铁路隧道检测与监测技术的现状及发展趋势

许学良,马伟斌,蔡德钩,杜 翠,安哲立

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

隧道作为一种优越的区域通道连接形式，缩短了行车里程，节约了资源，改善了行车条件，保护了自然环境，降低了交通事故率[1]。近年来，伴随着高速铁路的大规模建设，新建的和投入运营的铁路隧道日益增多。截至2016年底，我国时速200 km及以上的铁路隧道已有 2 906 座，全长达 4 665.364 km。我国已经成为世界上隧道数量最多、地质条件与施工环境最复杂、隧道结构形式多样化的国家[2]。

新建隧道施工开挖过程中存在岩溶、突水、突泥、瓦斯突出等潜在风险，尤其在高地应力软岩环境中，存在岩爆、塌方、围岩大变形等危害[3-4]，关系到隧道结构长期稳定，必须采用超前地质预报和监控量测技术。运营隧道由于前期设计缺陷、施工质量控制不严，后期自然灾害、结构腐蚀老化等原因导致结构病害，主要表现为错台、衬砌变形、裂缝、掉块、渗漏水、蜂窝麻面等[5-6]。因此，加强对铁路隧道衬砌结构物理力学参数、健康状态及相关环境的检测与监测十分必要。目前，《铁路隧道施工规范》(TB 10204—2002)[7]、《铁路隧道监控量测技术规程》(Q/CR 9218—2015)[8]均没有对运营铁路隧道的结构健康及其稳定性的检测与监测提出要求。这也一直是国内外岩土工程界研究的热点和难点[9]。

本文首先总结现有的用于新建和运营铁路隧道的检测与监测技术，接着介绍国内外隧道检测与监测的新技术和仍然存在的3个问题，继而针对这些问题提出了铁路隧道检测与监测发展趋势，为铁路修建和运营维护提供技术支撑。

1 隧道检测与监测技术现状

铁路隧道建设可分为勘察设计、施工、竣工验收和运营4个阶段。检测与监测技术主要服务于后3个阶段，如图1所示。这3个阶段各有侧重，施工阶段包括超前地质预报和监控量测技术，以监测为主，指导施工，优化设计；竣工验收阶段包括衬砌和底板厚度、密实度及背后空洞、强度，以及拱架、钢筋分布，以检测为主，与设计资料核对，不符地段须返工加固；运营阶段主要是衬砌表面检测，以日常巡检为主，掌握发展动态。

图1 不同阶段隧道检测与监测内容

1.1 超前地质预报

为了进一步查清隧道开挖前方的工程地质和水文地质情况，降低地质灾害发生的机率和危害程度，需对掌子面前方进行超前地质预报。根据《铁路隧道超前地质预报技术规程》(Q/CR 9217—2015)[10]的规定，隧道超前地质预报应综合采用地质调查法、超前钻探法、物探法和超前导坑法进行预测。其中物探法包括中长距离的弹性波反射法(常用的是地震反射波法)、短距离的电磁波反射法(常用的是地质雷达法)和高分辨率直流电法(常用的是三极空间交汇探测法)。

1.2 监控量测技术

监控量测作为质量管理的重要手段，越来越受到重视。Q/CR 9218—2015[8]中第4.2节规定了铁路隧道监控量测项目包含6个必测项目和12个选测项目。从本质上讲，隧道不仅仅是单纯的钢筋混凝土结构，而是围岩和支护结构的复合体[11]。因此，在隧道开挖过程中，需要同时考虑围岩稳定状态和支护、衬砌可靠度，可以将监控量测项目分为5大类：①洞内外观察；②地表沉降；③隧道结构变形；④隧道结构受力；⑤隧道环境。

1.3 隧道限界检测

铁路隧道限界是为了确保列车安全行驶时有足够的空间，在限界内除了机车车辆以及与机车车辆相互作用的建筑物和设备外，其他建筑物和设备不得侵入[12]。目前隧道限界检测设备主要有通过隧道限界检测车、便携式铁路限界测量仪和全站仪[13]。

1.4 衬砌和底板厚度及背后空洞检测

隧道竣工后，衬砌和底板厚度、密实度及背后空洞检测方法有打击声法、冲击波法、电磁波法、超声波法和声发射法。其中，电磁波法包括地质雷达法、射线法、电磁感应法、红外线法等。这些方法各有特点和适用范围。考虑现场的实际条件和检测成本，一般常用的检测方法是打击声法和地质雷达法。

1.5 衬砌和底板强度检测

为了校核浇筑的混凝土强度是否满足设计要求，衬砌和底板混凝土强度的检测方法可分为有损检测和无损检测。

有损检测包括钻孔取芯法、拔出法和贯入阻力法，以钻孔取芯法最为常用。该方法可以直观地获得隧道衬砌和底板厚度、质量和背后情况，但会对隧道结构防排水系统造成破坏，检测速度慢，效率低，一般用于对其他检测或监测方法的标定。

衬砌和底板强度的无损检测方法有回弹法、超声波法。回弹法反映的主要是构件表面10～15 cm的强度状况，且回弹值受构件表面影响较大。超声波法反映的是构件内部的强度状况，但声波值受骨料粒径、砂浆等影响较大。相比于采用单一的超声波法或回弹法，超声-回弹综合法弥补了单一检测方法的不足，测试结果具有影响因素少、精度高、适应范围广等特点。

1.6 衬砌和底板拱架、钢筋分布检测

拱架和钢筋相当于隧道的骨架，在围岩较差的环境必须采用[14]。常用的衬砌和底板拱架、钢筋密度检测方法有地质雷达法和钢筋检测仪。地质雷达属于电磁波的一种，对钢筋、钢拱架等铁磁物的探测特别敏感，探测结果不能给出钢筋直径大小，但能准确定位钢拱架、钢筋的数量及分布情况[15-17]。相比于地质雷达法，钢筋检测仪不仅能获得钢筋密度分布情况，而且能有效探测到钢筋直径大小，但该方法探测深度较浅，为约20 cm 的深度范围。

1.7 衬砌表面检测

衬砌表面检测内容包括错台、衬砌裂缝、衬砌掉块或剥落、渗漏水等。常用的检测方法包括人工或人工仪器检测。这种检测方法直观，对检测人员要求高，劳动强度大，工作效率低，检测结果受人为主观因素影响，并且反馈滞后。

2 国内外隧道检测与监测新技术

新建和运营的隧道数量日益增多，而检测与监测的有效窗口时间却非常有限，传统的检测与监测技术越来越难以满足需求。科技的发展推动着隧道检测与监测技术快速进步，检测与监测设备向自动化、智能化、集成化方向发展。下文以衬砌内部及背后状态、衬砌变形和检测设备行走方式各举几例，介绍国内外隧道检测与监测当前新技术。

2.1 衬砌内部及背后状态检测新技术

衬砌混凝土的检测方法有多种，但最常用的还是人工打击，通过打击回声判断衬砌内部及背后有无缺陷。由于手工打击作业效率低，劳动强度大，且安全隐患大，日本开发出了一种新技术——激光打击声，如图2所示。该方法是采用高强度脉冲激光照射隧道壁面，诱发混凝土共振，根据共振频率，判断混凝土内部缺陷。搭载在轨道车上，可以实现远距离、非接触式探测衬砌内部病害，但检测深度有待进一步提高。

图2 激光打击声检测系统

图3 敲击回音诊断机

敲击回音诊断机是另一种敲击检测设备[18]，如图3 所示，采用大型通用的臂式机械手，机械手前端安装有5个并列小锤，每隔0.2 s敲击一次，每隔0.1 s根据声压级和声压衰减特性分析收到的回音诊断衬砌内部及背后存在的病害。该诊断机可一次对30 cm的阵列点进行敲击诊断，最大诊断效率可达400 m3/h，但仍需要进一步提高。

2.2 衬砌变形检测新技术

三维激光扫描技术利用激光测距原理，如图4所示，记录被测物体表面大量密集点的三维坐标信息和反射率信息，即点云数据，通过计算机技术建立被测目标的三维矢量模型。

图4 三维激光扫描原理

在衬砌变形检测方面，谢雄耀等[19]提出了基于三维激光扫描技术的隧道全断面变形测量方法，使隧道变形可视化。李宗平等[20]提出基于三维激光扫描数据，采用点云及模型嵌套技术，快速实现隧道三维变形、支护侵限、二衬厚度评估等。三维激光扫描不受外界光源限制，但采集过程需要不断移动设备，采集信息数据量大，后期处理任务重。

光纤传感技术在国际上属于尖端技术。其工作原理是：由于外界被测参数作用，入射光与在光纤传输过程中，其光学性质如频率、波长(颜色)、强度、相位、偏振态等发生变化，通过光探测器进行调解处理后即可获得被测参数[21]，如图5所示。

图5 光纤监测技术原理

与传统监测技术相比，光纤监测具有距离长、精度高和耐久性好等特点。以分布式光纤为例，定位误差在±5 cm，应变误差为±(2～50)×10-6。光纤传感技术在隧道纵向和环向变形监测上发挥着重要作用[22-24]，但该方法对安装精度要求极高，光纤本身易折断，安装成本高。

2.3 检测平台行走方式新技术

1)在病害检测方面

西班牙Euroconsult公司开发出了隧道检测设备Tunneling[25]，时速能达到30 km。瑞士Terra公司开发的裂缝检测设备tCrack，如图6所示，可用于隧道裂缝检测，速度约为2.5 km/h。上海通芮斯克公司研发出了MTI-100隧道检测车，时速3～5 km，利用6台CCD线阵相机，可实现裂缝、渗漏水、掉块、剥落等病害的识别与位置记录。西南交通大学王睿等[26]研制了车载式高铁隧道衬砌裂缝检测系统，检测速度为13 km/h，可识别0.2 mm裂缝。中国铁道科学研究院开发的隧道全息成像测量系统，可在时速5 km条件下动态生成隧道表面全息图像，检测分辨率优于3 mm。

图6 裂缝检测设备tCrack

图7 GPR5000及其工作原理示意

2)在衬砌变形方面

瑞士AMBERG公司生产的GPR5000移动测量系统[27]如图7所示。该设备搭载二维激光扫描仪，在轨道上边走边扫描。通过IMS5000或TunnelMap软件，对采集的点云数据进行解析和评价。该系统工作时激光头以200 r/s超高速旋转，采集速率为100万点/s。其基于反射率的隧道全断面扫描图像，不仅可以测量隧道限界，还可用于人工识别衬砌渗漏水、掉块、裂缝等病害。在测量行走速度≤1.5 km/h时，可识别0.3 mm 宽的裂缝；在测量行走速度≤6 km/h时，可识别1.5 mm宽的裂缝。最新型的GPR5000设备可自动行走，行驶速度较慢，约为4 km/h。如何提高检测速度、自动识别表面病害是该系统仍需改进的地方。中国铁道科学研究院自主研发的手推式铁路净空检测仪SJ-S-100由检测模块和手推式小车组成，与该套设备功能相近。北京交通大学李鹏等[28]开发了隧道限界检测车，通过搭载了多台CCD线阵相机交叉采集隧道断面信息并转化成数字图像实现隧道限界检测目的，时速能达到70 km。

2.4 存在的问题

目前，隧道建设的显著特点是长距离、大断面。虽检测与监测技术得到了一些长足发展，但仍存在以下3个问题。

1)数据传输速度慢。隧道检测与监测范围扩大，精度提高，必然会增加数据量。传统的传输方法远不能满足海量检测与监测数据的传输，人工携带存储设备的方法速度慢，从而影响后续数据处理分析。

2)人工识别效率低。采集的大量检测数据需要专门人员分析处理，不仅增加了人力成本，劳动强度大，而且检测结果受人为主观因素影响大。

3)检测与监测体系不完善。检测与监测技术日益增多，一种检测手段可同时检测多种病害，对同一种缺陷或病害也有多种检测与监测手段。如何运用好这些检测与监测技术，充分发挥其作用，目前尚未形成完善的隧道结构病害综合检测体系[29-30]。

3 隧道检测与监测发展趋势

3.1 洞内洞外分级处理

随着铁路隧道数量日益增多，隧道检测与监测数据随之增加。对于隧道围岩和衬砌这些复杂结构，企图使用单一方法查明隧道实际情况是不可能的。单一技术存在一些弊端，干扰因素较多或结果精度不够，因此，需要多项检测与监测技术相互补充和相互印证，这使得数据量更加庞大。如何高效地传输这些海量的检测与监测数据是首先要解决的问题。

根据隧道现场实际情况，采用基于物联网的通信技术，将检测与监测数据传输过程分为隧洞内和洞外2部分，如图8所示。

图8 隧洞内和洞外网络结构

由于隧道内信号非常弱或者无信号，因此，在隧道内传感器和检测设备通过光纤或无线组网技术，将数据传输到洞内综合洞室。然后通过GPU服务器作进行一级初步处理，去除冗余，提炼有用数据，缩小数据量。再通过洞口RTU基站，借助目前最先进的5G无线通信技术，将缩小后的检测与监测数据快速上传到云处理平台即隧道外BIM(Building Information Modeling)管理平台进行二级最终处理。

3.2 人工智能识别

大量的隧道检测与监测数据靠人工识别耗时耗力，而且检测结果依据经验因人而异，有失客观性。通过人工智能实现数据快速识别能有效解决这一问题。人工智能包括深度学习、数据挖掘和大数据平台3个部分。深度学习是指利用已经验证的检测与监测数据与对应的结果，采用人工神经网络、蒙特卡洛搜索等方法对系统算法不断训练，形成类似人脑的神经网络“大脑”，再对后续检测与监测数据自动识别。数据挖掘是指根据通过统计分析、情报检索、专家系统、机器学习等方法从目前已有的海量检测与监测数据中搜索隐藏的隧道潜在风险和病害。大数据平台是指利用广泛的计算机网络，采用分布式计算架构，依托云计算的分布式处理、分布式数据库、云存储、在线识别、可视化等技术，实现检测与监测数据快速处理、及时反馈。

3.3 系统化

铁路隧道检测与监测是一项系统工程，通过融合多项检测与监测技术，建立一套隧道健康状态智能评判系统，系统架构如图9所示。

图9 铁路隧道健康状态智能评判系统

该体系依据“系统检查、重点突出”的原则，不仅涵盖前期地质勘探调研，建设期的超前地质预报和监控量测和运营时期检测工作，而且根据这些检测与监测数据确定隧道风险区段，集中对风险区段重点监测。这些检测与监测数据上传汇总到同一个平台上，即隧道BIM管理平台下的隧道检测与监测数据管理系统，根据隧道健康评判系统对隧道进行整体稳定性评价。同时，提出合理的治理措施，确保隧道全生命周期安全。

4 结语

在国家可持续发展战略和保护生态环境方针指导下，隧道因其充分利用土地资源、缩短行车里程、节约资源、利于生态保护的优点，在铁路建设中发挥着越来越重要的作用。由于勘察设计缺陷、施工质量控制不严以及后期地质灾害、结构腐蚀等原因，隧道施工阶段和后期运营阶段都需要依靠检测与监测技术保证施工安全，保障运营维护。

本文首先总结归纳了新建隧道现有的监控量测技术和运营隧道的检测与监测技术，并以衬砌内部及背后状态、衬砌变形检测和检测设备行走方式为例，介绍了国内外当前检测与监测新技术。根据当前隧道建设长距离、大断面的特点和现场实际情况，指出了隧道检测与监测技术仍存在的3大问题。针对这些问题，结合最新的科学技术，提出了隧道洞内洞外分级处理、人工智能识别和检测与监测数据系统化3大发展趋势，为铁路修建和运营维护提供技术支撑。

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