摘要：以近些年我國城市軌道交（jiāo）通隧道病害檢（jiǎn）測（cè）技術為對象，總結目前針對不同隧道病害所采用的常用（yòng）檢測技術以及新型（xíng）檢測技（jì）術（shù），其中新型檢測技術包括傳感器檢測（cè）技術（shù）、數字照相（xiàng）檢測技術、激光掃描檢測技術以及多功能集成（chéng）的隧道檢測（cè）車技術。詳細介紹這幾種新技術的原理，對比這（zhè）幾種檢測技術的（de）適用範圍(檢測病害類型)以及在環境條件、檢測頻率、處理速度（dù）、費用、人工依賴程（chéng）度等各個方麵的優勢（shì）與劣勢，表明自動化、實（shí）時化和集（jí）成化將是未來隧道檢測技術發展的重要方向，傳統（tǒng）人工+設備的檢測模式將（jiāng）逐（zhú）步轉化（huà）為設備自（zì）動檢測，技術人員的主觀判別將逐漸被自動化（huà）檢測代替；而集成化（huà）的檢測設備也必將成（chéng）為未來（lái）隧道檢測設（shè）備的發展（zhǎn）趨勢。
    1隧道結構病害及其檢測的困（kùn）難
    城市（shì）軌道交通隧道結構受施工期質量缺陷、材料性能劣化、列（liè）車振動、周邊工程活動等多種內外（wài）因素的影響，在運營期（qī）會出現結構病害，主（zhǔ）要表現為：滲漏（lòu）水、襯砌裂縫、襯砌掉塊、接（jiē）縫張開、管片錯台、縱向沉（chén）降、橫向收斂變形等[1-3]。這些病害如果不予以（yǐ）控製，會影響（xiǎng）隧（suì）道正常使用，甚（shèn）至（zhì）會影響結（jié）構安全（quán），因此及時檢測（cè）並發現結構（gòu）病害十分重要。
    目前隧道結構病害（hài）檢測存在的困難主要有（yǒu）：隨著軌道交通數量（liàng）的（de）增加，日常檢測工作量隨之增加，但是可供結構病害檢測的窗口時間非常有（yǒu）限；以數字照（zhào）相和激光掃（sǎo）描為代表的隧道結構檢測技術發（fā）展迅速，但是針（zhēn）對檢測（cè）獲取（qǔ）的海量數據缺乏病害快速提取方法；缺少能（néng）夠同時檢測（cè）多（duō）種病害的高（gāo）效手段（duàn），尚未形成高效的隧道結構病害（hài）綜合檢測體係。
    2隧道結構病害檢測技術
    2.1 不同隧道病害的檢測策略
    從長期監測數據和人工巡檢結果可以看出，城軌隧道病害檢（jiǎn）測大體可分為兩類，第一類為針對具體病害，如滲漏水、襯砌（qì）裂縫、襯砌掉塊（kuài）、接縫（féng）張開、管片錯台等，這些（xiē）病害的特點有具體的表現形（xíng）式，可以從隧道表麵觀察或者通過儀器測量(如管片（piàn）錯台（tái）)，可以觀察到錯（cuò）台量，而錯台本身會對軌道造成影響；第二類為檢測引發病害的原因(如縱向沉（chén）降、橫向位移、收斂變形、限界侵入等)，這些病害本身並沒有表現（xiàn）形（xíng）式，但是這些病害如果發生，會引發第一類病害(如收斂變形會（huì）造成滲漏水、接縫張開、襯（chèn）砌掉塊等)，這類檢測工作一般需要製定檢測指標（biāo）才能進行(如收（shōu）斂變形的收斂直徑、限界尺寸等)。第一（yī）類檢（jiǎn）測的病害是微（wēi）觀的，可以定位到某一環的某一個管片或接縫，第二類檢測是宏觀的（de），往往是每5環得到一個測量值（zhí）便可以估計隧道的健康（kāng）狀況（kuàng）。因此針對不同的檢測內容，檢測策略也並不相同，第一類檢測有具（jù）體表現形式，便於觀（guān）察，一般采用人（rén）工巡檢就可以得到結果，第二類檢（jiǎn）測則需要人工配合測量儀器進行檢測。
    2.2 檢測技術
    2.2.1 目前常用檢測手段
    目前城軌隧道針對不同病害，常用的隧道病害檢測技術如（rú）表1所示，可（kě）以看出傳統的隧道病害（hài）檢測方法主要（yào）以人工為主，即依靠人眼檢測以及人工儀器檢測[4-10]，這兩種方法的優點是技術成熟可靠，但同時存（cún）在對檢（jiǎn）測（cè）人員要求（qiú）較（jiào）高，檢測（cè）人員的安全作業難以保（bǎo）證（zhèng）的缺點，存在安全不確定性（xìng），同時人工檢測（cè）具有較大的主觀性，即使經驗豐富（fù）的檢測人員（yuán）也（yě）難以保證檢（jiǎn）測結果的完（wán）整性與準確性。隨著當（dāng）前檢測工作量的（de）不斷增大，這種人工加儀器的（de）方式越來越難以滿足檢測（cè）的需求，完成全部檢測所需時間也越來越長，檢測人員的安全性也無法得到保證。

    2.2.2隧道檢測新技術
    針對目前常用的隧道（dào）檢測技術的弊端，國內外引入或研製了一些檢測新技術用於隧道檢測中（zhōng）。隧道（dào）檢測新技術可（kě）以分為4類：傳感（gǎn）器檢測技術、數字照相（xiàng）檢測技（jì）術、激光掃描檢測技術、手持式病害記錄技術。除以上4種之外，目前將上述（shù）技術綜合起來的隧道綜合檢測（cè）技術也發展迅速（sù）。
    1)在傳感器檢測技術方麵，目前（qián）在隧道中的主要應（yīng）用有4種：① 利（lì）用分布式光纖傳感器（qì）檢測隧道縱向變形[11](見圖l(a))，光纖傳感器屬於目前國際上最前沿的尖端技術，它與傳統監測（cè）技術（shù）相比（bǐ）具有分布式、長距離、精度（dù）高和耐久性長等特點[12]，可對沿光纖的軸向應（yīng）變進行（háng）分布（bù）式監測；② 利用無線傾角傳（chuán）感器檢測地下隧道的結構變形（xíng）(見圖1(b))，利用微機電（diàn）係統(MEMS)技術和無線傳感器網絡技術實現傳感器自（zì）動檢測[12]；③ 程姝菲（fēi）、黃宏偉[13]提出了基於溫度傳感器的滲漏水檢測法(見圖1(C))，以及基於電導率法（fǎ）的滲漏水檢測（cè）；④ 無線（xiàn）通信技（jì）術應用於隧（suì）道檢測（cè）中，配合傳感器技（jì）術可以發揮更大的作用(見（jiàn）圖1(d))，采用無線通信技術可（kě）靈活安裝在結構任意位置，監測節點可方便地（dì）增（zēng）加（jiā）或減少，並且可以減少供電設備和線路（lù）的使用，節約隧道空間（jiān），嗡測網絡節點愈多，其無線組網優勢（shì）愈加明顯。[14] 

    傳感器技術的應用可以實現實時檢測的效果，對於（yú）病害嚴重或需要重（chóng）點監測（cè）的位置可以起到精密監測的作用，但是傳感器檢測也具有一定的缺點，例如供電問題（tí），若使用隧道內電路則需要布設大量供電線，如果使用自帶電源又需要時常更換電池。同時，傳感器檢測的傳感器價格也比較昂（áng）貴，在隧道（dào）中如果布設位置不佳，還會對列車運行（háng）造成影響。
    2)數字照相技術主要是利用數字相機或攝像機采集隧道（dào）表麵（miàn）圖像，利用圖像處理技術可以檢（jiǎn）測隧道滲（shèn）漏水和裂縫。[15]在數字照（zhào）相檢測技術方麵，2007年 Masato Ukail[16]研製出針對隧道表麵的監測設備。瑞士Terra研製出針對（duì）裂縫檢測設備tCrack，可以用（yòng）於（yú）城軌隧道的裂縫檢測，速度為2.5 km／h 我國在數字照相隧（suì）道檢測方麵，同濟大學黃永傑、柳獻等[17]提出的盾構隧道滲漏水自動檢測技術（shù），可（kě）用於盾構隧道的定期檢（jiǎn）測。與傳統的人工檢測方法相比，方（fāng）便、省時和省力，具有較強的實用價值。盾構隧道滲漏水自動檢測係統能夠準確采集、識別和分析盾構隧道的管片滲漏（lòu），且其精度較高。經過現場試（shì）驗，驗證（zhèng）了該檢（jiǎn）測係統的可操作（zuò）性（xìng）和試用（yòng）性。數字照相技（jì）術的優點是，相對於傳統方式，可以采集圖片信（xìn）息，信息量更豐富，利用（yòng）圖像識別技術（shù）更是可以獲取精確的病害（hài）信息，如滲漏水邊緣信息甚至足裂縫寬度，但是數字（zì）照相（xiàng）對光源的要求較高，閃光燈頻繁閃爍會對操作人員的視（shì）覺造成影響，另外數（shù）字照相獲取的隧（suì）道（dào）內表麵隻能是局部信息，若想獲取完（wán）整的隧道內（nèi）表麵展開圖，還需大量 像拚接工作．需要專業人員及使用專用像處（chù）理（lǐ）軟件處理。
    3)激光掃描技術主要是利用激光掃描儀（yí）得到隧道內（nèi）表麵點雲數據，利用雲點數據，判斷隧道結構變（biàn）形狀態，如結構收（shōu）斂變形等，日前利（lì）用地麵三維激光掃描技術對地鐵隧道（dào）進行收斂變形監測（cè），從地鐵隧（suì）道數據采集、 三維模型建立 、數據處理、成果輸（shū）出（chū）等幾個方麵來看， 三維激光掃描技術是一種高效的地（dì）鐵（tiě）隧道收斂變形監（jiān）測手段；也可以利用掃描點反射（shè）率數據得到隧道內表麵圖像，從而獲取隧道（dào）滲漏（lòu）水、襯砌掉塊與剝落、裂縫等病害信（xìn）息。我國在（zài）三維激光掃描檢測方麵，夏國芳。王晏民[18]提出利用三維激光掃描儀獲取隧道橫縱斷麵岡，這（zhè）種方法能（néng）夠在高（gāo）程變化劇烈處反映隧道高程的真實變化；畢 俊、馮琰等[19]研究了一（yī）種在地鐵隧道中應（yīng）用定站式（shì）三維激光掃描儀快（kuài）速檢測隧道變形的療法；謝雄耀、盧曉智等[20]提出了基於三（sān） 維激光掃描技術（shù）的隧道全（quán）斷而變形測量（liàng）方法，一方麵給出了測站（zhàn）間距和掃描分辨牢的最佳取值，另一（yī）方麵提出了基（jī）於點雲（yún）的隧道三維建模算法，使隧道（dào）變形可（kě）視（shì）化。目前三維激光掃描儀檢測多數用於隧道收斂變形檢測、滲漏水監測，高精度的三維激光掃描儀也可用於檢測裂縫。三維（wéi）激光掃描儀的（de）優點是采集信息量完整精確，采集隧道內表麵點雲信息（xī）豐富，並且不需要（yào）光源就可以得到隧道（dào）內表麵圖像，但基於三維激光掃（sǎo）描儀的檢測方式也有缺點，例如定站式的測量方式（shì）需要不停地移動激光掃描儀，步驟相對複雜，采集信息的後期處（chù）理任務量大，相（xiàng）比於數字照相技（jì）術（shù），其精度較（jiào）低，不適用於細小裂縫的采集。
    4)手持式病害記錄技術是人工巡檢的輔助（zhù）技術，例如由上海同岩土木公司研發的手持式地鐵隧道結構病害調查數（shù）據記錄儀[21]。在人工巡檢時，巡檢人員（yuán）可以（yǐ）利用記錄儀記錄巡榆的病害信息，記（jì）錄儀保存有隧道內表麵展開圖，檢測人員可（kě）以將發現的病害記錄在（zài）內表（biǎo）麵展開圖上，並日可以利用記（jì）錄儀上的圖像采集工具獲得病害（hài）圖像，記錄儀采用專用符號記錄病（bìng）害數據，這（zhè）樣便於後期的數（shù）據處理和參考。病害記錄儀的優點是方便巡檢人員記錄檢查到的（de）病害（hài）數據，也可以采集病害的圖像數據，不用再攜帶照相設備（bèi），但是病（bìng）害（hài）記錄儀僅僅僅可以幫助巡檢人員記錄數據（jù），病（bìng）害還是（shì）要靠巡檢人員目視檢查，對巡檢人員的（de）要求很高，並且不同的巡檢人員，最終得到的巡撿記錄也並不相同。
    5)除（chú）單項病害（hài）檢測（cè）設備外，目前隧道綜合檢（jiǎn）測設備也逐漸發展完善，綜合監測設備可以集多種病害檢測（cè）功（gōng）能於一身，叮以達到高效（xiào）率（lǜ）檢測的目的（de），從而節（jiē）約人力成本。目前隧道（dào）檢測沒備在公路隧道（dào）中已經獲得了巨大進步，如2013西班牙Euroconsult開發出隧道檢測設備 Tunnelings [22]，其速度可達40 km／h。瑞士Terra研製（zhì）出裂縫檢測設備tCrack，可以用（yòng）於（yú）城軌隧道的裂縫檢（jiǎn）測，速度為2.5km／h。 我國（guó）在（zài）攝影測量隧道檢測方（fāng）麵，西南（nán）交通（tōng）人學王睿等[23]研製的數字照（zhào）相檢測設（shè）備可以識別0.2 mm裂縫，檢測速度為13 km／h。北京交通大學李鵬等[23]研製的數字照相檢測設備采（cǎi）用11台（tái）CCD相機，時速為70 km／h，該設備整體（tǐ）較大，適用（yòng）於公路隧道。 但是， 在地鐵隧道中尚沒有像公路隧道檢（jiǎn）測車那（nà）樣高效（xiào）的檢測沒（méi）備，一般是依靠人力推動(如隧道檢測車係統)，瑞士AMBERG公州生產的GRP5000測量係（xì）統[25]日前在國內北京、上（shàng）海均有應用，如圖2(a)所示，該儀器為可移動二維激光掃描儀，可形成基於反射（shè）率的隧道全斷（duàn）麵掃（sǎo）描圖像，其（qí）精度不滿足裂縫識別，但可以識別滲透水、掉塊等病害，並且可以（yǐ）進行限界檢測（cè），采（cǎi）集隧道內表麵點雲（yún） ，最新型的GRP5000設備可以配合（hé）全（quán）站儀得到隧道真實內表麵點（diǎn）雲坐標，實現隧道真實點雲建（jiàn）模，其結果（guǒ）與定站式三維激光掃描儀得到的結果類似，利用這種設備數據激光（guāng）掃描儀，可以不用考慮搬站的問題，直接（jiē）在軌道（dào）上推進，目前檢測速度很慢，難以達到代替人工（gōng）的目的。此外，上海通（tōng）芮斯克公司研發的MTI-100隧道檢（jiǎn）測車也是一種集合多種傳感沒備的綜合檢測車，該設（shè）備為（wéi）利用數字照（zhào）相技術，如同2(b)所示，由6台CCD相機組成，時速為3~5km/h,適用於城軌隧（suì）道（dào），該設備人工推進，可以采集隧道內表麵圖像信息（xī），識別裂縫、滲透水、掉塊於剝落等病害，並且記（jì）錄病害位置。但該設備不能掃（sǎo）描（miáo）隧道內表麵點雲數據，因此對於隧道變形類的（de）病害不能檢測。同濟大學袁勇[26]等（děng）研製了一種基於數字照相技術的隧道檢測車，其原理（lǐ）與MTI類似，利（lì）用多個攝像機采集不同方向的隧道內表麵圖像，即檢測車每推進相同距離，攝（shè）機機組采集1次圖（tú）片信息（xī），這種檢測車（chē）可以檢查滲漏水、裂縫、掉塊或剝落（luò）等（děng）病害，但是同樣不能采集點雲（yún）數（shù）據。
    通（tōng）過介紹的幾種綜合（hé）檢測設備可以看出 ，綜合檢測設備或是基於（yú）激（jī）光掃描，或是基於數字照相（xiàng），基於激光掃描的檢測車由（yóu）於激光掃描儀本身的（de）限製，往往不能檢測裂縫，而基於數字照（zhào）相的檢測車設備，由於不具備掃描儀（yí），不能獲取點雲數（shù）據，因此無法檢測隧道變形。基於上述幾種隧道檢測新技術，筆者列出各種（zhǒng）技（jì）術的優缺點如表2所示。

    從設備購買和維護成（chéng）本來看，傳感器單價較其他儀器較低，但是其具有不可移動性，隻可用於固定位置監（jiān）測，並（bìng）且要考慮電力供應、信號傳輸等成本（běn）；數字照相技術成本（běn）較低，隻需要數（shù）字相機和穩定光源即可，但是後期處理需要專業的圖像（xiàng）處理（lǐ）軟件才能獲得檢測結果；手持式病害記錄儀相對成本較低，是以（yǐ）人（rén）工檢查為主（zhǔ）的輔助性工具（jù）；綜（zōng）合檢測車國外價格昂貴，國內處（chù）於研（yán）究試驗（yàn）居多，目前還沒有完全商業化生產。
    從數據存儲和處理時間成本來看（kàn），新型檢測技術所需的數據（jù）存儲空間非（fēi）常大，例如（rú）傳感器的實時監測會帶來（lái）大量監測數據，數字照相獲（huò）取的照片均為高（gāo）清圖像，而激光掃描儀獲得的（de）點雲數據也是海（hǎi）量數據(每秒50萬以上的采集點)，所以新型隧道檢測技術所需的存儲空間和（hé）數據處（chù）理（lǐ）時問都是遠大於傳統人工檢測的。
    當（dāng）然，大量（liàng）的數（shù）據可（kě）以（yǐ）帶來（lái）高質量（liàng）的分（fèn）析結（jié）果，例如傳感器數據可以超（chāo）越人工測量的（de）時間限製，實現實時監控；數字照（zhào）相技術獲得的圖像（xiàng）識別結果可以提供人工檢測不能提供的數據類型(如滲漏水麵積等)；激光掃描儀可以（yǐ）提供整個隧道（dào）的點雲數據用於分析變形。這不僅帶來了檢測結果的精確化，更帶（dài）來了（le）檢測內容的多樣化。同時，新型檢測（cè）技術逐漸（jiàn）減弱人工主觀經（jīng）驗在檢測記錄過程中的（de）作用，增加了檢測的客觀性。
    3結（jié）語
    近年來隧（suì）道結構（gòu）病害檢（jiǎn）測技術發展可以看出3個趨勢：1)檢測自動化，雖然目前病害檢測仍以人工巡（xún）檢、全站儀和水準儀人工測（cè）量為主，但是各類傳感（gǎn）器和自（zì）動檢測設備越來越多地應用於病害檢（jiǎn）測（cè）中，病害檢測方式由傳（chuán）統的人工檢測趨（qū）向於半自動檢測和全自動檢測；2)檢測實時化，由於傳感器設備的發展（zhǎn）和普及，特別是全自動（dòng）監測設（shè）備（bèi）(如預埋應力應變傳感（gǎn）器、傾（qīng）角傳感器（qì）等)，檢測頻率由定時檢測（cè）趨（qū）向於實時監測；3)檢測集成化，檢測工具由單一病害檢測儀器趨向（xiàng）於
    綜（zōng）合（hé）病害（hài）檢測係統，可實現一種設備一次檢測多種病害，(如搭配數字相機的隧道綜合（hé）檢測設備或基（jī）於三維激光掃描的隧道新型檢測設備)。
    自動化、實時化和集成化將是未來隧道檢測技術發展的重要方向。傳（chuán）統人工+設備的檢測模式將逐步轉化為設備（bèi）自動檢測，技術人員的主觀（guān）判別將逐漸（jiàn）被自動化檢測代替（tì）；而集成化的檢測設（shè）備也必將成為未來隧道檢測設備的發展（zhǎn）趨勢。
    同時，應認識到目前這些新（xīn）型隧道檢測技術的不足，一是目前（qián）的隧道檢（jiǎn）測（cè）車、三維激光掃描儀或是數字（zì）照相技術，都（dōu）是需（xū）要大量（liàng）人力配合完成，人（rén）力成（chéng）本並沒有降低；二是采集的大量（liàng）檢測數據需要專門（mén）人員分析處理，而目前檢測數據的綜合分析處理並沒有形成很好的體（tǐ）係。
    筆者認為，未（wèi）來的隧道檢測技術應重點關注（zhù）3個方向（xiàng）的發展：硬（yìng）件設備的發展，如提升傳感器性能，以及檢測速度和檢測精（jīng）度的（de）提升（shēng）；相應的軟件技術應用（yòng），如獲取圖像（xiàng）的模（mó）式識（shí）別技術、傳感器數據的無線傳輸技術，海量傳感器數據（jù）和點雲數據（jù）的存儲與處理技（jì）術；檢測人員身份的轉變，在未（wèi）來（lái）的隧道檢測中，檢測人員的身（shēn）份會逐步從數據獲取者向數（shù）據分析者轉換，為此檢測單位應逐漸加大人才培養，以適應未來隧道病（bìng）害檢測的發（fā）展趨勢（shì）。
    雖然目前各類新型隧道檢（jiǎn）測技術還處在研究階段或試驗性使用階段，筆（bǐ）者相信，在不久的將來（lái），應用上述新技術的（de）隧道檢測體係會出現在我國城軌隧道日常的維護當中。


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