■何祖輝

（1.福建省交通科學技術研究所;2.福建省公路水運工程重點實驗室，福州 350004）

1 公路隧道現狀分析

我國是一個多山的國家，75%左右的國土是山地或重丘，為了縮短公路里程，改善路線線形和交通運輸條件，保護環(huán)境，節(jié)約土地，山區(qū)公路建設中已越來越重視隧道方案[1]。近10年來，隨著我國交通基礎設施建設規(guī)模的逐步擴大，高速公路建設迅猛發(fā)展，公路隧道數量日益增多，建設規(guī)模越來越大。據我國公路水路交通行業(yè)統計，截至2016年底，全國公路總里程達457.73×104km，公路隧道15181處、1403.97×104m，相比2015年增加1175處、135.58×104m。 其中，特長隧道 815處、362.27×104m，長隧道 3520 處、604.55×104m[2]。

圖1 中國公路隧道數量歷年增長示意圖

我國隧道多在2000年后建成，經過10多年的使用，已經進入病害多發(fā)期，從最近幾年的建設規(guī)模和速度來看，其中公路隧道每年以凈增1000座以上的速度在增長，從隧道的數量、已有規(guī)模來看，我國已成為世界上隧道工程最多、最復雜、發(fā)展最快的國家。

常規(guī)的檢測工作是隧道養(yǎng)護工作的重要環(huán)節(jié)。傳統的隧道病害檢測以人工作業(yè)為主，輔助激光測距儀、紅外測溫儀、超聲波探傷儀和地質雷達等儀器，檢測速度慢，勞動強度大，危險系數高，不能滿足大規(guī)模隧道的普查工作，更不適合在運營中的公路或鐵路隧道進行檢測。為此，本文提出采用智能檢測車（對隧道襯砌外觀檢測）、地質雷達（對隧道襯砌內部檢測）與人工調查相結合的綜合檢測技術。

2 智能檢測車快速檢測系統（TFS）

2.1 快速檢測系統簡介

系統通過無損檢測方式，以0～80km/h速度對隧道進行動態(tài)連續(xù)檢測。以中型底盤車作為車載平臺，在平臺上安裝多個精密傳感器，如POS定位系統、里程計、工業(yè)相機、斷面掃描儀、紅外熱像儀等。如圖2所示。

智能檢測車一次通行，即可完成隧道定位、襯砌裂縫、滲漏水、斷面變形、通風、照度、交安設施等綜合數據的采集，采用相應的軟件模塊對數據進行管理分析，可檢索查詢隧道病害情況，根據指標計算模型對隧道病害進行評價并可一鍵生成檢測報告及展示圖[3][4]，如圖3所示。

圖2 公路隧道快速檢測車

圖3 隧道檢測系統總體框架圖

2.2 快速檢測各子系統

快速檢測各子系統如圖4～8所示。

圖4 定位系統中布置在隧道內的控制標靶

（1）定位系統

由于隧道中GPS信號完全被屏蔽，即使采用慣性導航等高精度定位設備，在長大隧道的情況下，誤差會隨著隧道的長度增加而累積，最終的結果偏差較大而達不到定位目的。

接下來，我的“麻煩”便接踵而至。首先，找到我的是機械加工車間的主任，見面第一句話：“你為什么沒有提前跟我溝通？你有什么資格處罰他們？”“你知道嗎，被處罰的兩名員工都是在這里工作了十幾年的老員工，你考慮過他們的感受嗎？”聽到這些，我極力反駁，一場爭吵不可避免的發(fā)生了。

圖5 襯砌裂縫檢測子系統

圖6 襯砌滲漏水檢測子系統

圖7 斷面形變檢測子系統

圖8 亮度檢測子系統

為了克服隧道中GPS信號被屏蔽的影響，獲得長期高精度軌跡，引入外部高精度位置信息對誤差進行修正。本文提出了一種適用于無GPS信號環(huán)境下DMI融合測量控制點數據的方法進行定位。該方法建立在高精度DMI里程計和公路隧道快速檢測系統獲取隧道斷面數量的基礎上，引入測量控制點傳遞定位，通過公路隧道快速檢測系統采集的襯砌影像獲取測量控制點位置，如圖4所示，對隧道內樁號進行修正，限制其誤差發(fā)散，從而得到高精度空間位置，保證病害定位精度≤0.05%（長大隧道需布置控制點）。

圖9 隧道樁號定位示意圖

（2）襯砌裂縫檢測子系統

隧道襯砌裂損、檢修道等病害的獲取采用48盞高亮度頻閃LED輔助照明16臺高分辨率面陣相機對隧道的襯砌表觀、檢修道進行連續(xù)影像拍攝。獲取隧道襯砌全副影像需先檢測單洞兩車道或單洞三車道隧道的1/2單洞，然后檢測另外1/2單洞，對采集的隧道斷面影像進行無縫拼接，可實現公路隧道快速檢測系統獲取真實的襯砌全斷面影像。

（3）襯砌滲漏水檢測子系統

檢測車配有多臺高分辨率紅外熱像儀，使用紅外熱像儀完成雙車道隧道內壁熱圖像數據的采集，通過溫度差異性的分析，實現隧道內壁滲水、漏水、脫空等病害的識別。

（4）斷面形變檢測子系統

檢測車配有單臺高精度激光掃描儀，利用激光掃描儀一次掃描完畢后，即可得到整個隧道的斷面尺寸，根據隧道表面細微的段差，得出隧道檢查所需要的高精度3D形狀，可用于判斷隧道凈空尺寸與設計斷面尺寸及建筑限界的相關關系，進一步確保隧道內行車安全。

（5）亮度檢測子系統

采用LMK亮度測試儀通過獲得的景觀在圖像上的灰度信息來計算真實的亮度值，這樣獲得的圖像上就包含了景觀的亮度信息和幾何空間信息。這樣就實現了用非常簡單、省時的方法解決復雜的測試任務。對于長距離的道路或隧道，可以動態(tài)獲取圖像系列的方法來完成測試。獲得的亮度分布圖像可以在辦公室里進行分析處理，借助于專業(yè)圖像解析的亮度測試技術，整個范圍的道路、隧道立面亮度、照度信息可以同時獲得。

關于照明情況的初步的一般信息通過偽彩色的形式形象的顯示在獲得的亮度圖像中。如圖8所示，不同的顏色表示不同的亮度值。圖像的右邊既是不同顏色與亮度值的對應關系。對圖像進行取對數處理，可更加直觀的展示動態(tài)范圍較高的圖像。

2.3 試驗比對分析

為了驗證智能檢測車快速檢測系統（TFS）對隧道進行快速自動化檢測時所采集數據的準確性，測試與傳統人工測量方式所采集的數據在隧道病害定位、類型判別、尺寸測量等方面的偏差，本次試驗將智能檢測車對某隧道的自動化檢測數據與使用裂縫寬度儀對隧道的人工檢測數據進行比對。

智能檢測車對隧道由南到北行駛方向的單洞全幅，以60km/h的檢測速度進行自動化測量，并使用配套的數據處理軟件對隧道病害的樁號定位、類型、尺寸等進行處理自動輸出隧道病害明細表。原始圖像數據存擋以備后期比對核驗。

使用ZBL-F103裂縫寬度觀測儀，對隧道由南到北行駛方向的單洞進行病害抽樣測量，以精確采集該隧道部分病害的準確樁號、病害類型以及尺寸信息。

試驗比對結果表明，與傳統的裂縫寬度觀測儀相比，智能檢測車具有較高的病害檢測覆蓋率及病害類型準確率，且病害樁號偏差與病害尺寸測量偏差較小，在可接受范圍之內，見表1。智能檢測車檢測速度較快，檢測速度可達80km/h且一次通行，即可完成洞門、洞口、路面、檢修道、排水設施、吊頂預埋件、內裝飾、交通標志標線、襯砌（裂縫、滲漏水、斷面變形）等多種隧道數據的采集，可應用于大規(guī)模的定期檢測，具有較好的推廣應用價值。

圖10～圖13分別為ZBL-F103裂縫寬度觀測儀 （左圖）與隧道快速檢測系統TFS（右圖）對病害檢測的原始圖像。

表1 試驗比對結果

圖10 右幅K0+065豎縫

圖12 左幅K0+018豎縫

圖13 左幅K0+047斜縫

3 地質雷達

傳統的人工調查及智能檢測車只能完成隧道的襯砌外觀檢測，對襯砌內部病害（襯砌厚度不足、襯砌背后空洞、鋼筋缺陷等）不能進行有效的檢測，襯砌的內部病害會使襯砌受力和圍巖的應力狀態(tài)發(fā)生改變，降低襯砌結構的安全性，因此在對公路隧道進行健康狀態(tài)診斷時，應加入對襯砌內部病害的分析，襯砌內部病害的檢測一般采用地質雷達。

地質雷達是一種利用寬頻脈沖電磁波探測襯砌內不同介質分布形態(tài)的一種無損檢測方法。其工作原理為：地質雷達主機通過發(fā)射天線在隧道襯砌層表面向內部發(fā)射頻率為數百兆赫茲的電磁脈沖波，當電磁波遇到不同的媒質界面時便會發(fā)生反射、透射、散射或衍射，產生不同程度的波能吸收和衰減，這些現象集中反映在地質雷達記錄的波形和波阻抗特征的變化上，反射波返回襯砌層表面，被接收天線所接收。在對接收天線接收到的電磁波進行處理和分析的基礎上，根據接收到的電磁波波形、強度、雙程走時等參數便可推斷地下目標體（空洞、分界面等）的空間位置、結構、電性及幾何形態(tài)，從而達到對地下隱蔽目標的探測[5][6]。它以其高分辨率和高準確率、快速、連續(xù)且高效的無損檢測方法迅速得到人們的認可，并廣泛應用于建筑、鐵路、公路、水利、水電、采礦、城市地下網管等各個方面[7]。

綜合考慮智能檢測車和地質雷達在隧道檢測中的優(yōu)缺點，在此基礎上提出的智能檢測車、地質雷達與人工調查相結合的綜合檢測技術可有效、全面、快速地對公路隧道病害進行檢測，為隧道進行健康診斷分析提供依據。

4 綜合檢測技術應用實例分析

以福州福永高速公路丘山隧道左洞為例，隧道起止樁號為ZK38+646～ZK39+411，全長765m，分別采用智能檢測車及地質雷達對其進行外觀及內部病害進行檢測。

智能檢測車共發(fā)現病害23處，其中裂縫21處（裂縫滲水4處），點滲1處，洞口排水溝缺陷1處，詳見表2，典型病害點見圖14，期間為驗證智能檢測車快速檢測系統對隧道外觀檢測的可靠性，采用了人工配合裂縫測寬儀及激光測距儀進行驗證，得出隧道快速檢測系統病害識別準確率≥90%，達到了預期的檢測效果。

圖14 典型病害點

以地質雷達檢測隧道襯砌內部病害時，布置拱頂、左右拱腰、左右邊墻及仰拱共6條測線，對地質雷達采集信號進行處理分析，得到清晰的圖像，根據圖像可判斷襯砌厚度、襯砌背后空洞及不良地質體等情況，本次共發(fā)現襯砌內部病害共5處，其中典型病害如圖15、圖16所示。

圖15 丘山隧道ZK38+766～+771拱頂測線段襯砌厚度和缺陷圖

圖16 丘山隧道ZK39+012～+018拱頂測線段襯砌厚度和缺陷圖

通過采用智能檢測車、地質雷達及人工調查相結合的綜合檢測技術，得到了較為完整的公路隧道土建結構技術狀況評定指標，依據《公路隧道養(yǎng)護技術規(guī)范》（JTG H12-2015）對隧道類型進行評價 ，得出隧道土建結構技術狀況為1類隧道。

表2 丘山隧道（左洞）主要缺陷一覽表

5 總結

通過實踐應用表明智能檢測車隧道快速檢測系統檢測速度及病害識別準確性較人工檢測均具有很大優(yōu)勢。隧道快速檢測系統自動化檢測效率高，圖像清楚，病害規(guī)模、定位精準，檢測盲點少，且數據隨時可查，應用前景廣闊。與地質雷達、人工調查相結合的綜合檢測技術可有效、全面、快速地對公路隧道病害進行檢測，為隧道進行健康診斷分析提供依據，對現行的公路隧道健康診斷及安全評估，不斷完善隧道信息化養(yǎng)護管理系統，提升隧道質量、服務水平具有重要意義。

[1]中華人民共和國交通部.JTG D70-201，公路隧道設計規(guī)范.北京:人民交通出版社,2010.

[2]交通運輸部.2016年交通運輸行業(yè)發(fā)展統計公報[N].中國交通報,2017.

[3]章偉.卓越科技推出自主研發(fā)隧道快速檢測系統[J].市政技術,2015,33(02):10.

[4]王平讓.隧道病害快速檢測技術現狀及分析比較[J].公路與汽運,2016,(03):241-245.

[5]趙曉博.地質雷達在隧道襯砌質量檢測中的應用[J].工程地球物理學報,2013,10(01):107-110.

[6]袁海波.地質雷達在公路隧道二襯質量檢測中的應用[J].西部探礦工程,2016,28(01):185-187.

[7]薄會申.鐵路隧道襯砌質量檢測與評價地質雷達技術實用手冊[M].地質出版社，2006.

[8]中華人民共和國交通部.JTG H12-2015，公路隧道養(yǎng)護技術規(guī)范[M].北京:人民交通出版社，2015.