【監(jiān)測(cè)檢測(cè)】運(yùn)營(yíng)隧道（裂縫、滲漏等）病害監(jiān)測(cè)檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀概述
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更新時(shí)間：2023-10-26 15:29:10
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由于隧道沿線眾長(zhǎng)，人工檢測(cè)效率低下且主觀性強(qiáng)，需要自動(dòng)化、信息化的監(jiān)測(cè)檢測(cè)方式來(lái)對(duì)隧道進(jìn)行日常的運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理，及時(shí)進(jìn)行病害診斷和防治。近來(lái)，來(lái)自國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究人員詳細(xì)梳理了隧道中常見(jiàn)的幾種病害和目前國(guó)內(nèi)外常用的幾種監(jiān)測(cè)檢測(cè)技術(shù)，對(duì)各自的特點(diǎn)和檢測(cè)能力進(jìn)行了分析。與此同時(shí)，還簡(jiǎn)述了無(wú)人機(jī)、巡檢車、巡檢機(jī)器人等3種常見(jiàn)巡檢系統(tǒng)裝備，對(duì)其使用條件和環(huán)境進(jìn)行了整理。
此外，其還對(duì)隧道智能監(jiān)測(cè)檢測(cè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，提出運(yùn)用多種綜合監(jiān)測(cè)檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)分析是未來(lái)隧道監(jiān)測(cè)檢測(cè)智能化發(fā)展的趨向。
一 隧道常見(jiàn)病害
隧道在運(yùn)營(yíng)期間常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)病害包括：襯砌背后空洞、注漿不密實(shí)、襯砌厚度不足，管片錯(cuò)位、不均勻沉降，襯砌裂損及變形、滲漏水、襯砌材質(zhì)劣化等。其中，襯砌裂縫和滲漏水是隧道中最常見(jiàn)的2種病害。此外，隧道中還會(huì)發(fā)生諸如列車事故、火災(zāi)事故、恐怖襲擊、洪水、地震等突發(fā)災(zāi)害。
二 隧道監(jiān)測(cè)檢測(cè)技術(shù)
常用的隧道監(jiān)測(cè)手段是采用各種傳感技術(shù)和相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行多方位監(jiān)測(cè)檢測(cè)，主要監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的變形、裂縫、滲漏水等病害。
01.探地雷達(dá)技術(shù)
主要利用電磁波在各種材料的介電常數(shù)的差異來(lái)檢測(cè)和辨識(shí)病害。
GPR可檢測(cè)隧道襯砌厚度、空洞、密實(shí)性等病害，也可用來(lái)探測(cè)地下水的分布和鋼筋位置，但無(wú)法檢測(cè)襯砌中混凝土的強(qiáng)度。當(dāng)前，GPR技術(shù)的檢測(cè)精度較高，但探測(cè)深度一般小于50 m，且在地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)的應(yīng)用精度不高。GPR的探測(cè)和辨識(shí)精度取決于周圍介質(zhì)的電性差異，因此使用環(huán)境受限。此外，GPR的數(shù)據(jù)解釋依靠人為主觀判斷，需探尋一種更好的數(shù)據(jù)處理及病害識(shí)別方法。
02.三維激光掃描技術(shù)
主要利用激光測(cè)距原理，即根據(jù)激光往返的時(shí)間，結(jié)合激光的速度角度來(lái)判斷測(cè)點(diǎn)被測(cè)點(diǎn)的矢量距離。
三維激光掃描在隧道工程中的應(yīng)用主要集中在變形監(jiān)測(cè)，也可檢測(cè)隧道的裂縫和滲漏水病害。該技術(shù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后期處理非常復(fù)雜，對(duì)數(shù)據(jù)處理的算法要求很高。并且，該技術(shù)大部分還依賴一個(gè)一個(gè)的站來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，要不斷進(jìn)行搬站，速度較慢。因此，需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)自動(dòng)化移動(dòng)巡檢裝備，例如車載激光雷達(dá)、機(jī)器人攜帶激光掃描等來(lái)提高檢測(cè)效率。
03.沖擊回波技術(shù)
利用小鋼球或小錘敲擊混凝土表面，在混凝土表面產(chǎn)生應(yīng)力波，當(dāng)應(yīng)力波在混凝土內(nèi)部進(jìn)行傳播時(shí)，遇到內(nèi)部缺陷會(huì)產(chǎn)生反射并在結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生微小位移。使用傳感器接收應(yīng)力波在混凝土內(nèi)產(chǎn)生的響應(yīng)，并進(jìn)行頻譜分析。通過(guò)頻譜圖可得到混凝土的材質(zhì)、厚度、缺陷等信息。
沖擊回波法在隧道工程中的主要應(yīng)用是檢測(cè)襯砌混凝土的厚度及其內(nèi)部缺陷。該方法檢測(cè)精度較高，但檢測(cè)的病害種類比較單一，并且現(xiàn)今這種檢測(cè)方式自動(dòng)化程度不足，一定程度上還需要人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷。因此需要進(jìn)一步深入研究自動(dòng)化檢測(cè)程序和病害識(shí)別方法。
04.紅外探測(cè)技術(shù)
主要根據(jù)物質(zhì)的熱輻射來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，收集被探測(cè)目標(biāo)與其所處背景環(huán)境的紅外輻射強(qiáng)度差異，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，以此獲取背景環(huán)境信息并最終加以檢測(cè)判斷。
紅外探測(cè)技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用主要集中于探水以及探火。紅外成像技術(shù)是利用環(huán)境溫度來(lái)檢測(cè)，但環(huán)境的溫度差異往往較小，收集的圖像對(duì)比度較低，分辨率較差，并且紅外探測(cè)技術(shù)也容易受到隧道內(nèi)設(shè)備等干擾。而限制該技術(shù)應(yīng)用的最大因素是成本問(wèn)題，紅外成像設(shè)備價(jià)格昂貴，長(zhǎng)隧道內(nèi)鋪設(shè)成本非常高，所以應(yīng)用較少。
05.光纖光柵技術(shù)
主要是將來(lái)自光源的光由光纖進(jìn)入調(diào)制器，使其與待測(cè)的物理量在調(diào)制區(qū)產(chǎn)生相互作用，之后光的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的變化，稱為被調(diào)制的信號(hào)光。調(diào)制的信號(hào)光最后會(huì)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)并與之前的信號(hào)相比較來(lái)判斷病害。光纖傳感器具有質(zhì)量輕、體積小、操作簡(jiǎn)單、對(duì)刺激敏感、對(duì)結(jié)構(gòu)工作影響較小、可以分布式布置等優(yōu)點(diǎn)。
由于光纖對(duì)于物理變化具有很高的敏感性，常應(yīng)用于混凝土的健康監(jiān)測(cè)，例如對(duì)火災(zāi)、變形、裂縫等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。光纖傳感技術(shù)可以較好地對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形以及滲漏水情況進(jìn)行檢測(cè)，且可對(duì)隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和在線傳輸。但是傳感器需要的技術(shù)要求較高，數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜，也會(huì)受到隧道的溫度以及振動(dòng)等不良情況的影響。另外，在復(fù)雜環(huán)境的隧道中，傳感器的鋪設(shè)也是一大難題，如何有針對(duì)性地進(jìn)行合理的鋪設(shè)仍是待探討的問(wèn)題。
06.高清攝像技術(shù)
利用攝像機(jī)對(duì)隧道內(nèi)影像進(jìn)行拍攝，然后利用各種數(shù)據(jù)處理算法對(duì)收集到的圖像進(jìn)行分析，從而判斷隧道內(nèi)發(fā)生的各類病害。數(shù)字相機(jī)現(xiàn)今大多數(shù)運(yùn)用CCD相機(jī)，該技術(shù)的核心內(nèi)容是如何運(yùn)用圖像來(lái)進(jìn)行病害的檢測(cè)。
攝像技術(shù)主要應(yīng)用于隧道的裂縫、滲漏水、變形等主要問(wèn)題的監(jiān)測(cè)。目前高清攝像技術(shù)對(duì)裂縫、滲漏水、錯(cuò)臺(tái)、掉塊的檢測(cè)已達(dá)到了較高的分辨率，病害識(shí)別十分準(zhǔn)確。但數(shù)字照相技術(shù)對(duì)于照片質(zhì)量要求較高，所以對(duì)相機(jī)的質(zhì)量、隧道的光源環(huán)境、隧道表面的清潔情況提出了較高的要求。
三 隧道監(jiān)測(cè)檢測(cè)巡檢裝備
01.無(wú)人機(jī)
攜帶各類傳感器，在隧道中飛行巡檢，會(huì)收集各類數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理平臺(tái)，處理平臺(tái)對(duì)異常數(shù)據(jù)做出預(yù)警。
具有體積小、可搖感操控且能在其上搭載多種傳感器的優(yōu)點(diǎn)，能到達(dá)人工不方便進(jìn)行檢測(cè)的地方，因此在數(shù)據(jù)收集方面可發(fā)揮較大作用。當(dāng)前主要有四類技術(shù)問(wèn)題亟需突破：續(xù)航問(wèn)題、通信問(wèn)題、定位導(dǎo)航問(wèn)題以及避障問(wèn)題，未來(lái)需在無(wú)人機(jī)智能監(jiān)測(cè)檢測(cè)系統(tǒng)上進(jìn)一步探討。
02.巡檢車
其運(yùn)用主要是裝載高清相機(jī)、激光傳感器、探地雷達(dá)等各種檢測(cè)設(shè)備以及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。
當(dāng)前用得最多的移動(dòng)檢測(cè)裝備。主要有軌道輪式和地面輪式，軌道式巡檢車可用于地鐵及鐵路隧道，地面輪式巡檢車可用于公路隧道。可裝載的設(shè)備較多，并可以自身形成一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)獲取結(jié)果，且能組合多種設(shè)備來(lái)檢測(cè)病害。但體積過(guò)大，應(yīng)用場(chǎng)景受限。
03.巡檢機(jī)器人
通過(guò)攜帶激光設(shè)備或相機(jī)來(lái)進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè)。
主要用于綜合管廊和隧道。有輪式和履帶式，輪式分地面輪式和軌道輪式，地面輪式主要用于公路隧道，軌道輪式主要用于地鐵和鐵路隧道。因其靈活性，未來(lái)在隧道檢測(cè)中可發(fā)揮重要作用。
體積一般較小，可檢測(cè)的項(xiàng)目也較少，目前多用于視覺(jué)監(jiān)測(cè)檢測(cè)。遇到災(zāi)后惡劣的隧道環(huán)境，其智能化程度和行走越障、耐高溫、耐火、防水等性能需進(jìn)一步提升。
四 發(fā)展趨勢(shì)
未來(lái)對(duì)于隧道的監(jiān)測(cè)檢測(cè)將朝著減少人力資源，提高自動(dòng)化、智能化、集成化方向發(fā)展。隧道的固定式設(shè)備監(jiān)測(cè)，還未建立起相應(yīng)的多元監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目前主要是在自動(dòng)化、智能化方面進(jìn)行了大量研究，但監(jiān)測(cè)項(xiàng)目比較單一，還需探究更多功能全面的監(jiān)測(cè)方案。相比之下，移動(dòng)式檢測(cè)裝備更全面綜合。國(guó)內(nèi)也在大力研發(fā)集成各種技術(shù)的隧道綜合檢測(cè)車。
同時(shí)，人工智能、5G、大數(shù)據(jù)等的發(fā)展，對(duì)于隧道監(jiān)測(cè)檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步發(fā)揮了關(guān)鍵作用。未來(lái)運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、BIM+CIM、VR、數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字化管理平臺(tái)，建立全域感知、智能監(jiān)測(cè)、預(yù)警應(yīng)急、快速?zèng)Q策體系，可實(shí)現(xiàn)隧道智能韌性運(yùn)維和可視化管理。
