圖像結(jié)構(gòu)信息下隧道襯砌裂縫實(shí)時(shí)快速識(shí)別探究

摘 要：隧道襯砌裂縫作為結(jié)構(gòu)損傷主要形式，一旦發(fā)生隧道襯砌裂縫問題，不僅會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生影響，還會(huì)對(duì)隧道內(nèi)車輛及人員安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此要盡快實(shí)現(xiàn)隧道襯砌裂縫實(shí)時(shí)快速識(shí)別。基于此，使用基于圖像結(jié)構(gòu)信息的隧道襯砌裂縫實(shí)時(shí)快速識(shí)別方法，準(zhǔn)確捕捉圖像中裂縫特征，并通過先進(jìn)圖像處理技術(shù)及科學(xué)算法實(shí)現(xiàn)裂縫自動(dòng)識(shí)別分類，以期為隧道工程安全監(jiān)測(cè)工作順利開展提供便利。

關(guān)鍵詞：圖像結(jié)構(gòu)信息；隧道襯砌裂縫；快速識(shí)別

中圖分類號(hào)：U457" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號(hào)：2096-6903（2025）01-0102-03

0 引言

計(jì)算機(jī)視覺及圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，為隧道襯砌裂縫的識(shí)別提供了全新方法。通過對(duì)隧道襯砌圖像中結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行準(zhǔn)確捕捉，可有效地提取裂縫特征，實(shí)現(xiàn)裂縫的自動(dòng)識(shí)別和分類，提高檢測(cè)效率，降低檢測(cè)誤差，為隧道安全監(jiān)測(cè)維護(hù)提供支撐，降低隧道運(yùn)營(yíng)安全隱患[1]。

1 項(xiàng)目概況

貴州省貴陽(yáng)至平塘高速公路GPTJ-20合同段項(xiàng)目，全長(zhǎng)9.044 km，主線公路被設(shè)計(jì)為高速等級(jí)。車輛可以100 km/h速度安全通行，整體式路基的寬度為33.5 m，為車輛提供充足行駛空間，而分離式路基寬度為16.75 m，可適應(yīng)不同路段交通需求。

此段高速公路起始于者密鎮(zhèn)拉栗村，途經(jīng)拉栗、拉撒、打素、滿翁、太平、白果寨、瓦洞等地，最終抵達(dá)省界云陽(yáng)關(guān)。沿線設(shè)置多座隧道，如打素隧道、滿翁隧道、太平隧道、白果寨隧道、瓦洞隧道、云陽(yáng)關(guān)隧道等關(guān)鍵交通設(shè)施，因該項(xiàng)目中隧道施工所占比例較大，隧道二襯檢測(cè)工作尤為重要。

2 裂縫統(tǒng)計(jì)及圖像特征

2.1 裂縫統(tǒng)計(jì)

因GPTJ-20合同段項(xiàng)目涉及多個(gè)隧道，裂縫數(shù)量及分布相對(duì)廣泛，根據(jù)裂縫形態(tài)及成因，可將其分為多種類型，如橫向裂縫、縱向裂縫、網(wǎng)狀裂縫等。不同類型裂縫對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響程度及修復(fù)難度也有所差異。將裂縫長(zhǎng)度及寬度作為衡量其嚴(yán)重程度的主要因素。裂縫最長(zhǎng)可達(dá)到65 cm、最短為1.5 cm，裂縫寬度可達(dá)到2.8 mm，最窄裂縫寬度為0.3 mm。使用無損檢測(cè)技術(shù)測(cè)得深度為1.8 cm，最淺裂縫深度為0.5 cm，且裂縫多為橫向、縱向分布，部分出現(xiàn)斜向及網(wǎng)狀裂縫[2]。

2.2 圖像特征

在對(duì)裂縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)識(shí)別時(shí)，需對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像采集。所采集到圖像需經(jīng)過預(yù)處理，如去噪、增強(qiáng)等，以提高圖像質(zhì)量，為特征提取識(shí)別提供便利。通過圖像處理技術(shù)，可從采集到圖像中提取出裂縫特征信息，如裂縫長(zhǎng)度、寬度、形狀、紋理等。基于提取的裂縫特征信息，可借助機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等算法進(jìn)行裂縫識(shí)別分類。通過訓(xùn)練模型，可對(duì)裂縫自動(dòng)識(shí)別，提高檢測(cè)效率。

3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)快速識(shí)別方法研究

3.1 襯砌檢測(cè)工藝流程

3.1.1 材料準(zhǔn)備

在檢測(cè)工作開始前，需準(zhǔn)備檢測(cè)所需儀器設(shè)備，如地質(zhì)雷達(dá)、激光斷面儀、全站儀、裂縫觀測(cè)儀、數(shù)碼相機(jī)等，確保相關(guān)設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。還應(yīng)制定詳細(xì)檢測(cè)計(jì)劃，如明確檢測(cè)范圍、檢測(cè)頻率、檢測(cè)內(nèi)容等。

3.1.2 現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記

在隧道邊墻上，應(yīng)每隔10 m距離對(duì)里程樁號(hào)清晰標(biāo)注，以便通過地質(zhì)雷達(dá)打標(biāo)器將各個(gè)里程位置記錄在檢測(cè)文件中，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)對(duì)象準(zhǔn)確定位。還應(yīng)對(duì)隧道襯砌裂縫、滲漏水、防火涂料剝落等外觀病害進(jìn)行初步觀察記錄。

3.1.3 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)

檢測(cè)過程中，檢測(cè)車以5.0～10.0 km/h速度勻速行駛，雷達(dá)天線應(yīng)貼附于襯砌混凝土表面上。結(jié)合隧道路段情況，設(shè)置拱部及邊墻測(cè)線數(shù)量。通過地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，獲取隧道襯砌內(nèi)部結(jié)構(gòu)原始圖像資料，并進(jìn)行解釋分析。

3.1.4 激光斷面儀檢測(cè)

隨機(jī)對(duì)檢測(cè)斷面進(jìn)行選擇，對(duì)隧道縱向長(zhǎng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證每個(gè)檢測(cè)斷面檢測(cè)范圍應(yīng)覆蓋襯砌整個(gè)拱部、邊墻。在檢測(cè)前，應(yīng)測(cè)設(shè)出檢測(cè)斷面隧道中線點(diǎn)、實(shí)測(cè)高程、設(shè)計(jì)高程等參數(shù)。

3.1.5 裂縫觀測(cè)記錄

應(yīng)用隧道檢測(cè)車輔助方法，對(duì)隧道襯砌裂縫進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)于重要病害，需在現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)識(shí)記錄，并對(duì)其進(jìn)行拍照留存。記錄內(nèi)容如裂縫長(zhǎng)度、寬度、位置等信息，為分析處理提供便利。隧道襯砌檢測(cè)如表1所示。

3.2 雷達(dá)對(duì)襯砌質(zhì)量的檢測(cè)

雷達(dá)檢測(cè)借助高頻電磁波在介質(zhì)中傳播及反射特性，在雷達(dá)天線向隧道襯砌發(fā)射高頻脈沖電磁波時(shí)，電磁波在遇到襯砌內(nèi)部不均勻體，如空洞、裂縫等會(huì)出現(xiàn)反射情況。通過對(duì)反射波接收與分析，可有效掌握襯砌內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息及缺陷特征。

應(yīng)選擇適當(dāng)頻率雷達(dá)天線，保證雷達(dá)主機(jī)、顯示器、天線、電纜等設(shè)備連接處于正常狀態(tài)，并在隧道內(nèi)按一定間距設(shè)置里程樁號(hào)，對(duì)檢測(cè)位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。要按照隧道襯砌特點(diǎn)及檢測(cè)需求，對(duì)測(cè)線進(jìn)行準(zhǔn)確布置，通常情況下沿隧道縱向布置多條測(cè)線，以覆蓋整個(gè)隧道斷面。在此基礎(chǔ)上啟動(dòng)雷達(dá)設(shè)備，沿測(cè)線進(jìn)行連續(xù)掃描，收集反射波數(shù)據(jù)，還應(yīng)使用專用軟件對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

3.3 測(cè)線設(shè)置及天線配置

在隧道施工過程中，病害多集中在隧道上拱部位置，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量缺陷檢測(cè)時(shí)，需從上拱部著手分析。有關(guān)邊墻及仰拱檢測(cè)，應(yīng)將關(guān)注點(diǎn)放于施工質(zhì)量整體性上。為使隧道質(zhì)量控制效果得到保證，需對(duì)測(cè)線進(jìn)行準(zhǔn)確布置，以便對(duì)潛在問題進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，為隧道施工安全及質(zhì)量提供保障。在隧道施工質(zhì)量控制中，沿隧道上行線及下行線各布置7條測(cè)線（標(biāo)記為a、b、c、d、e、f、g），并根據(jù)隧道跨幅大小，額外增加h、i測(cè)線。相關(guān)測(cè)線以隧道拱頂為中心，間距設(shè)定為2 m。

為對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)存在的缺陷及規(guī)模進(jìn)行檢測(cè)，選用兩種不同頻率屏蔽天線進(jìn)行初期支護(hù)的檢測(cè)。800MHz天線主要用于控制1～2 m測(cè)深范圍，以有效地揭示隧道襯砌結(jié)構(gòu)中存在的淺層隱患。500MHz天線可應(yīng)用于2～6 m測(cè)深范圍，以對(duì)更深層次潛在問題進(jìn)行集中探測(cè)，為隧道施工質(zhì)量控制及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供更為全面數(shù)據(jù)支持[3]。

針對(duì)圍巖條件較差隧道區(qū)段，尤其是連拱隧道中墻上方回填部分地質(zhì)病害隱患探測(cè)，需對(duì)檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，以便對(duì)回填材料密實(shí)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，使施工質(zhì)量及安全得到保障。在實(shí)際檢測(cè)過程中，應(yīng)結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，適當(dāng)增加測(cè)線密度，對(duì)異常位置進(jìn)行確定，使檢測(cè)精度及準(zhǔn)確性得到確定。此外，為對(duì)隧道仰拱初期支護(hù)施工質(zhì)量進(jìn)行有效測(cè)定，還將根據(jù)實(shí)際需求，布置2～3條測(cè)線，使隧道整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固與安全得到保障。

在對(duì)二次襯砌混凝土厚度進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，因該層混凝土厚度為30～60 cm，需選擇低頻天線以確保測(cè)量深度達(dá)到要求。還應(yīng)選用500MHz屏蔽天線來進(jìn)行檢測(cè)。沿隧道上行線及下行線，各自布置了5～11條測(cè)線，相關(guān)測(cè)線以隧道拱頂為中心，并標(biāo)注為A、B、C、D、E、F、G。若隧道跨幅度較大，應(yīng)將額外增加H、I測(cè)線，測(cè)線之間的間距設(shè)置為2 m，以充分覆蓋整個(gè)檢測(cè)區(qū)域。還應(yīng)在側(cè)邊墻中部設(shè)置L及R測(cè)線，以便更全面地評(píng)估隧道整體狀況。在實(shí)際檢測(cè)過程中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)測(cè)線密度進(jìn)行調(diào)整，在發(fā)現(xiàn)異常位置時(shí)，可增加測(cè)線數(shù)量，以更精確地定位和控制問題區(qū)域。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 基礎(chǔ)參數(shù)

試驗(yàn)選取貴州省貴陽(yáng)至平塘高速公路GPTJ-20合同段中的多個(gè)隧道作為試驗(yàn)對(duì)象，如打素隧道、滿翁隧道、太平隧道等。隧道襯砌材料主要為混凝土和鋼筋混凝土。采用高清攝像機(jī)、圖像采集卡、圖像處理軟件等設(shè)備，用于采集隧道襯砌圖像并進(jìn)行處理。使用高清攝像機(jī)對(duì)隧道襯砌進(jìn)行圖像采集，使圖像清晰、無遮擋。將采集到圖像導(dǎo)入圖像處理軟件進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行去噪、增強(qiáng)等操作，利用邊緣檢測(cè)算法提取裂縫邊緣信息，并提取裂縫長(zhǎng)度、寬度等特征數(shù)據(jù)，并將提取到數(shù)據(jù)輸入機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行裂縫識(shí)別分類。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)提取到裂縫特征數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和分類，結(jié)果顯示算法可對(duì)裂縫類型及程度進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，通過對(duì)算法參數(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化調(diào)整，可使識(shí)別準(zhǔn)確性及效率得到明顯提高[4]。

4.2 抗彎強(qiáng)度分析

在實(shí)際隧道工程中，多采用三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲測(cè)試方法。三點(diǎn)測(cè)試法因其簡(jiǎn)便性而更為常用，借助此方法可獲取材料抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)，抗彎強(qiáng)度受材料的組成、微觀結(jié)構(gòu)等多種因素影響。例如，采用3 mm×4 mm×35 mm試條，在跨距為30 mm、加載速率為0.5 mm/min條件下進(jìn)行測(cè)試，材料平均抗彎強(qiáng)度為4.88 MPa，表明材料具有較強(qiáng)抗彎性能。通過施加不同大小載荷，記錄材料發(fā)生斷裂時(shí)載荷值，進(jìn)而計(jì)算出抗彎強(qiáng)度。

抗彎強(qiáng)度還受材料內(nèi)部關(guān)系、微觀結(jié)構(gòu)以及含雜質(zhì)情況等因素的影響，加載速率不同也會(huì)對(duì)材料的抗彎強(qiáng)度產(chǎn)生影響。當(dāng)加載速率較高時(shí)，材料抗彎強(qiáng)度也隨之提高，在選材和施工過程中需對(duì)此加以重視。

4.3 抗拉壓強(qiáng)度分析

抗拉強(qiáng)度是指材料在拉伸載荷作用下抵抗斷裂的最大應(yīng)力，為了準(zhǔn)確測(cè)量材料的抗拉強(qiáng)度，通常采用拉伸試驗(yàn)。在拉伸試驗(yàn)中，將材料制成標(biāo)準(zhǔn)啞鈴形或矩形試樣，并在萬能試驗(yàn)機(jī)上施加拉伸載荷，直至試樣斷裂。通過測(cè)量試樣在斷裂前所承受的最大拉伸載荷和試樣的橫截面積，可計(jì)算出材料的抗拉強(qiáng)度，公式如式（1）所示。

抗拉強(qiáng)度=最大拉伸載荷/橫截面面積" " " " " " " （1）

抗壓強(qiáng)度則是指材料在壓縮載荷作用下抵抗破壞的最大應(yīng)力，壓縮試驗(yàn)是測(cè)量材料抗壓強(qiáng)度的常用方法。在壓縮試驗(yàn)中，將材料制成標(biāo)準(zhǔn)圓柱形或立方體試樣，并在萬能試驗(yàn)機(jī)上施加壓縮載荷，直至試樣破裂或變形。通過測(cè)量試樣在破裂前所承受的最大壓縮載荷和試樣的底面積，可計(jì)算出材料的抗壓強(qiáng)度，公式如式（2）所示。

抗壓強(qiáng)度=最大壓縮載荷/試樣面積" " " " " " " " " （2）

4.4 抗剪強(qiáng)度分析

在抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中，通常采用直剪或扭剪的方式對(duì)試樣施加剪切力，直至試樣破壞，可獲取材料的抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)。抗剪強(qiáng)度測(cè)試方法主要分為直剪試驗(yàn)與扭剪試驗(yàn)兩種。直剪試驗(yàn)是通過在試件上施加垂直剪切力，測(cè)量試件在剪切面上的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，從而得到抗剪強(qiáng)度值。而扭剪試驗(yàn)是通過施加扭矩使試件產(chǎn)生剪切變形，進(jìn)而測(cè)量其抗剪強(qiáng)度。

因不同材料具有不同的抗剪強(qiáng)度，例如，顆粒較粗、表面粗糙的土粒，其內(nèi)摩擦角較大，抗剪強(qiáng)度也相應(yīng)較高。且土密實(shí)度越大，土粒間表面摩擦力及咬合力也越大，內(nèi)摩擦角及內(nèi)聚力也相應(yīng)增大，從而提高抗剪強(qiáng)度。當(dāng)含水量增加時(shí)，水分在土粒表面形成潤(rùn)滑劑，使內(nèi)摩擦角減小，結(jié)合水膜變厚，粒間電分子力減弱，內(nèi)聚力降低，從而降低抗剪強(qiáng)度。抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式如式（3）所示。

抗剪強(qiáng)度=剪切力/剪切面積" " " " " " " " " " " " " " "（3）

4.5 形變?nèi)菰S分析

形變?nèi)菰S值受隧道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)類型等因素所影響。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，通常允許襯砌結(jié)構(gòu)最大形變量被設(shè)定為10 mm。在考慮隧道所處地質(zhì)環(huán)境、結(jié)構(gòu)材料力學(xué)特性以及施工過程中的不確定性因素基礎(chǔ)上，進(jìn)行專業(yè)分析。

地質(zhì)條件如巖石類型、地層分布、地震活動(dòng)等，以及地下水的水位、水質(zhì)等，可對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生影響。例如，軟弱地層或高水位地區(qū)的隧道，其形變?nèi)菰S值需設(shè)置得更低。

不同隧道結(jié)構(gòu)類型，如圓形、矩形等、材料特性，如強(qiáng)度、剛度等以及施工方法，如盾構(gòu)法、鉆爆法等，都將會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形特性產(chǎn)生直接影響，在進(jìn)行形變?nèi)菰S分析時(shí)，需對(duì)此類因素進(jìn)行充分考慮。結(jié)合圖像結(jié)構(gòu)信息下隧道襯砌裂縫的實(shí)時(shí)快速識(shí)別結(jié)果，可對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的形變情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估。一旦監(jiān)測(cè)到形變超過容許值，應(yīng)立即啟動(dòng)預(yù)警機(jī)制，并采取相應(yīng)加固維護(hù)措施，使隧道結(jié)構(gòu)安全處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)束語

通過采用先進(jìn)圖像處理技術(shù)及機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可準(zhǔn)確、高效地提取隧道襯砌圖像中的裂縫特征，實(shí)現(xiàn)裂縫的自動(dòng)識(shí)別分類，可有效提高隧道檢測(cè)效率及準(zhǔn)確性，為隧道安全運(yùn)營(yíng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在技術(shù)不斷發(fā)展基礎(chǔ)上，隧道襯砌裂縫的實(shí)時(shí)快速識(shí)別將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，通過不斷優(yōu)化算法，可提高裂縫識(shí)別效率，推動(dòng)隧道檢測(cè)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。

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收稿日期：2024-07-01

作者簡(jiǎn)介：周宇（1992—），男，湖南岳陽(yáng)人，本科，工程師，研究方向：道路與橋梁。