隧道襯砌背后空洞自動敲擊檢測裝置的研發

暴學志

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

鐵路隧道襯砌背后空洞缺陷降低了隧道結構的安全性和穩定性，在運營期荷載及外部環境因素共同作用下易導致襯砌開裂、掉塊等病害，給行車安全帶來嚴重威脅［1］。鐵路隧道襯砌背后空洞檢測主要采用地質雷達法和人工敲擊法［2］。地質雷達法易受到鋼筋、水等因素影響，檢測結果數據解析主要依靠人工，消耗時間較長，不能實時有效進行空洞識別［3-4］。因此，現場更多采用簡單易行的人工敲擊法對運營隧道進行普查。人工敲擊法操作簡單、易實現，在實際應用中取得了一定成效，但自動化水平低，勞動強度大，檢測結果依賴人工經驗，易導致漏判誤判［5］。

本文通過對隧道襯砌背后空洞的敲擊回聲特性進行分析，研究自動敲擊、回聲采集和識別方法，提出隧道襯砌背后空洞自動敲擊檢測方案，并通過樣機試制及現場試驗，驗證檢測裝置的功能和識別效果。

1 國內外研究概況

1.1 國內

賴東林等［6］通過自動敲擊發聲裝置進行敲擊檢測試驗，結果表明利用敲擊方法能檢測出有損傷的列車零件和大概的損傷位置。高磊等［7］基于聲音識別技術，建立隧道空洞敲擊檢查聲音智能識別模型，結果表明識別模型能根據敲擊聲音準確判斷隧道背后是否存在空洞。如何根據聲音特征判斷襯砌背后空洞的大小、深度等是下一步研究的重點。

1.2 國外

Montero等［8］介紹了利用沖擊法檢測混凝土缺陷實例，通過在工程汽車上安裝液壓錘對襯砌進行沖擊，將沖擊聲音轉換為電信號，然后對其進行分析，檢測襯砌缺陷。Shimada等［9］利用激光對隧道襯砌表面進行非接觸激勵，傳感器采集激光激勵回聲信號，檢測混凝土襯砌裂縫及空洞缺陷，檢測深度為3～10 cm。

既有文獻研究成果表明利用敲擊檢測法自動識別襯砌空洞是可行的，但混凝土襯砌空洞檢測方面的研究主要是對原理樣機進行功能性驗證，未發現應用于鐵路隧道現場檢測的相關研究。因此，針對現場檢測需求，利用機械設計、電機傳動、聲音采集、機器學習等技術研制了一種隧道襯砌空洞現場檢測裝置，以提高檢測準確性，降低勞動力成本。

2 敲擊回聲特性分析

建立聲-結構耦合模型，開展敲擊回聲信號仿真分析。頻域內的力激勵源采用半正弦波，可描述為

式中：A為敲擊力幅值；f為頻率；t為脈沖寬度。

仿真分析脈沖寬度為0.3、0.5、3.0 ms時，不同脈沖寬度下敲擊力曲線見圖1。可知：脈沖寬度為0.3 ms時，敲擊力一致性較好，敲擊力隨著脈沖寬度增大而發生偏移；脈沖寬度為3.0 ms時，敲擊力呈拱形周期性下降趨勢，不能滿足回聲采集和識別的要求。因此，敲擊力的作用時間不應大于0.3 ms。

圖1 不同脈沖寬度下敲擊力曲線

以邊長0.4 m、襯砌厚度0.15 m的空洞為例，分析敲擊力與聲壓級的關系。不同敲擊力下聲壓級曲線見圖2。可知：敲擊力為5 kN時，聲壓級大于敏感聲壓級50 dB。考慮到邊長0.4 m的空洞對結構安全影響較小，常規檢測時不是重點檢測目標，一般關注邊長更大的空洞。因此，敲擊裝置在滿足最大敲擊力5 kN的前提下，應實現敲擊力可調。

圖2 不同敲擊力下聲壓級曲線

3 檢測裝置設計

隧道襯砌背后空洞自動敲擊檢測裝置由敲擊模塊、采集模塊、智能識別模塊和標記報警模塊構成（圖3），具有自動敲擊、同步采集、自動去噪、智能識別、聲光報警、自動標記等功能。

圖3 檢測裝置

3.1 敲擊模塊

敲擊模塊（圖4）由敲擊機構、擺轉機構、升降機構、自適應機構等組成，采用模塊化快速拼裝結構設計。主材選用鋁合金材料，總質量小于100 kg，單件質量不大于30 kg。主要功能為：①自動敲擊，敲擊力、敲擊頻率可調整；②邊移動邊敲擊；③敲擊錘與敲擊面之間距離自適應；④敲擊徑向距離及角度可調整；⑤敲擊、暫停等常規動作無線控制。

圖4 敲擊模塊

3.1.1 敲擊機構

敲擊機構由敲擊錘、蓄能彈簧、伺服電機、凸輪、導桿等部件組成。檢測時，伺服電機驅動凸輪轉動，凸輪與敲擊桿的接觸點由近圓心點向遠圓心點轉動，蓄能彈簧受壓縮不斷蓄能，當接觸點運動至最遠圓心點并轉換為最近圓心點時，蓄能彈簧快速釋放能量，推動敲擊桿向上快速沖擊，帶動敲擊錘頭敲擊隧道襯砌表面。通過更換敲擊錘頭和蓄能彈簧可實現敲擊力調整。

3.1.2 擺轉機構

隧道襯砌內輪廓線呈圓弧形，為了保證檢測時敲擊錘頭垂直襯砌表面，設計的擺轉機構可實現敲擊機構的角度調整。擺轉機構由轉軸、半齒輪、驅動齒輪、伺服電機等部件組成，驅動齒輪固定于伺服電機的驅動軸上，并與半齒輪相嚙合。檢測時根據敲擊點與敲擊裝置的相對位置，控制伺服電機轉動，帶動驅動齒輪、半齒輪轉動，擺轉機構使敲擊錘頭沿襯砌表面法向敲擊。

3.1.3 升降機構

檢測作業前，需對敲擊機構進行精確定位。移動平臺的升降速度較快，定位精度低，無法滿足檢測裝置精確定位的需求。因此，設計升降機構進行精確定位。升降機構由導軌、絲杠、伺服電機等部件組成，伺服電機轉動，絲杠帶動敲擊機構沿著導軌方向升降，最大行程為400 mm。

3.1.4 自適應機構

檢測時，為避免敲擊錘頭卡住或空敲，應保證敲擊錘頭與襯砌表面的距離為40±5 mm。自適應機構由激光測距傳感器、控制器和控制軟件構成，激光測距傳感器安裝固定在敲擊錘頭上，實時測量敲擊錘頭與襯砌表面的距離。當這個距離超出設定閾值時，控制器啟動，控制升降機構自動升高或降低，直至敲擊錘頭與襯砌表面的距離滿足要求。

3.1.5 控制機構

控制機構由傳感器、顯示器、遙控器、控制軟件等構成，實現敲擊、暫停、參數調整等常規操作及敲擊錘頭高度自適應控制。

3.2 采集模塊

采集模塊系統結構見圖5。CCLD驅動電路給傳聲器前置放大器提供驅動，信號經調理放大電路、低通濾波電路，送入A/D轉換器；FPGA作為控制器向A/D轉換器發送控制指令，讀取轉換后的數據；嵌入式處理單元依據FPGA發送的中斷信號，依次讀取各通道的信號數據進行處理分析和模式分類，顯示分析結果。

圖5 采集模塊系統結構

隧道襯砌背后空洞檢測時伴隨著機械接觸、發電機、風等產生的噪聲，混響嚴重。檢測裝置采用MEMS指向性傳聲器作為聲音采集傳感器，能有效減小聲音信號受環境噪聲的影響［10］。

3.3 識別模塊

識別流程見圖6。首先進行數據清洗和濾波，提取純凈的聲音信號；其次對信號進行處理分析，根據原始波形、振鈴、倍頻程譜、沖擊響應譜、小波包變換等數據信息，在時域、頻域、時頻域內提取波形、脈沖、峭度、裕度、峰峰值、均方頻率、小波能量譜等空洞特征向量，計算空洞指數；最后基于機器學習技術，設計模型，建立樣本庫，開展模型訓練。根據特征向量及空洞指數判斷是否存在空洞并計算空洞的大小及深度。

圖6 識別流程

3.4 標記報警模塊

標記報警模塊由儲液罐、噴嘴、控制機構、燈光報警器等組成，安裝于敲擊裝置上。根據識別結果對空洞位置自動噴涂標記并發出聲音和燈光警報。

4 檢測模式

4.1 檢測范圍

在空洞位置對襯砌結構安全性影響方面，張素磊等［11］通過調查160余座公路隧道得出空洞主要分布在襯砌拱頂部位及Ⅳ、Ⅴ級圍巖段。田甜［12］統計10年間各鐵路局隧道秋檢資料得出，襯砌空洞中拱頂占比約46.15%，其中較嚴重以上級別空洞占比超過78%。黃玲等［13］用MIDAS/GTS有限元軟件計算分析得出拱頂空洞對襯砌結構安全狀況影響最大，拱肩次之，拱腰最小。

在空洞大小對隧道結構安全性影響方面，宋瑞剛等［14］采用平面彈塑性模型分析得出單線隧道空洞直徑大于1.5 m時，襯砌安全系數大幅度降低。周強［15］分析認為空洞半徑大于1.5 m時，圍巖結構安全受到較大威脅，拱頂存在空洞對拱頂周邊及拱腰的危害最大。應國剛［16］研究發現直徑小于1.2 m的空洞對襯砌結構安全性影響不大。

基于上述研究成果，結合實際需求及檢測的經濟性，檢測裝置以拱頂90°區域為檢測范圍，以直徑（或邊長）大于1 m的空洞為檢測對象。

4.2 檢測作業方案

圖7 檢測作業方案

檢測作業方案見圖7。檢測裝置安裝在隧道三平臺檢測作業車（GCY-300Ⅱ型重型軌道車）等移動平臺上，沿線路方向移動檢測。沿隧道橫斷面方向等間距布置7條測線，間距1.7 m，相鄰兩條測線到隧道圓心的夾角為15°。利用檢測裝置可對測區范圍內不小于1 m的空洞進行全覆蓋檢測。檢測時，在三平臺作業車左右副平臺分別安裝一臺檢測裝置，一次可檢測兩條測線，運行4次可完成拱頂90°范圍內的檢測。

4.3 檢測步驟

隧道襯砌空洞自動敲擊檢測裝置的檢測步驟為：①準備，到達檢測起始地點，安裝檢測裝置。②定位，控制檢測裝置升降，使敲擊錘頭距離隧道襯砌表面20 mm。③檢測，設置檢測參數，啟動檢測裝置，檢測載體以3～5 km/h的速度運行。④加密檢測，當檢測出空洞并標記報警后，根據需要停止檢測并調整敲擊裝置角度后進行加密復測。⑤避障，檢測過程中如遇接觸網吊臂支架障礙時，應停止檢測，躲避障礙后再啟動檢測。⑥檢測結束，檢測停止，斷電后拆卸敲擊檢測裝置，存取檢測數據，填寫檢測記錄。

5 測試試驗

在地面平鋪澆筑3.00 m（長）×3.00 m（寬）×0.45 m（厚）的混凝土板4塊，四周用土壤填平夯實。每塊板中央預設空洞，4個空洞的水平截面尺寸均為1 m×1 m，空洞處襯砌剩余厚度分別為5、15、25、35 cm。利用敲擊錘分別在每塊板上從空洞中心向外每隔0.2 m敲擊1次。為增加實心樣本數據，在距空洞中心1.2 m處敲擊3次。空洞識別結果見表1。其中：距空洞中心距離的單位為m；正表示空洞，負表示實心混凝土。

表1 空洞識別結果

經現場核實，對邊長1 m、襯砌剩余厚度不大于25 cm的空洞，在空洞內敲擊檢測可全部準確識別；在距空洞中心1 m范圍內敲擊檢測，識別準確率為77.8%。邊長1 m、襯砌剩余厚度35 cm的空洞較難準確識別。

6 結論

1）隧道襯砌空洞自動敲擊檢測裝置具有自動敲擊、空洞智能識別和標記報警功能。

2）對邊長1 m、襯砌剩余厚度不大于25 cm的空洞，在距空洞中心1 m范圍內敲擊檢測，識別準確率為77.8%。邊長1 m、襯砌剩余厚度35 cm的空洞較難準確識別。

3）本文提出的隧道襯砌空洞自動敲擊檢測方法為隧道襯砌空洞檢測提供了新手段，彌補了當前檢測方法的不足，對提高襯砌空洞檢測準確率，保障列車運營安全具有重要意義。