激光全息掃描技術在隧道病害調查中的應用

溫佐彪，段 強，李子忠

（成都暢達通地下工程科技發展有限公司，四川 成都610041）

0 引言

20 世紀90 年代開始，我國鐵路、高速公路建設進入了一個新的發展時期，相應的隧道建設，尤其是鐵路隧道的建設也得到了快速發展，但是隧道工程質量問題也逐漸暴露出來。因此，對隧道建設提出了兩個問題：一是如何控制在建或新建隧道的質量；二是如何調查處理運營隧道的病害。病害調查日益受到鐵路局、參建單位等的重視。因此，我國引入了GRP5000 隧道襯砌激光全息掃描系統。該隧道掃描系統從根本上滿足了隧道表面信息獲取的要求，能準確檢測隧道襯砌裂縫、錯臺、掉塊等病害及其發生的空間部位，經人工智能化軟件分析后，可提供高精度的圖像、圖表及文字信息。

1 隧道病害調查的現狀

1.1 隧道病害調查的必要性

國內外調查研究表明，相當比例的隧道存在襯砌裂損、變形、掉塊和滲漏水等病害現象。1999 年6 月27 日，福岡縣境內隧道邊墻上重達200kg的混凝土砸在高速行駛的列車上，日本西鐵路公司曾為此對山陽新干線和鐵路隧道進行了大量的病害檢查和加固工作。我國高速公路隧道也曾發生過類似事故，某高速公路隧道拱頂重約15t的襯砌曾發生掉塊砸落在隧道路面上，所幸未造成車輛財產損失和人員傷亡，但對隧道內行車形成巨大潛在威脅，且病害處治工作對該隧道運營造成了極大的不便。

高效、準確的隧道病害檢測和評估依賴可靠、高精度的病害檢測儀器，以及設備的開發和完善，必要時結合相關儀器建立自動化智能系統以提高探測精度。因此，需要找到一種具有高探測精度高和可靠性的的方法，并逐漸實現隧道病害數字化、圖像化。提高隧道襯砌病害數字化、圖像化檢測方法的精度和可靠性是病害檢測技術發展的方向和目標。

1.2 目前隧道病害調查的方法

以往隧道驗收檢查僅靠地質調查、查閱施工記錄，還無法掌握施工質量情況，留下了很多隧道隱蔽缺陷和安全隱患。因此，需采取必要的調查和檢測手段對施工質量進行普查。

目前我國鐵路在建、運營隧道病害整體調查與檢測方法包括人工敲擊、影視成像、無損檢測等，主要使用數碼相機、激光斷面儀、地質雷達、超聲波儀、聲發射等檢測儀器，將引入一種高精度掃描系統，能快速調查隧道內裂紋（縫）、滲水分布情況，斷面是否侵限等，并能為隧道建立一套健康檔案，通過定期調查，分析其病害發展情況和安全狀況。

2 隧道襯砌激光全息掃描系統介紹

GRP5000 隧道襯砌激光全息掃描系統是一種集光、機、電技術為一體的多功能輕型隧道檢查小車。該小車裝備有一個可以高速旋轉的激光發射器，當小車在軌道上行走時，激光器發射激光并以螺旋線形式對隧道表面進行全斷面高密度掃描，通過分析發射和接收激光信號的強度和相位差，可以獲得隧道內表面的影像信息以及掃描點的三維坐標，每秒可達50 圈、50 多萬個測點，每小時可完成700～1000m 左右的隧道掃描，掃描的原始數據是隧道表面在一個平面上的投影圖。

GRP5000 處理所得的圖像與原有的掃描數據分圖層管理，可以單獨顯示某個圖層，如：可單獨顯示病害信息。輸出多種格式的數據文件，使得數據應用變得更方便和靈活，也增加了第三方應用程序的可讀性。

通過現場掃描可以獲得隧道襯砌的內表面影像圖像以及隧道襯砌表面各點距軌道中心線的距離，也可配合全站儀及GPS，可進行鐵路軌道幾何要素的絕對坐標測量及鐵路周邊環境的掃描測量成果構成隧道狀態測量和隧道凈空測量的數據資料，這些數據資料可用于限界分析和隧道表面病害的狀態分析，測量成果可作為隧道竣工驗收的基礎資料，對于隧道運營維護具有指導意義。

圖1為GRP5000隧道襯砌激光全息掃描系統工作示意圖。

3 襯砌激光全息掃描作業內容

3.1 掃描方式

GRP5000 系統每次測量的數據不僅包含三維坐標信息，還包括顏色信息，同時還有隧道襯砌表面反色率的信息，這樣全面的信息能真實再現隧道襯砌表面的畫面，提供豐富的視覺信息。500 000 點/s 高速掃描，完全滿足對襯砌表面詳細檢測、記錄的需要。

根據需要，GRP5000 系統具有以下三種現場數據掃描模式。

（1）連續掃描模式：在這種模式下數據的保存是連續的，一旦記錄開始，用戶就要推著軌檢小車沿軌道以一定的速度行進。

（2）斷面快照模式：在這種模式下，用戶推著軌檢小車到某一位置，測量一個單獨的斷面，每個單獨的橫斷面是一段距離上的最小斷面，當某個單獨的目標需要測量時，使用這種測量方式。

圖1 GRP5000隧道襯砌激光全息掃描系統工作示意圖

（3）間隔記錄模式：在這種模式下，用戶推著軌檢小車以一定的速度沿著軌道前進，在測量之前，用戶先設置好“參考里程”、“間隔距離”和“帶寬”等參數，每個單獨的橫斷面是一段距離上的最小斷面。

3.2 作業內容

掃描系統對鐵路（地鐵）隧道病害分析包括以下幾個主要的工作內容：

（1）建立以鐵路隧道病害數據庫，內容包括病害的名稱、調查時間、統計類型（病害等級、病害范圍或出現的個數）、圖例等；

（2）定期對隧道進行掃描，獲得病害等數據；

（3）在專業軟件TunnelMap中，同步建立相應的隧道模型；

（4）人工根據隧道掃描TIFF 文件對隧道內的可見病害進行灰度圖描繪，同時也可將其他檢測設備獲得的病害情況繪制到TunnelMap 數據庫中，如隧道滲水、襯砌破損、裂縫、錯臺等病害；

（5）通過TunnelMap輸出隧道的病害分布圖可以直觀掌握病害的位置、密度，并以此來制訂維護（維修）計劃；通過相同隧道、相同里程范圍內多次調查的病害分布圖的比較，可以了解隧道狀態的發展變化趨勢；新線驗收時如使用GPR5000 檢測隧道狀態，隧道病害分布圖還能作為長期的基礎數據檔案，以供后期維護查閱；

（6）通過TunnelMap 輸出隧道的統計報表，TunnelMap 提供了5 種不同類型的報表，從多種角度對病害分布和狀態進行分析統計，包括：檢查統計總表、詳細一覽表、不同病害類型統計分析表、隧道病害檢查比較表、病害分布直方圖。

4 應用實例

4.1 檢測概況

黃草隧道通過區域為中山剝蝕地貌，地形陡峻，自然坡度為30°～60°，地表沖溝、切溝發育，植被較發育。單線洞身圍巖主要為砂巖夾頁巖、灰巖和頁巖，單斜構造。圍巖屬奧陶系中上統灰巖，巖溶較發育。

該隧道二襯部分存在較多龜裂現象，部分龜裂達數厘米寬，并同時出現不同程度滲水、錯臺等缺陷。

根據成都鐵路局工務段的要求，采用GRP5000 系統連續掃描模式進行全隧道掃描，以隧道進、出口襯砌邊緣作為起止里程控制。

4.2 成果展示

本次對黃草隧道進行襯砌現狀檢測，主要包括裂縫、滲水、錯臺分布、重點部位裂縫寬度及深度，為現有隧道建立襯砌表面狀況健康檔案。GRP5000 移動式掃描測量系統對隧道襯砌進行全面掃描，檢測隧道襯砌表面缺陷分布狀況，對重點部位裂縫采用超聲或塞尺進行裂縫寬度、深度檢測，建立隧道襯砌表面健康檔案。黃草隧道檢測模式如圖2 所示，病害調查成果如圖3～圖5所示。

圖2 檢測模式示意圖

圖3 3D成果顯示圖

圖4 裂縫分布局部放大圖

圖5 病害調查綜合成果展示圖

5 結語

通過隧道襯砌激光全息掃描系統對渝懷鐵路病害隧道的調查，找到了一種高精度、高效率的方法來控制在建或新建隧道的質量，同時能有效調查處理運營隧道的病害。激光全息掃描系統（GRP5000）每次測量的數據不僅包含三維坐標信息，還包括顏色信息，同時還有隧道襯砌表面反色率的信息，這樣全面的信息能真實再現隧道襯砌畫面，提供豐富畫面信息，并能準確檢測隧道襯砌錯臺、掉塊、滲水、裂縫等病害以其空間位置，經人工智能化軟件分析后，可提供高精度的2D、3D 圖像、圖表及文字信息，是一種值得推薦的隧道病害調查技術。

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