韓自力，安哲立，馬榮田

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京100081；2.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京100081）

0 引言

隧道工程結構狀態(tài)直接影響隧道服役性能和使用年限，隧道檢測、監(jiān)測是獲取隧道工程結構狀態(tài)最主要的方法。截至2019年底，我國投入運營的鐵路隧道達到16 084座，總長18 041 km；在建隧道2 950座，總長6 419 km；規(guī)劃中的隧道6 395座，總長16 326 km［1］。在鐵路隧道大規(guī)模運營、建設、規(guī)劃的形勢下，有必要研究并構建基于隧道新型檢測、監(jiān)測方法以及人工智能技術的鐵路隧道狀態(tài)綜合感知技術體系，以快速而全面地獲取隧道狀態(tài)表征信息，強化風險預警和預測能力，提升異常情況下的應急響應速度，降低隧道檢查人工需求和綜合經(jīng)濟成本，為鐵路隧道全生命周期更安全、高效、經(jīng)濟地服役提供技術保障。

1 檢測、監(jiān)測現(xiàn)狀

1.1 檢測現(xiàn)狀

1.1.1 常規(guī)檢測項目

目前鐵路隧道常規(guī)檢測項目主要有襯砌混凝土強度、襯砌空洞、襯砌混凝土厚度、襯砌背后回填密實度、鋼架及鋼筋分布情況、襯砌滲漏水、襯砌表面裂縫、隧道襯砌內(nèi)輪廓等［2-5］，此外還有鋼筋混凝土保護層厚度、襯砌表面混凝土碳化深度等。常用檢測方法、原理及適用范圍或特點見表1。

表1 鐵路隧道常規(guī)檢測項目

1.1.2 檢測新技術

（1）圖像識別。圖像識別檢測技術日趨成熟，能代替人工巡檢完成隧道表面狀態(tài)檢查的大部分項目，隨著人工智能技術發(fā)展，圖像識別檢測技術在隧道檢測中占比日益增大。

中國鐵道科學研究院集團有限公司（簡稱鐵科院集團公司）開發(fā)的襯砌表觀質量檢測技術，利用8臺一體化線陣相機以50 km/h檢測速度采集圖像，具備識別寬度1 mm裂縫的能力［6］。同時搭載凈空檢測模塊、車體運動補償模塊、里程同步模塊等，解決快速、大斷面清晰成像的技術困難，實現(xiàn)對鐵路隧道襯砌表觀高清圖像、斷面輪廓數(shù)據(jù)的快速采集。軟件處理部分采用人工智能算法可有效排除電纜、施工縫、污漬、陰影等干擾項，同時還具備識別滲漏水、剝落、掉塊的功能，裂縫及滲漏水識別效果見圖1。

同濟大學研制了利用線陣CCD相機及光源組成的檢測平臺，發(fā)展成為目前的MTI-200A檢測平臺（見圖2），可檢測裂縫、滲漏水、掉塊等缺陷及病害，其檢測速度為0～10 km/h，裂縫識別精度為0.2 mm［7］。

鐵科院集團公司開發(fā)了隧道巡檢機器人（見圖3），能夠以1.2 m/s的速度進行檢測，定位精度為1 mm，掃描速率≥1 000 000點/s，具備檢測裂縫、掉塊、異物侵限等異常的功能，填補了車載設備周期檢測和固定設備定點檢測的空白。

（2）綜合檢測。不同單位研制的各種檢測車具有不同的檢測功能。

圖1 裂縫及滲漏水識別

圖2 MTI-200A檢測平臺

圖3 隧道巡檢機器人

鐵科院集團公司研制的輪胎式隧道襯砌質量檢測車（見圖4），由襯砌限界檢測系統(tǒng)、襯砌內(nèi)部缺陷檢測系統(tǒng)、襯砌表觀質量檢測系統(tǒng)組成。適用于鐵路隧道貫通、襯砌與填充層施工作業(yè)完成后對隧道輪廓、襯砌厚度、鋼筋分布、鋼架間距以及仰拱缺陷、襯砌空洞、襯砌表面裂縫、掉塊、滲水情況等進行快速自動化檢測?？蓾M足隧道拱頂和邊墻9條測線、仰拱4條測線的全面檢測，檢測作業(yè)速度3～10 km/h［8］。相對于目前新線檢測采用人工手持天線且1次只能檢測1條測線，檢測效率顯著提高。

圖4 輪胎式隧道襯砌質量檢測車

同濟大學研制的檢測車能夠以5～10 km/h的速度完成裂縫、滲漏水和空洞的檢測，能夠識別寬度大于0.3 mm的裂縫、尺寸大于4.5 cm×4.5 cm的滲漏水以及尺寸大于12 cm×12 cm的空洞。

武大卓越科技股份有限公司研制的ZOYON-TFS檢測車［9-10］（見圖5）以中型卡車作為車載平臺，搭載線陣相機、GPS、激光掃描儀、紅外熱成像儀和CO濃度檢測儀等設備，能夠檢測剝落、裂縫、斷面輪廓、滲漏水、CO濃度等。

圖5 ZOYON-TFS檢測車

1.2 監(jiān)測現(xiàn)狀

1.2.1 常規(guī)監(jiān)測項目

鐵路隧道常規(guī)監(jiān)測項目分為必測項及選測項，主要根據(jù)地質條件、周邊環(huán)境、隧道埋深、斷面尺寸、開挖方法和設計要求綜合選定［11-12］，具體監(jiān)測項目見表2。

1.2.2 監(jiān)測新技術

隧道監(jiān)測新技術目前主要集中在測量技術發(fā)展、數(shù)據(jù)管理平臺建設方面［13-14］。

（1）測量技術。自1989年光纖光柵傳感器開始研究以來，其以高精度、準分布、抗干擾及耐腐蝕等突出特點占領了部分振弦式傳感器的市場。但是在施工條件復雜、作業(yè)環(huán)境惡劣的隧道施工監(jiān)測中，其保護方面仍然存在諸多困難［15-16］。目前，光纖光柵傳感器在隧道沉降監(jiān)測中應用較為廣泛。

在隧道變形監(jiān)測中，三維激光掃描越來越多的取代傳統(tǒng)監(jiān)測方式。三維激光掃描系統(tǒng)由三維激光掃描儀和配套軟件組成。通過接收激光脈沖被物體漫反射后的部分能量，并根據(jù)掃描點激光反射強度進行顏色賦值，將掃描點繪制在屏幕上，形成點云。三維激光掃描技術主要用于隧道內(nèi)輪廓及凈空變化監(jiān)測（見圖6 ）、隧道侵限情況監(jiān)測等，具有精度高、成像質量好的特點。

表2 鐵路隧道常規(guī)監(jiān)測項目

圖6 隧道凈空監(jiān)測

（2）數(shù)據(jù)管理平臺。不同單位開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)具有不同功能。

鐵科院集團公司基于深度學習、數(shù)據(jù)挖掘和云計算技術開發(fā)的鐵路隧道工務檢測、監(jiān)測管理系統(tǒng)（見圖7），實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時分析、隧道風險識別、緊急情況實時報警、隧道狀態(tài)智能評估、監(jiān)測數(shù)據(jù)歸檔管理、信息可視化。

圖7 鐵路隧道工務檢測、監(jiān)測管理系統(tǒng)

鮑榴等［17-18］對海底隧道監(jiān)測系統(tǒng)架構進行分析，開發(fā)海底隧道全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由施工階段監(jiān)測子系統(tǒng)和運營時期監(jiān)測子系統(tǒng)組成，施工階段監(jiān)測子系統(tǒng)主要包括量測數(shù)據(jù)錄入、處理分析和圍巖穩(wěn)定性判定3個模塊；運營時期監(jiān)測子系統(tǒng)包括服務器端和客戶端PC機兩部分，服務器端負責數(shù)據(jù)的輸入存儲、計算、統(tǒng)計、分析和處理等，客戶端通過同步服務器端數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示、查詢和報警提示等。

1.3 存在問題

隨著我國鐵路隧道向長大、復雜結構的方向發(fā)展，特別是京張八達嶺地下車站等工程的建設，標志著我國鐵路隧道建造進入了新發(fā)展階段，隧道建設整體技術實力取得了巨大進步，現(xiàn)有隧道檢測、監(jiān)測技術遠遠不能滿足隧道建設的快速發(fā)展需求。

1.3.1 檢測、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞慢

檢測、監(jiān)測由于設備本身不具備數(shù)據(jù)上傳功能、后處理平臺沒有統(tǒng)一的標準以及隧道內(nèi)信號覆蓋不佳等原因，導致檢測、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞不暢。

1.3.2 檢測數(shù)據(jù)處理、解釋依賴判識人員經(jīng)驗

檢測數(shù)據(jù)解釋、判識缺乏統(tǒng)一標準，嚴重依賴判識人員專業(yè)經(jīng)驗及主觀判斷，不同判識人員判識結果往往差別很大。

1.3.3 各項監(jiān)測數(shù)據(jù)之間缺乏有效的協(xié)同分析機制

鐵路隧道檢測、監(jiān)測主要以變形數(shù)據(jù)為主要判識依據(jù)，通過應力、應變監(jiān)測數(shù)據(jù)異常進行輔助判識，缺乏有效協(xié)同分析機制，其原因主要是應力、應變監(jiān)測數(shù)據(jù)異常波動時往往無法確定其原因，導致數(shù)據(jù)可靠性無法判斷。

2 檢測、監(jiān)測發(fā)展趨勢

鐵路隧道檢測、監(jiān)測依托新技術發(fā)展特別是人工智能技術飛躍式進步，其發(fā)展趨勢具有以下特點：

（1）檢測設備集成化。鐵路隧道檢測由過去單功能檢測轉變?yōu)榧啥鄼z測功能的移動平臺式檢測，能夠同時對隧道襯砌內(nèi)部狀態(tài)、表面狀態(tài)及結構變形進行檢測，大大減少了人工依賴程度，提升了檢測效率。

（2）處理、判識智能化。鐵路隧道檢測、監(jiān)測越來越多使用人工智能技術進行判識，通過建立及完善標準庫、專家?guī)斓?，不斷強化機器判識能力，目前已經(jīng)實現(xiàn)隧道襯砌表面狀態(tài)自動判識、內(nèi)部狀態(tài)輔助性處理以及監(jiān)測數(shù)據(jù)自動處理及分析識別等。

（3）檢測、監(jiān)測數(shù)據(jù)協(xié)同化。檢測數(shù)據(jù)側重發(fā)現(xiàn)病害及了解病害程度，監(jiān)測數(shù)據(jù)側重掌握結構本身狀態(tài)及其變化。目前，部分平臺已經(jīng)將檢測、監(jiān)測數(shù)據(jù)進行一體化管理，并進行綜合協(xié)同分析，以更準確地確定隧道襯砌真實狀態(tài)。

3 狀態(tài)綜合感知技術體系構建

為解決檢測、監(jiān)測存在的問題，對鐵路隧道狀態(tài)綜合感知技術體系進行設計，依托集成化檢測設備、同步開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸模塊、建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理及分析平臺以解決數(shù)據(jù)傳遞慢的問題。通過專家?guī)旒皺C器學習，不斷完善評判標準，并實現(xiàn)風險自動識別、隧道定級及預警通知，以解決依賴判識人員經(jīng)驗的問題。通過驗收檢測、日常檢測及周期檢測確定風險隧道，對風險隧道專項問題專項監(jiān)測，避免各項監(jiān)測數(shù)據(jù)之間缺乏有效協(xié)同分析的問題。鐵路隧道狀態(tài)綜合感知技術體系框架見圖8，數(shù)據(jù)管理及分析平臺流程見圖9。驗收檢測利用輪胎式隧道襯砌質量檢測車快速、高效完成隧道驗收檢測工作，獲得隧道結構初始狀態(tài)信息；利用組合驗證技術（主要為單點檢測方法）對檢測結果進行驗證，確保數(shù)據(jù)可靠性。通過日常檢測、周期檢測獲得隧道動態(tài)數(shù)據(jù)；并根據(jù)檢測結果確定風險隧道，對其結構及環(huán)境進行重點監(jiān)測。所有檢測、監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至鐵路隧道檢測、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計、查詢以及數(shù)據(jù)展示功能。鐵路隧道檢測、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步上傳至隧道服役能力智能評判系統(tǒng)，并建立專家?guī)?，通過機器學習及不斷擴大的樣本數(shù)據(jù)庫逐步實現(xiàn)由輔助評判向智能評判過渡。

圖8 鐵路隧道狀態(tài)綜合感知技術體系框架

圖9 數(shù)據(jù)管理及分析平臺流程

4 結束語

簡要介紹我國隧道檢測、監(jiān)測發(fā)展情況，總結檢測、監(jiān)測存在的主要問題，分析檢測、監(jiān)測發(fā)展趨勢。在此基礎上，依托既有設備及平臺，設計鐵路隧道狀態(tài)綜合感知技術體系基本框架，明確數(shù)據(jù)管理平臺對接的數(shù)據(jù)源、處理功能項、用戶類及其關系，以期為鐵路隧道檢測、監(jiān)測發(fā)展提供新思路，為保障鐵路隧道工程安全、提升鐵路隧道運營效率提供技術支撐。