隧道裂损衬砌渗漏水红外特征识别试验研究

郑艾辰 何兆益 李家琪 张瑞琳 谭冰心 黄 锋

(1 重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074)(2 重庆交通大学省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室， 重庆 400074)

衬砌渗漏水是隧道工程中最为常见的结构病害之一[1].长期渗漏水会导致衬砌受力不均影响结构安全[2]，引起地层不均匀沉降[3]，严重时还会影响隧道运营安全，如电力系统短路、路面湿滑等问题[4].因此，衬砌渗漏水病害检测一直是隧道工程养护的重点工作之一[5].然而，隧道渗漏水识别目前仍以人工目测为主，很大程度上依赖于主观判断，识别精度和效率都有待提高[6].红外热成像法是目前渗漏水识别应用较为广泛的非接触式检测方法[7-8]，与传统的人工检测方法及其他方法相比，用于隧道内的特定照明和空气环境下优势更明显，其测量结果更直观，客观性更强，精确度更高.

当前，红外热成像方法在隧道衬砌渗漏水检测方面已经引起了一些关注[9].Lu等[10]利用红外热成像技术对电缆隧道渗漏水区域进行检测并识别.顾天雄等[11]通过不同缺陷类型的混凝土试件模拟电缆隧道的渗漏水情况，并基于红外图像处理技术对渗漏水面积进行提取.豆海涛等[12]通过现场试验，研究了在不同影响因素下的隧道衬砌渗漏水红外辐射特征，并通过红外图像处理及衬砌表面辐射率修正计算出了渗水区域的实际面积.吴杭彬等[13]提出了一种基于红外热成像的地铁隧道渗漏水提取方法，并针对渗水区域等温线，采用质心距离函数模型对渗水类型、位置进行了研究，为渗漏水缺陷反演分析提供了一种新的思路.

基于红外热成像技术的隧道衬砌渗漏水检测方法还处于发展阶段，在衬砌裂损类型的多变性、地下水渗流条件的复杂性以及运营隧道环境的特殊性等方面，还需深入研究.为此，本文采用自主研制的渗漏水试验装置，通过红外热成像技术探测含缺陷混凝土渗漏水面积及裂缝形态，分析不同缺陷类别和渗流速度条件下的渗漏水红外辐射特征，为隧道衬砌结构渗漏水快速、定量识别提供理论依据.

1 室内模型试验方案

1.1 试验装置

隧道衬砌渗漏水过程中，渗漏水区域会和周围混凝土区域产生温度差异，红外热像仪就是利用这种温差进行隧道内渗漏水检测的[14].本次室内模型试验采用的红外辐射探测装置为日本NEC R300型红外热像仪，其光谱范围为8～14 nm，热灵敏度为0.05 ℃，精度±1 ℃，图像分辨率为360×240像素.室内试验通过自主研制的隧道渗漏水模拟装置及水温、环境控制系统来实现，试验装置由整体可封闭的亚克力模型罩体模拟隧道内真实环境，采用空气加湿器控制罩体内湿度，试验过程中保持室内照明灯光关闭，仅开启模型内预设灯带，使其照度符合隧道内真实照度情况，如图1所示.试验设备主要由红外热像仪、亚克力罩体、灯带、加湿器、温湿度计、照度计、工业级水泵、高精度智能温控计、玻璃转子流量计、自制试件支架、橡胶管及水桶等组成，红外热像仪到被测混凝土试件表面的距离为1 m.

(a) 装置整体示意图

(b) 装置实物图

(c) 试件局部图

1.2 试验工况

已有研究[15]表明，隧道渗漏水病害主要是由于以下2个原因：①裂缝宽度和汇水通道的形成，即衬砌裂损程度；②地下水系条件直接导致渗流量的变化.因此，本次试验主要考虑衬砌的缺陷形式和渗流速度2个因素.此外，大量工程调查表明[16]，隧道内混凝土渗漏水缺陷主要为点状缺陷和线状裂缝，而线状裂缝又分为纵向裂缝、斜向裂缝和环向裂缝.因此，为了模拟隧道衬砌中常见的点状、水平裂缝、竖直裂缝、45°斜向裂缝，制作尺寸为150 mm×150 mm×300 mm的C30混凝土试件，线状缺陷(1 mm×30 mm)通过插入钢板预制，点状缺陷(直径6 mm)待试件养护成型后通过钻头钻孔获得.缺陷中心位置距离底面约25 cm，试件缺陷示意图如图2所示.预试验表明，当流速小于200 mL/min时水流难以发生渗漏，当流速超过1 000 mL/min时渗漏水将转变为股状射流，故本试验中水流速度控制在200～1 000 mL/min之间.试件浇筑养护完成后，在上顶面钻6 mm圆孔联通预制缺陷，插入水管进行注水试验.试验共设计4种工况：工况1为6 mm点状缺陷；工况2为与水平方向夹角成0°的1 mm×30 mm线状缺陷；工况3为与水平方向夹角成45°的1 mm×30 mm线状缺陷；工况4为与水平方向夹角成90°的1 mm×30 mm线状缺陷.每种工况对应200、400、600、800、1 000 mL/min五种不同流速，正交构成20组试验.每种缺陷间隔10 s拍摄一张照片，拍3次，共获得200张红外图片，过程中根据需要拍摄可见光照片和视频.试验过程中室温控制在约19.9 ℃，水温控制在约22.5 ℃，试件表面温度约为19.6 ℃，相对湿度约为70%，照度控制在约200 lx.试件与水温间的温差控制在2～3 ℃，更接近真实的温差情况.试验中可见光图像与红外热像仪图像对比如图3所示.由图可知，二者渗漏水区域的几何形态较为相似，但实际工程中由于能见度较低，可见光照片往往难以识别，相比之下红外照片明显具有更高的辨识度，且不受光照环境影响.

(a) 缺陷位置示意图(单位：mm)

(b)试件浇筑过程

(a) 可见光

(b) 红外光

2 渗漏水几何特征分析

2.1 不同渗流速度下几何形态

对于含6 mm点状缺陷(工况1)的混凝土试件，在不同流速作用下的红外热像图如图4所示.可以看出，图像总体上呈对称分布，由于单一出水口顶端均呈现山峰形，随着流速的增加，渗漏水区域横向宽带逐渐增加，图像整体逐渐过渡为峰顶钝化的三角形形态.

(a) 流速200 mL/min

(b) 流速400 mL/min

(c) 流速600 mL/min

(d) 流速800 mL/min

(e) 流速1 000 mL/min

对于含有1 mm×30 mm水平裂缝缺陷(工况2)的试件，不同流速下的渗漏水红外热像图如图5所示.可以看出，随着流速的增加，整体上呈现出上边和裂缝形态一样的水平形状，在800 mL/min以下时，图像随着流速的增加呈轻微扩张趋势，但在1 000 mL/min流速时，图像出现明显扩张，呈梯形.这说明当流速达到一定程度时，水平状裂缝缺陷整体呈梯形形态.

对于含有45°斜裂缝缺陷的试件，不同流速下的渗漏水红外热像图如图6所示.45°斜裂缝条件下的渗漏水图像总体上呈非对称分布，当流速小于600 mL/min时，图像上端呈现与倾斜裂缝尺度相当的斜面；随着流速的增加，渗漏水逐渐充满裂缝，图像变成类似梯形的形状.

(a) 流速200 mL/min

(b) 流速400 mL/min

(c) 流速600 mL/min

(d) 流速800 mL/min

(e) 流速1 000 mL/min

(a) 流速200 mL/min

(b) 流速400 mL/min

(c) 流速600 mL/minn

(d) 流速800 mL/min

(e) 流速1 000 mL/min

对于含有90°竖直裂缝缺陷的试件，不同流速下的渗漏水红外热像图如图7所示.可以看出，红外图像始终保持顶端为锥型，随着流速的增加，渗水区由狭窄的长条状逐渐转变为近似三角形，顶部

(a) 流速200 mL/min

(b) 流速400 mL/min

(c) 流速600 mL/min

(d) 流速800 mL/min

(e) 流速1 000 mL/min

锥型的宽度也逐渐增加.

2.2 不同缺陷形式下几何特征

含不同缺陷形式试件在流速为200 mL/min条件下的渗漏水红外热像图分别如图4(a)、5(a)、6(a)和7(a)所示.其中，图4(a)为直径6 mm点状缺陷渗漏水红外热像图，出水口位置为光滑的半圆形；图5(a)为水平裂缝，其出水口处红外热像图片和裂缝趋势大致相同，整体图像形状类似于长方形；图6(a)为1 mm×30 mm的45°斜裂缝渗漏水红外热像图，出水口位置为尖部和裂缝方向走势相同，下部向左突出的S状图形；图7(a)为90°垂直裂缝渗漏水红外热像图，出水口位置为上部是尖状、下部相对规则的图形.

同样，流速为600 mL/min条件下的渗漏水红外热像图如图4(c)、5(c)、6(c)和7(c)所示.由图可见，缺陷形式对渗漏水区域几何特征的影响具有类似的规律.

3 渗漏水温度场与缺陷识别

3.1 不同缺陷形式下的温度场

实际工程中，由于隧道中光线较差，点状渗漏水和竖直裂缝渗漏水从可见光角度来说形态较相似，但仔细观察红外热成像图像不难发现，其渗漏水起始位置的形状具有明显区别.通过红外热像仪自带的InfReC Analyzer NS9500处理软件将各个像素点的温度导出至Origin内，绘制出等温线图像.由于下部区域水流在自重作用下基本呈现矩形形态，差别不大，故等温线图像主要选取在顶部区域.图8为点状渗漏和垂直裂缝渗漏等温线图，其整体趋势为低温区域包围高温区域，且图像整体呈上部突出，中下部相对较规则的形状.从最内侧高温区域等温线最上方可以看出，图8(a)为光滑圆弧形状，图8(b)为类似30°的三角形形状.在隧道内较昏暗的可见光条件下，在不同流速的渗漏水过程中，点状缺陷和线状缺陷可以通过红外热成像图片进行较好的区分.图像整体呈现低温区域包含高温区域的形态，这主要是由于水温和混凝土试件表面的温差有关.

(a) 点状渗漏

(b) 90°裂缝渗漏

不同缺陷条件下渗漏水红外图像的等温线几何形态特征如图9所示.等温线可简单归纳为以下几种基本形式：点状渗漏水内侧等温线轮廓近似为“酒瓶形”，竖直裂缝内侧等温线轮廓近似为锐角三角形，随着温度的不断扩散，2种缺陷的外轮廓较为相似.倾斜裂缝外轮廓近似为顺裂缝方向的倾斜梯形，水平裂缝外轮廓近似为长方形，其通过外部轮廓较容易区分.实践中，可根据试验等温线图像特征，通过分析红外热像图起始位置形态，初步判断隧道衬砌渗漏水位置的缺陷形式.隧道衬砌裂缝检测工作中，由于可见光拍摄的图片清晰度较差，裂缝识别算法还不成熟，对于裂缝的识别精度往往较差[17].因此，根据渗漏水区域的几何形态特征，可大致估计隧道衬砌的基本裂损形式.

(a) 点状缺陷

(b) 竖直裂缝

(c) 倾斜裂缝

(d) 水平裂缝

3.2 不同渗漏速度下的温度场

截取1 mm×30 mm竖直裂缝混凝土试件渗漏水表面上过缺陷中心同一位置处直线，沿试件水平方向绘制距离-红外辐射温度值图，如图10所示.由于模拟渗漏水的水温高于混凝土试件表面温度，因此横截面上中间位置处温度较高，随着流速增加，边缘温度保持不变，其温度覆盖范围逐渐增加，温度范围整体呈覆盖趋势.当流速为1 000、800、600、400、200 mL/min时，渗漏水区域最高温度分别为21.82、21.68、21.66、21.29、20.92 ℃.温度最高处均为同一横坐标对应位置附近，其最高温度位于渗漏点位置处，且随着流速的增加而增加.

不同缺陷形式在相同流速下过缺陷中心处的同一横断面温度分布如图11所示.曲线图整体呈单峰曲线状，波峰位置与缺陷位置相对应.水平裂缝和倾斜裂缝由于水流面积较大，波峰位置相对较平坦.竖直裂缝、点状裂缝和水平裂缝整体呈温度包围趋势，其峰值覆盖面积随裂缝横断面宽度的增加而增加.

图10 不同流速下相同横断面温度分布

图11 不同缺陷形式在相同流速下同一横断面温度分布

观察20组试验的热成像照片，可以大致看出沿渗漏点竖直方向温度逐渐升高，整体呈现低温区域包含高温区域的形态.截取1 mm×30 mm竖直裂缝混凝土试件渗漏水表面上同一位置处直线，沿试件纵坐标绘制距离-红外辐射温度值图，如图12所示.在相同流速情况下，沿线温度呈上升趋势；随着流速的增加，不同流速下其纵断面温度也逐渐增加.

图12 不同流速下相同纵断面温度分布

从渗漏点位置至试件底部，其温度不断增加，温度变化幅度相近.在50 mm附近温度随试件纵向距离急剧增加，说明渗漏水位置位于距试件上表面50 mm左右处.0～50 mm处为混凝土试件的温度，50～250 mm处为试件表面温度，试件竖直方向最低点温度随着流速变化，其范围为从21.97 ℃至22.88 ℃，接近模拟渗漏水的自来水温度.分析可知，通过温度场的分布规律可以反推缺陷类型.

3.3 质心距离函数曲线分析

质心距离函数是最为常见的图像轮廓描述方法之一，不涉及形状位置的质心信息(即平移不变性)，且具有很好的鲁棒性[18].为此，本文采用质心距离函数方法，对典型缺陷下的红外图像轮廓特征进行量化分析.具体分析及绘图流程如下：

①将各温度值转化到相应临近区间内，提取等温线.由于各出水口曲线最内侧等温线形状不规律，故采用特征性更强的从高温区向低温区(由内向外)的第2条等温线作为分析对象.

②计算等温线轮廓坐标.采用角度采样以获得均匀的样本间距x(i)和y(i)，i=1,2,…,N，采样点间隔为1°.

③计算轮廓线质心坐标，即

(1)

式中，Xc为质心横坐标；Yc为质心纵坐标；n为等温线上采样点个数；Xi、Yi分别为采样点横纵坐标.

④计算质心距离D，

(2)

⑤绘制函数曲线.通过Matlab编程，选取质心与等温线左侧边缘最下方采样点的连线为起点，按顺时针旋转至质心与等温线右侧边缘最下方采样点连线，依次求取采样点与质心的距离.

通过以上方法，得到各缺陷条件下的质心函数距离曲线，如图13所示.可以看出，不同缺陷形式下的曲线特征也存在明显差异：点状缺陷时端部呈现最大值，中间位置为波峰处(基本与缺陷位置吻合)，2个波谷较为对称；竖直裂缝时为单波峰形式(亦对应缺陷水平位置)，2个波谷基本呈对称分布；倾斜裂缝时曲线也为单波峰形式(波峰处位于裂缝中心附近)，但双波谷差值较大；水平裂缝时曲线较为复杂，表现为多个波峰和波谷的形式，缺陷位置基本位于2个波峰之间.实际情况下可通过质心距离函数曲线的不同形态，来反演估计出水口缺陷的类型和出水孔的位置.

4 渗漏水面积识别与分析

4.1 图像处理与计算方法

采用MATLAB将原始红外热像图按如下操作进行图像处理：①对原始图像进行灰度处理；②采用基于离散余弦变换的图像去噪方法对图像进行平滑处理；③通过阈值分割的方法对图像进行二值化处理.以工况4(1 mm×30 mm竖直裂缝)流速为200 mL/min为例，依次进行灰度处理、降噪、二值化处理(见图14)，得到可进行面积计算的黑白图像.经处理后的图像更接近于实际图像形态，边缘形态效果良好.

(a) 点状缺陷

(b) 竖直裂缝

(c) 水平裂缝

(d) 倾斜裂缝

(a) 原始图像

(b) 灰度处理

(c) 降噪

(d) 二值化

经图像分割优化后，首先可统计出渗漏水区域占试件总面积的百分数，然后得到渗漏水区域面积A，可按下式计算：

A=A0α

(3)

式中,A0为混凝土试件实际面积;α为渗水区域面积占混凝土平面面积的比值.

4.2 统计结果与分析

根据式(3)计算出不同缺陷形式条件下混凝土表面渗漏水区域面积随渗漏水流速的变化规律，如图15所示.从图像整体规律看，各缺陷的渗漏水面积随着流速呈线性增长.其中，倾斜裂缝的变化斜率最大，渗水面积随流速的增长速度最快，在600 mL/min之前，其渗漏水位置主要集中在斜裂缝下端，其渗漏水面积接近于点状渗漏，其初始值和斜率都与点状缺陷接近；从600 mL/min起，渗漏水位置充满整条裂缝，面积-流速曲线斜率呈增加趋势；1 mm×30 mm竖直裂缝和6 mm孔的斜率相对较为平缓，增长速率相近；1 mm×30 mm水平裂缝由于其图像在800 mL/min的流速下面积变化不大，故其曲线在800 mL/min以下时斜率较为平缓，流速大于800 mL/min后斜率发生增长，渗漏水面积增大，这与试验获得的红外热像图变化规律是一致的.

图15 渗漏水区面积随流速变化曲线

5 结论

1) 缺陷形式对渗漏水几何形态(尤其是出水孔附近)有重要影响，点状、竖直和水平裂缝渗漏水红外热像图均呈现与缺陷类似的对称分布，倾斜裂缝呈现斜坡式非对称分布.随着渗漏速度的增加，缺陷形式对渗漏水区几何形态的控制作用有所降低.

2) 通过渗漏水区域等温线的几何特征，可以快速、初步判断混凝土的缺陷形式；通过高温区等温线的质心距离函数曲线分析，可以进一步确定缺陷形式及出水口的空间位置.

3) 不同缺陷形式下渗漏水区域的面积均大致随渗漏水速度呈线性增长，点状与竖直裂缝增长速率较为接近，低流速下倾斜裂缝与点状初始值接近.

4) 研究成果为隧道衬砌渗漏水检测提供了新的方向，但由于衬砌的裂损形式多样性和复杂性，以及隧道内部运营环境的影响，基于红外热成像原理的隧道渗漏水检测技术还有待进一步深入研究.