王凱

中鐵十二局集團(tuán)有限公司 陜西 商洛 726000

引言

伴隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，我國隧道的數(shù)量急劇增加，加之空洞隧道、襯砌材料裂縫、襯砌材料厚度不足等地質(zhì)因素的影響，目前隧道施工中普遍存在的問題是襯砌混凝土剪切缺陷，這一缺陷容易被忽視，對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營造成更大的威脅，國內(nèi)學(xué)者在防水混凝土缺陷方面尤其是在鐵路隧道中的研究還不成熟。

1 隧道襯砌缺陷檢測

對(duì)新建隧道開展襯砌質(zhì)量檢測是隧道開通運(yùn)營前的重要程序，在既有的檢測方法中，地質(zhì)雷達(dá)法是常見可靠的無損檢測方法。地質(zhì)雷達(dá)通過設(shè)備天線向襯砌混凝土發(fā)射信號(hào)，而電磁波信號(hào)經(jīng)過不同類型的介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一部分反射信號(hào)反饋在設(shè)備主機(jī)上，之后通過處理軟件對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析，得到檢測結(jié)果，地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)示意。通過對(duì)累計(jì)隧道長度35.12km、累計(jì)測線長度206.16km的公路隧道襯砌檢測結(jié)果的總結(jié)，在檢測中共發(fā)現(xiàn)缺陷692處，其中，二襯厚度不足368處（其中含有脫空43處），二襯背后脫空287處，二襯背后不密實(shí)21處，仰拱填充不密實(shí)9處，仰拱厚度不足7處?？芍r厚度不足和二襯背后脫空為主要缺陷[1]。

2 缺陷檢測方法

2.1 基于深度學(xué)習(xí)模型的表面缺陷檢測方法

基于傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的表面缺陷檢測方法依舊需要圖像預(yù)處理和人工提取特征，然后將提取的特征輸入機(jī)器學(xué)習(xí)模型，判斷缺陷是否存在或者進(jìn)行缺陷分類，檢測與分類效果很大程度上取決于特征提取的效果。其整個(gè)運(yùn)算過程中各部分的可解釋性較強(qiáng)，能夠觀測每一步的處理結(jié)果，根據(jù)處理結(jié)果能判斷每一步處理效果的優(yōu)劣，方便調(diào)整算法。但過于煩瑣的處理和計(jì)算過程也帶來了很多問題，成像環(huán)境要求相對(duì)苛刻，要求缺陷與非缺陷區(qū)域之間的對(duì)比度高、噪聲少、適應(yīng)性差及檢測準(zhǔn)確率低等缺點(diǎn)導(dǎo)致其難以在實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)揮效果[2]。此外，基于圖像處理的缺陷定位、缺陷分割問題的解決基本由預(yù)處理和特征提取完成，機(jī)器學(xué)習(xí)模型的引入無法有效改善這種情況。由此能自動(dòng)提取特征且功能更豐富的深度學(xué)習(xí)是目前表面缺陷檢測的主要方法?；趥鹘y(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型與基于深度學(xué)習(xí)的表面缺陷檢測方法的比較，其對(duì)比了基于深度學(xué)習(xí)的表面缺陷檢測方法與傳統(tǒng)基于圖像處理的表面缺陷檢測方法，兩者最大的區(qū)別在于特征提取的過程。傳統(tǒng)方法需要人工選擇用于區(qū)分缺陷區(qū)域和其他區(qū)域的特征，而深度學(xué)習(xí)方法可以通過模型中的網(wǎng)絡(luò)做自動(dòng)特征提取，對(duì)原始圖像通過逐層特征變換，將原空間的特征映射到一個(gè)新特征空間，從而使分類或預(yù)測更加容易[3]。

2.2 紅外線高溫照相技術(shù)

紅外線高溫照相技術(shù)也被稱為紅外熱成像，由紅外熱像儀等設(shè)備組成，檢測人員啟動(dòng)儀器向測量目標(biāo)發(fā)射特定波段的紅外線信號(hào)，后續(xù)對(duì)所接收紅外線信號(hào)進(jìn)行分析處理，通過測量隧道結(jié)構(gòu)發(fā)出輻射熱量來記錄熱量流動(dòng)狀態(tài)，并把信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像圖形，檢測人員可以肉眼觀察到隧道結(jié)構(gòu)表面溫度分布狀況，如果局部或整體表面溫度異常，則表明隧道結(jié)構(gòu)存在質(zhì)量隱患[4]。在應(yīng)用紅外線高溫照相技術(shù)時(shí)，檢測人員應(yīng)提前檢查現(xiàn)場溫度，優(yōu)先在冬季等溫差較大時(shí)間段內(nèi)開展質(zhì)量檢測作業(yè)，在檢測測量上搭載紅外線照相機(jī)等設(shè)備，駕駛車輛勻速穿過隧道結(jié)構(gòu)，根據(jù)紅外線信號(hào)分析結(jié)果來判斷隧道結(jié)構(gòu)是否存在孔洞、裂縫等質(zhì)量缺陷。

3 質(zhì)量控制

3.1 襯砌結(jié)構(gòu)拆換

①為確保高速公路的交通安全，已設(shè)置和拆除臨時(shí)支護(hù)塊；現(xiàn)已使用臨時(shí)支座“鋼拱+鋼板+錨具”拆除幕墻結(jié)構(gòu)前，必須拆除現(xiàn)有的臨時(shí)鋼支架和鋼支架，臨時(shí)拆除支撐方案如下：①在第一輛車上放置鋼桿作為臨時(shí)鋼支架和鋼板支座。②每一范圍拆除2個(gè)鋼框架和鋼板圈（1.6m）；從拱頂?shù)絺?cè)壁拆除順序；先拆除鋼結(jié)構(gòu)，然后拆除鋼板，依次從一端向另一端按下拆卸，每次拆卸時(shí)均使用鋼框架作為臨時(shí)支撐物，以防止鋼框架或鋼板突然掉落，直到每個(gè)鋼框架或鋼板從二次襯砌材料上斷開，用50ti鏟子手動(dòng)拆卸鋼框架和鋼板，并在拆前輕輕地在地面上②放置一根Φ42×4環(huán)形鋼管，其長度為4.5m， 距離1.0×1.0m（垂直環(huán)）；混凝土材料采用水泥；灰漿比0.4～0.6mpa灌漿在靜態(tài)破碎后穩(wěn)定巖石；拆除結(jié)構(gòu)。③使用切割機(jī)器移除襯砌材料，移除段落兩側(cè)的混凝土襯砌，修剪2～3cm的防水板表面，然后使用挖掘機(jī)手動(dòng)移除現(xiàn)有的兩部分結(jié)構(gòu)的防水板表面，再使用刀切割防水板使用機(jī)械分解、乙炔切割和切割工具將現(xiàn)有的初始噴射混凝土移至所需位置，以拆除第一個(gè)鋼框架、鋼筋網(wǎng)和鋼框架，以確保第二個(gè)襯層設(shè)計(jì)中的截面輪廓厚度符合第二個(gè)襯層材料的拆除順序設(shè)計(jì)要求，并且拆除范圍是電纜橋架的頂部[5]。

3.2 整治原則及整體思路

嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害受到多種因素影響，凍害類型繁多，產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜。但歸根到底，圍巖地下水凍結(jié)是隧道凍害的最主要原因。若能將水有效排至凍結(jié)圈外，就能夠?qū)崿F(xiàn)防治凍害的目標(biāo)。所以，綜合治水是防治嚴(yán)寒地區(qū)隧道凍害的最基本和最關(guān)鍵手段。但綜合治水對(duì)設(shè)計(jì)、施工和維修有較多的要求，需要遵循“多道防護(hù)，綜合治理”的基本原則[6]。所以，針對(duì)該隧道工程存在的上述問題，項(xiàng)目組以徹底消除隱患為首要目標(biāo)，以解決拱部滲漏水掛冰為重要目標(biāo)，兼顧其他病害的原則進(jìn)行整治。提出采用“主動(dòng)消除凍害基本條件”和“被動(dòng)接受凍脹影響措施”相結(jié)合的方式，進(jìn)行合理的、有效的處理整治。襯砌脫空回填注漿密實(shí)與滲漏水堵排（注漿、開槽打泄水孔、邊墻及中心檢查井打設(shè)排水孔）結(jié)合，綜合采用非貫通裂縫及環(huán)向裂縫灌漿封縫、不穩(wěn)定塊鑿除涂刷、保護(hù)層厚度不足及蜂窩麻面打磨涂刷、異物清理打磨等處理措施，嚴(yán)重病害處鑿除嵌補(bǔ)或混凝土套襯加固[7]。

3.3 加強(qiáng)先進(jìn)檢測技術(shù)應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)襯砌質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)，可以采用回波強(qiáng)度校核等先進(jìn)的無損檢測方法，以達(dá)到保證襯砌材料強(qiáng)度綜合測量項(xiàng)目質(zhì)量的基本目標(biāo)，為薄襯砌材料厚度等實(shí)際問題提供有效的補(bǔ)充，從而達(dá)到預(yù)期效果，通過高級(jí)檢測和測量跟蹤提高隧道監(jiān)測質(zhì)量對(duì)于新奧爾良隧道施工至關(guān)重要，同時(shí)也是確保質(zhì)量安全和實(shí)現(xiàn)信息目標(biāo)的重要基礎(chǔ)，通過對(duì)測量數(shù)據(jù)的深入分析，可以完成對(duì)圍巖的評(píng)價(jià)，從而調(diào)整施工方法、開挖程序和支護(hù)參數(shù)，從根本上實(shí)現(xiàn)隧道信息體系結(jié)構(gòu)，確保施工安全，保證圍巖的穩(wěn)定性[8]。

3.4 襯砌混凝土質(zhì)量（厚度及缺陷）檢測

地理資料處理包括預(yù)先處理和篩選分析，包括加入標(biāo)題、標(biāo)記至資料檔案、檢查樁號(hào)資訊和校正等；篩選分析分為背景雜訊減少和根據(jù)900mhz天線波形篩選訊號(hào)，主要針對(duì)這五個(gè)位置之間不同的厚度和缺點(diǎn)，例如圓頂（線1）、左墻（線2）、右墻（線3）、左墻（線4）， 右側(cè)（5號(hào)線）用于確定隧道中的缺陷、襯砌厚度和填充間隙，而低頻雷達(dá)則可讓您檢查具有破碎帶和隧道中沒有孔的區(qū)域。

3.5 二襯背后脫空結(jié)構(gòu)安全性分析

二襯背后脫空發(fā)生于某隧道左拱腰處，此洞段為隧道深埋段，二襯設(shè)計(jì)厚度為40cm，據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果，脫空寬度為4m。運(yùn)用MIDASGTS有限元軟件，建立基于平面應(yīng)變原理的二維“地層-結(jié)構(gòu)”數(shù)值模型，隧道支護(hù)體系由初支、二襯與錨桿構(gòu)成，選用理想線彈性本構(gòu)，二襯背后脫空通過生死單元實(shí)現(xiàn)，襯砌物理力學(xué)參數(shù)，斷面尺寸依據(jù)設(shè)計(jì)資料。根據(jù)現(xiàn)場地勘資料，此段洞身處于Ⅳ級(jí)圍巖，模型中圍巖服從Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)，圍巖的物理力學(xué)參數(shù)。

3.6 基于余弦相似度的缺陷判別

根據(jù)每個(gè)卡扣輸入圖像、重構(gòu)圖像以及潛在空間向量，采用余弦相似度方法計(jì)算對(duì)應(yīng)的相似度分?jǐn)?shù)。根據(jù)設(shè)定的相似度閾值，本文算法能夠判斷該輸入的卡扣圖像中是否存在缺陷。結(jié)構(gòu)相似度和峰值信噪比作為衡量圖像重構(gòu)效果的重要指標(biāo)，也常被一些研究者用于GAN中作為缺陷判別的方法。在卡扣圖像的驗(yàn)證集上，本文基于重構(gòu)前后的卡扣圖像分布測試了結(jié)構(gòu)相似度和峰值信噪比方法的缺陷檢測性能。

3.7 施工安全防護(hù)措施

①按照交通部及鐵道部要求，參加營業(yè)線的安全管理人員及防護(hù)人員，每年參加建設(shè)部組織的培訓(xùn)考試，合格后持證上崗，未經(jīng)培訓(xùn)合格及無證人員不準(zhǔn)上崗。②參加施工作業(yè)人員必須統(tǒng)一穿著黃色帶有反光條的馬甲，施工負(fù)責(zé)人及防護(hù)人員穿著橙色帶有反光條的馬甲，嚴(yán)禁班前飲酒。高空作業(yè)人員必須佩戴安全帽、系好安全帶，登高作業(yè)前各組負(fù)責(zé)人必須確認(rèn)地線接掛完畢、驗(yàn)電合格后方可登高作業(yè)。進(jìn)網(wǎng)前清點(diǎn)工作器具，所用工具要貼反光標(biāo)志，并進(jìn)行編號(hào)保管，做好記錄工作，經(jīng)施工負(fù)責(zé)人及現(xiàn)場防護(hù)員簽認(rèn)，并做好進(jìn)出網(wǎng)前后登記和影像資料的管理，落實(shí)專人負(fù)責(zé)制度。進(jìn)網(wǎng)前，現(xiàn)場防護(hù)員、施工負(fù)責(zé)人和駐站聯(lián)絡(luò)員執(zhí)行“雙報(bào)告”制度，調(diào)度命令下達(dá)后，駐站聯(lián)絡(luò)員與現(xiàn)場施工防護(hù)人員、施工負(fù)責(zé)人執(zhí)行“三方控”。

3.8 積極探索研究先進(jìn)的試驗(yàn)檢測技術(shù)和設(shè)備

隨著各種新型技術(shù)和探測設(shè)備的進(jìn)步，當(dāng)前我國的公路橋梁隧道試驗(yàn)檢測已經(jīng)開始應(yīng)用諸如雷達(dá)、紅外熱成像、無線傳感等技術(shù)和裝備，在實(shí)際工程建設(shè)和使用中發(fā)揮了重要作用，大大提升了檢測效率和精度，提高了我國公路橋梁隧道工程的安全性能。工程技術(shù)人員在使用新技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)積極思考技術(shù)和設(shè)備的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)，通過不斷的工程實(shí)踐，提出新技術(shù)和設(shè)備的改進(jìn)措施。雷達(dá)檢測技術(shù)利用電磁波反射原理，目前可以判斷出橋梁表面以下大約60cm深度內(nèi)的問題，單次探測距離在5km左右，有操作簡單和效率高等優(yōu)勢。紅外熱成像技術(shù)可以檢測工程內(nèi)部的熱量分布和流向變化，繪制出熱傳導(dǎo)圖像，進(jìn)而判斷出可能存在的裂隙和空鼓等現(xiàn)象。無線傳感和光纖傳感技術(shù)利用預(yù)先設(shè)置于橋梁隧道特殊位置的各類傳感器進(jìn)行監(jiān)測，可以極大地提升工程發(fā)生形變的探測精度，部分技術(shù)已能感知1cm左右的形變。這些技術(shù)都有各自的優(yōu)勢和缺陷，如果工程技術(shù)人員在試驗(yàn)檢測過程中對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行深入研究，并積極探索不同技術(shù)的綜合運(yùn)用，不僅可以達(dá)到提升工程質(zhì)量的目的，還可能研究出新型設(shè)備，從整體上提升試驗(yàn)檢測的技術(shù)水平。

4 結(jié)束語

本研究通過對(duì)大量新建公路隧道二襯的無損檢測，總結(jié)了新建公路隧道的缺陷分布規(guī)律，通過建立有限元數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)含缺陷狀態(tài)下的隧道二襯結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。二襯厚度不足和二襯背后脫空是新建公路隧道中最常見的缺陷。二襯厚度不足對(duì)二襯結(jié)構(gòu)的安全性影響顯著，表現(xiàn)為缺陷部位的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)發(fā)生了明顯的降低。二襯背后脫空時(shí)二襯結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)最小值不一定只發(fā)生在缺陷部位，此時(shí)二襯的安全性由結(jié)構(gòu)的受拉性質(zhì)決定，易使二襯出現(xiàn)受拉損傷，二襯背后脫空會(huì)對(duì)隧道全斷面的安全性產(chǎn)生影響。