全国市政工程行业科技成果展示--隧道病害定期快速调查新技术研究

   “隧道病害定期快速调查新技术研究”项目于2012年7月立项， 2015年7月完成，并通过了北京市政路桥控股集团有限公司组织的项目成果鉴定。项目研究由北京市市政工程研究院承担。该研究项目成果获2015年度“全国市政行业市政工程科学技术奖”一等奖，其成果适用于各类城市隧道、地铁隧道、公路隧道和铁路隧道运营病害的定期、快速调查。

    项目研究技术原理

    “隧道病害定期快速调查新技术研究”项目研究所采用的技术原理如下。

该项目采用CCD快速成像、脉冲激光测距、光电测速等方法获取三维的隧道衬砌表面裂缝病害，将隧道衬砌进行网格单元划分，构建以衬砌裂缝变化为主要参考指标的公路隧道健康状态评价体系。通过图像采集、数据处理、识别评判、空间显示等技术，建立了一套机器视觉代替人工调查的快速评价系统。建立了隧道病害定期调查体系，并通过定期调查，建立隧道病害数据库，提供病害信息的查询和分析。

    项目基于激光测距和车辆测速的空间定位技术，采用脉冲激光测距法通过激光测距方法测量机器视觉子系统采集的图像的成像距离；运用光电测速方法对调查承载车的行驶速度进行非接触式测量，提供采集图像在隧道中的对应坐标，实现隧道衬砌表面病害的空间展布。

    项目在将隧道衬砌进行网格划分的基础上，对每个网格内的衬砌区域利用经过预处理的隧道内部高清图像数据，采用电子标尺技术测量病害的位置、长度和宽度，获得面积和衬砌侵限等信息，通过提取病害的特征，采用相应的智能识别算法实现病害的自动识别。

    通过图像预处理、展开、拼接以及三维图像生成技术，实现获取隧道内部的高清图像后，根据成像的空间位置信息，将隧道图像进行展开，对图像进行预处理、展开、拼接生成隧道内部三维图像，实现识别评判后的隧道健康状态还原到三维隧道空间的立体显示，利用人机对话方式对自动判别的病害进行人工干预。

    项目关键技术及创新点

    该项目研究的关键技术有以下几个方面。

    1）高精度的光电测速和定位技术，获取调查车的精确的速度信息以及定位信息。

    2）高清晰、高速的CCD成像技术，获取隧道表面的清晰成像。

    3）高效快速的图像数据处理算法，对高清晰图像数据进行融合和按照位置信息进行展开，隧道衬砌的3D图像生成技术。

    4）准确有效的隧道病害模式识别算法。

    该项目研究的创新点主要体现在以下几方面。

    1）利用CCD快速成像技术定期获取隧道衬砌表面裂缝病害，建立了一套用机器视觉代替人工调查的快速评价系统。

    2）以衬砌裂缝变化为主，参考衬砌强度、厚度等参数实现基于综合指标的动态公路隧道健康状态评价方法。

    3）利用激光测距和车辆测速实现隧道衬砌表面病害的空间展布。

    4）将隧道衬砌结构网格划分，建立图片特征提取和裂缝识别模式，对隧道整体进行健康评价。

    5）对评判后的隧道健康状态进行三维隧道空间显示，利用人机对话方式对自动判别的病害进行人工干预。

隧道病害快速调查系统现场调查作业示意图

    与国内外同类技术的比较

    目前国内常规的隧道病害调查技术多采用人工现场调查为主。采用人工现场调查方式进行隧道病害检测，存在以下几方面的缺陷：1）检测时间周期长，效率低，并且消耗大量人力、物力，导致综合调查成本较高。2）人工调查作业需在隧道停运的情况下进行，阻碍交通，影响隧道运营，并且调查作业过程中往往带有很大的危险性。3）人工调查结果可靠性差，依赖于检测人员个人经验，缺乏一套科学的调查方法和可靠的依据，具有随机性和主观性。4）难以做到定期调查，往往是一年才进行一次调查作业，无法对隧道病害进行动态跟踪调查。

108国道苛萝坨隧道病害检测三维图像

    为克服隧道病害人工现场调查方式存在的缺陷，近年来，国内外开始加速发展和应用具有综合病害快速检测功能的隧道检测系统设备。目前国内外具有代表性的隧道检测设备主要有以下几种：

    1）武大卓越“隧道快速测量系统”。2015年2月9日国内首台“隧道快速测量系统”检测车正式在武汉下线，该系统检测车由武汉武大卓越科技有限责任公司自主研发。该系统的测量检测功能包括：GPS/ISN组合定位测量；衬砌裂缝检测；衬砌渗水、漏水、脱空检测；衬砌形变检测；隧道通风检测（可加）；隧道亮度检测（可加）。该车以中型卡车作为车载平台，在平台上安装多个精密传感器，只需要一名司机和一名技术操作人员，通过无损检测的方式完成所有隧道综合数据的采集工作。系统检测速度时速可达0～80km/h，每日检测里程可达约500公里，裂缝精度达到0.2毫米，形变精度0.2mm。

    2）通芮斯科克“快速移动式地铁隧道结构病害检测设备及分析系统”。2015年2月同济大学与上海通芮斯科克土木工程技术有限公司联合完成“快速移动式地铁隧道结构病害检测设备及分析系统”，研发了三级浮动减振技术的快速移动式地铁隧道结构病害检测设备，研发了局部网格智能识别数字图像处理技术，开发了地铁隧道结构病害处理分析软件系统，检测设备操作简便、拆装快速，检测速度达到3-5km/h，病害检测准确率达到85%左右，满足地铁隧道精确检测要求。

    3）德国、日本、加拿大等国开发的一些隧道病害自动检测系统，主要应用于隧道结构断面形变，衬砌裂缝，衬砌渗水、漏水、脱空等病害的检测。这些检测系统总体上比国内的技术要成熟和先进，主要是取自动化的检测方法。其中具有代表性的是德国的SPACETECTS3隧道扫描仪和日本的MIMM隧道检测仪。

武大卓越隧道检测车

    与国外已投入应用的同类系统技术相比较，该项目研究的创新性技术成果主要有以下几方面：1）采用CCD快速成像、脉冲激光测距、光电测速等技术集成采集单元，可快速、精准获取隧道衬砌裂缝性状及分布；2）通过图像采集、数据处理、识别评判、三维空间显示等技术，建立了一套智能化的隧道衬砌裂缝识别与评价方法；3）首次将网格单元划分方法应用到隧道定期巡查中，提高了裂缝定位与识别精度。研究成果达到国际先进水平。

    该项目研究成果解决了当前隧道病害调查采用人工现场调查，调查时间长，效率低，并且消耗大量人力、物力，阻碍交通，影响隧道运营，调查结果可靠性差，具有随机性和主观性以及难以做到定期调查的问题。项目成果适用于各类城市隧道、地铁隧道、公路隧道和铁路隧道运营病害的定期、快速调查。

通芮斯科克“快速移动式地铁隧道结构病害检测系统

    项目应用成果与效益

    该项目研究成果已成功应用于北京108国道南村、苛萝坨隧道病害检测。检测过程中获得了隧道病害综合调查数据，并对隧道病害状况做出了综合评价，取得良好的实际应用效果。

    该项目推广应用的经济效益和社会效益主要体现在以下几方面。

    1） 项目研究形成的隧道病害调查新技术在进行隧道病害调查作业时不阻断交通，不影响隧道的正常运营，减少调查作业对隧道运营的影响，提高隧道的运营效率。

    2）本项目研制的系统可以对运营隧道做定期快速调查，建立隧道病害数据库和病害发展跟踪系统，对隧道病害进行长期监测，形成病害预警机制，有效保障隧道的运营安全，减少因隧道病害带来的灾害和导致的损失。

    3）快速调查系统代替了人工调查，提高调查的效率，单次调查时间比常规的人工调查节省一半以上的时间，节省大量的人力和物力，在进行隧道病害的长期定期调查时，可大大降低隧道调查的成本。     

    我国已建的各种公路、铁路、水底和地铁隧道不同程度地出现衬砌裂缝、变形以及渗漏水等病害。根据对5000座铁路隧道调查的统计资料，有占总数1/2的隧道存在着衬砌结构裂缝和渗漏水等病害。“隧道病害定期快速调查新技术研究”项目研究成果未来的进一步推广和应用，将对我国各类隧道病害快速检测技术的发展起到积极的推动作用。

    （北京市市政工程研究院 供稿）