隧道病害快速检测技术现状与研究

隧道病害快速检测技术现状与研究

金虹志杨大成

云南宏程卓越建设工程技术有限公司云南安宁650300

摘要：隧道病害是威胁隧道内行车安全运行和缩短使用寿命的主要原因，因此如何高效率、准确地进行隧道检测，及时发现隧道病害，是隧道工程研究的一大热点。本文通过对基于摄像测量和激光扫描的隧道病害快速检测技术进行分析总结，分析两种类型的隧道病害快速检测技术的优缺点，提出隧道病害检测技术的发展方向，对隧道工程的检测工作和建立完善的检测系统具有重要指导意义。

关键词：隧道危害；检测技术；研究现状

我国经济迅速发展，已经成为世界上隧道工程数量最多、增长最快的国家，据调查研究发现，公道工程中的隧道病害在生活中普遍存在，严重威胁隧道内的行车安全和乘客的人身安全，对隧道的运营造成不便。因此需要对隧道病害进行检测。传统的检测技术已经不能满足人们的对隧道病侧检测的需求。隧道病害快速检测技术是利用各种形式的传感器探测隧道衬砌的情况，形成影像图，再通过图像处理技术对隧道病害进行详细的检测和病害分类[1]。由于探测的传感器不同，可以分为摄像测量快速检验技术和激光扫描快速检测技术这两类。

1摄像测量快速检测技术

摄像测量快速检测技术是利用工业相机等设备对隧道衬砌表面进行快速连续的扫描，形成隧道衬砌表面影像图，然后利用图像处理技术和图像识别功能从衬砌影像图中提取病害信息，并绘制病害展开图。摄像测量快速检测技术是一种基于数字信息和数字影像技术及自动控制手段的非接触式快速检测技术，具有检测速度快，效率高，精度高，数据自动化处理等优点。下面介绍的是在隧道病害监测领域内利用摄像测量快速检测技术比较典型的机构及其测量系统。

1.1隧道病害快速无损检测系统

日本计测检查株式会社提出的隧道病害快速无损检测系统比较典型，现在广泛的应用在隧道病害的检测中。它包括CCD工业相机、移动高亮度光源、台架、发电设备等组成。它的相机图像分辨率是0.3mm/像素，采用的是商业化软件Crack-Draw21作为病害识别分析用系统，在Crack-Draw21软件中看到病害沿着隧道拱顶的展开图，并依据展开图评估隧道内的安全状况和病害位置。这种系统本能完全自动识别病害，需要人工修正和计算机自动识别相结合才能全面识别病害，从而使人工修正有较大的工作量。近年来，隧道病害快速无损检测系统在隧道病害检测和施工质量控制上应用广泛。

1.2日本铁道技术研究所研发的公路隧道病害快速检测系统

该系统利用车载线扫描相机（图像分辨率为5000像素/行）沿着线扫描方向对隧道进行扫描检测。它所使用的图像分析方法是对源图像进行中值滤波和直方图归一化处理，并将阴影进行修正，通过应用动态阀门值得方法进行图像二值化处理，再利用膨胀和腐蚀等数学形态学运算方法除去孤立点并将连续裂缝提取出来。它包括工业相机、高能金属卤化物、编码器和自动对焦系统等组成。由于这个方法的工业相机图像分辨率不佳和没有考虑裂缝的几何形态，导致检测的裂缝最小宽度比实际值大。

1.3移动式机器人系统

移动式机器人系统是韩国汉阳大学机械工程系首先应用于检测隧道衬砌病害。它是由图像采集系统、自动调焦系统、光学系统、扫描系统、防震系统、图像存储系统、图像处理系统和病害识别系统组成。机器人系统带着CCD工业相机、减振器、编码器等设备对隧道进行连续扫描，得到衬砌影像，通过图像处理系统和病害识别系统，形成病害展开图并得到病害几何信息。该系统的图像分析系统是应用Sobel和Laplacion算子识别隧道的裂缝边缘，再应用Gaussian滤波器降噪，通过设定的阈值识别裂缝，最后应用图搜索算法提取裂缝[2]。这个系统能够检测隧道裂缝的长度和宽度等参数，但由于采用的是普通图像处理技术，没有注意到裂缝的几何形态，所以导致了病害识别准确度较低。工业相机CCD的分辨率很高，因此隧道病害检测进度也很高。

2激光扫描快速检测技术

激光扫描快速检测技术是利用激光扫描器和红外线距离传感器对目标表面形态进行采集，主要是通过扫描有一定分辨率的空间点组成的云点，利用图像传感器将扫描完的云点信息转化为数字信号，将数字信号直接传递给计算机系统，经过处理后，得到目标表面三维坐标数据，经过建立立体模型或者量算后，形成三维视频图像，这一系列的工作过程是熟路采集和处理的不断重复的过程。隧道病害激光扫描快速检测技术是通过激光器连续扫描隧道衬砌，得到隧道衬砌表面影像图。许多国家都在研究者方面，并取得很大进展，一些公司已研发出商业化检测系统。

2.1德国SPACETECTS3检测系统

德国SPACETECTS3检测系统由激光扫描器、红外线扫描仪、测距仪、设备箱、编码器和控制平台等部分组成。运用非接触测量技术对隧道外观质量如衬砌裂缝、露筋、渗漏水等进行检测，其使用的测量介质为激光和红外线。它是由德国SPACETEC公司首先研发出来的，在检测隧道过程中可以生成视觉影像、热影像和轮廓记录。通过德国SPACETECTS3检测系统能够找出隧道衬砌表面的全部病害，准确判断病害是否发展。这个系统不需要固定光源，成像质量高，能在任何检测车上安装并使用，能够全方面地扫描检测处隧道衬砌渗水问题，以及渗水面积、裂缝的宽度和位置等信息。这种检测技术扫描速度快，检测精度高，能同时获得三维图像，检测图片更清晰，可对病害的发展进行分析对比，能够更全面、更客观和高效率的检测隧道，是世界上最先进的非接触式的隧道病害检测系统。

2.2瑞士GPR5000检测系统

瑞士GPR5000检测系统是通过利用激光扫描仪全方位扫描检测隧道，获得隧道的高清影像图。将隧道内裂缝长度、宽度、位置和渗水面积等参数输入到Excel表格中分析其图形报表，这些参数通过是计算机自动计算得到的。瑞士GPR5000检测系统是一个集精密机械制造、高工业标准、高精度传感器以及多种功效显著的实用功能为一体的检测系统，能充分满足用户对隧道检测病害、精度和实用性的要求。该系统中的激光扫描仪能够扫描获得50万个/秒测点断面数据。数据中包括了扫描位置的反射率和几何尺寸信息等。当在轨道行走的小车上的高速旋转的激光扫描仪发射出的激光对隧道表面进行全断面扫描，经过对发射和接收的激光信号的分析，得到衬砌内表面的影像图，并得知隧道衬砌表面各点和轨道中心线的距离。以上的测量结果是对隧道表面安全状态评估的基础资料。

瑞士GPR5000检测应用在隧道病害识别和分析方面形成了专业的商业化软件TunnelMap，该软件可充当隧道病害采集和状态评价系统，用于观察和收集已有建筑的结构数据，根据测点的几何信息对隧道进行限界分析，还可分类标注各种病害，如裂缝和渗水区域等。病害展开图具有坐标信息，可自动计算并统计裂缝长度和渗水面积等病害的几何尺寸，这些数字化的信息和数据可作为隧道安全状态评估的依据[3]。

2.3法国ATLAS70检测系统

法国ATLAS70检测系统是由法国HGH红外系统公司开发的多传感器隧道无损快速检测技术，它包括激光扫描传感器、红外扫描传感器、测距仪和计程仪等设备。通过激光扫描并将信息传递给测距仪和计程仪等设备，从而得到隧道裂缝尺寸和渗水的面积等信息，有利于隧道病害的全方位检测[4]。为隧道病害的自动识别和安全状态提供了自动化平台，但是法国ATLAS70检测系统主要以人工分析为主进行病害检测的。法国ATLAS70检测系统适用于简单易操作的环境，每个处理器可以执行多个控制任务，实现了检测系统卓越的性能，提高了检测隧道病害的全面性和高效性。

3两种检测技术的对比分析

经过上述对摄像测量快速检测技术和激光扫描快速检测技术的研究，并且详细分析了各个检测技术较为典型的测量系统，从而对这两种检测技术的主要内容和特点进行了归纳总结如表1，并分析了这两种检测技术的优缺点。

表1隧道病害快速检测技术对比

摄像测量隧道病害快速检测技术由于工业相机的分辨率很高，尤其是线阵工业CCD，分辨率高达0.2mm/像素，经扫描后得到的衬砌影像图像素也很高，能够更加精准的检测出隧道内较细微的裂缝。但是，摄像测量隧道病害快速检测技术需要均匀性好的光源，光源均匀性的优劣，直接影响了图像成像的质量，从而决定图像识别算法的效果[5]。此外，这种检测技术需要人工修正和计算机自动识别相结合才能完全自动识别隧道病害，由此产生的人工修正工作量就很大。

激光扫描隧道病害快速检测测技术是利用激光扫描器扫描。它的优点是不需要特定的光源，从而成像质量较高。但是它的缺点是图像分辨率较低，例如瑞士GPR5000检测系统的图像分辨率仅是5

Mm/像素，而且不能对隧道病害病害进行自动识别。这种检测技术是以人工分析为主，激光扫描检测技术只是为隧道衬砌病害和分析提供一个数字化管理平台，仍然需要检测人员的经验来进行病害识别和分析，因此分析结果的客观性不高，受检测人员的影响。隧道病害的数字摄像测量和激光扫描技术的将是今后隧道病害快速检测技术的发展方向。

4结论

随着科学技术的不断发展，隧道病害检测技术也在不断进步。病害的自动识别和评估、病害检测结果精确化是今后隧道病害快速检测技术的研究热点。基于摄像测量和激光扫描的隧道病害快速检测技术使病害检测更加的客观、迅速的检测隧道病害。通过研究这两种隧道病害快速检测技术，并进行了对比分析，得出两种检测技术的优缺点。摄像测量隧道病害快速检测技术和激光扫描隧道病害快速检测测技术，它们能改善传统隧道病害检测的不足，是隧道病害快速检测技术的发展方向，为隧道病害检测提供指导作用。

参考文献：

[1]王平让.激光扫描隧道病害快速检测测技术[J].公路与汽车，2016(03)：241-245

[2]王国庆.既有隧道衬砌病害处治技术探讨[J]，北方交通，2010(10)：55-58

[3]姚旭鹏.运营地铁隧道结构病害快速检测技术[J]，现代隧道技术，2014(11)

[4]高菊如，张博，袁玮，涂文轩.既有线铁路隧道病害综合整治技术与设备配套研究[J]，现代隧道技术，2013，50(6)：24-31

[5]聂智平，朱少华，赵白文等.关于某隧道群病害原因分析及结构安全性评估[J]，华中科技大学学报(城市科学版)，2003，3：42-45