摘    要： 以近些年我國城市軌道交通隧道病害檢測技術為對象,總結目前針對不同隧道病害所采用的（de）常用檢 測技（jì）術以及新型（xíng）檢測技（jì）術（shù）,其中（zhōng）新型檢測（cè）技術包括傳感器檢測技術、數字照相檢測技術、激光掃描檢測技（jì）術（shù）以 及多功能集成的隧道檢（jiǎn）測車技術。 詳細介紹這幾種新技術（shù）的原理,對比這幾種檢測技術（shù）的（de）適用範圍（ 檢測（cè）病 害類型) 以及在環境條件、檢測頻率、處理速度、費用、人工依賴程（chéng）度等各個方麵的（de）優勢與劣勢,表明自動化、實 時化和（hé）集成化將是未來隧道檢測（cè）技術發展的重要方向,傳統人（rén）工 ＋設備的檢測模式將逐步（bù）轉化為設備自動檢 測,技術人員的主觀（guān）判別將逐漸被自動化檢測代替;而集成化的檢（jiǎn）測設備也必將成為未來隧道檢測設備的發 展趨勢。
關（guān）鍵詞： 城（chéng）市軌道交通; 隧道結構; 檢測技術; 傳感器; 數（shù）字照（zhào）相; 激光掃描（miáo）
中圖分（fèn）類號： U231        文獻標誌碼： A      文章編號： 1672-6073(2017)01-0020-06
 

ReviewandDeveIoping TrendonTechnoIogy for Detecting Ietro TunneIStructureDiseases
YANG Lingzhi, FANG Enquan
（ Guangzhou MetroGroup Co., Ltd., Guangzhou 510330)

Abstract： Thispaperlooksatthetechnology fordetecting tunneldiseasescurrently  adopted  by  urban  railtransitcompaniesin China.Themostfrequently used detection technologiesand thenewdetection technologiesarehighlighted.Thelatterinvolves application ofsensordetection, digitalphotographicdetection, laserscanning  and  multifunctionaltunnelinspection  cars.The principlesofthesenewtechnologiesareexplored, and theirapplicability in termsofdiseasetypesdetected  iscompared.Their advantagesand  disadvantagesareviewed  from theperspectivesofenvironmentconditions, detecting  frequency, processing speed, cost, and dependenceon manualinspection.Itisshown thatautomation, real-timeand integration willbean important direction forthefuturedevelopmentoftunneldetection technology; thetraditionaldetecting  modewhich  combinesmanualin- spection with machineinspection willbegradually replaced by solemachinedetection; thesubjectivejudgmentofthetechnical personnelwillgradually besubstituted by automaticdetection, and theintegrated detecting deviceswillbecomethefuturedevel- opmenttrend ofequipmentfordetecting tunneldiseases.
Keywords： urban railtransit; tunnelstructure; detection technology; sensor; digitalcamera; laserscanning




1    隧道結構病害及其檢測（cè）的困難
        城市軌道交通隧道結構受施工期質量缺陷（xiàn）、材料性能劣化、列車（chē）振動（dòng）、周邊工程活動等多種內外（wài）因素的 影響,在運營期會出（chū）現結構病害,主要表現為：滲漏（lòu）水、 襯砌裂縫（féng）、襯砌掉塊（kuài）、接縫張開、管片錯台、縱向沉陣（zhèn）、 橫向收斂變形等［1 3］ 。 這些病害如（rú）果不予以控製, 會 影響隧道正（zhèng）常使用,甚（shèn）至（zhì）會影響結構安全,因此及（jí）時（shí）檢 測並發現結構病害十分重要。
       目前隧道結構病（bìng）害檢測存在的困難（nán）主要有：隨著軌道（dào）交通數量的增加，日常（cháng）檢測（cè）工作量隨之增加（jiā），但是 可供結構病害檢測的（de）窗口時間非（fēi）常有限；以數字照（zhào）相 和激光掃描為代表的隧道結構檢測技術發展迅速，但 是針對檢測獲取的海量（liàng）數據缺乏（fá）病害快速提（tí）取方（fāng）法（fǎ）； 缺少能夠（gòu）同時檢測（cè）多種病害（hài）的高效手段，尚未形成高 效（xiào）的（de）隧道結構病（bìng）害綜合檢測體係（xì）。

2   隧道結構（gòu）病害（hài）檢（jiǎn）測技術
2.1  不同隧道病害的檢測策略
       從長期監測數據和（hé）人工巡檢結果可以看出，城（chéng）軌 隧道病害檢測大體可分為兩類，第一類為針對具體病（bìng） 害，如滲漏水、襯砌裂縫、襯砌掉塊、接縫張開、管片錯（cuò） 台等，這些病（bìng）害的特點有具體的表現形式，可以從隧（suì） 道表麵觀察（chá）或者通過儀器測量（liàng）（ 如管片錯（cuò）台） ， 可以 觀察到（dào）錯台量，而錯台本身會對軌道造成影響；第二 類（lèi）為檢測引發病害的原因（ 如（rú）縱向沉陣、 橫（héng）向 位 移（yí）、 收斂變形、 限界侵入等） ， 這（zhè）些病害本身並沒有 表 現 形式，但 是 這 些 病 害 如 果 發 生， 會 引 發 第（dì） 一（yī） 類 病 害（ 如收斂 變 形 會 造 成 滲 漏 水、 接 縫 張 開、 襯（chèn） 砌 掉 塊等（děng）） ，這類檢測工作一般需要製定檢（jiǎn）測指（zhǐ）標才能（néng）進行（ 如（rú）收斂變（biàn）形的收 斂（liǎn） 直 徑、 限（xiàn） 界 尺 寸 等） 。  第 一 類（lèi） 檢 測的病害是微觀的，可以定位到某一環的某一個管片 或接縫，第二類檢測是（shì）宏觀的，往往是每 5 環得到一 個測量值便可以估計隧道（dào）的（de）健康狀況。  因此針對不 同（tóng）的（de）檢測內容，檢測策略也並不相同，第一（yī）類檢測有 具體表（biǎo）現形式，便於觀察，一般采用人工（gōng）巡檢就可以 得到結（jié）果，第二類檢測則需要人工配合測量（liàng）儀器進行 檢測。


2.2  檢測技術
2.2.1  目前（qián）常用檢（jiǎn）測手（shǒu）段（duàn）
       目前（qián）城軌（guǐ）隧道針對不同病害，常用的隧道病害檢 測技術如表 1 所示，可以看出傳統的隧道（dào）病害檢測方 法主要以人工為主，即依靠人眼（yǎn）檢測以及（jí）人工儀器檢 測［4 10］ ，這兩種（zhǒng）方（fāng）法的優點是技術成（chéng）熟可靠，但同時存 在對（duì）檢測人員要求較高，檢測人員的安全作（zuò）業難以保 證（zhèng）的缺點，存在安（ān）全不確定性，同時人工檢測具有較大 的主觀性，即（jí）使經驗豐富的檢測人員也難以（yǐ）保證檢測 結果的完整性與準確性。  隨著當前檢測工作量的（de）不斷 增大，這種人工加（jiā）儀器的方式越來越難以滿足檢測的 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（yòng）的隧道檢測（cè）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。  隧道檢 測新技術可以（yǐ）分為 4 類：傳（chuán）感器檢測技術、數字照相檢（jiǎn） 測技術、激光掃描檢測技（jì）術、手持式病害記錄技術。  除 以（yǐ）上 4 種之外，目前（qián）將上述技術綜合起來的隧（suì）道綜合 檢（jiǎn）測技術也發（fā）展迅（xùn）速。
        1）  在傳感器檢測（cè）技術方麵，目前在隧道中的主要 應（yīng）用有（yǒu） 4 種：①  利用分布式光纖傳感（gǎn）器檢測隧道縱向 變形［11］ （ 見圖 1（ a） ），光纖傳感器屬於目（mù）前國際上（shàng）最 前沿的尖端技術，它與傳統監測技術相比具有分布式、 長（zhǎng）距（jù）離、精度高和耐久性長等特（tè）點［12］ ，可對沿光纖的 軸向應變進行分（fèn）布式監測；②  利用無線傾角傳感器檢 測地下隧道的結構變形（ 見圖（tú） 1（ b）），利用微機電係統（ MEMS） 技術和（hé）無（wú）線傳感器網絡技術實現傳感器自動 檢測［12］ ；③  程妹菲、黃宏偉［13］ 提出了（le）基於溫度（dù）傳感（gǎn） 器的滲漏水檢測法（ 見（jiàn）圖 1（ c） ），以及基於電導率法的 滲漏水檢（jiǎn）測；④  無線通信技術應用於（yú）隧道檢測中，配 合傳感器技術可以發揮更大（dà）的（de）作用（ 見（jiàn）圖 1（ d）），采用 無線通（tōng）信（xìn）技術可靈活安裝（zhuāng）在結構任意位置，監測節點（diǎn） 可方便地增加（jiā）或減少，並（bìng）且可以減（jiǎn）少（shǎo）供電設備和線路的使用，節約隧道空間，監測網絡節點愈多，其無線組網優勢愈加明顯［14］ 。

       傳感器技術（shù）的應用可以實現實時檢測的效果，對 於病害嚴重或需要重點監測的位置可以起到精密監測 的作用，但是傳感器（qì）檢測也具有一定的缺（quē）點，例如供電 問題，若使用隧道內電路則需要（yào）布設大量供電線，如果 使用自帶電源又需要時（shí）常更換電池。  同時，傳感器檢 測的傳感（gǎn）器價格也比較昂貴，在隧道中如果布設位置 不佳，還會（huì）對列車運行造成（chéng）影（yǐng）響（xiǎng）。

       2）  數字照相技術主要是利（lì）用數（shù）字相機或（huò）攝像機 采（cǎi）集隧道表麵圖像，利用圖像處理技術可以檢測（cè）隧道 滲漏水和裂縫［15］ 。  在數字照相檢測技術方麵，2007 年由 MasatoUkai［16］ 研製出針對隧道表麵的監測設備。 瑞士 Terra研製出（chū）裂縫檢（jiǎn）測設備 tCrack，可以用於城軌 隧道的裂（liè）縫檢測，速度為 2.5  kmIh。  我國在數（shù）字照相 隧道檢測方麵，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，可用於盾構隧道的定期（qī） 檢測。  與傳統（tǒng）的（de）人工（gōng）檢測方法相比， 方便、 省時和省 力，具有較強的實用價值。  盾構隧道滲漏（lòu）水（shuǐ）自動檢測 係統能夠準確采集、識別和（hé）分析盾構隧道的管片滲漏， 且其精度較高。  經過現場試驗，驗證了該檢測係統的 可操（cāo）作性和適用性。  數字照相技術的優點是，相對於 傳統方式，可以（yǐ）采集圖片信息，信息量更豐富，利用圖 像（xiàng）識（shí）別技術更（gèng）是可以獲取精確的病害信息，如滲漏水 邊緣信息甚至是裂縫寬度，但是數字照相對光源的要 求較高，閃光燈頻繁（fán）閃爍會對操作人員的視覺造成影 響，另外數字照相獲取的隧（suì）道內表麵隻能是局部信息，若想獲取完整的隧道（dào）內表麵展（zhǎn）開圖，還需大量圖像拚 接工作，需要專業人員及使（shǐ）用專用圖像處理軟件（jiàn）處理。
      3）  激光掃描技術主要是利用激光掃描儀得到隧 道內表麵點雲數據，利用點雲數據，判斷隧道結構變形 狀態，如結構收（shōu）斂變形等，目前利（lì）用地麵三維激光掃（sǎo）描 技術（shù）對地鐵隧道進行收斂變形監測，從地鐵隧道數據 采集、三（sān）維模型建立、數據處理、成果輸出等幾個方麵 來看，三維（wéi）激光掃描技術是一種高效的地鐵（tiě）隧（suì）道收斂 變形監測手段；也可以利用掃描點反射率數據得到隧（suì） 道內表麵（miàn）圖像， 從而獲取隧道滲漏水、 襯砌掉塊（kuài）與剝 落、裂縫等病害信息。  我國在三維激光掃描檢（jiǎn）測方麵， 夏國芳、王（wáng）晏民［18］ 提出利用三維激光掃描儀獲取隧道 橫（héng）縱斷麵圖，這種（zhǒng）方法能夠在高程變化（huà）劇烈處反映隧 道高程的真實變（biàn）化；畢俊、馮玻等（děng）［19］ 研究（jiū）了一種在地（dì） 鐵隧道中應（yīng）用定（dìng）站（zhàn）式三維激光（guāng）掃描儀（yí）快速檢測隧道變 形的（de）方（fāng）法；謝雄耀、盧曉智等［20］ 提出了（le）基於三維激光 掃描技術的隧道全（quán）斷麵變形測量方法，一方麵給出（chū）了 測站間距和掃描分辨率的最佳取值，另一方（fāng）麵提出了 基於點雲的隧道三維建模算法， 使隧道變形可（kě）視化（huà）。 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（miáo）儀也（yě）可用於檢 測裂縫。  三（sān）維激光掃描儀（yí）的優點是采集信（xìn）息量完整精 確，采集隧（suì）道內表麵點雲信息豐富，並且不需要光源就 可以得到隧道內表麵圖（tú）像，但基於三（sān）維激光掃描儀的 檢測方式也有（yǒu）缺點，例如定站式的測量方式需要不停 地移動（dòng）激光（guāng）掃描儀，步驟（zhòu）相對複雜，采集信息的（de）後期處 理任（rèn）務量大，相比於數字照相技術，其精度較低，不適（shì）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技術， 例如由上（shàng）海同岩土木公司研發的手持式地鐵隧道結構 病害調查數據記錄（lù）儀［21］ 。  在人工巡檢時，巡檢人員可（kě） 以利用記錄儀記錄巡檢的病害信（xìn）息，記錄（lù）儀保存有隧道 內表麵展開圖（tú），檢測人員可以將發現的病害（hài）記（jì）錄在內表 麵展開圖上，並且可以利用記（jì）錄儀上的圖像采集工具獲 得病害圖（tú）像，記錄儀采用專用符號記錄病害數據，這樣 便於後期的數據處理和參考。  病害記錄儀的優點（diǎn）是（shì）方 便巡（xún）檢人員記錄檢查到的病（bìng）害數據，也可以采集病害的 圖像數據，不用再攜帶照相（xiàng）設備，但是病害記錄儀僅僅 可以幫助巡檢人員記錄數據，病害還是要靠巡檢人（rén）員目 視（shì）檢查，對巡檢人員的要求（qiú）很高，並且不同的巡檢人員， 最終得到的（de）巡檢記錄也並不相同。
       5）  除單項病害（hài）檢測設備外（wài），目前隧道綜合檢測設備也（yě）逐漸發展完善，綜合監測設備可（kě）以（yǐ）集多種病害檢 測功能於一身，可（kě）以達到高效率檢測的（de）目的，從而節約 人力成本。 目前隧道檢測設備在公路（lù）隧道中已經獲得（dé） 了巨大進（jìn）步，如 2013 年西（xī）班牙 Euroconsu1t開發出隧道 檢測設備 Tunne1ings［22］ ， 其速度可達 40  kmIh。 瑞士 Terra研（yán）製出裂縫檢（jiǎn）測設備 tCrack，可以用於城軌隧道 的裂縫檢測，速度為 2.5  kmIh。 我國（guó）在攝影測量隧道（dào） 檢測方麵，西南交通大學王睿等［23］ 研製的數字（zì）照相檢 測設（shè）備可以識別 0.2  mm裂 縫，檢測速度為 13  kmIh。 北（běi）京交通大學李鵬等［24］ 研製的數字照相檢測設備采 用 11 台 CCD相機，時速為 70  kmIh，該設備整體較大， 適用（yòng）於公路隧道。 但（dàn）是，在地鐵隧道中尚沒有（yǒu）像公路 隧（suì）道（dào）檢測車那樣高效的（de）檢測設備，一般是依靠人力推 動( 如隧道檢測車係（xì）統）， 瑞士 AMBERG公 司生產的 GRP5000 測量係統［25］ 目前在國內北京、 上海均有（yǒu）應 用，如圖 2( a） 所（suǒ）示，該儀器（qì）為可（kě）移動二維激光掃描儀， 可形成（chéng）基於反射率的（de）隧道全斷麵掃描圖像，其精度不 滿（mǎn）足（zú）裂縫識別，但可以識別滲漏水、掉塊等病害，並且 可以進行限界檢測（cè）， 采集隧道內表麵點雲， 最新型（xíng）的 GRP5000 設備可以（yǐ）配合全站儀得（dé）到隧道真實內表麵（miàn）點 雲坐標，實現隧道真實點雲建摸，其結果與定站式三維（wéi） 激光掃描儀得到的結果類（lèi）似，利用這種設備數（shù）據激（jī）光 掃描儀，可以不用考慮搬站的問題， 直接在軌道上推 進（jìn），但由於檢測車在地鐵隧道中缺少動力，隻能用人力（lì） 推動，目前檢測速度很慢，難以（yǐ）達到代替人工的目的。 此外，上海通芮斯克公司研發的（de） MTI 100 隧道檢測車 也是一種集合多種傳感設備的綜合檢測車，該設備為 利用數字照相技術，如圖 2 ( b） 所示，由 6 台 CCD相機 組成，時速為（wéi） 3 ～5  kmIh，適用於城軌隧道，該設備為人 工推進，可以采集（jí）隧道內表麵（miàn）圖像信息，識別裂縫、滲 漏（lòu）水、掉塊與剝落等病害，並且記（jì）錄病害（hài）位置（zhì）。 但該設（shè） 備不能（néng）掃描隧道內表麵點雲數據，因此（cǐ）對於隧道變形 類的病害不能檢測。 同濟大學袁勇（yǒng）［26］ 等研製了一種 基於數字照相技術的隧道檢測車，其原理與 MTI類似， 利用多（duō）個攝像機采集不同（tóng）方向的隧道（dào）內表麵（miàn）圖像，即 檢測車每推進相同距離，攝機機組采集 1 次圖片信息（xī）， 這種檢測車可以檢查（chá）滲漏水、 裂縫、 掉塊或剝落等病 害，但（dàn）是同樣（yàng）不能采集點雲數據。
       通過介（jiè）紹的幾種綜合檢測（cè）設備可以看出，綜合檢 測設備或是基於激光掃描，或是（shì）基於數字照相，基於激 光（guāng）掃描的檢測車由於（yú）激光掃描儀本身的限製，往往不 能檢測（cè）裂縫，而基於數字照相的檢測車（chē）設備，由於不具備掃描儀（yí），不能獲取點雲數據（jù）， 因此無法檢測隧（suì）道變 形。 基於上述幾種隧道（dào）檢測新技術，筆者（zhě）列出各種技 術的優缺（quē）點如表 2 所示。

       從設備購買和維護成本來看，傳感器單（dān）價較其他 儀器較（jiào）低（dī），但是其具有不可（kě）移（yí）動性，隻可用於固定位置 監測，並且要考慮電力供應、信號（hào）傳（chuán）輸等成本；數字照 相技術成本較低，隻需要數字相機和穩定光源即可，但（dàn） 是後期處理需（xū）要專業的圖像處理軟件才能獲得檢測結 果；手持式病害記錄儀相對成本較低（dī），是以人工（gōng）檢查為 主的輔助性工具；綜合檢測車國外（wài）價格昂貴，國內處於 研究試驗居多，目前還沒有完全（quán）商業化生產。
       從數據存儲和處理時間成本來看，新型（xíng）檢測技術所 需的數據存儲空間非常大，例如傳感器的實（shí）時監測會帶 來（lái）大量監測數據，數字照相獲取的照片均為高清圖像， 而激光掃描儀獲得的點雲數據也是海量數據（ 每秒（miǎo） 50 萬以（yǐ）上的采集點），所以新型隧道檢測技（jì）術所需的（de）存儲 空間和數（shù）據處（chù）理時間都是遠大（dà）於傳（chuán）統人工檢測的。
       當然，大量（liàng）的數據可以帶來高質量的（de）分析結果，例 如傳（chuán）感器數據可以超越人工測量的時間限（xiàn）製，實現實時 監（jiān）控；數字照（zhào）相技術（shù）獲（huò）得的圖像（xiàng）識別（bié）結果可以提供（gòng）人工 檢測不能提供的數據類型（ 如滲漏水麵（miàn）積（jī）等）；激光掃描 儀可（kě）以提供整個隧道的點雲數據（jù）用於分析變形。  這不 僅帶來了（le）檢測（cè）結果的精確化，更帶來了檢測（cè）內容的（de）多樣 化（huà）。  同時，新型檢（jiǎn）測技術逐漸減弱人工主觀經驗在檢測 記錄過程中的作用，增加了檢測的客觀性（xìng）。

3    結（jié）語
       近年來隧道結構（gòu）病害檢測技術發展可以看出 3 個 趨勢： 1）  檢測自動化（huà），雖然目前病害檢測仍以人工巡 檢、全（quán）站儀和水準（zhǔn）儀人工測量為主，但是各類傳感器和 自動檢測設備越來越多地應用於病（bìng）害檢測中，病害檢 測方式由傳統的人（rén）工檢測趨向於半自動檢測和（hé）全自動 檢測； 2）  檢測實時化，由於傳感器設備的發展和普及， 特（tè）別是全自動監測設備（ 如預埋應力應變傳感器、傾（qīng）角 傳感（gǎn）器等）， 檢測頻率由 定 時 檢 測 趨 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於 綜合（hé）病害檢測係統，可實現一（yī）種設備一次（cì）檢測多種病 害，（ 如搭配數字（zì）相機的隧道綜合檢測設備或基於三維 激光掃描的隧（suì）道新型（xíng）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（de）重（chóng）要方向。  傳（chuán）統人工 ＋設備的（de）檢測（cè）模式將逐步（bù） 轉化為設備自動檢測，技術人員（yuán）的主觀判別將逐漸被（bèi） 自動化檢測代替（tì）；而集成化的檢測設備（bèi）也必將成為（wéi）未 來隧道檢測設備的發展趨勢。
       同時，應認識到目前這些（xiē）新型隧道檢測技術的不足，一是（shì）目前的隧道檢測車、三維激光掃描儀或是數字照相技（jì）術，都是需要大量人力配合完成，人力成（chéng）本並（bìng）沒 有降低；二是采集的大量檢測數據需要專門（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 好的體係。
       筆者（zhě）認為（wéi），未來的隧道（dào）檢測技術應重點關注 3 個 方向的發（fā）展：硬（yìng）件設備的發展，如提升傳感器性能，以 及（jí）檢測速度和檢測精度（dù）的提（tí）升；相應的軟件技術應用， 如獲取圖像的模式識別技術、傳感器數據的無線傳輸（shū） 技術，海量傳感器數據和點雲數據的存（cún）儲與處理技術； 檢測人員身份的轉變，在未來的隧道檢測中，檢測人員 的身份會逐步從數據獲取者向數（shù）據分析者轉換，為此 檢測單（dān）位應逐漸加大人才培（péi）養，以適應未來隧道病害 檢（jiǎn）測的發（fā）展趨（qū）勢。
       雖然目前各類（lèi）新型隧道檢測技（jì）術還處在研究階段（duàn） 或試驗性使用階段，筆者相信，在不久的將來，應用上 述新技術的隧道（dào）檢測（cè）體係會出現在我國城軌隧道日常 的（de）維護當（dāng）中。



收稿日期 2016 09 19 修回日期 2016 12 02
第一作者 楊玲芝（zhī），女，高級工程師，工程技術研究（jiū）開發中心（xīn）研究員， 主要從事城市軌道交通土建工程技術研究及管理工作，yangI ngzh @gzmtr com
基金項（xiàng）目： 廣州地鐵（tiě）科技項目資金資助（ HT140561)