溫佐彪，段 強(qiáng)，李子忠

（成都暢達(dá)通地下工程科技發(fā)展有限公司，四川 成都610041）

0 引言

20 世紀(jì)90 年代開始，我國鐵路、高速公路建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，相應(yīng)的隧道建設(shè)，尤其是鐵路隧道的建設(shè)也得到了快速發(fā)展，但是隧道工程質(zhì)量問題也逐漸暴露出來。因此，對隧道建設(shè)提出了兩個(gè)問題：一是如何控制在建或新建隧道的質(zhì)量；二是如何調(diào)查處理運(yùn)營隧道的病害。病害調(diào)查日益受到鐵路局、參建單位等的重視。因此，我國引入了GRP5000 隧道襯砌激光全息掃描系統(tǒng)。該隧道掃描系統(tǒng)從根本上滿足了隧道表面信息獲取的要求，能準(zhǔn)確檢測隧道襯砌裂縫、錯(cuò)臺(tái)、掉塊等病害及其發(fā)生的空間部位，經(jīng)人工智能化軟件分析后，可提供高精度的圖像、圖表及文字信息。

1 隧道病害調(diào)查的現(xiàn)狀

1.1 隧道病害調(diào)查的必要性

國內(nèi)外調(diào)查研究表明，相當(dāng)比例的隧道存在襯砌裂損、變形、掉塊和滲漏水等病害現(xiàn)象。1999 年6 月27 日，福岡縣境內(nèi)隧道邊墻上重達(dá)200kg的混凝土砸在高速行駛的列車上，日本西鐵路公司曾為此對山陽新干線和鐵路隧道進(jìn)行了大量的病害檢查和加固工作。我國高速公路隧道也曾發(fā)生過類似事故，某高速公路隧道拱頂重約15t的襯砌曾發(fā)生掉塊砸落在隧道路面上，所幸未造成車輛財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，但對隧道內(nèi)行車形成巨大潛在威脅，且病害處治工作對該隧道運(yùn)營造成了極大的不便。

高效、準(zhǔn)確的隧道病害檢測和評估依賴可靠、高精度的病害檢測儀器，以及設(shè)備的開發(fā)和完善，必要時(shí)結(jié)合相關(guān)儀器建立自動(dòng)化智能系統(tǒng)以提高探測精度。因此，需要找到一種具有高探測精度高和可靠性的的方法，并逐漸實(shí)現(xiàn)隧道病害數(shù)字化、圖像化。提高隧道襯砌病害數(shù)字化、圖像化檢測方法的精度和可靠性是病害檢測技術(shù)發(fā)展的方向和目標(biāo)。

1.2 目前隧道病害調(diào)查的方法

以往隧道驗(yàn)收檢查僅靠地質(zhì)調(diào)查、查閱施工記錄，還無法掌握施工質(zhì)量情況，留下了很多隧道隱蔽缺陷和安全隱患。因此，需采取必要的調(diào)查和檢測手段對施工質(zhì)量進(jìn)行普查。

目前我國鐵路在建、運(yùn)營隧道病害整體調(diào)查與檢測方法包括人工敲擊、影視成像、無損檢測等，主要使用數(shù)碼相機(jī)、激光斷面儀、地質(zhì)雷達(dá)、超聲波儀、聲發(fā)射等檢測儀器，將引入一種高精度掃描系統(tǒng)，能快速調(diào)查隧道內(nèi)裂紋（縫）、滲水分布情況，斷面是否侵限等，并能為隧道建立一套健康檔案，通過定期調(diào)查，分析其病害發(fā)展情況和安全狀況。

2 隧道襯砌激光全息掃描系統(tǒng)介紹

GRP5000 隧道襯砌激光全息掃描系統(tǒng)是一種集光、機(jī)、電技術(shù)為一體的多功能輕型隧道檢查小車。該小車裝備有一個(gè)可以高速旋轉(zhuǎn)的激光發(fā)射器，當(dāng)小車在軌道上行走時(shí)，激光器發(fā)射激光并以螺旋線形式對隧道表面進(jìn)行全斷面高密度掃描，通過分析發(fā)射和接收激光信號的強(qiáng)度和相位差，可以獲得隧道內(nèi)表面的影像信息以及掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)，每秒可達(dá)50 圈、50 多萬個(gè)測點(diǎn)，每小時(shí)可完成700～1000m 左右的隧道掃描，掃描的原始數(shù)據(jù)是隧道表面在一個(gè)平面上的投影圖。

GRP5000 處理所得的圖像與原有的掃描數(shù)據(jù)分圖層管理，可以單獨(dú)顯示某個(gè)圖層，如：可單獨(dú)顯示病害信息。輸出多種格式的數(shù)據(jù)文件，使得數(shù)據(jù)應(yīng)用變得更方便和靈活，也增加了第三方應(yīng)用程序的可讀性。

通過現(xiàn)場掃描可以獲得隧道襯砌的內(nèi)表面影像圖像以及隧道襯砌表面各點(diǎn)距軌道中心線的距離，也可配合全站儀及GPS，可進(jìn)行鐵路軌道幾何要素的絕對坐標(biāo)測量及鐵路周邊環(huán)境的掃描測量成果構(gòu)成隧道狀態(tài)測量和隧道凈空測量的數(shù)據(jù)資料，這些數(shù)據(jù)資料可用于限界分析和隧道表面病害的狀態(tài)分析，測量成果可作為隧道竣工驗(yàn)收的基礎(chǔ)資料，對于隧道運(yùn)營維護(hù)具有指導(dǎo)意義。

圖1為GRP5000隧道襯砌激光全息掃描系統(tǒng)工作示意圖。

3 襯砌激光全息掃描作業(yè)內(nèi)容

3.1 掃描方式

GRP5000 系統(tǒng)每次測量的數(shù)據(jù)不僅包含三維坐標(biāo)信息，還包括顏色信息，同時(shí)還有隧道襯砌表面反色率的信息，這樣全面的信息能真實(shí)再現(xiàn)隧道襯砌表面的畫面，提供豐富的視覺信息。500 000 點(diǎn)/s 高速掃描，完全滿足對襯砌表面詳細(xì)檢測、記錄的需要。

根據(jù)需要，GRP5000 系統(tǒng)具有以下三種現(xiàn)場數(shù)據(jù)掃描模式。

（1）連續(xù)掃描模式：在這種模式下數(shù)據(jù)的保存是連續(xù)的，一旦記錄開始，用戶就要推著軌檢小車沿軌道以一定的速度行進(jìn)。

（2）斷面快照模式：在這種模式下，用戶推著軌檢小車到某一位置，測量一個(gè)單獨(dú)的斷面，每個(gè)單獨(dú)的橫斷面是一段距離上的最小斷面，當(dāng)某個(gè)單獨(dú)的目標(biāo)需要測量時(shí)，使用這種測量方式。

圖1 GRP5000隧道襯砌激光全息掃描系統(tǒng)工作示意圖

（3）間隔記錄模式：在這種模式下，用戶推著軌檢小車以一定的速度沿著軌道前進(jìn)，在測量之前，用戶先設(shè)置好“參考里程”、“間隔距離”和“帶寬”等參數(shù)，每個(gè)單獨(dú)的橫斷面是一段距離上的最小斷面。

3.2 作業(yè)內(nèi)容

掃描系統(tǒng)對鐵路（地鐵）隧道病害分析包括以下幾個(gè)主要的工作內(nèi)容：

（1）建立以鐵路隧道病害數(shù)據(jù)庫，內(nèi)容包括病害的名稱、調(diào)查時(shí)間、統(tǒng)計(jì)類型（病害等級、病害范圍或出現(xiàn)的個(gè)數(shù)）、圖例等；

（2）定期對隧道進(jìn)行掃描，獲得病害等數(shù)據(jù)；

（3）在專業(yè)軟件TunnelMap中，同步建立相應(yīng)的隧道模型；

（4）人工根據(jù)隧道掃描TIFF 文件對隧道內(nèi)的可見病害進(jìn)行灰度圖描繪，同時(shí)也可將其他檢測設(shè)備獲得的病害情況繪制到TunnelMap 數(shù)據(jù)庫中，如隧道滲水、襯砌破損、裂縫、錯(cuò)臺(tái)等病害；

（5）通過TunnelMap輸出隧道的病害分布圖可以直觀掌握病害的位置、密度，并以此來制訂維護(hù)（維修）計(jì)劃；通過相同隧道、相同里程范圍內(nèi)多次調(diào)查的病害分布圖的比較，可以了解隧道狀態(tài)的發(fā)展變化趨勢；新線驗(yàn)收時(shí)如使用GPR5000 檢測隧道狀態(tài)，隧道病害分布圖還能作為長期的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)檔案，以供后期維護(hù)查閱；

（6）通過TunnelMap 輸出隧道的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，TunnelMap 提供了5 種不同類型的報(bào)表，從多種角度對病害分布和狀態(tài)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，包括：檢查統(tǒng)計(jì)總表、詳細(xì)一覽表、不同病害類型統(tǒng)計(jì)分析表、隧道病害檢查比較表、病害分布直方圖。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 檢測概況

黃草隧道通過區(qū)域?yàn)橹猩絼兾g地貌，地形陡峻，自然坡度為30°～60°，地表沖溝、切溝發(fā)育，植被較發(fā)育。單線洞身圍巖主要為砂巖夾頁巖、灰?guī)r和頁巖，單斜構(gòu)造。圍巖屬奧陶系中上統(tǒng)灰?guī)r，巖溶較發(fā)育。

該隧道二襯部分存在較多龜裂現(xiàn)象，部分龜裂達(dá)數(shù)厘米寬，并同時(shí)出現(xiàn)不同程度滲水、錯(cuò)臺(tái)等缺陷。

根據(jù)成都鐵路局工務(wù)段的要求，采用GRP5000 系統(tǒng)連續(xù)掃描模式進(jìn)行全隧道掃描，以隧道進(jìn)、出口襯砌邊緣作為起止里程控制。

4.2 成果展示

本次對黃草隧道進(jìn)行襯砌現(xiàn)狀檢測，主要包括裂縫、滲水、錯(cuò)臺(tái)分布、重點(diǎn)部位裂縫寬度及深度，為現(xiàn)有隧道建立襯砌表面狀況健康檔案。GRP5000 移動(dòng)式掃描測量系統(tǒng)對隧道襯砌進(jìn)行全面掃描，檢測隧道襯砌表面缺陷分布狀況，對重點(diǎn)部位裂縫采用超聲或塞尺進(jìn)行裂縫寬度、深度檢測，建立隧道襯砌表面健康檔案。黃草隧道檢測模式如圖2 所示，病害調(diào)查成果如圖3～圖5所示。

圖2 檢測模式示意圖

圖3 3D成果顯示圖

圖4 裂縫分布局部放大圖

圖5 病害調(diào)查綜合成果展示圖

5 結(jié)語

通過隧道襯砌激光全息掃描系統(tǒng)對渝懷鐵路病害隧道的調(diào)查，找到了一種高精度、高效率的方法來控制在建或新建隧道的質(zhì)量，同時(shí)能有效調(diào)查處理運(yùn)營隧道的病害。激光全息掃描系統(tǒng)（GRP5000）每次測量的數(shù)據(jù)不僅包含三維坐標(biāo)信息，還包括顏色信息，同時(shí)還有隧道襯砌表面反色率的信息，這樣全面的信息能真實(shí)再現(xiàn)隧道襯砌畫面，提供豐富畫面信息，并能準(zhǔn)確檢測隧道襯砌錯(cuò)臺(tái)、掉塊、滲水、裂縫等病害以其空間位置，經(jīng)人工智能化軟件分析后，可提供高精度的2D、3D 圖像、圖表及文字信息，是一種值得推薦的隧道病害調(diào)查技術(shù)。

[1] 楊新安，黃宏偉.隧道病害與防治[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2003.

[2] 陳禮偉.淺析隧道病害調(diào)查方法與處理技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004（2）：53-57.

[3] 吳江濱，張頂立，王夢恕.鐵路運(yùn)營隧道病害現(xiàn)狀及檢測評估[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，13（6）：49-52.

[4] 沈至毅，譚周.GRP5000隧道檢測車在上海地鐵的應(yīng)用研究[J].山西建筑，2013，39（27）：158-159.

[5] 賈志清.鐵路運(yùn)營隧道病害狀態(tài)檢測及其機(jī)理分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2005.

[6] 劉海京，鄭佳艷，涂耘，等.大坂山高寒隧道病害檢測與狀態(tài)評定[J].公路交通技術(shù)，2009（6）：120-124.