張海濤

(中國鐵建重工集團股份有限公司， 湖南 長沙 410100)

0 引言

在隧道結(jié)構(gòu)中，襯砌作為結(jié)構(gòu)受力的重要組成部分，起到承載圍巖壓力、支撐、防腐蝕、防水等作用[1]，襯砌狀態(tài)直接影響鐵路的運輸安全，關(guān)系到隧道的安全和使用壽命，襯砌質(zhì)量檢測成為隧道建設(shè)過程中不可或缺的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)檢測方法分為無損檢測和有損檢測。其中，有損檢測雖然能夠直觀地檢測襯砌質(zhì)量，但往往會對襯砌結(jié)構(gòu)的整體性造成破壞；無損檢測常用的檢測方法是打擊聲法和地質(zhì)雷達法[2]，基于現(xiàn)場施工條件，現(xiàn)有地質(zhì)雷達法往往是作業(yè)人員站在作業(yè)平臺上手持地質(zhì)雷達往復(fù)檢測，雖然在一定程度上保護了隧道襯砌結(jié)構(gòu)，但由于平臺穩(wěn)定性及作業(yè)人員人為因素等影響[3]，檢測過程仍存在測線偏移、儀器脫離隧道表面、工作強度大、安全隱患較多等弊端，無法滿足隧道襯砌質(zhì)量驗收快速、高效、安全、高精度檢測的需求。因此，開展能夠?qū)崿F(xiàn)隧道襯砌質(zhì)量機械化全斷面檢測作業(yè)臺車研究具有十分重要的意義。

目前，隧道結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)實現(xiàn)自動化、實時化、集成化成為國內(nèi)外隧道質(zhì)量檢驗的發(fā)展方向[4]。其中，在國內(nèi)外隧道結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)中，搭載檢測設(shè)備的檢測臺車研制成為重要技術(shù)手段。日本JR東京旅客鐵道公司和日本三井船舶公司合作開發(fā)的隧道襯砌質(zhì)量檢測車，采用軌行式自輪運轉(zhuǎn)車，搭載3臺雷達探測器往復(fù)3次實現(xiàn)全斷面檢測，每臺雷達探測器掃描覆蓋寬度為1 m，最大檢測深度為40 cm[5]。德國SPACETAC公司研制的TS3隧道三維激光紅外車載掃描系統(tǒng)搭載在小型貨車、軌道車上，實現(xiàn)對隧道外觀病害、斷面形變檢測，檢測速度為5 km/h[6]。國內(nèi)基于隧道表面狀態(tài)檢測的臺車研制技術(shù)日漸完善。同濟大學(xué)黃宏偉研制的地鐵隧道結(jié)構(gòu)病害檢測設(shè)備系統(tǒng)MTI-100，是由6臺線陣 CCD相機及光源組成的行走檢測平臺，可檢測裂縫、滲漏水、掉塊等隧道表面病害信息[7]；武大卓越研制的隧道快速檢測車搭載多個精密傳感器，時速可達80 km，每日檢測里程可達約500 km，裂縫精度達到0.2 mm，實現(xiàn)了隧道裂縫、掉塊等隧道表面病害信息的快速檢測，但尚未涉及隧道二次襯砌內(nèi)部深層脫空、不密實等缺陷方面檢測。目前，國內(nèi)針對二次襯砌內(nèi)部質(zhì)量檢測多采用地質(zhì)雷達法，但針對隧道襯砌地質(zhì)雷達無損檢測方向的檢測臺車研制起步較晚，傳統(tǒng)人工手持天線作業(yè)及搭載接觸式地質(zhì)雷達天線檢測臺車作業(yè)尚存在貼合不連續(xù)、往復(fù)作業(yè)、測線因人為因素發(fā)生偏移等問題。鐵科院采用基于WEB的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動檢測平臺，研發(fā)的面向竣工驗收期隧道的輪胎式襯砌質(zhì)量檢測裝備[8]搭載5臺雷達天線，實現(xiàn)了對隧道襯砌內(nèi)部密實度、鋼筋分布情況的檢測，但隧道全斷面襯砌質(zhì)量檢測驗收時仍需要往復(fù)作業(yè)，檢測效率有待進一步提高。

本文針對現(xiàn)有地質(zhì)雷達無損檢測法存在的問題及隧道發(fā)展需求，研制隧道襯砌質(zhì)量全斷面檢測臺車(簡稱檢測臺車)，提出單次多線機械化同步檢測、多通道雷達天線數(shù)據(jù)采集控制、雷達天線與隧道壁自適應(yīng)、里程綜合定位及視頻采集等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了隧道襯砌質(zhì)量檢測單次多線全斷面覆蓋機械化、信息化作業(yè)，進一步提高檢測效率，保證檢測數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，降低勞動強度。

1 隧道襯砌質(zhì)量全斷面檢測臺車整體設(shè)計

隧道襯砌質(zhì)量全斷面檢測臺車是一種應(yīng)用到隧道竣工襯砌質(zhì)量驗收的作業(yè)臺車，主要對二次襯砌完成后襯砌厚度、襯砌背后回填密實度、襯砌內(nèi)部鋼架、鋼筋分布情況等項目進行檢測。檢測作業(yè)時所搭載雷達天線可覆蓋拱頂、左右拱腰、左右邊墻、左右矮邊墻7條測線，仰拱2條測線，實現(xiàn)隧道襯砌單次全斷面檢測。

1.1 總體布置

檢測臺車整體采用“汽車底盤+機械臂”結(jié)構(gòu)，相對常規(guī)地質(zhì)雷達無損檢測方法，機械化作業(yè)取代人工能在很大程度上提高檢測效率及檢測精度。臺車主要結(jié)構(gòu)包括汽車底盤、傳動系統(tǒng)、檢測臂架、雷達天線緩沖機構(gòu)、電氣系統(tǒng)、九通道隧道質(zhì)量檢測系統(tǒng)、仰拱檢測伸縮臂、液壓系統(tǒng)、操作室、機構(gòu)室、副車架、集中潤滑系統(tǒng)和發(fā)電機組。其中，檢測作業(yè)狀態(tài)時，機構(gòu)室可向車體后方滑移打開，作業(yè)人員在操作間進行數(shù)據(jù)采集。臺車整體布置如圖1所示。檢測臺車檢測臂架及仰拱檢測伸縮臂采用遙控作業(yè)，保證臂架展開作業(yè)時作業(yè)人員的安全。檢測臺車主要技術(shù)參數(shù)見表1，工作范圍如圖2所示。

1.2 九通道隧道質(zhì)量檢測系統(tǒng)

九通道隧道質(zhì)量檢測系統(tǒng)主要由地質(zhì)雷達天線、雷達控制采集軟件、數(shù)據(jù)分析處理軟件、病害定位測距裝置和視頻控制采集系統(tǒng)等模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。其中，襯砌檢測由多通道雷達主機1連接6個400 MHz的接觸式雷達天線，6個雷達天線分別連接到主機1預(yù)留接口；考慮多通道雷達天線控制接口硬件在主機內(nèi)部安裝空間及采集圖像分屏顯示操作舒適性，多通道雷達主機2連接2個150 MHz的接觸式雷達天線及1個400 MHz的接觸式雷達天線，實現(xiàn)對仰拱檢測及邊墻1條測線的檢測，將雷達主機并列安裝在操作室操作臺位置。2臺多通道雷達主機時序由CPLD控制，通過CLK、LINK 2根同步信號線進行同步時序，通過USB接口進行數(shù)據(jù)傳輸，即通過USB接口ID識別不同天線通道，分時協(xié)同作業(yè)，將每個雷達天線通道數(shù)據(jù)單獨存盤顯示，通過圖像分析處理算法將各個通道采集的數(shù)據(jù)以灰度圖形式動態(tài)地顯示在同一視圖的不同通道框中，間接實現(xiàn)隧道仰拱及二次襯砌質(zhì)量數(shù)據(jù)同步采集。

(a) 檢測臺車主視圖

表1 臺車主要技術(shù)參數(shù)

圖2 檢測臺車工作范圍(單位： mm)

圖3 九通道隧道質(zhì)量檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1)地質(zhì)雷達天線模塊。該模塊分別安裝在機械臂架及仰拱檢測伸縮臂各分臂端部，用于對襯砌內(nèi)部密實度、鋼筋網(wǎng)分布情況、厚度等進行準確檢查，利用高頻電磁脈沖波的反射來探測目標體。它通過發(fā)射天線向地下或目標體發(fā)射高頻帶短脈沖電磁波，經(jīng)過地下地層或目標體反射后返回地面，被接收天線所接收。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁波能量強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)的變化而變化[9-14]，進而達到對襯砌內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“X光”檢查，原理如圖4所示。

圖4 電磁波在地下的傳播途徑及記錄波形

2)雷達控制采集軟件模塊。該軟件主要為隧道襯砌質(zhì)量檢測臺車提供雷達數(shù)據(jù)采集顯示保存、GPS信息接收、設(shè)備狀態(tài)檢測等功能，能夠在雷達設(shè)備支持下完成雷達數(shù)據(jù)的顯示、保存功能。

3)病害定位測距裝置、視頻采集系統(tǒng)模塊。病害定位通過安裝在車輪上的一套高精度角度編碼器實現(xiàn)與汽車底盤行駛距離完美轉(zhuǎn)換，對病害位置進行精確標定。視頻采集模塊配置高清攝像機3臺，其中2臺安裝在駕駛室后側(cè)擋板兩側(cè)，左右對稱，1臺居中安裝在駕駛室上方導(dǎo)流罩處，如圖5所示。3臺高清攝像機同時工作實時捕捉隧道內(nèi)部場景，可借助視頻對襯砌缺陷位置進行復(fù)核及判定，進一步提高檢測臺車的檢測精度。

圖5 病害定位及視頻采集模塊

九通道隧道質(zhì)量檢測系統(tǒng)優(yōu)化傳統(tǒng)的主機-天線一體的模式[13]，2臺雷達主機分時協(xié)同工作，通過同步信號進行時序上的協(xié)作，9臺雷達天線通過同步信號分時交替工作，即同一時間內(nèi)只有1臺天線作業(yè)。分時協(xié)同作業(yè)實現(xiàn)了多組雷達天線同步作業(yè)的效果，通過9組雷達天線、視頻采集設(shè)備、病害定位裝置完成了檢測臺車對隧道二次襯砌狀況單次全斷面檢測，相對傳統(tǒng)檢測方式，一方面檢測效率得以提高，另一方面排除人為因素影響，檢測精度同步得以提高，能夠為隧道襯砌檢測驗收提供準確參考。九通道雷達天線質(zhì)量檢測系統(tǒng)配置具體參數(shù)見表2。

表2 九通道雷達天線質(zhì)量檢測系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

1.3 檢測臂架

傳統(tǒng)人工手持雷達天線檢測作業(yè)，作業(yè)臺架前移過程中存在地面不平、移動偏擺、作業(yè)人員手抖動等影響因素，測線容易發(fā)生偏移，因此通過設(shè)計檢測臂架代替人工托舉，避免測線偏移及安全問題發(fā)生。檢測作業(yè)時，檢測臺車機構(gòu)室打開，檢測臂架呈展開狀態(tài)，考慮車輛行駛狀態(tài)下臂架展開高度、寬度較大及臂架端部實時貼合隧道壁的工況，檢測臂架為主要受力部件。因此，在Creo中對檢測臺車的檢測臂架進行建模，模型如圖6所示。通過ANSYS有限元分析軟件對臂架結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)分析。

圖6 檢測臂架三維模型

1.3.1 臂架各分臂與隧道壁接觸阻力

各分臂端部安裝雷達天線緩沖機構(gòu)，自重G=2 000 N。雷達天線在油缸及雷達天線緩沖機構(gòu)作用下緊貼隧道壁，緩沖機構(gòu)完全壓縮狀態(tài)下，產(chǎn)生的正壓力F=500 N，受力分析時對模型進行簡化，直接將各分力施加在機械臂架各分臂端部。

1.3.2 載荷及邊界條件施加

在檢測臂架底座上施加固定約束，雷達緩沖機構(gòu)自重G及正壓力F分別施加在檢測臂架各分臂端部。行進過程中各分臂克服末端雷達天線緩沖機構(gòu)自重G及隧道壁施加的正壓力F，所承受的綜合阻力F總=2 061.6 N，如圖7所示。

(a) 分臂載荷施加

1.3.3 應(yīng)力結(jié)果及分析

各分臂在1.3.2節(jié)載荷及邊界條件作用下，檢測臂架主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形云圖如圖8所示。由圖8可知，檢測臂架結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)區(qū)域呈藍色，應(yīng)力較?。粦?yīng)力較大區(qū)域出現(xiàn)在檢測臂架兩水平分臂二級伸縮臂與基本臂搭接處，最大應(yīng)力值為583.19 MPa；最大位移位于兩輔助臂端部，最大位移值為57.676 mm。臂架材料為Q690E，屈服極限值為690 MPa，臂架強度滿足要求。

(a) 應(yīng)力云圖 (單位： MPa)

1.4 雷達天線緩沖機構(gòu)

傳統(tǒng)地質(zhì)雷達無損檢測多為人工托舉雷達天線與隧道壁剛性貼合，雖然可以保證平面處天線與壁面貼合，但因隧道表面多為弧形結(jié)構(gòu)，遇到弧面過度或者遇到不平整壁面，天線容易脫離隧道壁，甚至因障礙物存在對天線造成損壞，同時也可能對作業(yè)人員造成傷害，影響到檢測效果。檢測臺車所配置雷達天線緩沖機構(gòu)能有效解決檢測過程中天線自適應(yīng)避障的難題，其主要由伸縮主彈簧、擺動小彈簧、連桿機構(gòu)組成，借助主彈簧收縮實現(xiàn)雷達天線與隧道壁接觸面垂直方向的調(diào)節(jié)，借助小彈簧擺動實現(xiàn)雷達天線沿隧道壁上下方向的調(diào)節(jié)，如圖9所示。檢測作業(yè)過程中，天線遇到阻礙情況下可借助彈簧及連桿機構(gòu)實時調(diào)整姿態(tài)與隧道壁緊密貼合，保證數(shù)據(jù)檢測的連續(xù)性。

1—伸縮主彈簧； 2—連桿機構(gòu)； 3—擺動小彈簧。

2 隧道襯砌全斷面檢測臺車的技術(shù)特點

基于鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程，對襯砌驗收拱頂、拱腰、邊墻至少布置5條測線，達到對襯砌厚度、背后回填密實度、內(nèi)部鋼筋、鋼架分布狀況檢測相關(guān)規(guī)定[14]。通過對可滿足測線數(shù)量要求的檢測臂架、仰拱檢測伸縮臂設(shè)計，搭載接觸式雷達天線實現(xiàn)了檢測設(shè)備集成化設(shè)計及隧道全斷面連續(xù)檢測。

2.1 集成化設(shè)計

檢測臺車采用集成化設(shè)計，將檢測臂架、雷達天線緩沖機構(gòu)、九通道隧道質(zhì)量檢測系統(tǒng)、操作室和機構(gòu)室等集成在汽車底盤上。操作室內(nèi)遙控完成檢測臂架動作及襯砌質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)采集，檢測作業(yè)可實現(xiàn)靈活操作，同時采用汽車底盤，轉(zhuǎn)場運輸方便，大大降低了勞動強度。

2.2 全斷面連續(xù)檢測

檢測臺車設(shè)計多級伸縮檢測臂架及仰拱檢測伸縮臂，實現(xiàn)隧道斷面拱頂、拱腰、邊墻、仰拱檢測的全覆蓋。另外，采用定制化九通道雷達檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)多組雷達天線作業(yè)的數(shù)據(jù)同步采集、存儲及標定質(zhì)量缺陷位置，準確分析隧道內(nèi)部環(huán)境狀況。同時，結(jié)合隧道表面狀況設(shè)計雷達天線緩沖機構(gòu)，使得檢測作業(yè)過程中雷達檢測系統(tǒng)具備自動緩沖功能，實現(xiàn)對隧道表面狀態(tài)變化的自適應(yīng)，規(guī)避表面障礙物的影響，保證時刻與隧道壁緊密貼合，檢測精度高。

3 實際應(yīng)用

3.1 工程概況

隧道襯砌質(zhì)量檢測臺車研制成功后在湖北省鄭萬高鐵某隧道初步試用。該隧道為客運專線雙線隧道，列車設(shè)計行車速度為350 km/h，全長900 m，最大埋深為123 m，隧道設(shè)計縱坡為30‰的單面上坡，進口與橋緊鄰，出口與路基相接。隧道軌面以上凈空面積為100 m2，隧道斷面半徑R=6.7 m，沿隧道中心線仰拱至拱頂高度H=9.945 m。

3.2 測線布置

根據(jù)隧道內(nèi)部環(huán)境制定相應(yīng)的檢測方案，為不影響隧道內(nèi)部施工車輛通行，最初采用半斷面檢測，即檢測臺車分左右2次對隧道襯砌質(zhì)量檢測，現(xiàn)場測線布置方案如圖10所示。當隧道內(nèi)部停止車輛通行時采用全斷面檢測方案進行復(fù)測。

3.3 檢測流程

1)為保證點位的準確，在檢測工作開展前，提前在隧道的邊墻上每5 m做好標記，每50 m設(shè)置里程樁號標識，安排清理隧道內(nèi)的雜物，將檢測臺車的臂架展開調(diào)整至拱頂、拱腰、邊墻相應(yīng)位置。

2)檢測參數(shù)設(shè)置。400、150 MHz屏蔽天線，采樣道長設(shè)置為512點，采集時窗為40 ns，測距輪觸發(fā)探測方式，采樣間隔為1 cm，采樣時窗為車輛行駛速度限定調(diào)整至檢測狀態(tài)模式5 km/h。

3)數(shù)據(jù)采集及分析處理。沿隧道縱向行駛，探地雷達天線緊貼隧道壁，啟動九通道隧道質(zhì)量檢測軟件系統(tǒng)。因隧道暫未完全開通，有效測試距離為330 m，同步采集拱頂、左右拱腰、左右邊墻、仰拱處襯砌質(zhì)量圖像。

采集到圖像數(shù)據(jù)需經(jīng)處理，在原始數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，得到雷達剖面圖，然后進行分析得到探測結(jié)果[15]。傳統(tǒng)處理方式多為人工設(shè)置參數(shù)進行操作，檢測臺車相對傳統(tǒng)處理方式實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)批處理功能，進一步提高了檢測效率。數(shù)據(jù)分析軟件界面如圖11所示，雷達通道采集處理后選取部分圖像數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖11 數(shù)據(jù)分析軟件界面

(a) 右拱腰測線 (b) 左拱腰測線

隧道斷面設(shè)計鋼筋分布理論值為20 cm,通過圖像數(shù)據(jù)分析,除左拱腰、左下拱腰、右拱腰、右下拱腰、拱頂測線略有幾處里程點位置存在鋼筋間距較大這一缺陷外,整體襯砌質(zhì)量良好，無明顯缺陷。其中，缺陷區(qū)域圖像顯示鋼筋間隔約為理論值2倍,實測在45 cm左右，人工手持雷達天線第三方檢測對應(yīng)點記錄分別為拱腰、拱頂處鋼筋分布間距為45、43 cm,經(jīng)過對比驗證，檢測臺車檢測結(jié)果真實可靠。但人工檢測拱頂、拱腰、邊墻測線時需在對應(yīng)位置標畫出參考直線防止測線偏移,實際作業(yè)過程中因人員因素及作業(yè)臺架行車前進的不穩(wěn)定性,雷達天線往往發(fā)生偏移及脫離隧道壁,破壞了檢測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。 相比而言,檢測臺車機械臂架搭載雷達天線取代人工同時具備自動緩沖功能,能夠使雷達天線始終沿隧道縱向同一直線檢測,采集數(shù)據(jù)連續(xù)性進一步提高。

3.4 效率分析

試用場地原有檢測手段為“人工+裝載機+地質(zhì)雷達”，整個斷面檢測1 km需要耗時15 h，裝載機搭載人工作業(yè)也存在一定的安全風(fēng)險，且容易引起檢測數(shù)據(jù)不連續(xù)； 而檢測臺車檢測1 km只需1 h(含臂架展開準備時間)，檢測效率提高15倍，檢測過程全部依靠機械臂架進行，安全可靠。具體效率對比見表3。

表3 效率對比

4 結(jié)論與討論

1)隧道襯砌質(zhì)量全斷面檢測臺車的研制以機械化、信息化無損檢測方式為基礎(chǔ)，并針對現(xiàn)階段隧道建設(shè)襯砌驗收快速、高效、精確的需求研發(fā)設(shè)計。整機采用汽車底盤，集成檢測臂架、雷達天線緩沖機構(gòu)、九通道隧道質(zhì)量檢測系統(tǒng)等，可一次實現(xiàn)隧道襯砌邊墻、拱頂和仰拱9條測線的連續(xù)檢測和數(shù)據(jù)采集。

2)通過采用400 MHz+150 MHz天線組合方式，設(shè)計多通道雷達采集軟件同步采集，可檢測出二次襯砌厚度、鋼筋分布、襯砌密實度及背后缺陷等，檢測速度不小于5 km/h，襯砌檢測深度不小于0.5 m。經(jīng)實際應(yīng)用驗證，檢測臺車克服了傳統(tǒng)無損檢測存在的測線偏移、勞動強度大、檢測數(shù)據(jù)偏差等缺陷，檢測效率提高了15倍，大大降低了作業(yè)強度及提高了檢測精準度。

3)目前階段數(shù)據(jù)處理分析尚處于“人工為主+機器為輔”階段，檢測臺車在傳統(tǒng)處理方式上增加了批處理功能，但圖像分析目前尚未能實現(xiàn)無人化分析。隨著人工智能技術(shù)及襯砌檢測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的完善，下一步可以使檢測臺車在已有基礎(chǔ)上實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)智能化分析，進一步提高檢測效率。