高春雷 王鵬 韓自力 徐濟(jì)松 張世紅 何國華

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

隧道作為重要的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，其狀態(tài)好壞直接關(guān)系到鐵路行車安全及運輸效能。截至2019年底，中國投入運營的高速鐵路已超過3.5萬km，共建成高速鐵路隧道3 442座，總長5 515 km；在建高速鐵路隧道1 331座，累計長度約2 560 km；規(guī)劃高速鐵路隧道3 208座，累計長度約7 975 km［1］。由于種種原因，部分隧道工程質(zhì)量存在一些不足，如拱墻背后空洞、襯砌厚度不足等，導(dǎo)致這些隧道通車不久便出現(xiàn)襯砌滲漏水、開裂掉塊，隧底裂損、下沉等病害，這些病害惡化了鐵路隧道服役性能，降低了隧道結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，嚴(yán)重威脅高速列車的運行安全［2］。

國內(nèi)外運營隧道襯砌質(zhì)量檢測普遍采用地質(zhì)雷達(dá)法，但裝載地質(zhì)雷達(dá)的快速移動車輛平臺仍不多見。日本JR東日本旅客鐵道公司和三井船舶公司合作開發(fā)的隧道襯砌狀態(tài)檢測車［3］采用3臺雷達(dá)探測器，3次往返檢測14條測線，每臺雷達(dá)探測器檢測寬度1 m，檢測深度40 cm，工作速度3.5 km/h。德國GBM Wiebe公司生產(chǎn)的隧道檢測車裝有4根頻率1.0 GHz雷達(dá)天線，能檢測隧道襯砌、回填土和側(cè)壁基巖狀態(tài)，記錄下松動的圍巖位置，最大檢查深度1.5 m。中國鐵道科學(xué)研究院研制的國內(nèi)首臺鐵路隧道狀態(tài)檢查車，裝備有5組中高頻組合地質(zhì)雷達(dá)天線，可一次5條測線對普速鐵路單線隧道襯砌內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行檢測，檢測速度3 km/h。上述隧道檢測車均為輪軌式走行車輛，無法滿足我國高速鐵路隧道建設(shè)期襯砌質(zhì)量檢測需求。

本文在總結(jié)隧道檢測車設(shè)計、運用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對高速鐵路隧道建設(shè)期襯砌質(zhì)量檢測要求和特點，分析針對性更強(qiáng)、技術(shù)更先進(jìn)的輪胎式高速鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測車的主要技術(shù)指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 高速鐵路新建隧道測線布置方法

TB 10223—2004《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》［4］和《鐵路隧道檢測技術(shù)手冊》［5］規(guī)定：普通鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測要求在隧道拱頂、左右拱腰和左右邊墻各布置1條雷達(dá)測線，共5條測線。由于高速鐵路隧道斷面遠(yuǎn)大于普通鐵路隧道斷面，根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》［6］和高速鐵路隧道缺陷和病害統(tǒng)計狀況，增加了雷達(dá)測線數(shù)量，并結(jié)合實際情況變化了布置方式。

雙線高速鐵路隧道上部拱墻布置9條雷達(dá)測線，下部仰拱布置4條雷達(dá)測線，共計13條，見圖1（a）。單線高速鐵路隧道上部拱墻布置9條雷達(dá)測線，下部仰拱布置3條雷達(dá)測線，共計12條，見圖1（b）。

經(jīng)過調(diào)查研究，隧道拱頂距離中線2 m范圍內(nèi)為病害多發(fā)區(qū)域。為了提高雷達(dá)檢測的準(zhǔn)確性，將距拱頂中線左右側(cè)2 m范圍再劃分為（0，0.5），（0.5，1.0），（1.0，1.5），（1.5，2.0）4個區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)各增加1條測線。拱頂加密測線見圖2。

圖2 隧道拱頂加密測線布置

2 高速鐵路新建隧道襯砌質(zhì)量檢測方法

高速鐵路新建隧道竣工驗收檢測，一般在隧道襯砌與填充層施工完成后，道床施工前進(jìn)行。根據(jù)該階段襯砌檢測的技術(shù)要求、現(xiàn)場施工條件以及測線布置方法，高速鐵路新建隧道襯砌質(zhì)量檢測車確定采用輪胎式走行車輛平臺，裝載3套機(jī)器人追蹤檢測裝置，3套襯砌和2套仰拱地質(zhì)雷達(dá)檢測系統(tǒng)，同時配屬隧道襯砌裂縫識別系統(tǒng)，以實現(xiàn)對隧道的全面檢測。

2.1 隧道襯砌內(nèi)部及隧底結(jié)構(gòu)檢測

隧道襯砌內(nèi)部檢測主要包括襯砌厚度、鋼筋分布、襯砌密實程度、背后空洞等。隧底結(jié)構(gòu)檢測主要包括道床厚度、仰拱厚度、結(jié)構(gòu)裂損、滲漏水情況等。

隧道檢測車檢測3次，可完成雙線隧道13條測線的檢測。第1次檢測車輛行駛在隧道中間，3套機(jī)器人追蹤檢測裝置分別展開，根據(jù)隧道輪廓坐標(biāo)將雷達(dá)天線舉升到隧道中間區(qū)域3個測點位置，進(jìn)行拱頂區(qū)域檢測，見圖3（a）。第2、第3次檢測車輛行駛在隧道左側(cè)或右側(cè)，3套機(jī)器人追蹤檢測裝置分別將雷達(dá)天線舉升到隧道左右拱腰和邊墻3個測點位置進(jìn)行檢測，見圖3（b）。

圖3 檢測位置

隧道檢測車底部安裝的地質(zhì)雷達(dá)，可在襯砌狀態(tài)檢測的同時或者單獨對隧底進(jìn)行檢測。對于病害嚴(yán)重隧道，若需加密測線，可調(diào)整機(jī)器人位置進(jìn)行雙向反復(fù)檢測。

2.2 隧道襯砌裂縫檢測

隧道檢測車檢測艙前端墻設(shè)置5臺相機(jī)，檢測拱腰、邊墻的同時，對隧道襯砌表面裂縫情況進(jìn)行全斷面檢測，見圖4。裂縫檢測系統(tǒng)采用線陣相機(jī)加激光照明的集成模塊，對隧道襯砌表面圖像進(jìn)行快速連續(xù)采集，并利用人工智能技術(shù)實現(xiàn)對襯砌表面病害的快速自動識別。同時其高效的存儲系統(tǒng)可解決大量數(shù)據(jù)的傳輸和實時存儲問題，通過多臺計算機(jī)協(xié)同工作，實現(xiàn)高速鐵路大斷面隧道襯砌的高清晰度圖像采集［7］。

圖4 隧道襯砌裂縫檢測

3 主要技術(shù)指標(biāo)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

1）地質(zhì)雷達(dá)探測深度

根據(jù)《中國高速鐵路隧道》［8］，時速250～350 km高速鐵路單線、雙線隧道襯砌初期支護(hù)與二次襯砌總厚度最大分別為70，78 cm?？紤]預(yù)留變形量，單線、雙線隧道復(fù)合式襯砌總厚度分別為82，93 cm。選擇探測深度2 m雷達(dá)能夠完全覆蓋復(fù)合式襯砌及其背后一定范圍，能夠檢測襯砌內(nèi)部及其背后的病害情況。所以，最大探測深度2 m滿足高速鐵路隧道襯砌檢測要求。

2）地質(zhì)雷達(dá)探測精度

采用地質(zhì)雷達(dá)對襯砌和隧底檢測的精度與雷達(dá)系統(tǒng)的分辨率密切相關(guān)。理論上分辨率取決于雷達(dá)波的脈沖寬度（對應(yīng)天線中心頻率）與檢測目標(biāo)的埋置深度［9］。在一定的中心頻率下，分辨率受頻帶寬度影響，頻帶寬度又受到天線制造工藝的影響。分辨率可分為垂直分辨率和橫向分辨率。垂直分辨率決定對地層厚度、空洞垂向深度等垂向尺寸的量測精度；橫向分辨率決定對空洞縱向長度、仰拱縱向裂損長度等縱向尺寸的量測精度。

TB 10223—2004規(guī)定：地質(zhì)雷達(dá)天線可以采用不同頻率的天線組合，垂直分辨率應(yīng)高于20 mm。因此，將地質(zhì)雷達(dá)天線的分辨率定為2 mm。在實際檢測過程中可以依據(jù)檢測目標(biāo)情況，對雷達(dá)參數(shù)、檢測速度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，以保證檢測精度。

3）車輛運行速度和檢測速度

檢測車的速度分為運行速度和檢測速度。為了滿足車輛在新建隧道間轉(zhuǎn)場及長途運行的需求，根據(jù)GB 7258—2017《機(jī)動車運行安全技術(shù)條件》［10］，最高運行速度不低于80 km/h。

隧道檢測車的現(xiàn)場檢測能力主要取決于地質(zhì)雷達(dá)的探測精度、機(jī)器人追蹤檢測的靈敏性以及隧道現(xiàn)場表面不平順對車輛穩(wěn)定性的影響等。綜合考慮各方面因素，檢測速度目標(biāo)值定為3～5 km/h。

4）雷達(dá)天線與襯砌表面距離

隧道檢測車由于其特殊的作業(yè)工況，地質(zhì)雷達(dá)天線與隧道襯砌表面采用非接觸式檢測。但當(dāng)接觸式天線用于非接觸式檢測時，在天線和檢測目標(biāo)間增加了空氣層，檢測深度和圖像質(zhì)量將會受到影響。

根據(jù)天線距離襯砌表面 0，100，200，300，400 mm 5種工況檢測數(shù)據(jù)處理所得的雷達(dá)圖像質(zhì)量，再結(jié)合機(jī)器人自動追蹤響應(yīng)能力，隧道襯砌內(nèi)部檢測時，地質(zhì)雷達(dá)天線與襯砌表面距離設(shè)定為（100±20）mm。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

1）隧道檢測車運行穩(wěn)定性

高速鐵路隧道襯砌斷面最大高度將近10 m。為了滿足檢測高度需求，收車時、檢測作業(yè)時檢測車重心離地高度須分別達(dá)到1 700，2 250 mm。

檢測車的穩(wěn)定性應(yīng)從3方面保證：①無傾覆性風(fēng)險，保證收車高速運行狀態(tài)和機(jī)器人展開檢測狀態(tài)均滿足要求；②爬坡越野能力，以保證新建隧道間轉(zhuǎn)場運輸?shù)捻樌桶踩?；③檢測作業(yè)時的穩(wěn)定性，通過車輛減震系統(tǒng)結(jié)合機(jī)器人自動追蹤響應(yīng)，減少路面不平順對雷達(dá)探測的影響。

根據(jù)GB/T 14172—2009《汽車靜側(cè)翻穩(wěn)定性臺架試驗方法》［11］，隧道檢測車順利通過了側(cè)翻試驗。隧道檢測車靜止放置于商用車側(cè)翻試驗臺，側(cè)翻試驗角度逐步加大到28°，檢測車在該位置靜置10 min，穩(wěn)定無異常。

2）機(jī)器人自動追蹤技術(shù)

由于隧道檢測車運行路徑不規(guī)律、線路不平整，使得檢測過程中雷達(dá)天線與測點的位置和姿態(tài)出現(xiàn)偏差。因此，需要托舉雷達(dá)天線的機(jī)器人具有快速響應(yīng)和調(diào)節(jié)能力。中國鐵道科學(xué)研究院開發(fā)的機(jī)器人自動追蹤檢測系統(tǒng)，利用激光掃描和數(shù)字處理技術(shù)，通過對隧道斷面的實時檢測和對檢測車位置的判斷，實現(xiàn)機(jī)器人托舉雷達(dá)天線對于隧道襯砌檢測點位置的追蹤，從而確保隧道襯砌質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。通過機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整和跟隨響應(yīng)，滿足隧道拱頂和邊墻不同測點的檢測要求。

3）多通道地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)

采用多通道地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，通過機(jī)械臂托舉天線的工作方式，可以同時檢測3條測線。相對于目前新線人工手持天線一次只能檢測一條測線，檢測效率、檢測精度均顯著提高。

經(jīng)大量試驗驗證，非接觸式檢測在雷達(dá)天線距襯砌20 cm內(nèi)有較好的檢測效果。通過機(jī)器人自動追蹤技術(shù)與多通道地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，雷達(dá)天線與襯砌表面距離在（100±20）mm，既能有效避免路面不平順和襯砌表面凹凸不平的影響，又能快速、安全地獲取檢測數(shù)據(jù)。

4 隧道檢測車應(yīng)用

隧道檢測車研制成功后，立即投入到新建高速鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測中。檢測現(xiàn)場見圖5。

圖5 隧道檢測車檢測現(xiàn)場

2018年11月至2019年12月，累計檢測作業(yè)92 d（不含轉(zhuǎn)場和調(diào)度時間），隧道檢測車已在新建高速鐵路完成30座隧道，超過100 km的隧道襯砌質(zhì)量檢測，檢測速度3～10 km/h。

通過分析地質(zhì)雷達(dá)和裂縫識別系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)，得到所檢隧道存在的空洞、不密實、襯砌厚度不足、表面裂縫等缺陷和病害情況。結(jié)合現(xiàn)場取芯驗證，有效地指導(dǎo)了隧道施工缺陷的及時修復(fù)，保障了新建高速鐵路隧道的施工質(zhì)量。

5 結(jié)論

1）高速鐵路雙線隧道上部拱墻布置9條測線、下部仰拱布置4條測線，單線隧道上部拱墻布置9條測線、下部仰拱布置3條測線，可對襯砌及隧底施工質(zhì)量及內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測評判。

2）隧道檢測車作業(yè)速度3～10 km/h，可同時檢測拱墻3條測線、仰拱2條測線；地質(zhì)雷達(dá)天線與襯砌表面距離可保持在（100±20）mm，能夠適應(yīng)時速250～350 km新建高速鐵路隧道襯砌的檢測要求。

3）隧道檢測車兼具襯砌內(nèi)部檢測與表面裂縫識別功能，適用于高速鐵路隧道襯砌與填充層施工完成后、道床施工前的隧道襯砌質(zhì)量檢測，可滿足隧道建設(shè)期的檢測需求。