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红外双目探测仪在隧道渗漏水检测中的应用

2022-09-27潘红兵

工程与试验 2022年3期
关键词:探测仪双目测温

潘红兵,李 猛

(1.南京交通运营管理集团有限公司,江苏 南京 210000;2.上海航天控制技术研究所,上海 201109)

1 引 言

渗漏水是隧道的主要病害之一,也是引起隧道其他病害的根源。以长江隧道为代表的超大规模过江隧道,由于其长期处在高水压地层中,在长期运营的过程中难免会受到渗漏水的影响,其形式主要包括:隧道漏水和涌水、衬砌积水、衬砌渗水以及衬砌表面泛碱等。这些形式的渗漏水会对隧道的安全运行产生严重威胁,因此,对隧道及时进行准确且有效的渗漏水检测具有非常重要的意义。

目前,对于隧道渗漏水病害的研究主要集中在寻找渗漏水产生的原因[1-7]以及渗漏水发生后对交通带来的潜在风险[8-13]。石建勋[14]等通过建立物理模型对隧道渗漏水病害的影响因素进行研究,发现渗漏水水量和衬砌厚度存在紧密联系。艾青[15]等基于生存分析方法,建立了预测渗漏水病害随各影响因素与事件发展的Weibull损伤累计模型,讨论了渗漏水可能带来的风险。孟庆年[16]等首次提出,将移动三维激光扫描与图像分割相结合,通过空间变化法将三维点云数据转换为二维正射影像,采用图像二值化处理算法增强隧道渗漏水病害区域的边缘信息,进而获得渗漏水的区域大小和里程信息。上述研究增强了对隧道渗漏水的诊断与防治,有效地规避了渗漏水对于交通的潜在危害。但是,目前还没有出现工程化的隧道渗漏水检测系统,对于隧道渗漏水的检测主要还停留在理论研究阶段。

本文根据红外热成像技术研制了红外双目探测仪,并通过室内测温可行性试验和隧道测温试验,验证所研制的红外双目探测仪对渗漏水处检测的精度。

2 红外热成像测温原理

任何温度高于绝对零度(-273.15℃)的物体都会以电磁波的形式不断地向外辐射能量,其辐射能包括各种波长。其中,波长范围在0.76~1000μm之间的电磁波称为红外光波。物体辐射红外能量的强弱与其温度呈正相关,温度越高则红外能量越强。红外热成像技术就是利用红外光的温度效应来进行温度的测量[17]。普朗克定律解释了黑体的光谱辐射强度随波长变化的分布规律,这是红外热像仪测温的理论依据,其表达式为[17-19]:

(1)

式中,Ebλ为黑体光谱辐射通量密度,W/(cm2·μm);c1为第一辐射常数,c1=3.7415×10-12W·cm2;c2为第二辐射常数,c2=1.43879cm·K;λ为光谱辐射的波长,μm;T为黑体热力学温度,K。

3 红外双目探测仪

基于红外热成像测温原理研制了红外双目探测仪,如图1所示,该探测仪由双目探测系统和云台等组成。双目探测系统由上部分的红外热成像元件和下部分的可见光成像元件组成。红外热成像元件用于测量目标温度,可见光成像元件用于将可见光目标成像到探测器的光敏面上,为智能分析系统提供分析图像。云台根据后台系统的控制信号进行俯仰和航向调整,最终实现隧道拱顶区域探测。

图1 红外双目探测仪

红外热成像元件的测温分辨率达到0.1℃,可有效测量隧道内部发生的微热量传导所形成的小量温差,从而解决常规热像仪测温分辨率不足,无法尽早发现隧道渗漏点的问题。红外热成像元件采用大孔径设计,通过增大光学系统的能量来获取更多有关隧道信息的红外图像,利于提取识别小目标、小温差的可疑信号,提升隧道中轻微渗漏点的检测效果。考虑隧道检测使用环境的特殊要求,选用的红外热像仪的具体参数指标见表1。

表1 红外热像仪参数

4 红外双目探测仪测温可行性试验研究

在实际盾构隧道检测环境中,隧道拱顶是双层石棉板结构,如有少量的渗漏水附着在石棉板内部,且在积水尚未透过石棉板的情况下,通过表面特征很难准确辨别渗漏水点的位置。因而,在利用红外双目探测仪检测前,必须验证其对板后隐形渗漏点检测的可行性。

如图2所示,将两层石棉板装订在一起用来模拟隧道拱顶的双层石棉板结构,并将水体放置在双层石棉板后模拟渗漏点。图中箭头所指为水体(低温辐射源)与石棉板热传导传热区域。试验前,采集的石棉板以及水体的温度分别为23.9℃和18.6℃,二者之间的实际温差为5.3℃。

图2 双目探测试验示意图

试验中,每隔5min对目标表面进行温度采集,共采集15min。图3为试验中不同时刻红外视图。初始时刻不放置水体(a1)时,测得石棉板温度为23.9℃,放置水体(a2)时,测得石棉板温度为23.3℃,水体导致红外测温测得的石棉板处温度降低0.6℃。随着时间推移,不放置水体时测得的石棉板温度(b1,c1,d1)均高于放置水体(b2,c2,d2)时测得的温度,出现与水接触位置的温度低于其周边温度的现象。但此时的石棉板表面并未发生任何可视性变化。

(a)0时刻有无水体石棉板的温度差异

图4为试验中同一点的温度变化曲线。无水体时,15min内石棉板温度由23.9℃降低为23.5℃,温度变化为0.4℃;有水体时,15min内测得的石棉板温度由23.3℃降低为22.7℃,温度变化为0.6℃。低温水体的存在不仅使得所测得的石棉板温度降低,且其温度变化速率也远大于无低温水体时。通过对采集的红外图像进行分析,可以比较出石棉板表层的温度差异,可有效地诊断隐藏在石棉板后的渗漏病害区域。

图4 石棉板温度变化曲线

5 红外双目探测仪隧道测温试验研究

为了进一步验证红外双目探测仪在实际工况下对渗漏点检测的可行性,对某隧道S线进行穹顶潜在渗水检测。图样采集过程中使用隧道检测车动态巡检,单向行驶,行驶速度为20~30km/h,采集时长约为60min。隧道内通过环号来确定检测点相对位置,相邻环号间隔的距离为2m,测试路径如图5所示。

图5 测试路径总体示意图

隧道检测过程中,共发现6个疑似渗漏点(其检测结果如图6所示),这6个疑似渗漏点分别为:第203环渗漏点(a),第922环渗漏点(b),第1004环渗漏点(c),第1050环渗漏点(d),第1165环渗漏点(e),第1206环渗漏点(f)。图6中同一位置左侧为红外视图,右侧为可见光视图。对比分析红外视图中温度分布,疑似渗漏点区域相较于其他区域有明显色差,红外双目探测仪对隧道渗漏水病害的检测较为理想。

图6 不同渗漏点检测结果(线框内为实际渗漏点位置)

为进一步验证红外双目探测仪的检测精度,对第922环渗漏点进行破板取样,取下该位置的石棉板,如图7所示,证明该位置存在漏水现象。隧道红外测温图像和破板取样结果的一致性,验证了红外双目探测仪在隧道穹顶潜在渗漏点的检测中具备人眼无法识别石棉板内部渗漏隐患的能力,并且具有高精度及实时性,可有效降低渗漏区域对隧道结构的破坏。

图7 石棉板取样示意图

6 结 语

红外热成像技术应用于隧道渗漏水检测,能够客观、真实地反映隧道本身的结构问题,是一项无接触式的无损检测技术,改变了传统的破坏式的检测方法。本文基于其对温度漂移的敏感性建立了一套隧道内部渗漏水检测系统,以红外双目探测仪为主体,车载平台作为检测实施载体,通过室内可行性试验和隧道实地检测试验,证明该系统可准确、快速地定位隧道渗漏区,可以有效提高检测效率,保证隧道的运营安全,具有较强的应用价值。

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