合武高铁隧道安全监测及预警方法应用的探讨

卓长智 中国铁路上海局集团有限公司合武铁路有限公司

1 既有隧道的状况

合武铁路安徽段共有隧26座，总长45.653 km。其中，3 km～10 km 隧道4座，总长21.934 km；10 km 以上隧1座，长10.766 km。合宁铁路共有隧道2座，总长2.005 km。

经业内权威检测，28座隧道共发现1 080处衬砌缺陷（二衬背后不密实或空洞），衬砌缺陷段总长共3 120.8 m。其中，有19座隧道存在不同程度的隧道二衬厚度不足，共计270处。

2018年，设备管理单位再次对28座隧道进行全面排查，发现空响、渗漏水、露筋及其它等280处缺陷，发现双块式轨枕挡肩开裂、脱落30处。

2 缺陷形成原因及检修

2.1 缺陷形成原因

2.1.1 设计不合理

由于地质勘探不到位，隧道穿越古错落体、滑动带、岩溶区暗河，造成隧道先天不足；设计断面形式不合理和排水设计不合理等造成隧道混凝土开裂、排水不畅等病害。

2.1.2 施工造成

由于超挖或坍方后未按规范回填或压注浆工作，造成初期支护与围岩之间留有较大范围的空隙，混凝土振捣不密实或存在空洞，形成积水空间；所选防水材料不合格（不合理）或防水板的铺设存有缺陷；施工中的塌方处理不彻底，形成不密实、脱空等缺陷；欠挖或变形过大，造成二次衬砌厚度不足等。

2.1.3 维护不当

洞外排水系统遭破坏，未及时修复；洞内水沟被堵，造成基底积水，使基底围岩软化，产生翻浆冒泥。

2.2 现有的检查维修方式

一般利用封锁点或天窗点集中检查和日常检查。就目前的检查检测水平而言，隧道维修尚属于劳动密集型行业，大多依靠传统的方法。加之，维修工人技术水平有限，对隧道的认知不足；隧道内设备多，涉及专业部门多，协调配合复杂。这些导致检测、维修进度受到严重的影响，效率、质量不高。因此，需要对现有高铁隧道的巡检方式进行改进，采用最新的科技信息技术实现对隧道状态和运输安全的实时监测、智能分析、科学诊断，进一步加强对铁路运输安全的分析掌控，为基础设施与设备的养护维修提供科学依据，有效降低高铁巡检人员的劳动强度，并提高巡检效率和巡检人员的人身安全性，最终变“定期检测”为“自动检测”；变“定期修”为“故障修”、“可预见性维修”。

3 设计原则

系统的规划设计以应用需求为导向，以计算机应用技术为手段，以铁路隧道综合安全集成管理为目标。

3.1 实用性

系统务必完全满足各项安全防护与监管的实际需求，采用当前计算机主流应用技术和相对成熟的系统集成管理模式，在适当考虑未来发展需求的前提下，避免盲目追求系统设计超前性和设备豪奢性。

3.2 可扩展性

系统设计严格遵循相关技术的国际、国内和行业标准，确保系统之间的透明性和互联互动，并充分考虑与其它业务系统的连接。在设计和设备选型时，将科学预测未来扩容需求，进行余量设计，便于兼容于扩展。

3.3 稳定性与安全性

系统的建设需要融合以往建设经验，结合具体应用需求，使用具有成熟应用实践的软件平台架构确保系统的健壮性，选用具备高可靠性、高安全性，具有数万小时平均无故障时间的设备，同时为关键设备、关键部件设计冗余备份。

3.4 易管理性与易维护性

系统采用全中文、图形化软件平台实现系统的管理与维护。可自动检测系统中任何一台设备的运行状态，并显示出详细情况，以辅助管理人员及时准确地判断和解决问题。

4 技术原理

4.1 分布式光纤传感技术原理

当光纤注入一束激光，光纤中每点均会发生布里渊光散射效应，布里渊散射光的中心频率漂移量与光纤各点的轴向应变相关。利用相应的解调和分析技术可以实现光纤中每一点应变的分布式检测。脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，与光纤中的声子产生布里渊散射，其中的背向布里渊散光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，得到光纤沿线各个采样点的散射光谱。当光纤沿线的存在轴向应变时，背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变变化呈良好的线性关系。

4.2 技术优势

4.2.1 长距离、大范围监测

光纤两个突出优点就是传输数据量大和损耗小，在无需中继的情况下，可以实现十几公里的远程监测;分布式光纤传感器是真正的分布式测量，可以连续的得到沿着探测光缆几十公里的测量信息，误报和漏报率大大降低，同时实现实时监测，可对道路、隧道、管线等线性工程进行长距离无盲区的全覆盖监测。

4.2.2 分布式不漏测

分布式感测光缆可以实现做到隧道工程线路的全长覆盖，对于覆盖到每一点都可以监测，避免重点灾害发生漏监。

4.2.3 耐腐蚀、抗电磁干扰，稳定性好

分布式感测光缆其本质为二氧化硅，性质稳定、天生绝缘，同时光纤传感器的信号是以光纤为载体的，本征安全，不受任何外界电磁环境的干扰，在高电磁环境中可以正常工作；光纤传感器由于完全的电绝缘，本征防雷可以抵抗高电压和高电流的冲击。

4.2.4 多参量监测

通过一根光缆，采用不同调制解调技术，可以实现对应变、温度、以及振动等多变量感测，从压力、温度、振动、变形等多角度进行渗漏探测。对管廊结构和设施进行多种参量测量，可以做到多参数阈值报警，相互印证，避免的单一因素的多干扰性，综合探测提升探测的准确性，降低其误报率。

4.2.5 绝缘、无需现场供电

光纤传感器内传输的是光信号，解调仪器设备通过发射和接收光信号，来对光纤传感器进行测试。传感器无需现场供电，能耗低。

4.2.6 寿命长，成本低，系统简单

光纤的材料一般皆为石英玻璃，其具有不腐蚀，耐火，耐水及寿命长的特性，通常可以服役30年。对于大面积、大范围线性工程监测，光纤传感技术均摊成本低廉；通过波分、时分复利用技术可以实现光纤传感器多点多参量串联监测，易于构建网络化监测；其测试解调系统可实现模块化，易于系统集成。

4.2.7 灵敏度高，测量精度高，定位精准

大多数光纤传感器的灵敏度和测量精度都优于一般的传感器，可以测试异常区进行精准定位，光纤监测技术可以实现几个微应变的测试精度。

5 技术方案

5.1 分布式光纤视觉复合线缆系统

将分布式光纤、高清摄像头、供电缆集成在一体的线型结构中，形成分布式光纤视觉光缆（见图1）。

图1 分布式光纤视觉复合线缆

其中分布式光纤既是一种无源的传感设备，后台接入光纤信号分析主机，能够感知异常温升，振动等隧道内环境状态数据，同时也是传输通道，能够将视频数据，实时状态数据传送到控制中心后台。

采用低照度、小体积、低功耗的高清摄像头模块，随着复合线缆一起在隧道内铺设。隧道内监控视频通过光纤传回后台，在数据处理单元采用视频拼接技术，能够实现对隧道内进行全方位的实时监控。通过对隧道内摄像头的位置进行标定，工作人员可以随时查看指定区间的隧道内实时视频图像。通过视频分析服务器阵列对隧道内监控视频进行智能图像分析识别，能够实时监测隧道内异物入侵、掉块、积水异常、接触网吊柱损坏、火灾等重大安全异常情况。从而全方位的把握整个隧道内的实时状态。

由于集成了供电及数据传输载体，分布式光纤视觉复合光缆具备无限扩展的可能性。例如，可根据需要在线缆的布设路径上部署各种传感设备，例如气体传感器，粉尘传感器、湿度传感器等；还可以接入无线传输热点，为隧道内各种设备设施提供无线数据接入的途径。

5.2 隧道口落石监测系统

山体堑坡的落石将严重威胁铁路行车安全。在隧道口被动网上增设应力监测光缆，当发生山体堑坡、边坡的落石并对被动网造成贯穿或明显拉伸等会对被动网造成损坏的事件时将导致应力光缆发生形变，严重时可导致光缆断线。监测主机对该现象进行远程感知定位，并根据应变值获取现场实际形变量；在适当位置安装监控摄像机与之联动，当光缆监测到异常应力变化时可自动调用摄像机对该位置进行跟踪监控，便于相关人员及时了解现场情况；并在线路旁增设智能电子哨兵，对是否有落入线路且可能对行车造成影响的障碍物进行实时监测。通过以上三重手段对可能出现的山体堑坡、边坡的落石事件进行实时监测，同时也可以在事故发生时迅速定位，远程观察现场情况，利于及时对事故现场进行抢修和抢险（见图2）。

图2 隧道口落石监测系统部署示意图

5.3 隧道巡检系统

图3 隧道巡检机器人示意图

在高铁隧道内壁安装巡检轨道，智能巡检设备沿着轨道匀速前进（见图3）。机器人巡检设备上可以挂载多种传感设备，包括高精度3D激光雷达，超高分辨率线阵相机，高清面阵监控相机等。

（1）3D激光雷达实时扫描隧道内壁，获取其完成的3D点云数据，通过3D点云拼接技术，形成隧道内部的完整3D模型。再通过基于3D模型的自动识别，历史数据比对等计算过程，能够实现隧道内壁裂纹检测，隧道形变检测与预警、隧道顶部塌陷、掉块检测、漏水检测、隧道内轨面异物检测等功能；同时获取隧道高精度结构数据，如任意里程断面径向收敛数据，包括椭圆度，长轴，短轴，偏转角，断面任意高度的水平净空线，圆心高度净空线长，顶点高度，圆心坐标等数据。

（2）超高分辨率线阵相机配合补光系统，在轨道机器人匀速运动的同时，对隧道内壁进行高速拍照，通过对超高分辨率的图片的拼接技术，形成隧道内完成的高清图像，利用基于深度学习的图片智能识别技术，图像比对，基准图像分析等技术，能够实现隧道内病害监测，例如隧道内壁裂纹检测，隧道形变检测与预警、隧道顶部塌陷、掉块检测、漏水检测、接触网吊柱脱落、隧道内轨面异物检测等（见图4）。

图4 超高分辨率线阵扫描隧道内壁展开图

（3）高清面阵监控相机用于实现对隧道内实时视频监控，尤其当发现隧道病害及紧急情况时，通过控制中心能够实时查看现场情况。

（4）隧道巡检机器人搭载了3D激光雷达，超高分辨率线阵相机等设备用以实现对隧道内结构和设备设施状态的高精度检测。考虑到列车运行的安全性，隧道巡检机器人考虑采用远程遥控以及现场手工启动与回收两种方式，只在隧道内无列车运行的时段进行巡检；支持巡检机器人精确位置反馈，且配有备用蓄电池供电，保证即使出现电力故障时，也能确保巡检机器人的回收与定位。

5.4 报警处置

分布式光纤视觉复合线缆系统、隧道口落石监测系统、隧道巡检系统这三个系统，可根据需要安装在重点隧道内，对隧道状况进行全面实时监测，数据采用铁路电缆传输，数据及监控中心设在设备管理单位的调度中心，实时盯控，可按照需要动态配置报警阈值，当发生异物入侵、掉块、积水异常、接触网吊柱脱落、火灾等重大安全异常情况时，管理维护者能够获得足够、比较完整的信息。根据监控系统可以知道具体位置、规模；我们根据系统返回的信息，及时采取不同应急处置措施。条件成熟了也可接入列控中心，直接进行预警。

6 结束语

目前，利用分布式光纤、光栅、轨道机器人、智能图像、激光雷达、电子传感器等多源信息感知与融合技术，在铁路设备监测领域的应用尚处于起步阶段，需要有从理论到实践、从实践到理论循环往复的过程。本文通过对铁路隧道设备的健康监测与智能手段应用的分析，从而为隧道养修工作提供全面精准的感知和诊断，可以有效地增强工务部门对设备状况的掌控能力，及时发现问题，处置病害，减少或消除地质灾害造成的事故和对运输构成的威胁，帮助提高工务巡检效率和质量。