【監(jiān)測檢測】運營隧道（裂縫、滲漏等）病害監(jiān)測檢測技術研究現(xiàn)狀概述
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更新時間：2023-10-26 15:29:10
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由于隧道沿線眾長，人工檢測效率低下且主觀性強，需要自動化、信息化的監(jiān)測檢測方式來對隧道進行日常的運營維護管理，及時進行病害診斷和防治。近來，來自國內的相關研究人員詳細梳理了隧道中常見的幾種病害和目前國內外常用的幾種監(jiān)測檢測技術，對各自的特點和檢測能力進行了分析。與此同時，還簡述了無人機、巡檢車、巡檢機器人等3種常見巡檢系統(tǒng)裝備，對其使用條件和環(huán)境進行了整理。
此外，其還對隧道智能監(jiān)測檢測未來的發(fā)展趨勢進行了展望，提出運用多種綜合監(jiān)測檢測技術，結合人工智能和大數(shù)據(jù)分析是未來隧道監(jiān)測檢測智能化發(fā)展的趨向。
一 隧道常見病害
隧道在運營期間常見的結構病害包括：襯砌背后空洞、注漿不密實、襯砌厚度不足，管片錯位、不均勻沉降，襯砌裂損及變形、滲漏水、襯砌材質劣化等。其中，襯砌裂縫和滲漏水是隧道中最常見的2種病害。此外，隧道中還會發(fā)生諸如列車事故、火災事故、恐怖襲擊、洪水、地震等突發(fā)災害。
二 隧道監(jiān)測檢測技術
常用的隧道監(jiān)測手段是采用各種傳感技術和相應設備進行多方位監(jiān)測檢測，主要監(jiān)測隧道內的變形、裂縫、滲漏水等病害。
01.探地雷達技術
主要利用電磁波在各種材料的介電常數(shù)的差異來檢測和辨識病害。
GPR可檢測隧道襯砌厚度、空洞、密實性等病害，也可用來探測地下水的分布和鋼筋位置，但無法檢測襯砌中混凝土的強度。當前，GPR技術的檢測精度較高，但探測深度一般小于50 m，且在地質復雜地區(qū)的應用精度不高。GPR的探測和辨識精度取決于周圍介質的電性差異，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)處理及病害識別方法。
02.三維激光掃描技術
主要利用激光測距原理，即根據(jù)激光往返的時間，結合激光的速度角度來判斷測點被測點的矢量距離。
三維激光掃描在隧道工程中的應用主要集中在變形監(jiān)測，也可檢測隧道的裂縫和滲漏水病害。該技術的點云數(shù)據(jù)后期處理非常復雜，對數(shù)據(jù)處理的算法要求很高。并且，該技術大部分還依賴一個一個的站來進行檢測，要不斷進行搬站，速度較慢。因此，需進一步開發(fā)自動化移動巡檢裝備，例如車載激光雷達、機器人攜帶激光掃描等來提高檢測效率。
03.沖擊回波技術
利用小鋼球或小錘敲擊混凝土表面，在混凝土表面產生應力波，當應力波在混凝土內部進行傳播時，遇到內部缺陷會產生反射并在結構表面產生微小位移。使用傳感器接收應力波在混凝土內產生的響應，并進行頻譜分析。通過頻譜圖可得到混凝土的材質、厚度、缺陷等信息。
沖擊回波法在隧道工程中的主要應用是檢測襯砌混凝土的厚度及其內部缺陷。該方法檢測精度較高，但檢測的病害種類比較單一，并且現(xiàn)今這種檢測方式自動化程度不足，一定程度上還需要人的經驗來判斷。因此需要進一步深入研究自動化檢測程序和病害識別方法。
04.紅外探測技術
主要根據(jù)物質的熱輻射來進行檢測，收集被探測目標與其所處背景環(huán)境的紅外輻射強度差異，并將其轉換成相應的電信號，以此獲取背景環(huán)境信息并最終加以檢測判斷。
紅外探測技術在隧道工程中的應用主要集中于探水以及探火。紅外成像技術是利用環(huán)境溫度來檢測，但環(huán)境的溫度差異往往較小，收集的圖像對比度較低，分辨率較差，并且紅外探測技術也容易受到隧道內設備等干擾。而限制該技術應用的最大因素是成本問題，紅外成像設備價格昂貴，長隧道內鋪設成本非常高，所以應用較少。
05.光纖光柵技術
主要是將來自光源的光由光纖進入調制器，使其與待測的物理量在調制區(qū)產生相互作用，之后光的光學性質發(fā)生相應的變化，稱為被調制的信號光。調制的信號光最后會轉化成電信號并與之前的信號相比較來判斷病害。光纖傳感器具有質量輕、體積小、操作簡單、對刺激敏感、對結構工作影響較小、可以分布式布置等優(yōu)點。
由于光纖對于物理變化具有很高的敏感性，常應用于混凝土的健康監(jiān)測，例如對火災、變形、裂縫等進行監(jiān)測。光纖傳感技術可以較好地對隧道結構變形以及滲漏水情況進行檢測，且可對隧道進行實時監(jiān)測和在線傳輸。但是傳感器需要的技術要求較高，數(shù)據(jù)處理較為復雜，也會受到隧道的溫度以及振動等不良情況的影響。另外，在復雜環(huán)境的隧道中，傳感器的鋪設也是一大難題，如何有針對性地進行合理的鋪設仍是待探討的問題。
06.高清攝像技術
利用攝像機對隧道內影像進行拍攝，然后利用各種數(shù)據(jù)處理算法對收集到的圖像進行分析，從而判斷隧道內發(fā)生的各類病害。數(shù)字相機現(xiàn)今大多數(shù)運用CCD相機，該技術的核心內容是如何運用圖像來進行病害的檢測。
攝像技術主要應用于隧道的裂縫、滲漏水、變形等主要問題的監(jiān)測。目前高清攝像技術對裂縫、滲漏水、錯臺、掉塊的檢測已達到了較高的分辨率，病害識別十分準確。但數(shù)字照相技術對于照片質量要求較高，所以對相機的質量、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)測檢測巡檢裝備
01.無人機
攜帶各類傳感器，在隧道中飛行巡檢，會收集各類數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理平臺，處理平臺對異常數(shù)據(jù)做出預警。
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，能到達人工不方便進行檢測的地方，因此在數(shù)據(jù)收集方面可發(fā)揮較大作用。當前主要有四類技術問題亟需突破：續(xù)航問題、通信問題、定位導航問題以及避障問題，未來需在無人機智能監(jiān)測檢測系統(tǒng)上進一步探討。
02.巡檢車
其運用主要是裝載高清相機、激光傳感器、探地雷達等各種檢測設備以及相應的軟件系統(tǒng)。
當前用得最多的移動檢測裝備。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。可裝載的設備較多，并可以自身形成一個檢測系統(tǒng)，及時獲取結果，且能組合多種設備來檢測病害。但體積過大，應用場景受限。
03.巡檢機器人
通過攜帶激光設備或相機來進行視覺檢測。
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，未來在隧道檢測中可發(fā)揮重要作用。
體積一般較小，可檢測的項目也較少，目前多用于視覺監(jiān)測檢測。遇到災后惡劣的隧道環(huán)境，其智能化程度和行走越障、耐高溫、耐火、防水等性能需進一步提升。
四 發(fā)展趨勢
未來對于隧道的監(jiān)測檢測將朝著減少人力資源，提高自動化、智能化、集成化方向發(fā)展。隧道的固定式設備監(jiān)測，還未建立起相應的多元監(jiān)測系統(tǒng)，目前主要是在自動化、智能化方面進行了大量研究，但監(jiān)測項目比較單一，還需探究更多功能全面的監(jiān)測方案。相比之下，移動式檢測裝備更全面綜合。國內也在大力研發(fā)集成各種技術的隧道綜合檢測車。
同時，人工智能、5G、大數(shù)據(jù)等的發(fā)展，對于隧道監(jiān)測檢測技術的進步發(fā)揮了關鍵作用。未來運用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網、人工智能、BIM+CIM、VR、數(shù)字孿生技術，構建數(shù)字化管理平臺，建立全域感知、智能監(jiān)測、預警應急、快速決策體系，可實現(xiàn)隧道智能韌性運維和可視化管理。
