暴學(xué)志

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

鐵路隧道襯砌背后空洞缺陷降低了隧道結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，在運(yùn)營期荷載及外部環(huán)境因素共同作用下易導(dǎo)致襯砌開裂、掉塊等病害，給行車安全帶來嚴(yán)重威脅［1］。鐵路隧道襯砌背后空洞檢測(cè)主要采用地質(zhì)雷達(dá)法和人工敲擊法［2］。地質(zhì)雷達(dá)法易受到鋼筋、水等因素影響，檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)解析主要依靠人工，消耗時(shí)間較長，不能實(shí)時(shí)有效進(jìn)行空洞識(shí)別［3-4］。因此，現(xiàn)場(chǎng)更多采用簡(jiǎn)單易行的人工敲擊法對(duì)運(yùn)營隧道進(jìn)行普查。人工敲擊法操作簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了一定成效，但自動(dòng)化水平低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢測(cè)結(jié)果依賴人工經(jīng)驗(yàn)，易導(dǎo)致漏判誤判［5］。

本文通過對(duì)隧道襯砌背后空洞的敲擊回聲特性進(jìn)行分析，研究自動(dòng)敲擊、回聲采集和識(shí)別方法，提出隧道襯砌背后空洞自動(dòng)敲擊檢測(cè)方案，并通過樣機(jī)試制及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證檢測(cè)裝置的功能和識(shí)別效果。

1 國內(nèi)外研究概況

1.1 國內(nèi)

賴東林等［6］通過自動(dòng)敲擊發(fā)聲裝置進(jìn)行敲擊檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明利用敲擊方法能檢測(cè)出有損傷的列車零件和大概的損傷位置。高磊等［7］基于聲音識(shí)別技術(shù)，建立隧道空洞敲擊檢查聲音智能識(shí)別模型，結(jié)果表明識(shí)別模型能根據(jù)敲擊聲音準(zhǔn)確判斷隧道背后是否存在空洞。如何根據(jù)聲音特征判斷襯砌背后空洞的大小、深度等是下一步研究的重點(diǎn)。

1.2 國外

Montero等［8］介紹了利用沖擊法檢測(cè)混凝土缺陷實(shí)例，通過在工程汽車上安裝液壓錘對(duì)襯砌進(jìn)行沖擊，將沖擊聲音轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行分析，檢測(cè)襯砌缺陷。Shimada等［9］利用激光對(duì)隧道襯砌表面進(jìn)行非接觸激勵(lì)，傳感器采集激光激勵(lì)回聲信號(hào)，檢測(cè)混凝土襯砌裂縫及空洞缺陷，檢測(cè)深度為3～10 cm。

既有文獻(xiàn)研究成果表明利用敲擊檢測(cè)法自動(dòng)識(shí)別襯砌空洞是可行的，但混凝土襯砌空洞檢測(cè)方面的研究主要是對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行功能性驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于鐵路隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的相關(guān)研究。因此，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求，利用機(jī)械設(shè)計(jì)、電機(jī)傳動(dòng)、聲音采集、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)研制了一種隧道襯砌空洞現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置，以提高檢測(cè)準(zhǔn)確性，降低勞動(dòng)力成本。

2 敲擊回聲特性分析

建立聲-結(jié)構(gòu)耦合模型，開展敲擊回聲信號(hào)仿真分析。頻域內(nèi)的力激勵(lì)源采用半正弦波，可描述為

式中：A為敲擊力幅值；f為頻率；t為脈沖寬度。

仿真分析脈沖寬度為0.3、0.5、3.0 ms時(shí)，不同脈沖寬度下敲擊力曲線見圖1?？芍好}沖寬度為0.3 ms時(shí)，敲擊力一致性較好，敲擊力隨著脈沖寬度增大而發(fā)生偏移；脈沖寬度為3.0 ms時(shí)，敲擊力呈拱形周期性下降趨勢(shì)，不能滿足回聲采集和識(shí)別的要求。因此，敲擊力的作用時(shí)間不應(yīng)大于0.3 ms。

圖1 不同脈沖寬度下敲擊力曲線

以邊長0.4 m、襯砌厚度0.15 m的空洞為例，分析敲擊力與聲壓級(jí)的關(guān)系。不同敲擊力下聲壓級(jí)曲線見圖2?？芍呵脫袅? kN時(shí)，聲壓級(jí)大于敏感聲壓級(jí)50 dB。考慮到邊長0.4 m的空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響較小，常規(guī)檢測(cè)時(shí)不是重點(diǎn)檢測(cè)目標(biāo)，一般關(guān)注邊長更大的空洞。因此，敲擊裝置在滿足最大敲擊力5 kN的前提下，應(yīng)實(shí)現(xiàn)敲擊力可調(diào)。

圖2 不同敲擊力下聲壓級(jí)曲線

3 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

隧道襯砌背后空洞自動(dòng)敲擊檢測(cè)裝置由敲擊模塊、采集模塊、智能識(shí)別模塊和標(biāo)記報(bào)警模塊構(gòu)成（圖3），具有自動(dòng)敲擊、同步采集、自動(dòng)去噪、智能識(shí)別、聲光報(bào)警、自動(dòng)標(biāo)記等功能。

圖3 檢測(cè)裝置

3.1 敲擊模塊

敲擊模塊（圖4）由敲擊機(jī)構(gòu)、擺轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)機(jī)構(gòu)等組成，采用模塊化快速拼裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主材選用鋁合金材料，總質(zhì)量小于100 kg，單件質(zhì)量不大于30 kg。主要功能為：①自動(dòng)敲擊，敲擊力、敲擊頻率可調(diào)整；②邊移動(dòng)邊敲擊；③敲擊錘與敲擊面之間距離自適應(yīng)；④敲擊徑向距離及角度可調(diào)整；⑤敲擊、暫停等常規(guī)動(dòng)作無線控制。

圖4 敲擊模塊

3.1.1 敲擊機(jī)構(gòu)

敲擊機(jī)構(gòu)由敲擊錘、蓄能彈簧、伺服電機(jī)、凸輪、導(dǎo)桿等部件組成。檢測(cè)時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪與敲擊桿的接觸點(diǎn)由近圓心點(diǎn)向遠(yuǎn)圓心點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，蓄能彈簧受壓縮不斷蓄能，當(dāng)接觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至最遠(yuǎn)圓心點(diǎn)并轉(zhuǎn)換為最近圓心點(diǎn)時(shí)，蓄能彈簧快速釋放能量，推動(dòng)敲擊桿向上快速?zèng)_擊，帶動(dòng)敲擊錘頭敲擊隧道襯砌表面。通過更換敲擊錘頭和蓄能彈簧可實(shí)現(xiàn)敲擊力調(diào)整。

3.1.2 擺轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

隧道襯砌內(nèi)輪廓線呈圓弧形，為了保證檢測(cè)時(shí)敲擊錘頭垂直襯砌表面，設(shè)計(jì)的擺轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)敲擊機(jī)構(gòu)的角度調(diào)整。擺轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)軸、半齒輪、驅(qū)動(dòng)齒輪、伺服電機(jī)等部件組成，驅(qū)動(dòng)齒輪固定于伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸上，并與半齒輪相嚙合。檢測(cè)時(shí)根據(jù)敲擊點(diǎn)與敲擊裝置的相對(duì)位置，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪、半齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，擺轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使敲擊錘頭沿襯砌表面法向敲擊。

3.1.3 升降機(jī)構(gòu)

檢測(cè)作業(yè)前，需對(duì)敲擊機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確定位。移動(dòng)平臺(tái)的升降速度較快，定位精度低，無法滿足檢測(cè)裝置精確定位的需求。因此，設(shè)計(jì)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確定位。升降機(jī)構(gòu)由導(dǎo)軌、絲杠、伺服電機(jī)等部件組成，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠帶動(dòng)敲擊機(jī)構(gòu)沿著導(dǎo)軌方向升降，最大行程為400 mm。

3.1.4 自適應(yīng)機(jī)構(gòu)

檢測(cè)時(shí)，為避免敲擊錘頭卡住或空敲，應(yīng)保證敲擊錘頭與襯砌表面的距離為40±5 mm。自適應(yīng)機(jī)構(gòu)由激光測(cè)距傳感器、控制器和控制軟件構(gòu)成，激光測(cè)距傳感器安裝固定在敲擊錘頭上，實(shí)時(shí)測(cè)量敲擊錘頭與襯砌表面的距離。當(dāng)這個(gè)距離超出設(shè)定閾值時(shí)，控制器啟動(dòng)，控制升降機(jī)構(gòu)自動(dòng)升高或降低，直至敲擊錘頭與襯砌表面的距離滿足要求。

3.1.5 控制機(jī)構(gòu)

控制機(jī)構(gòu)由傳感器、顯示器、遙控器、控制軟件等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)敲擊、暫停、參數(shù)調(diào)整等常規(guī)操作及敲擊錘頭高度自適應(yīng)控制。

3.2 采集模塊

采集模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。CCLD驅(qū)動(dòng)電路給傳聲器前置放大器提供驅(qū)動(dòng)，信號(hào)經(jīng)調(diào)理放大電路、低通濾波電路，送入A/D轉(zhuǎn)換器；FPGA作為控制器向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送控制指令，讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)；嵌入式處理單元依據(jù)FPGA發(fā)送的中斷信號(hào)，依次讀取各通道的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析和模式分類，顯示分析結(jié)果。

圖5 采集模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隧道襯砌背后空洞檢測(cè)時(shí)伴隨著機(jī)械接觸、發(fā)電機(jī)、風(fēng)等產(chǎn)生的噪聲，混響嚴(yán)重。檢測(cè)裝置采用MEMS指向性傳聲器作為聲音采集傳感器，能有效減小聲音信號(hào)受環(huán)境噪聲的影響［10］。

3.3 識(shí)別模塊

識(shí)別流程見圖6。首先進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和濾波，提取純凈的聲音信號(hào)；其次對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理分析，根據(jù)原始波形、振鈴、倍頻程譜、沖擊響應(yīng)譜、小波包變換等數(shù)據(jù)信息，在時(shí)域、頻域、時(shí)頻域內(nèi)提取波形、脈沖、峭度、裕度、峰峰值、均方頻率、小波能量譜等空洞特征向量，計(jì)算空洞指數(shù)；最后基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，設(shè)計(jì)模型，建立樣本庫，開展模型訓(xùn)練。根據(jù)特征向量及空洞指數(shù)判斷是否存在空洞并計(jì)算空洞的大小及深度。

圖6 識(shí)別流程

3.4 標(biāo)記報(bào)警模塊

標(biāo)記報(bào)警模塊由儲(chǔ)液罐、噴嘴、控制機(jī)構(gòu)、燈光報(bào)警器等組成，安裝于敲擊裝置上。根據(jù)識(shí)別結(jié)果對(duì)空洞位置自動(dòng)噴涂標(biāo)記并發(fā)出聲音和燈光警報(bào)。

4 檢測(cè)模式

4.1 檢測(cè)范圍

在空洞位置對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全性影響方面，張素磊等［11］通過調(diào)查160余座公路隧道得出空洞主要分布在襯砌拱頂部位及Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖段。田甜［12］統(tǒng)計(jì)10年間各鐵路局隧道秋檢資料得出，襯砌空洞中拱頂占比約46.15%，其中較嚴(yán)重以上級(jí)別空洞占比超過78%。黃玲等［13］用MIDAS/GTS有限元軟件計(jì)算分析得出拱頂空洞對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全狀況影響最大，拱肩次之，拱腰最小。

在空洞大小對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性影響方面，宋瑞剛等［14］采用平面彈塑性模型分析得出單線隧道空洞直徑大于1.5 m時(shí)，襯砌安全系數(shù)大幅度降低。周強(qiáng)［15］分析認(rèn)為空洞半徑大于1.5 m時(shí)，圍巖結(jié)構(gòu)安全受到較大威脅，拱頂存在空洞對(duì)拱頂周邊及拱腰的危害最大。應(yīng)國剛［16］研究發(fā)現(xiàn)直徑小于1.2 m的空洞對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全性影響不大。

基于上述研究成果，結(jié)合實(shí)際需求及檢測(cè)的經(jīng)濟(jì)性，檢測(cè)裝置以拱頂90°區(qū)域?yàn)闄z測(cè)范圍，以直徑（或邊長）大于1 m的空洞為檢測(cè)對(duì)象。

4.2 檢測(cè)作業(yè)方案

圖7 檢測(cè)作業(yè)方案

檢測(cè)作業(yè)方案見圖7。檢測(cè)裝置安裝在隧道三平臺(tái)檢測(cè)作業(yè)車（GCY-300Ⅱ型重型軌道車）等移動(dòng)平臺(tái)上，沿線路方向移動(dòng)檢測(cè)。沿隧道橫斷面方向等間距布置7條測(cè)線，間距1.7 m，相鄰兩條測(cè)線到隧道圓心的夾角為15°。利用檢測(cè)裝置可對(duì)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)不小于1 m的空洞進(jìn)行全覆蓋檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)，在三平臺(tái)作業(yè)車左右副平臺(tái)分別安裝一臺(tái)檢測(cè)裝置，一次可檢測(cè)兩條測(cè)線，運(yùn)行4次可完成拱頂90°范圍內(nèi)的檢測(cè)。

4.3 檢測(cè)步驟

隧道襯砌空洞自動(dòng)敲擊檢測(cè)裝置的檢測(cè)步驟為：①準(zhǔn)備，到達(dá)檢測(cè)起始地點(diǎn)，安裝檢測(cè)裝置。②定位，控制檢測(cè)裝置升降，使敲擊錘頭距離隧道襯砌表面20 mm。③檢測(cè)，設(shè)置檢測(cè)參數(shù)，啟動(dòng)檢測(cè)裝置，檢測(cè)載體以3～5 km/h的速度運(yùn)行。④加密檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)出空洞并標(biāo)記報(bào)警后，根據(jù)需要停止檢測(cè)并調(diào)整敲擊裝置角度后進(jìn)行加密復(fù)測(cè)。⑤避障，檢測(cè)過程中如遇接觸網(wǎng)吊臂支架障礙時(shí)，應(yīng)停止檢測(cè)，躲避障礙后再啟動(dòng)檢測(cè)。⑥檢測(cè)結(jié)束，檢測(cè)停止，斷電后拆卸敲擊檢測(cè)裝置，存取檢測(cè)數(shù)據(jù)，填寫檢測(cè)記錄。

5 測(cè)試試驗(yàn)

在地面平鋪澆筑3.00 m（長）×3.00 m（寬）×0.45 m（厚）的混凝土板4塊，四周用土壤填平夯實(shí)。每塊板中央預(yù)設(shè)空洞，4個(gè)空洞的水平截面尺寸均為1 m×1 m，空洞處襯砌剩余厚度分別為5、15、25、35 cm。利用敲擊錘分別在每塊板上從空洞中心向外每隔0.2 m敲擊1次。為增加實(shí)心樣本數(shù)據(jù)，在距空洞中心1.2 m處敲擊3次?？斩醋R(shí)別結(jié)果見表1。其中：距空洞中心距離的單位為m；正表示空洞，負(fù)表示實(shí)心混凝土。

表1 空洞識(shí)別結(jié)果

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，對(duì)邊長1 m、襯砌剩余厚度不大于25 cm的空洞，在空洞內(nèi)敲擊檢測(cè)可全部準(zhǔn)確識(shí)別；在距空洞中心1 m范圍內(nèi)敲擊檢測(cè)，識(shí)別準(zhǔn)確率為77.8%。邊長1 m、襯砌剩余厚度35 cm的空洞較難準(zhǔn)確識(shí)別。

6 結(jié)論

1）隧道襯砌空洞自動(dòng)敲擊檢測(cè)裝置具有自動(dòng)敲擊、空洞智能識(shí)別和標(biāo)記報(bào)警功能。

2）對(duì)邊長1 m、襯砌剩余厚度不大于25 cm的空洞，在距空洞中心1 m范圍內(nèi)敲擊檢測(cè)，識(shí)別準(zhǔn)確率為77.8%。邊長1 m、襯砌剩余厚度35 cm的空洞較難準(zhǔn)確識(shí)別。

3）本文提出的隧道襯砌空洞自動(dòng)敲擊檢測(cè)方法為隧道襯砌空洞檢測(cè)提供了新手段，彌補(bǔ)了當(dāng)前檢測(cè)方法的不足，對(duì)提高襯砌空洞檢測(cè)準(zhǔn)確率，保障列車運(yùn)營安全具有重要意義。