见图3。由于涉及到设备使用，隧道现场测试条件，性能评价等工作，因此检测设备的评价工作需要研发部门、评价部门及隧道运营部门协同完成，从而使评价结果更加可靠，得到系统的、全面的隧道检测设备的评价结果。

图3 隧道病害检测设备评价流程

3 结论与展望

随着机器化检测的发展，隧道检测中越来越多应用机器化的病害检测设备。而隧道运营养护部门如何选择合适、合理的检测设备，是困扰他们的一个主要问题。为解决该问题，本文建立了隧道病害检测设备评价方法体系，从设备基本性能，检测准确性及实际使用情况三个层次分别建立了基础性能评价、检测水平评价、检测效果评价三个主要评价内容。包括了检测设备功能性及传感器性能评价；检测设备准确性及可重复性评价；检测设备适用性及实际使用便利性评价等六个主要评价流程。设计通过单元试验、模拟隧道试验及检测现场试验等三个试验定性或定量完成以上评价内容。该评价方法的建立期望可帮助运营养护部门达到评估检测设备性能，合理选择检测设备及检测方法，更好地推进隧道检测、维修、养护工作，提高隧道使用寿命及安全性；同时帮助检测设备制造商根据运营养护部门要求对检测设备进行改进与优化；对新型机器化隧道检测方法的应用及推广起到积极推动作用。

本文提出的评价方法涵盖了检测设备在地铁，铁路及公路隧道衬砌表面机器化检测中可能会遇到的主要问题。但由于隧道检测项目繁多且检测设备也各有不同，因此在针对不同病害检测时可能有些内容并不适用，在以后的研究中，可根据遇到的问题对以上评价方法进行完善和补充，使其适用面更广，评价结果更合理。