地鐵隧道結(jié)構(gòu)表面快速檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

（青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，山東青島 266000）

截至2019年底，我國(guó)40個(gè)城市開(kāi)通城軌交通運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路共208條，運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路總長(zhǎng)為6 736.2 km，地下線(xiàn)長(zhǎng)4 366.5 km，占比64.8%。己投用的隧道結(jié)構(gòu)，由于地質(zhì)條件不利或施工、設(shè)計(jì)不合理等因素，隧道結(jié)構(gòu)受到襯砌病害的影響。因此，開(kāi)展地鐵隧道結(jié)構(gòu)表面檢測(cè)，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害，防止病害發(fā)展[1]。

1 地鐵隧道結(jié)構(gòu)表面快速檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

當(dāng)前我國(guó)城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)檢查仍以人工靜態(tài)檢查為主，存在占用大量人工、檢查質(zhì)量不高的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)表面快速檢測(cè)技術(shù)開(kāi)展了大量的研究和試驗(yàn)，并已進(jìn)行實(shí)踐使用。地鐵隧道結(jié)構(gòu)表面快速檢測(cè)技術(shù)根據(jù)成像方式的不同可分為三維激光掃描、CCD成像掃描。

2 三維激光掃描

2.1 三維激光掃描系統(tǒng)基本原理

三維激光掃描系統(tǒng)以軌道小車(chē)為載體，由高精度三維激光掃描儀、GNSS/IMU/DMI組合定位設(shè)備、同步控制單位等設(shè)備組成[2]。軌道小車(chē)推行過(guò)程中激光射線(xiàn)與小車(chē)前進(jìn)方向垂直，隨著不斷推行前進(jìn)得到螺旋線(xiàn)狀的掃描點(diǎn)，同步技術(shù)將掃描點(diǎn)云與下車(chē)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)同步，實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)的三維重建[3]。使用軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)得到高清晰度灰度圖和斷面圖，通過(guò)分析灰度圖、斷面圖得到隧道結(jié)構(gòu)滲漏水、裂縫和收斂等信息。

三維激光掃描系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 三維激光掃描系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)表

2.2 作業(yè)流程

2.2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

（1）硬件調(diào)試。包括高精度移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)安裝調(diào)試、硬件設(shè)備的檢查、慣導(dǎo)校準(zhǔn)等。

（2）采集參數(shù)設(shè)置。軌道小車(chē)行駛速度控制在5 km/h以?xún)?nèi)；掃描頻率為1 000 kHz；掃描儀轉(zhuǎn)速為200 r/s；編碼器轉(zhuǎn)1 000個(gè)脈沖。

（3）采集作業(yè)操作流程。①組裝掃描設(shè)備，設(shè)備電源上電，開(kāi)機(jī)連接設(shè)備WiFi；②打開(kāi)采集軟件，完成慣導(dǎo)的初始化，掃描儀旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后（點(diǎn)云數(shù)據(jù)開(kāi)始增長(zhǎng)），人工平穩(wěn)推進(jìn)，直至到達(dá)采集目的地，設(shè)備停穩(wěn)后，結(jié)束測(cè)站；③保證設(shè)備靜止，點(diǎn)擊“結(jié)束工程-靜止”，設(shè)備靜止5 min，完成后可進(jìn)行設(shè)備掉頭、更改采集線(xiàn)路等操作，如果已經(jīng)完成采集任務(wù)，先點(diǎn)擊“關(guān)閉設(shè)備”，等待2 min，再進(jìn)行設(shè)備斷電操作。

2.2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

使用專(zhuān)用軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到高清晰度灰度圖和深度圖，通過(guò)對(duì)圖像分析得到隧道結(jié)構(gòu)的滲漏水、裂縫、破損檢測(cè)、結(jié)構(gòu)直徑分析和橫斷面分析等。

2.2.3 數(shù)據(jù)分析成果

（1）隧道高清晰度灰度圖成果。

隧道正射灰度影像將足夠密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化，以特定步長(zhǎng)的柵格對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行劃分，并為每個(gè)柵格設(shè)置其行列值，將該柵格內(nèi)點(diǎn)的強(qiáng)度平均值作為該柵格的灰度值，因此，柵格為對(duì)應(yīng)圖像中的特定像素，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云到圖像的轉(zhuǎn)化。由于激光對(duì)混凝土與水的反射率不同，在灰度影像圖中滲漏水區(qū)域?yàn)槊黠@不規(guī)則黑色部分，在灰度圖中可識(shí)別滲漏水、結(jié)構(gòu)裂縫[4]。

（2）隧道斷面圖成果。

利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)隧道斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取，并在特定里程處導(dǎo)出該處的斷面點(diǎn)云，得到該斷面的輪廓CAD圖，如圖1所示。

圖1 地鐵隧道結(jié)構(gòu)斷面圖

3 CCD成像掃描

3.1 CCD成像掃描系統(tǒng)基本原理

CCD成像掃描系統(tǒng)通常以工程車(chē)為載體，由慣導(dǎo)及測(cè)距模塊、狀態(tài)指示模塊、存儲(chǔ)單元、定位模塊、高清成像模塊、高亮補(bǔ)光模塊等組成。在工程車(chē)行駛過(guò)程中不斷快速拍攝，得到隧道結(jié)構(gòu)表面圖像，運(yùn)用圖像處理、計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)等技術(shù)判斷隧道結(jié)構(gòu)滲漏水、裂縫、破損情況。

CCD成像掃描系統(tǒng)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 CCD掃描系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)表

3.2 作業(yè)流程

作業(yè)的主要流程分別為相機(jī)參數(shù)調(diào)整、相機(jī)標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)檢查。

（1）根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)尺寸，擬定采集參數(shù)，進(jìn)行相機(jī)對(duì)焦，使相機(jī)視場(chǎng)中央及邊角圖像清晰。

（2）相機(jī)標(biāo)定分為尺寸標(biāo)定和三維標(biāo)定。

尺寸標(biāo)定：將裂縫尺貼在標(biāo)定板上，緊貼在兩側(cè)相機(jī)視場(chǎng)中央的隧道壁處，使用相機(jī)拍攝并記錄，拍攝結(jié)果保證0.2 mm刻度清晰可見(jiàn)。

三維標(biāo)定：拍攝不同角度的標(biāo)定板照片及標(biāo)定板中方格清晰可見(jiàn)，標(biāo)定人員手指沒(méi)有侵入方格。

（3）標(biāo)定完成后即可正式采集，采集過(guò)程中車(chē)速控制在30～35 km/h，到達(dá)預(yù)先設(shè)定終點(diǎn)即可。

（4）采集完成后檢查數(shù)據(jù)，檢查相機(jī)采集幀數(shù)是否一致，并隨機(jī)從采集文件中抽取數(shù)張照片查看細(xì)節(jié)是否清晰。

3.3 數(shù)據(jù)分析成果

使用服務(wù)器對(duì)采集的隧道結(jié)構(gòu)表面圖像進(jìn)行智能分析，形成包含結(jié)構(gòu)表面裂縫、滲漏水、剝落情況的報(bào)告。選取地鐵部分區(qū)間隧道系統(tǒng)生成的報(bào)告進(jìn)行人工復(fù)檢，得出CCD成像掃描系統(tǒng)對(duì)裂縫、滲漏水的檢出率為100%，剝落檢出率為100%，但存在將結(jié)構(gòu)修補(bǔ)誤判為剝落的情況。后續(xù)系統(tǒng)通過(guò)結(jié)構(gòu)病害大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，提升對(duì)結(jié)構(gòu)病害的識(shí)別，以減少誤判。CCD成像掃描系統(tǒng)滲漏水病害檢測(cè)如圖2所示。

圖2 CCD成像掃描系統(tǒng)滲漏水病害檢測(cè)圖

4 三維激光掃描技術(shù)和CCD成像掃描技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)的缺點(diǎn)：（1）大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需求和設(shè)備對(duì)振動(dòng)控制的要求，限制了軌道小車(chē)的速度，速度控制在5 km/h以下；（2）圖像分辨率較低，如瑞士AMBERG技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的GRP5000檢測(cè)系統(tǒng)，該檢測(cè)系統(tǒng)采集的圖像分辨率僅為5 mm/dpi。

三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：（1）設(shè)備精確度高，可準(zhǔn)確得到隧道錯(cuò)臺(tái)、滲漏水、裂縫等表觀(guān)病害情況，并能夠?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，形成隧道收斂成果，代替?zhèn)鹘y(tǒng)斷面收斂檢測(cè)；（2）設(shè)備體積小，功率小，不需要占用行車(chē)作業(yè)點(diǎn)，具有機(jī)動(dòng)靈活、適應(yīng)環(huán)境強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

CCD成像掃描技術(shù)缺點(diǎn)：（1）設(shè)備體積大，需要使用工程車(chē)進(jìn)行拖掛并提供電力，占用行車(chē)作業(yè)點(diǎn)；（2）數(shù)據(jù)量較大，每公里隧道形成數(shù)據(jù)約0.5 TB，占用大量存儲(chǔ)資源。

CCD成像掃描技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：（1）檢測(cè)速度快，檢測(cè)速度約30～35 km/h，可快速完成城軌線(xiàn)網(wǎng)級(jí)檢測(cè)；（2）檢測(cè)圖像清晰，可準(zhǔn)確反映滲漏水、裂縫、剝落等隧道表觀(guān)病害。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)地鐵現(xiàn)場(chǎng)使用和試驗(yàn)的情況可知，三維激光掃描技術(shù)和CCD成像掃描技術(shù)均具有較高的準(zhǔn)確率，可滿(mǎn)足隧道表面快速檢測(cè)的需求，但根據(jù)成像原理的不同，兩種技術(shù)有不同的優(yōu)缺點(diǎn)及不同的使用場(chǎng)景。CCD成像掃描技術(shù)適用于城軌隧道結(jié)構(gòu)全線(xiàn)檢測(cè)，建立全壽命周期的成長(zhǎng)健康狀況“檔案館”，為軌道隧道運(yùn)營(yíng)提供病害預(yù)警。三維激光掃描技術(shù)適用于小范圍隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)，如檢測(cè)地區(qū)范圍內(nèi)施工對(duì)既有地下隧道結(jié)構(gòu)的影響。