公路隧道健康状态综合检测技术探讨

公路隧道健康状态综合检测技术探讨

徐以骞

山东省路桥集团有限公司山东济南250031

摘要：我国交通快速发展，传统的隧道病害检测以人工作业为主，辅以激光测距仪、超声波探伤仪和地质雷达等仪器，检测速度慢，劳动强度大，危险系数高，不能满足大规模隧道普查的需要。为此，本文提出采用智能检测车、地质雷达与人工调查相结合的综合检测技术，对隧道衬砌裂缝、外观质量及内部缺陷进行检测，与传统病害检测方法比较，该综合技术可提高病害检测全面性，并显著提高检测效率及精度，具有较强的实践意义。

关键词：公路隧道；健康状态；诊断技术；快速检测；地质雷达

引言

随着隧道工程建设的快速发展，隧道病害问题日益突出。为了对隧道病害进行整治，首先需对病害情况进行全方位检测。传统的隧道病害检测方法主要采用目测，配备一定的简易设备，如机械式或数显式病害观测仪等，进行现场记录和病害标记，人工描绘病害展开图。这些检测方法需要大量的人力、物力，费时、费力，危险程度高，对于隧道拱顶病害检测还需专门的升降设备，而且检测结果主观性大，不同检测人员会得出不同的检测结果，不利于对隧道安全性进行客观和定量评价。国际隧道协会通过分析总结隧道病害检测的经验和教训，指出无损快速检测技术将是今后的发展方向。日本已经在隧道无损快速检测技术方面作了大量研究，并取得了一定的研究成果。

1公路隧道现状分析

我国是一个多山的国家，75%左右的国土是山地或重丘，为了缩短公路里程，改善路线线形和交通运输条件，保护环境，节约土地，山区公路建设中已越来越重视隧道方案。近10年来，随着我国交通基础设施建设规模的逐步扩大，高速公路建设迅猛发展，公路隧道数量日益增多，建设规模越来越大。据我国公路水路交通行业统计，截至2016年底，全国公路总里程达457.73×104km，公路隧道15181处、1403.97×104m，相比2015年增加1175处、135.58×104m。其中，特长隧道815处、362.27×104m，长隧道3520处、604.55×104m。

我国隧道多在2000年后建成，经过10多年的使用，已经进入病害多发期，从最近几年的建设规模和速度来看，其中公路隧道每年以净增1000座以上的速度在增长，从隧道的数量、已有规模来看，我国已成为世界上隧道工程最多、最复杂、发展最快的国家。

根据隧道病害调查的资料表明，我国公路隧道大部分存在着不同程度的病害。隧道结构病害的主要外在表现：衬砌混凝土表面渗漏水、裂损、几何尽寸达不到设计要求。隧道结构内在质量缺陷主要表现为施工粗放，超欠挖严重，初支未按设计及规范施工。超挖部分未按规范回填密实，混凝土与围岩之间存在空洞；欠挖部分衬砌厚度达不到要求。其它内在质量缺陷还有：钢拱架间距超限，衬砌混凝土不密实，二衬钢筋网未布设，仰拱未施作，仰拱回填不密实等。上述缺陷的存在，必然表现为衬砌混凝土表面渗漏水、裂损，结构安全储备降低。常规的检测工作是隧道养护工作的重要环节。传统的隧道病害检测以人工作业为主，辅助激光测距仪、红外测温仪、超声波探伤仪和地质雷达等仪器，检测速度慢，劳动强度大，危险系数高，不能满足大规模隧道的普查工作，更不适合在运营中的公路或铁路隧道进行检测。

2智能检测车快速检测系统（TFS）

2.1快速检测系统简介

系统通过无损检测方式，以0~80km/h速度对隧道进行动态连续检测。以中型底盘车作为车载平台，在平台上安装多个精密传感器，如POS定位系统、里程计、工业相机、断面扫描仪、红外热像仪等。

2.2快速检测各子系统

（1）定位系统

由于隧道中GPS信号完全被屏蔽，即使采用惯性导航等高精度定位设备，在长大隧道的情况下，误差会随着隧道的长度增加而累积，最终的结果偏差较大而达不到定位目的。

为了克服隧道中GPS信号被屏蔽的影响，获得长期高精度轨迹，引入外部高精度位置信息对误差进行修正。本文提出了一种适用于无GPS信号环境下DMI融合测量控制点数据的方法进行定位。

（2）衬砌裂缝检测子系统

隧道衬砌裂损、检修道等病害的获取采用48盏高亮度频闪LED辅助照明16台高分辨率面阵相机对隧道的衬砌表观、检修道进行连续影像拍摄。获取隧道衬砌全副影像需先检测单洞两车道或单洞三车道隧道的1/2单洞，然后检测另外1/2单洞，对采集的隧道断面影像进行无缝拼接，可实现公路隧道快速检测系统获取真实的衬砌全断面影像。

（3）衬砌渗漏水检测子系统

检测车配有多台高分辨率红外热像仪，使用红外热像仪完成双车道隧道内壁热图像数据的采集，通过温度差异性的分析，实现隧道内壁渗水、漏水、脱空等病害的识别。

（4）断面形变检测子系统

检测车配有单台高精度激光扫描仪，利用激光扫描仪一次扫描完毕后，即可得到整个隧道的断面尺寸，根据隧道表面细微的段差，得出隧道检查所需要的高精度3D形状，可用于判断隧道净空尺寸与设计断面尺寸及建筑限界的相关关系，进一步确保隧道内行车安全。

（5）亮度检测子系统

采用LMK亮度测试仪通过获得的景观在图像上的灰度信息来计算真实的亮度值，这样获得的图像上就包含了景观的亮度信息和几何空间信息。这样就实现了用非常简单、省时的方法解决复杂的测试任务。对于长距离的道路或隧道，可以动态获取图像系列的方法来完成测试。获得的亮度分布图像可以在办公室里进行分析处理，借助于专业图像解析的亮度测试技术，整个范围的道路、隧道立面亮度、照度信息可以同时获得。关于照明情况的初步的一般信息通过伪彩色的形式形象的显示在获得的亮度图像中。

2.3试验比对分析

为了验证智能检测车快速检测系统（TFS）对隧道进行快速自动化检测时所采集数据的准确性，测试与传统人工测量方式所采集的数据在隧道病害定位、类型判别、尺寸测量等方面的偏差，本次试验将智能检测车对某隧道的自动化检测数据与使用裂缝宽度仪对隧道的人工检测数据进行比对。智能检测车对隧道由南到北行驶方向的单洞全幅，以60km/h的检测速度进行自动化测量，并使用配套的数据处理软件对隧道病害的桩号定位、类型、尺寸等进行处理自动输出隧道病害明细表。原始图像数据存挡以备后期比对核验。

3地质雷达

传统的人工调查及智能检测车只能完成隧道的衬砌外观检测，对衬砌内部病害（衬砌厚度不足、衬砌背后空洞、钢筋缺陷等）不能进行有效的检测，衬砌的内部病害会使衬砌受力和围岩的应力状态发生改变，降低衬砌结构的安全性，因此在对公路隧道进行健康状态诊断时，应加入对衬砌内部病害的分析，衬砌内部病害的检测一般采用地质雷达。

地质雷达是一种利用宽频脉冲电磁波探测衬砌内不同介质分布形态的一种无损检测方法。其工作原理为：地质雷达主机通过发射天线在隧道衬砌层表面向内部发射频率为数百兆赫兹的电磁脉冲波，当电磁波遇到不同的媒质界面时便会发生反射、透射、散射或衍射，产生不同程度的波能吸收和衰减，这些现象集中反映在地质雷达记录的波形和波阻抗特征的变化上，反射波返回衬砌层表面，被接收天线所接收。

综合考虑智能检测车和地质雷达在隧道检测中的优缺点，在此基础上提出的智能检测车、地质雷达与人工调查相结合的综合检测技术可有效、全面、快速地对公路隧道病害进行检测，为隧道进行健康诊断分析提供依据。

结语

通过实践应用表明智能检测车隧道快速检测系统检测速度及病害识别准确性较人工检测均具有很大优势。隧道快速检测系统自动化检测效率高，图像清楚，病害规模、定位精准，检测盲点少，且数据随时可查，应用前景广阔。与地质雷达、人工调查相结合的综合检测技术可有效、全面、快速地对公路隧道病害进行检测，为隧道进行健康诊断分析提供依据，对现行的公路隧道健康诊断及安全评估，不断完善隧道信息化养护管理系统，提升隧道质量、服务水平具有重要意义。

参考文献

[1]交通运输部.2016年交通运输行业发展统计公报[N].中国交通报，2017

[2]王平让.隧道病害快速检测技术现状及分析比较[J].公路与汽运，2016，（03）

[3]袁海波.地质雷达在公路隧道二衬质量检测中的应用[J].西部探矿工程，2016，28（01）