羅 蕊， 王 睿， 喻曉豪

(四川師范大學(xué)工學(xué)院，四川成都610068)

截至2018年底，我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)到2.9×104km以上[1]。在高鐵隧道的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中，由于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、設(shè)計(jì)施工不夠完善以及其他人為因素使隧道不可避免地發(fā)生病害。其中，裂縫是隧道襯砌最為常見(jiàn)的病害之一，當(dāng)裂縫擴(kuò)展到一定程度時(shí)，必將導(dǎo)致受力狀態(tài)發(fā)生改變，致使結(jié)構(gòu)破壞的機(jī)率增大，同時(shí)還可能引發(fā)滲漏水、結(jié)構(gòu)凍害等表觀病害[2-3]。防治裂縫的前提是及時(shí)、準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)到裂縫的相關(guān)數(shù)據(jù)。目前檢測(cè)裂縫的主要方法有雷達(dá)檢測(cè)法、圖像處理檢測(cè)法、激光掃描檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、沖擊彈性波檢測(cè)法、光纖傳感檢測(cè)法，本文對(duì)上述檢測(cè)方法從檢測(cè)原理、檢測(cè)效率以及應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)性分析和比較。

1 探地雷達(dá)檢測(cè)

1.1 探地雷達(dá)檢測(cè)原理

探地雷達(dá)主要利用不同的介質(zhì)在電磁特性上的差異會(huì)造成反射回波在波幅、波長(zhǎng)以及波形上有相應(yīng)的變化這一原理。探地雷達(dá)系統(tǒng)通常由發(fā)射機(jī)、收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、接收機(jī)以及處理信號(hào)的主機(jī)等部分組成。在實(shí)際應(yīng)用中，如圖1所示，探地雷達(dá)在發(fā)射出電磁波后，可以通過(guò)信號(hào)接收裝置對(duì)反射回波信號(hào)進(jìn)行接收，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析。通過(guò)分析其反射波譜的形狀、頻譜特征和反射時(shí)間等參數(shù)，進(jìn)而得出檢測(cè)裂縫的孔隙度、張開(kāi)度、線密度等性質(zhì)。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

1.2 探地雷達(dá)檢測(cè)可行性分析

探地雷達(dá)是檢測(cè)和識(shí)別地下目標(biāo)的一種有效設(shè)備，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，被廣泛應(yīng)用于巖土勘查、工程建筑結(jié)構(gòu)勘查及生態(tài)環(huán)境探測(cè)等方面。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 直接成像，檢測(cè)效率高：由于雷達(dá)反射波可以直接以圖像的形式呈現(xiàn)，便于對(duì)目標(biāo)物的結(jié)構(gòu)和形態(tài)進(jìn)行直接分析，提高檢測(cè)效率；

(2) 按需匹配，應(yīng)用范圍廣：探地雷達(dá)可以通過(guò)為不同的待檢測(cè)裂縫匹配不同頻率的檢測(cè)天線來(lái)得出最佳檢測(cè)結(jié)果；

(3) 無(wú)損檢測(cè)：探地雷達(dá)采用了非接觸式檢測(cè)，不會(huì)對(duì)待測(cè)物本身造成損害；

(4) 結(jié)果精確：探地雷達(dá)對(duì)待測(cè)物體的檢測(cè)精度達(dá)到了厘米級(jí)，能夠滿足現(xiàn)有大部分的檢測(cè)精度要求。

1.3 探地雷達(dá)檢測(cè)的局限性

探地雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中也存在一定的局限性：

(1) 干擾因素：由于探地雷達(dá)的工作環(huán)境并不單一，干擾因素(雜波和噪音)的存在降低了目標(biāo)回波信號(hào)處理的效率，且為后期的目標(biāo)回波處理帶來(lái)了不必要的干擾；

(2) 探測(cè)深度受限：由于高頻電磁波在介質(zhì)中具有高衰減性，這種局限性可能會(huì)導(dǎo)致探地雷達(dá)在檢測(cè)深度較大的裂縫時(shí)出現(xiàn)檢測(cè)出現(xiàn)偏差或無(wú)法識(shí)別裂縫等問(wèn)題。

2 圖像處理檢測(cè)法

2.1 圖像處理檢測(cè)原理

圖像處理檢測(cè)法在實(shí)際應(yīng)用中先利用以CCD相機(jī)為核心部件的圖像采集系統(tǒng)對(duì)隧道斷面進(jìn)行連續(xù)的信息采集，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后經(jīng)過(guò)A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換，再次將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字圖像信息，輸入計(jì)算機(jī)并存盤(pán)[6](圖2)。再經(jīng)過(guò)圖像處理系統(tǒng)，提取出襯砌裂縫信息，如裂縫的范圍，具體位置以及裂縫的走向、寬度等。

圖2 圖像處理檢測(cè)法原理

2.2 圖像處理檢測(cè)法可行性分析

圖像處理檢測(cè)法是一種便捷高效、適用性強(qiáng)的裂縫采集方式，其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1) 無(wú)損檢測(cè)：圖像采集對(duì)待采集裂縫進(jìn)行采集時(shí)(相機(jī)連續(xù)拍照)采用非接觸式檢測(cè)；

(2) 檢測(cè)精度可調(diào)控：在進(jìn)行圖像采集的時(shí)，可以通過(guò)選取不同的圖像采集器、或是采用不同的拍攝角度、增加額外的光源條件等方式來(lái)獲取更加清晰的采集圖像。除此之外，還可以采用不同的算法來(lái)提高圖像處理的精度；

(3) 檢測(cè)效率高：在進(jìn)行圖像采集時(shí)，可將圖像采集器放置于勻速行駛的檢測(cè)車上，大幅度的減少因?yàn)闄z測(cè)者操作不當(dāng)所造成的誤差。同時(shí)也可以最大限度地提高檢測(cè)效率，減少檢測(cè)時(shí)對(duì)周圍環(huán)境的影響，增大檢測(cè)的安全性。

2.3 圖像處理檢測(cè)法的缺點(diǎn)

但由于圖像處理檢測(cè)法在一定程度上依賴于后期算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，因此該方法仍存在一定的缺點(diǎn)：

(1) 檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性有待提高：當(dāng)后期圖像處理后裂縫的灰度值與背景或噪音的差異較小且不易區(qū)分時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一是圖像背景的雜點(diǎn)或噪音極易在圖像處理時(shí)被劃為裂縫，二是將裂縫作為不需要的雜點(diǎn)或噪音去除；

(2) 缺少運(yùn)算時(shí)間短，精度高的算法：大部分隧道裂縫自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)都采取了在現(xiàn)場(chǎng)采集圖像，然后將采集的圖像進(jìn)行離線處理的方法，這種處理方法耗時(shí)長(zhǎng)，且不利于補(bǔ)測(cè)；

(3) 未完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化圖像處理檢測(cè)：圖像處理檢測(cè)法由于各種干擾物和滲漏水處產(chǎn)生的噪點(diǎn)對(duì)采集的裂縫圖像具有一定的影響，導(dǎo)致在圖像處理后的裂縫識(shí)別階段，由算法處理后仍需借助人工識(shí)別從而達(dá)到要求精度。

3 三維激光掃描技術(shù)檢測(cè)

3.1 三維激光掃描技術(shù)檢測(cè)原理

三維激光掃描系統(tǒng)包含有三維激光掃描儀、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理平臺(tái)、電源及其他附屬配件。三維激光掃描系統(tǒng)的作用原理是：當(dāng)檢測(cè)車按照指定路線行進(jìn)時(shí)，檢測(cè)車上搭載的激光儀進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，以發(fā)射出螺旋線形式的激光對(duì)待檢測(cè)物體表面進(jìn)行掃描。對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析得到有關(guān)數(shù)據(jù)之后，經(jīng)計(jì)算得出待檢測(cè)物體表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，由大量的點(diǎn)位置得出待檢測(cè)物體表面的圖像。由于隧道是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，在對(duì)三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理進(jìn)行三維模型重建時(shí)，需從全局和局部?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析和提取。再應(yīng)用數(shù)字圖像重建技術(shù)，對(duì)裂縫進(jìn)行成像處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的真實(shí)再現(xiàn)。

3.2 三維激光掃描技術(shù)檢測(cè)可行性分析

三維激光掃描由于其理論和應(yīng)用技術(shù)均較為成熟，在實(shí)際工程中得到廣泛的應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1) 無(wú)損檢測(cè)：激光檢測(cè)時(shí)采用無(wú)接觸表面檢測(cè)，不會(huì)對(duì)被待檢測(cè)物體造成損傷；

(2) 采樣率高：相較于傳統(tǒng)的檢測(cè)方式，激光檢測(cè)每站所測(cè)量的斷面?zhèn)€數(shù)更多，且每個(gè)斷面點(diǎn)的密度更大；

(3) 布點(diǎn)靈活：進(jìn)行激光檢測(cè)時(shí)，由于斷面測(cè)量間隔相較于傳統(tǒng)的檢測(cè)方式(一般為大于5m)更短，且可以根據(jù)檢測(cè)位置的實(shí)際情況調(diào)整測(cè)量間隔，對(duì)于情況較為復(fù)雜的部位可以設(shè)置較為密集(大于1m)的測(cè)站。

3.3 三維激光掃描技術(shù)檢測(cè)的局限性

三維激光掃描技術(shù)也有其局限性：

(1) 檢測(cè)誤差：在檢測(cè)時(shí)，由于儀器本身的制造誤差或是激光掃描的測(cè)距、測(cè)量角度選取不當(dāng)?shù)仍?，都?huì)給測(cè)量結(jié)果造成一定的誤差；

(2) 檢測(cè)效率低：三維激光掃描通過(guò)數(shù)字圖像重建技術(shù)建立模型，需要測(cè)量大量的三維點(diǎn)坐標(biāo)，檢測(cè)量與數(shù)據(jù)處理量極大。

4 超聲波檢測(cè)法

4.1 超聲波檢測(cè)原理

超聲波在有缺陷的混凝土中傳播時(shí)，會(huì)在缺陷部位發(fā)生反射、折射、散射等現(xiàn)象，導(dǎo)致聲學(xué)參數(shù)發(fā)生變化。超聲波檢測(cè)法最常利用的兩種方法就是正負(fù)波檢測(cè)法和首波相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)法。超聲波接收波形會(huì)在其換能器間距在裂縫深度的兩倍以內(nèi)時(shí)發(fā)生變化，此時(shí)超聲波接收波形的首波出現(xiàn)正波，而在裂縫深度兩倍以外出現(xiàn)負(fù)波。根據(jù)這一性質(zhì)，利用正負(fù)波計(jì)算出裂縫深度。首波相位反轉(zhuǎn)檢測(cè)法則是利用了當(dāng)換能器置于裂縫兩側(cè)時(shí)與裂縫間距不同，會(huì)引起首波的波幅和相位的變化。

4.2 超聲波檢測(cè)法可行性分析

超聲波檢測(cè)法利用超聲波的在介質(zhì)中傳播的聲學(xué)參數(shù)對(duì)裂縫進(jìn)行識(shí)別，其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1) 適用性強(qiáng)：當(dāng)裂縫深度較小時(shí)，可采取首波相位反轉(zhuǎn)法對(duì)返回信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，能得出較為精準(zhǔn)的處理結(jié)果；

(2) 可操作性強(qiáng)：檢測(cè)混凝土裂縫深度時(shí)采用不對(duì)稱布置測(cè)點(diǎn)使測(cè)量時(shí)儀器的擺放更加靈活，提高了其可操作性；

(3) 對(duì)裂縫識(shí)別性好：聲測(cè)裂縫其頻率較高,指向性好，波在介質(zhì)中傳播時(shí)，在阻抗差異明顯的界面上會(huì)發(fā)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換[11]。

4.3 超聲波檢測(cè)法的局限性

超聲波檢測(cè)法由于其自身的性質(zhì)所限制，也具有一定的局限性：

(1) 不具備普適性：當(dāng)裂縫的深度增加，測(cè)距增大,負(fù)波的振幅下降很快，致使負(fù)波的測(cè)量平均誤差增大。超聲波頻譜響應(yīng)性能差[11],不適用于深度大且裂縫內(nèi)填充情況較為復(fù)雜的情況；

(2) 檢測(cè)效率低：由于裂縫內(nèi)情況較為復(fù)雜，依據(jù)時(shí)聲學(xué)參數(shù)的變化作為裂縫識(shí)別依據(jù)需花費(fèi)大量時(shí)間處理數(shù)據(jù)。

5 沖擊彈性波檢測(cè)法

5.1 沖擊彈性波檢測(cè)原理

沖擊彈性波作為一種應(yīng)力波,一般由不同大小的激振錘激發(fā),能量大且集中,能夠穿透10m左右的混凝土。機(jī)械沖擊引發(fā)的應(yīng)力波包含了縱波、橫波和應(yīng)力波。應(yīng)力波波前到達(dá)裂縫的混凝土-空氣界面,由波阻抗差異導(dǎo)致波基本會(huì)被反射,形成反射波,此時(shí)應(yīng)力波無(wú)法傳遞到裂縫的另一側(cè),混凝土質(zhì)點(diǎn)不產(chǎn)生位移,接收點(diǎn)的傳感器接收不到信號(hào)值。當(dāng)混凝土中的應(yīng)力波波前傳播至裂縫最深極限位置時(shí),既產(chǎn)生衍射現(xiàn)象,形成球形的衍射波。當(dāng)球形衍射波第一次傳播至接收端處時(shí),引起混凝土表面質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移,接收傳感器所接收到的時(shí)域信號(hào)表現(xiàn)為振幅突變。

5.2 沖擊彈性波檢測(cè)可行性分析

沖擊彈性波檢測(cè)法通過(guò)分析應(yīng)力波在裂縫處的混凝土-空氣界面處發(fā)生的反射、衍射等傳播現(xiàn)象，得出裂縫的基本信息。其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1) 頻譜反應(yīng)明顯：沖擊彈性波具有較高的能量，對(duì)于尺寸較小的裂縫也能識(shí)別，提高了裂縫的檢測(cè)范圍；

(2) 檢測(cè)精度高：由于沖擊彈性波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，且頻率較低，衰減緩慢，能夠大范圍使用且不受裂縫中填充雜質(zhì)的影響。

5.3 沖擊彈性波檢測(cè)法缺點(diǎn)

沖擊彈性波檢測(cè)法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也具有一定的缺點(diǎn)：

(1) 非無(wú)損檢測(cè)：由于振錘在激發(fā)應(yīng)力波時(shí)需對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行錘擊，會(huì)對(duì)被檢測(cè)物體表面造成一定的損傷；

(2) 檢測(cè)效率低：由于沖擊彈性波需采用振錘激發(fā)應(yīng)力波，需在不同檢測(cè)點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行操作，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，檢測(cè)效率低。

6 光纖傳感檢測(cè)法

6.1 光纖傳感檢測(cè)原理

光線傳感器通常是由光傳感元件、信號(hào)處理器、光導(dǎo)纖維、光源等組成的。光纖傳感器主要利用了光波在光纖中傳播時(shí)，光波的振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等，在外界作用因素的影響下發(fā)生改變。由于光纖極具敏感性，在有裂縫產(chǎn)生的地方會(huì)發(fā)生微彎，如圖3所示，在微彎處，在光纖中傳輸?shù)墓鈺?huì)產(chǎn)生能量輻射。根據(jù)瑞利散射原理，可以通過(guò)對(duì)接收到的散射光進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)分析出的光的衰減波形，從而得出裂縫的信息。

圖3 光纖監(jiān)測(cè)裂縫細(xì)部結(jié)構(gòu)

6.2 光纖傳感檢測(cè)法可行性分析

隨著光纖在實(shí)際生活中的普及，光纖傳感檢測(cè)法也得到了一定的發(fā)展，其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)探測(cè)靈敏：光纖受到微小的外力作用時(shí)會(huì)發(fā)生微彎曲，使其傳光能力發(fā)生很大的改變。這一性質(zhì)不僅可以檢測(cè)到裂縫的產(chǎn)生，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控裂縫是否發(fā)展；

(2)抗干擾性強(qiáng)：光纖在工作時(shí)不受電磁或其他雜質(zhì)的干擾，使其探測(cè)結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性和可靠性；

(3)可探測(cè)距離長(zhǎng)：光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離鋪設(shè)，加大了光線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)范圍。

6.3 光纖傳感檢測(cè)法缺點(diǎn)

光纖傳感檢測(cè)法也存在著一定的缺點(diǎn)：

(1)成本高：光纖預(yù)埋時(shí)搭建光線傳感器網(wǎng)由于其鋪設(shè)的復(fù)雜性，增加成本；

(2)不易后期維護(hù)：由于光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)埋于地下，且鋪設(shè)線路十分復(fù)雜，在進(jìn)行定期檢查或后期維護(hù)時(shí)困難較大。

7 結(jié)論

本文分別從理論原理、可行性(優(yōu)缺點(diǎn))等方面對(duì)雷達(dá)檢測(cè)法、圖像處理檢測(cè)法、三維激光掃描檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、沖擊彈性波檢測(cè)法、光纖傳感檢測(cè)法六種方法全面分析了如何檢測(cè)現(xiàn)存高鐵隧道的襯砌裂縫。分析發(fā)現(xiàn)，由于襯砌裂縫特點(diǎn)的不同，因此所采用的最佳檢測(cè)方法也隨之不同。

對(duì)于一般裂縫，探地雷達(dá)即可以進(jìn)行檢測(cè)；如果周圍環(huán)境光線較為黯淡或其他外界條件相對(duì)較差，則可采用圖像處理檢測(cè)法；如果環(huán)境條件較復(fù)雜，三維激光掃描檢測(cè)法會(huì)是比較合適的檢測(cè)方法；超聲波檢測(cè)法適用于檢測(cè)裂縫深度不大的情況；若是需要準(zhǔn)確測(cè)得深度較大的隧道襯砌裂縫，則應(yīng)該采用沖擊彈性波檢測(cè)法；若探測(cè)范圍較大且相對(duì)不考慮經(jīng)濟(jì)成本可選用光纖傳感檢測(cè)法。

總體來(lái)說(shuō), 隧道襯砌裂縫檢測(cè)的方式方法有待進(jìn)一步完善, 且準(zhǔn)確度、實(shí)時(shí)性、復(fù)雜性和普適性等方面還未達(dá)到滿意的效果, 檢測(cè)算法尚存在精度與速度的矛盾。