激光全息扫描技术在隧道病害调查中的应用

温佐彪，段 强，李子忠

（成都畅达通地下工程科技发展有限公司，四川 成都610041）

0 引言

20 世纪90 年代开始，我国铁路、高速公路建设进入了一个新的发展时期，相应的隧道建设，尤其是铁路隧道的建设也得到了快速发展，但是隧道工程质量问题也逐渐暴露出来。因此，对隧道建设提出了两个问题：一是如何控制在建或新建隧道的质量；二是如何调查处理运营隧道的病害。病害调查日益受到铁路局、参建单位等的重视。因此，我国引入了GRP5000 隧道衬砌激光全息扫描系统。该隧道扫描系统从根本上满足了隧道表面信息获取的要求，能准确检测隧道衬砌裂缝、错台、掉块等病害及其发生的空间部位，经人工智能化软件分析后，可提供高精度的图像、图表及文字信息。

1 隧道病害调查的现状

1.1 隧道病害调查的必要性

国内外调查研究表明，相当比例的隧道存在衬砌裂损、变形、掉块和渗漏水等病害现象。1999 年6 月27 日，福冈县境内隧道边墙上重达200kg的混凝土砸在高速行驶的列车上，日本西铁路公司曾为此对山阳新干线和铁路隧道进行了大量的病害检查和加固工作。我国高速公路隧道也曾发生过类似事故，某高速公路隧道拱顶重约15t的衬砌曾发生掉块砸落在隧道路面上，所幸未造成车辆财产损失和人员伤亡，但对隧道内行车形成巨大潜在威胁，且病害处治工作对该隧道运营造成了极大的不便。

高效、准确的隧道病害检测和评估依赖可靠、高精度的病害检测仪器，以及设备的开发和完善，必要时结合相关仪器建立自动化智能系统以提高探测精度。因此，需要找到一种具有高探测精度高和可靠性的的方法，并逐渐实现隧道病害数字化、图像化。提高隧道衬砌病害数字化、图像化检测方法的精度和可靠性是病害检测技术发展的方向和目标。

1.2 目前隧道病害调查的方法

以往隧道验收检查仅靠地质调查、查阅施工记录，还无法掌握施工质量情况，留下了很多隧道隐蔽缺陷和安全隐患。因此，需采取必要的调查和检测手段对施工质量进行普查。

目前我国铁路在建、运营隧道病害整体调查与检测方法包括人工敲击、影视成像、无损检测等，主要使用数码相机、激光断面仪、地质雷达、超声波仪、声发射等检测仪器，将引入一种高精度扫描系统，能快速调查隧道内裂纹（缝）、渗水分布情况，断面是否侵限等，并能为隧道建立一套健康档案，通过定期调查，分析其病害发展情况和安全状况。

2 隧道衬砌激光全息扫描系统介绍

GRP5000 隧道衬砌激光全息扫描系统是一种集光、机、电技术为一体的多功能轻型隧道检查小车。该小车装备有一个可以高速旋转的激光发射器，当小车在轨道上行走时，激光器发射激光并以螺旋线形式对隧道表面进行全断面高密度扫描，通过分析发射和接收激光信号的强度和相位差，可以获得隧道内表面的影像信息以及扫描点的三维坐标，每秒可达50 圈、50 多万个测点，每小时可完成700～1000m 左右的隧道扫描，扫描的原始数据是隧道表面在一个平面上的投影图。

GRP5000 处理所得的图像与原有的扫描数据分图层管理，可以单独显示某个图层，如：可单独显示病害信息。输出多种格式的数据文件，使得数据应用变得更方便和灵活，也增加了第三方应用程序的可读性。

通过现场扫描可以获得隧道衬砌的内表面影像图像以及隧道衬砌表面各点距轨道中心线的距离，也可配合全站仪及GPS，可进行铁路轨道几何要素的绝对坐标测量及铁路周边环境的扫描测量成果构成隧道状态测量和隧道净空测量的数据资料，这些数据资料可用于限界分析和隧道表面病害的状态分析，测量成果可作为隧道竣工验收的基础资料，对于隧道运营维护具有指导意义。

图1为GRP5000隧道衬砌激光全息扫描系统工作示意图。

3 衬砌激光全息扫描作业内容

3.1 扫描方式

GRP5000 系统每次测量的数据不仅包含三维坐标信息，还包括颜色信息，同时还有隧道衬砌表面反色率的信息，这样全面的信息能真实再现隧道衬砌表面的画面，提供丰富的视觉信息。500 000 点/s 高速扫描，完全满足对衬砌表面详细检测、记录的需要。

根据需要，GRP5000 系统具有以下三种现场数据扫描模式。

（1）连续扫描模式：在这种模式下数据的保存是连续的，一旦记录开始，用户就要推着轨检小车沿轨道以一定的速度行进。

（2）断面快照模式：在这种模式下，用户推着轨检小车到某一位置，测量一个单独的断面，每个单独的横断面是一段距离上的最小断面，当某个单独的目标需要测量时，使用这种测量方式。

图1 GRP5000隧道衬砌激光全息扫描系统工作示意图

（3）间隔记录模式：在这种模式下，用户推着轨检小车以一定的速度沿着轨道前进，在测量之前，用户先设置好“参考里程”、“间隔距离”和“带宽”等参数，每个单独的横断面是一段距离上的最小断面。

3.2 作业内容

扫描系统对铁路（地铁）隧道病害分析包括以下几个主要的工作内容：

（1）建立以铁路隧道病害数据库，内容包括病害的名称、调查时间、统计类型（病害等级、病害范围或出现的个数）、图例等；

（2）定期对隧道进行扫描，获得病害等数据；

（3）在专业软件TunnelMap中，同步建立相应的隧道模型；

（4）人工根据隧道扫描TIFF 文件对隧道内的可见病害进行灰度图描绘，同时也可将其他检测设备获得的病害情况绘制到TunnelMap 数据库中，如隧道渗水、衬砌破损、裂缝、错台等病害；

（5）通过TunnelMap输出隧道的病害分布图可以直观掌握病害的位置、密度，并以此来制订维护（维修）计划；通过相同隧道、相同里程范围内多次调查的病害分布图的比较，可以了解隧道状态的发展变化趋势；新线验收时如使用GPR5000 检测隧道状态，隧道病害分布图还能作为长期的基础数据档案，以供后期维护查阅；

（6）通过TunnelMap 输出隧道的统计报表，TunnelMap 提供了5 种不同类型的报表，从多种角度对病害分布和状态进行分析统计，包括：检查统计总表、详细一览表、不同病害类型统计分析表、隧道病害检查比较表、病害分布直方图。

4 应用实例

4.1 检测概况

黄草隧道通过区域为中山剥蚀地貌，地形陡峻，自然坡度为30°～60°，地表冲沟、切沟发育，植被较发育。单线洞身围岩主要为砂岩夹页岩、灰岩和页岩，单斜构造。围岩属奥陶系中上统灰岩，岩溶较发育。

该隧道二衬部分存在较多龟裂现象，部分龟裂达数厘米宽，并同时出现不同程度渗水、错台等缺陷。

根据成都铁路局工务段的要求，采用GRP5000 系统连续扫描模式进行全隧道扫描，以隧道进、出口衬砌边缘作为起止里程控制。

4.2 成果展示

本次对黄草隧道进行衬砌现状检测，主要包括裂缝、渗水、错台分布、重点部位裂缝宽度及深度，为现有隧道建立衬砌表面状况健康档案。GRP5000 移动式扫描测量系统对隧道衬砌进行全面扫描，检测隧道衬砌表面缺陷分布状况，对重点部位裂缝采用超声或塞尺进行裂缝宽度、深度检测，建立隧道衬砌表面健康档案。黄草隧道检测模式如图2 所示，病害调查成果如图3～图5所示。

图2 检测模式示意图

图3 3D成果显示图

图4 裂缝分布局部放大图

图5 病害调查综合成果展示图

5 结语

通过隧道衬砌激光全息扫描系统对渝怀铁路病害隧道的调查，找到了一种高精度、高效率的方法来控制在建或新建隧道的质量，同时能有效调查处理运营隧道的病害。激光全息扫描系统（GRP5000）每次测量的数据不仅包含三维坐标信息，还包括颜色信息，同时还有隧道衬砌表面反色率的信息，这样全面的信息能真实再现隧道衬砌画面，提供丰富画面信息，并能准确检测隧道衬砌错台、掉块、渗水、裂缝等病害以其空间位置，经人工智能化软件分析后，可提供高精度的2D、3D 图像、图表及文字信息，是一种值得推荐的隧道病害调查技术。

[1] 杨新安，黄宏伟.隧道病害与防治[M].上海：同济大学出版社，2003.

[2] 陈礼伟.浅析隧道病害调查方法与处理技术[J].现代隧道技术，2004（2）：53-57.

[3] 吴江滨，张顶立，王梦恕.铁路运营隧道病害现状及检测评估[J].中国安全科学学报，2003，13（6）：49-52.

[4] 沈至毅，谭周.GRP5000隧道检测车在上海地铁的应用研究[J].山西建筑，2013，39（27）：158-159.

[5] 贾志清.铁路运营隧道病害状态检测及其机理分析[D].北京：北京交通大学，2005.

[6] 刘海京，郑佳艳，涂耘，等.大坂山高寒隧道病害检测与状态评定[J].公路交通技术，2009（6）：120-124.