运营隧道衬砌病害检测技术研究现状分析

唐 超，刘 春，周泽栖

（重庆科技学院 安全工程学院，重庆 401331）

近年来，我国隧道及地下工程建设事业有了较快发展，运营隧道数量、长度均快速增加。运营隧道大多具有隐蔽性特征，衬砌结构受外界因素影响较大。随着运营时间的延长、隧道主体相关力学性能出现偏差及地质因素的影响等，各种隧道衬砌病害问题浮现。隧道在我国民众的生产生活中发挥着重要的作用，一旦隧道出现事故，将对人们的生命财产安全造成巨大的影响。因此，对隧道结构采取定期检查检测，保障隧道结构的安全状态是必不可少的一环。针对衬砌病害日益突出的问题，发达国家如德国、日本等，较早就开始了关于隧道快速检测技术方面的研究，相关技术及装备已经较为成熟，近年来，国内也在这方面取得了重大突破[1]。便捷、快速、高精度、自动化的无损检测技术是隧道病害检测的发展趋势。本研究对目前国内外隧道无损检测技术及快速检测装备的研究应用进行分析，对检测技术的发展趋势和研究方向进行预测与展望，以识别运营隧道的安全风险，为保证隧道长期安全稳定运行提供支撑。

1 运营隧道衬砌常见病害

运营隧道拱墙衬砌病害问题直接影响到隧道安全结构稳定性，是衬砌病害检测关注的重点。一般运营隧道常见的衬砌病害有衬砌开裂、衬砌空洞及厚度不足、变形超限、渗漏水等。衬砌开裂主要受地质条件、施工及设计因素、运营环境、自然灾害等方面影响；衬砌背后空洞及厚度不足，主要受施工和运营两方面共同作用；衬砌渗漏水主要受环境因素影响。衬砌开裂作为衬砌混凝土劣化等病害的一种直观呈现形式，通常情况下伴随着其他几种病害同时发生。这些病害大大降低了隧道结构的稳定性，影响了隧道的使用性能及运营的安全性。

2 隧道病害无损检测技术

隧道无损检测技术是指在不破坏隧道结构本身的状态及特性等前提下，识别隧道结构出现的病害而产生的新兴技术，主要对目前国内外研究较多的探地雷达技术、冲击弹性波技术、三维激光扫描技术、图像处理技术进行研究。

2.1 表观状态检测技术

表观状态检测主要涉及衬砌裂缝的检测。衬砌裂缝是隧道衬砌病害最突出的问题，按照裂缝走向与隧道纵向的相互关系，可以分为纵向裂缝、环向裂缝和斜向裂缝3种。其中，纵向裂缝危害极大，严重影响隧道结构的稳定性。目前，国内外对于隧道衬砌表观状态的检测，主要是通过图像处理技术及三维激光扫描技术完成。

2.1.1 图像处理技术

图像处理技术，即通过以电荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）相机为核心的图像采集系统，对隧道衬砌表面进行连续信息采样，通过信号的转换，将其转换为计算机可识别信息并保存分析，经过图像处理，提取隧道裂缝相关信息，判断隧道病害信息。某学者提出了一种基于图像处理的隧道表面裂缝检测算法及宽度测量算法，可较好地实现隧道衬砌裂缝的智能识别。另一学者对裂缝图像的处理过程进行了优化，消除了由采集设备不稳定、外部环境的复杂性造成的噪声问题。西南交通大学冷彪等[2]利用线阵相机及各种设备，提出了线扫描检测方法，对隧道衬砌裂缝状态进行分析。

2.1.2 三维激光扫描技术

三维激光扫描检测技术主要通过检测车的激光扫描运转，对隧道衬砌表面发出螺旋式激光射线，检测表面裂缝情况，接收反馈信号并进行数据分析，得到三维坐标，形成裂缝灰度图像，同时应用数字图像技术，可以直观地识别出隧道表面存在的裂缝等病害。20世纪末，美国率先将激光技术发展到三维测量领域。目前，三维激光扫描技术已经发展到更高的测量精度和更广的应用领域。某学者在三维激光扫描技术的裂缝采集及提取方面进行了改进；另一学者把三维激光扫描技术与近景摄影测量技术在隧道的检测监测中进行结合运用；谢雄耀等[3]提出了一种基于点云数据的隧道三维建模算法并验证其可靠性。

2.2 内部状态检测技术

内部状态检测技术主要用于混凝土内部缺陷检测，如衬砌脱空、混凝土强度不足等病害。隧道衬砌内部缺陷属于隐蔽性病害，需采用专业技术进行病害检测。《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》（TB 10233—2004）中明确了探地雷达技术及冲击弹性波技术可用于隧道衬砌病害检测。

2.2.1 探地雷达技术

探地雷达（Ground Penetrating Rada，GPR）是通过发射电磁波脉冲和测量界面反射波，基于返回时间来确定其混凝土强度。当电磁波到达不同的物质边界时，部分波能将被反射，其余的波能将传输到正在进行的介质中。由发射的电磁波脉冲收集的数据，可以指示边界的深度和类型，并且可以通过雷达图的形式来显示。如不密实、脱空等病害都伴随着介质的改变，通过分析雷达图电磁放射波，可以对混凝土、钢筋及钢拱架、围岩、空气层、含水层进行病害综合评判。某学者探究了探地雷达技术在隧道衬砌缺陷检测中的具体应用；另一学者对地下工程的地质雷达超前探测领域进行了系统研究。昝月稳等[4]对车载探地雷达进行了深入研究，并提出了高铁隧道车载探地雷达快速检测方法。

2.2.2 冲击弹性波技术

冲击弹性波技术是利用激振锤激发产生弹性波的原理，基于弹性波与衬砌内部混凝土结构产生共振作用，结合共振频率，计算混凝土缺陷位置及裂缝等，根据振动产生的应力波传播方向，分为P波（纵波）、S波（横波）和R波（瑞利波），冲击弹性波及振动可以直接反映混凝土的结构缺陷及力学性能。国内学者姜勇等[5]通过现场测定混凝土材料动弹性模量，并建立其与混凝土抗压强度的关系，结合测强曲线，研发了基于R波的混凝土强度的检测体系。

3 隧道检测装备

隧道病害的快速高效精准检测不仅需要先进的检测技术，同时也需要相匹配的设备仪器，二者结合才能完善检测程序。将各种病害检测技术搭载在巡检设备上进行综合智能化检测，是隧道检测领域的发展方向。

3.1 无人机

无人机由于高效的巡查功能，被广泛应用于各个领域，具有体积小、可搭载多传感器、操控简单的特点，在数据收集方面具有较大作用。无人机携带各类传感器，在隧道中进行巡检工作，收集各类数据，并将数据实时传输到数据处理平台。处理平台对异常数据作出预警，实时监测隧道病害信息。2020年3月，东京地铁公司发明了一种无人驾驶遥控飞机来协助东京地铁系统维修工作人员开展地铁隧道巡检工作。

3.2 巡检车

巡检车是目前国内应用最为广泛的移动检测装备，通过搭载各种检测设备，如CCD相机、探地雷达、激光扫描仪等对隧道病害进行检测，同时，基于与设备相对应的算法软件，对设备所收集的数据进行处理分析，及时得到巡检结果。目前，国内外搭载线阵CCD相机的先进巡检车，有日本株式会社研发的MIMM-R型检测车、武大卓越TFS隧道快速测量系统、上海同岩TDV-H2000隧道病害检测车，裂缝宽度识别精度均可达到0.2 mm；搭载激光扫描技术的快速检测设备，包括德国的TS3系统、瑞士的GPR5000检测系统以及加拿大的LTSS检测系统，检测精度及效率处于领先水平。快速巡检装备可实现检测隧道内部变形及裂缝等病害的功能，同时自动进行图像处理、完成三维建模及病害识别等。

4 结语

无损检测方法区别于传统检测方法，具有更加高效、精准且不损害结构本身的特点，但是仍然存在一些弊端。图像处理技术在快速自动化识别方面有所欠缺；三维激光扫描检测技术受限于检测速度，检测效率较低；探地雷达技术图像解译主观性较强，辨识精度低；冲击弹性波技术在检测混凝土强度时，未考虑到钢筋的影响，结果存在误差。随着5G时代的来临，发展更加智能化、自动化、集成化的综合快速检测手段，打造综合型的病害检测系统，是未来隧道检测领域的研究方向。