周仲 張愛茹

摘 要：在開展隧道二次襯砌施工建設(shè)的過程中，其施工過程往往會受到多種因素的影響和干擾，導(dǎo)致運營隧道襯砌病害問題層出不窮，為后續(xù)工程項目建設(shè)埋下了諸多安全隱患，傳統(tǒng)的人工檢測技術(shù)整體效率較低，并且需要現(xiàn)場技術(shù)人員根據(jù)自身經(jīng)驗對病害問題進(jìn)行主觀判斷，導(dǎo)致整體判斷水平和判斷結(jié)果差強人意?，F(xiàn)代化的隧道襯砌檢測技術(shù)已逐步應(yīng)用高效精準(zhǔn)快速的無損檢測技術(shù)，相關(guān)技術(shù)團隊對運營隧道襯砌的常見病害和專業(yè)檢測方法進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，并根據(jù)隧道的實際建設(shè)表現(xiàn)和內(nèi)部整體狀態(tài)，全面分析了現(xiàn)代化隧道無損檢測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，開創(chuàng)了新型的隧道檢測裝備，推動我國隧道檢測技術(shù)的持續(xù)良性發(fā)展。

關(guān)鍵詞：襯砌病害;無損檢測;快速檢測裝備

中圖分類號：U456;U457.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

在我國社會經(jīng)濟發(fā)展過程中，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日趨完善，公路行業(yè)發(fā)展迅速。它已成為世界上隧道里程和數(shù)量最多的國家。中國幅員遼闊。在公路工程項目的施工過程中，施工質(zhì)量很容易受到氣候、地質(zhì)災(zāi)害等因素的影響。隧道在施工和運營過程中，容易出現(xiàn)各種形式的病害，其中襯砌開裂、漏水等問題最為嚴(yán)重。本研究分析了國內(nèi)外隧道無損檢測技術(shù)和快速檢測設(shè)備的研究與應(yīng)用，從而識別運營隧道的安全風(fēng)險，為確保隧道長期安全穩(wěn)定運營提供支持。

1 運營隧道襯砌常見病害

首先相關(guān)技術(shù)團隊要充分了解運營隧道襯砌結(jié)構(gòu)當(dāng)中較為常見的病害問題，以及其產(chǎn)生的主要原因。運營隧道拱墻襯砌病害問題較為常見，該問題將直接關(guān)乎到隧道安全結(jié)構(gòu)的實際穩(wěn)定性，需要相關(guān)檢測人員的著重關(guān)注。通常情況下，運營隧道較為常見的襯砌病害為襯砌開裂、襯砌空洞、厚度不足，變形超限，滲水漏水等問題。產(chǎn)生這類襯砌病害的主要因素是地質(zhì)條件，施工以及設(shè)計缺陷、運營環(huán)境和自然災(zāi)害等方面的因素干擾。襯砌背后空洞和襯砌厚度不足，主要是由于施工和運營過程當(dāng)中管理效果較差導(dǎo)致的。襯砌滲水漏水往往受到環(huán)境的因素影響。而襯砌結(jié)構(gòu)的開裂是由于襯砌混凝土結(jié)構(gòu)逐漸劣化的一種直觀呈現(xiàn)。并且，不同的病害問題往往會共同發(fā)生，在不同病害的作用下，極大的降低了隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，無法保障隧道的實際使用性能以及實際運營安全性。

2 隧道病害無損檢測技術(shù)

某高鐵隧道施工里程DK165+964（運營里程K174+486

對應(yīng)軌道板板號為L27574）處，兩線間靠近上行側(cè)拱頂，敲擊后出現(xiàn)掉塊，約0.3 m2，經(jīng)過現(xiàn)場目測，掉塊處朝大里程方向附近約有7 m2脫空，沿線路方向?qū)?.7 m，從拱頂中心線延環(huán)向兩側(cè)各2 m，設(shè)計斷面襯砌厚度為50 cm，脫空部位最薄襯砌厚度為5 cm，脫空部分成倒梯形（圖1）。

2.1 表觀狀態(tài)檢測技術(shù)

首先，對運營隧道襯砌結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行動態(tài)觀察，能夠發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)表層的裂縫病害，而裂縫病害往往是隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害問題當(dāng)中的重要內(nèi)容?；诹芽p走向與隧道縱向的實際關(guān)系，可將結(jié)構(gòu)表層裂縫病害分為縱向裂縫，環(huán)向裂縫，以及斜向裂縫三種類型。這三種類型當(dāng)中的縱向裂縫危害最大，將直接降低隧道結(jié)構(gòu)的實際牢固性。在當(dāng)前技術(shù)背景下，相關(guān)檢測人員對于隧道襯砌表觀狀態(tài)的檢測，主要是運用圖像處理技術(shù)以及三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行檢測，能夠有效提升檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.1.1 圖像處理技術(shù)

圖像處理技術(shù)，在實際應(yīng)用的過程中，通過以電荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）相機為核心的圖像采集系統(tǒng)，能夠?qū)λ淼酪r砌表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)高效的信息采樣，并借助系統(tǒng)當(dāng)中的信號轉(zhuǎn)換器，將其轉(zhuǎn)換為計算機能夠識別保存分析的信息，再通過圖像的處理，提取到與隧道裂縫相關(guān)的復(fù)信息，從而判斷出隧道病害的實際狀況與具體程度。相關(guān)技術(shù)人員提出了一種基于圖像處理的隧道表面裂縫檢測算法以及寬度測量算法，能夠大大提升隧道襯砌裂縫的識別效率以及識別精準(zhǔn)度，同時圖像處理的研發(fā)團隊也對裂縫圖像的處理過程進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化，彌補了采集設(shè)備不穩(wěn)定和外部環(huán)境復(fù)雜性造成干擾的影響。我國某大學(xué)專業(yè)技術(shù)團隊利用相機以及各類設(shè)備，提出了現(xiàn)掃描檢測方法，實現(xiàn)了隧道襯砌裂縫狀態(tài)的全面分析。

2.1.2 三維激光掃描技術(shù)

在運用三維激光掃描檢測技術(shù)的過程當(dāng)中，需要相關(guān)技術(shù)人員運用檢測車的激光掃描設(shè)備對隧道襯砌表面發(fā)出螺旋式激光射線，從而實現(xiàn)隧道襯砌表面裂縫狀況的檢測，根據(jù)結(jié)構(gòu)表面的反饋信號，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，得到較為準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)，隨后便會形成裂縫的灰度圖像，再應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)，可以為檢測人員較為直觀的呈現(xiàn)出隧道表面存在的裂縫等病害實際圖像。

2.2 內(nèi)部狀態(tài)檢測技術(shù)

對于混凝土襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷問題，運用內(nèi)部狀態(tài)的檢測技術(shù)進(jìn)行缺陷檢測，例如襯砌脫空、混凝土強度變差等變化?；炷烈r砌內(nèi)部缺陷其實際表現(xiàn)較為隱蔽，需要應(yīng)用較為專業(yè)的病害檢測技術(shù)以及檢測設(shè)備，對其內(nèi)部進(jìn)行全面的檢測，科學(xué)合理的應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)以及沖擊彈性波技術(shù)，可對隧道襯砌內(nèi)部病害進(jìn)行有效檢測。

2.2.1 探地雷達(dá)技術(shù)

在應(yīng)用探地雷達(dá)（Ground Penetrating Rada，GPR）技術(shù)進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害問題檢測的過程中，相關(guān)技術(shù)人員會發(fā)射出電磁波脈沖和測量界面的反射波，再根據(jù)電磁波脈沖和反射波的反饋時間，對混凝土強度進(jìn)行評估。當(dāng)電磁波到達(dá)不同的物質(zhì)邊界時，其部分波能會被反射，其余的部分波能傳輸?shù)秸谶M(jìn)行的介質(zhì)當(dāng)中。通過發(fā)射電磁波脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，能夠有效探查物質(zhì)邊界的深度和類型，并通過雷達(dá)圖的形式顯現(xiàn)出來。例如密度較差、脫空等病害會隨著介質(zhì)的變化，再根據(jù)雷達(dá)圖電磁放射波的分析，對混凝土鋼筋以及鋼拱架，圍巖空氣層，含水層等病害進(jìn)行全面的評估。相關(guān)技術(shù)團隊對于探地雷達(dá)技術(shù)在隧道襯砌缺陷檢測當(dāng)中的實際應(yīng)用進(jìn)行了有效分析，同時部分專業(yè)人員也對地下工程地質(zhì)雷達(dá)超前探測領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，從而大大提升了運營隧道車載探地雷達(dá)快速檢測方式的實際檢測準(zhǔn)確度和檢測效率。

2.2.2 沖擊彈性波技術(shù)

沖擊彈性波技術(shù)在隧道襯砌內(nèi)部病害檢測過程當(dāng)中應(yīng)用較為廣泛，主要是利用激振錘激發(fā)產(chǎn)生彈性波的原理。彈性波會和襯砌內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振作用，對其共振頻率進(jìn)行分析，計算出混凝土缺陷位置以及裂縫狀況，同時根據(jù)振動產(chǎn)生的應(yīng)力波傳導(dǎo)方向，可劃分為縱波、橫波以及瑞利波，沖擊彈性波和振動能夠直接反映出混凝土結(jié)構(gòu)缺陷程度以及應(yīng)力作用狀況。

3 隧道檢測裝備

在開展現(xiàn)代化運營隧道檢測工作的過程中，隧道的病害檢測不僅需要較為先進(jìn)的檢測方式和檢測技術(shù)，同時還需要配備與之相匹配的檢測儀器設(shè)備，通過二者的共同作用下，才能保障檢測過程的有效性和通用性。借助各類巡檢設(shè)備開展各類病害檢測工作，實現(xiàn)綜合智能化的檢測狀態(tài)，是未來隧道襯砌檢測工作主導(dǎo)方向。

3.1 無人機

應(yīng)用無人機設(shè)備，具備較為高效的巡查效果，被廣泛的應(yīng)用在各個領(lǐng)域當(dāng)中，其整體結(jié)構(gòu)體積較小，可搭載不同規(guī)格的傳感器，實際操作極為簡便，能夠快速準(zhǔn)確的收集數(shù)據(jù)信息，同時也能夠?qū)?shù)據(jù)實時的傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理平臺。而數(shù)據(jù)平臺一旦發(fā)現(xiàn)異常狀況便可作出相應(yīng)預(yù)警，動態(tài)化的監(jiān)測隧道病害信息。部分西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將無人機設(shè)備應(yīng)用在了地鐵系統(tǒng)維修的工作當(dāng)中，有效的對地鐵隧道進(jìn)行全面巡查。

3.2 巡檢車

在實地隧道檢測工作開展的過程中，移動檢測設(shè)備往往具備更高的檢測效率，可廣泛的應(yīng)用在各個環(huán)境當(dāng)中。相關(guān)技術(shù)人員可在移動設(shè)備當(dāng)中搭載專業(yè)的檢測設(shè)備，例如ccd相機，探地雷達(dá)，激光掃描儀，對隧道病害進(jìn)行精準(zhǔn)檢測，同時根據(jù)設(shè)備，相對應(yīng)的算法軟件，從而對各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效分析，及時的得到檢測結(jié)果。

4 總結(jié)

相對于傳統(tǒng)的檢測方式，無損檢測技術(shù)具備更高的效率以及更強的精準(zhǔn)度，不會對隧道襯砌結(jié)構(gòu)本身造成損害，但在實際應(yīng)用過程當(dāng)中存在一定的弊端。例如圖像處理技術(shù)在自動化識別方面存在欠缺，而三維激光掃描檢測技術(shù)，整體檢測速度較慢，探地雷達(dá)技術(shù)的圖像解譯過程需要較強的主觀猜想，導(dǎo)致最終的辨識精準(zhǔn)度效果不佳。隨著5G時代的快速發(fā)展，相關(guān)技術(shù)部門要推動無損檢測技術(shù)的智能化、自動化、以及集成化發(fā)展，從而形成一套綜合性的快速檢測手段，為未來隧道檢測領(lǐng)域的研發(fā)和進(jìn)步奠定良好基礎(chǔ)。

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