公路隧道缺陷检测及其对隧道结构安全性影响分析

王凯

中铁十二局集团有限公司 陕西 商洛 726000

引言

伴随着交通基础设施的快速发展，我国隧道的数量急剧增加，加之空洞隧道、衬砌材料裂缝、衬砌材料厚度不足等地质因素的影响，目前隧道施工中普遍存在的问题是衬砌混凝土剪切缺陷，这一缺陷容易被忽视，对隧道的结构安全和运营造成更大的威胁，国内学者在防水混凝土缺陷方面尤其是在铁路隧道中的研究还不成熟。

1 隧道衬砌缺陷检测

对新建隧道开展衬砌质量检测是隧道开通运营前的重要程序，在既有的检测方法中，地质雷达法是常见可靠的无损检测方法。地质雷达通过设备天线向衬砌混凝土发射信号，而电磁波信号经过不同类型的介质会产生一部分反射信号反馈在设备主机上，之后通过处理软件对采集的信号进行分析，得到检测结果，地质雷达系统示意。通过对累计隧道长度35.12km、累计测线长度206.16km的公路隧道衬砌检测结果的总结，在检测中共发现缺陷692处，其中，二衬厚度不足368处（其中含有脱空43处），二衬背后脱空287处，二衬背后不密实21处，仰拱填充不密实9处，仰拱厚度不足7处。可知二衬厚度不足和二衬背后脱空为主要缺陷[1]。

2 缺陷检测方法

2.1 基于深度学习模型的表面缺陷检测方法

基于传统机器学习模型的表面缺陷检测方法依旧需要图像预处理和人工提取特征，然后将提取的特征输入机器学习模型，判断缺陷是否存在或者进行缺陷分类，检测与分类效果很大程度上取决于特征提取的效果。其整个运算过程中各部分的可解释性较强，能够观测每一步的处理结果，根据处理结果能判断每一步处理效果的优劣，方便调整算法。但过于烦琐的处理和计算过程也带来了很多问题，成像环境要求相对苛刻，要求缺陷与非缺陷区域之间的对比度高、噪声少、适应性差及检测准确率低等缺点导致其难以在实际工程应用中发挥效果[2]。此外，基于图像处理的缺陷定位、缺陷分割问题的解决基本由预处理和特征提取完成，机器学习模型的引入无法有效改善这种情况。由此能自动提取特征且功能更丰富的深度学习是目前表面缺陷检测的主要方法。基于传统机器学习模型与基于深度学习的表面缺陷检测方法的比较，其对比了基于深度学习的表面缺陷检测方法与传统基于图像处理的表面缺陷检测方法，两者最大的区别在于特征提取的过程。传统方法需要人工选择用于区分缺陷区域和其他区域的特征，而深度学习方法可以通过模型中的网络做自动特征提取，对原始图像通过逐层特征变换，将原空间的特征映射到一个新特征空间，从而使分类或预测更加容易[3]。

2.2 红外线高温照相技术

红外线高温照相技术也被称为红外热成像，由红外热像仪等设备组成，检测人员启动仪器向测量目标发射特定波段的红外线信号，后续对所接收红外线信号进行分析处理，通过测量隧道结构发出辐射热量来记录热量流动状态，并把信号转换为图像图形，检测人员可以肉眼观察到隧道结构表面温度分布状况，如果局部或整体表面温度异常，则表明隧道结构存在质量隐患[4]。在应用红外线高温照相技术时，检测人员应提前检查现场温度，优先在冬季等温差较大时间段内开展质量检测作业，在检测测量上搭载红外线照相机等设备，驾驶车辆匀速穿过隧道结构，根据红外线信号分析结果来判断隧道结构是否存在孔洞、裂缝等质量缺陷。

3 质量控制

3.1 衬砌结构拆换

①为确保高速公路的交通安全，已设置和拆除临时支护块；现已使用临时支座“钢拱+钢板+锚具”拆除幕墙结构前，必须拆除现有的临时钢支架和钢支架，临时拆除支撑方案如下：①在第一辆车上放置钢杆作为临时钢支架和钢板支座。②每一范围拆除2个钢框架和钢板圈（1.6m）；从拱顶到侧壁拆除顺序；先拆除钢结构，然后拆除钢板，依次从一端向另一端按下拆卸，每次拆卸时均使用钢框架作为临时支撑物，以防止钢框架或钢板突然掉落，直到每个钢框架或钢板从二次衬砌材料上断开，用50ti铲子手动拆卸钢框架和钢板，并在拆前轻轻地在地面上②放置一根Φ42×4环形钢管，其长度为4.5m， 距离1.0×1.0m（垂直环）；混凝土材料采用水泥；灰浆比0.4～0.6mpa灌浆在静态破碎后稳定岩石；拆除结构。③使用切割机器移除衬砌材料，移除段落两侧的混凝土衬砌，修剪2～3cm的防水板表面，然后使用挖掘机手动移除现有的两部分结构的防水板表面，再使用刀切割防水板使用机械分解、乙炔切割和切割工具将现有的初始喷射混凝土移至所需位置，以拆除第一个钢框架、钢筋网和钢框架，以确保第二个衬层设计中的截面轮廓厚度符合第二个衬层材料的拆除顺序设计要求，并且拆除范围是电缆桥架的顶部[5]。

3.2 整治原则及整体思路

严寒地区隧道冻害受到多种因素影响，冻害类型繁多，产生机理复杂。但归根到底，围岩地下水冻结是隧道冻害的最主要原因。若能将水有效排至冻结圈外，就能够实现防治冻害的目标。所以，综合治水是防治严寒地区隧道冻害的最基本和最关键手段。但综合治水对设计、施工和维修有较多的要求，需要遵循“多道防护，综合治理”的基本原则[6]。所以，针对该隧道工程存在的上述问题，项目组以彻底消除隐患为首要目标，以解决拱部渗漏水挂冰为重要目标，兼顾其他病害的原则进行整治。提出采用“主动消除冻害基本条件”和“被动接受冻胀影响措施”相结合的方式，进行合理的、有效的处理整治。衬砌脱空回填注浆密实与渗漏水堵排（注浆、开槽打泄水孔、边墙及中心检查井打设排水孔）结合，综合采用非贯通裂缝及环向裂缝灌浆封缝、不稳定块凿除涂刷、保护层厚度不足及蜂窝麻面打磨涂刷、异物清理打磨等处理措施，严重病害处凿除嵌补或混凝土套衬加固[7]。

3.3 加强先进检测技术应用

为了实现对衬砌质量的综合评价，可以采用回波强度校核等先进的无损检测方法，以达到保证衬砌材料强度综合测量项目质量的基本目标，为薄衬砌材料厚度等实际问题提供有效的补充，从而达到预期效果，通过高级检测和测量跟踪提高隧道监测质量对于新奥尔良隧道施工至关重要，同时也是确保质量安全和实现信息目标的重要基础，通过对测量数据的深入分析，可以完成对围岩的评价，从而调整施工方法、开挖程序和支护参数，从根本上实现隧道信息体系结构，确保施工安全，保证围岩的稳定性[8]。

3.4 衬砌混凝土质量（厚度及缺陷）检测

地理资料处理包括预先处理和筛选分析，包括加入标题、标记至资料档案、检查桩号资讯和校正等；筛选分析分为背景杂讯减少和根据900mhz天线波形筛选讯号，主要针对这五个位置之间不同的厚度和缺点，例如圆顶（线1）、左墙（线2）、右墙（线3）、左墙（线4）， 右侧（5号线）用于确定隧道中的缺陷、衬砌厚度和填充间隙，而低频雷达则可让您检查具有破碎带和隧道中没有孔的区域。

3.5 二衬背后脱空结构安全性分析

二衬背后脱空发生于某隧道左拱腰处，此洞段为隧道深埋段，二衬设计厚度为40cm，据现场检测结果，脱空宽度为4m。运用MIDASGTS有限元软件，建立基于平面应变原理的二维“地层-结构”数值模型，隧道支护体系由初支、二衬与锚杆构成，选用理想线弹性本构，二衬背后脱空通过生死单元实现，衬砌物理力学参数，断面尺寸依据设计资料。根据现场地勘资料，此段洞身处于Ⅳ级围岩，模型中围岩服从Mohr-Coulomb理想弹塑性本构，围岩的物理力学参数。

3.6 基于余弦相似度的缺陷判别

根据每个卡扣输入图像、重构图像以及潜在空间向量，采用余弦相似度方法计算对应的相似度分数。根据设定的相似度阈值，本文算法能够判断该输入的卡扣图像中是否存在缺陷。结构相似度和峰值信噪比作为衡量图像重构效果的重要指标，也常被一些研究者用于GAN中作为缺陷判别的方法。在卡扣图像的验证集上，本文基于重构前后的卡扣图像分布测试了结构相似度和峰值信噪比方法的缺陷检测性能。

3.7 施工安全防护措施

①按照交通部及铁道部要求，参加营业线的安全管理人员及防护人员，每年参加建设部组织的培训考试，合格后持证上岗，未经培训合格及无证人员不准上岗。②参加施工作业人员必须统一穿着黄色带有反光条的马甲，施工负责人及防护人员穿着橙色带有反光条的马甲，严禁班前饮酒。高空作业人员必须佩戴安全帽、系好安全带，登高作业前各组负责人必须确认地线接挂完毕、验电合格后方可登高作业。进网前清点工作器具，所用工具要贴反光标志，并进行编号保管，做好记录工作，经施工负责人及现场防护员签认，并做好进出网前后登记和影像资料的管理，落实专人负责制度。进网前，现场防护员、施工负责人和驻站联络员执行“双报告”制度，调度命令下达后，驻站联络员与现场施工防护人员、施工负责人执行“三方控”。

3.8 积极探索研究先进的试验检测技术和设备

随着各种新型技术和探测设备的进步，当前我国的公路桥梁隧道试验检测已经开始应用诸如雷达、红外热成像、无线传感等技术和装备，在实际工程建设和使用中发挥了重要作用，大大提升了检测效率和精度，提高了我国公路桥梁隧道工程的安全性能。工程技术人员在使用新技术的同时，应当积极思考技术和设备的适用性和优缺点，通过不断的工程实践，提出新技术和设备的改进措施。雷达检测技术利用电磁波反射原理，目前可以判断出桥梁表面以下大约60cm深度内的问题，单次探测距离在5km左右，有操作简单和效率高等优势。红外热成像技术可以检测工程内部的热量分布和流向变化，绘制出热传导图像，进而判断出可能存在的裂隙和空鼓等现象。无线传感和光纤传感技术利用预先设置于桥梁隧道特殊位置的各类传感器进行监测，可以极大地提升工程发生形变的探测精度，部分技术已能感知1cm左右的形变。这些技术都有各自的优势和缺陷，如果工程技术人员在试验检测过程中对这些技术进行深入研究，并积极探索不同技术的综合运用，不仅可以达到提升工程质量的目的，还可能研究出新型设备，从整体上提升试验检测的技术水平。

4 结束语

本研究通过对大量新建公路隧道二衬的无损检测，总结了新建公路隧道的缺陷分布规律，通过建立有限元数值计算模型，对含缺陷状态下的隧道二衬结构的安全性进行了分析，得出以下结论。二衬厚度不足和二衬背后脱空是新建公路隧道中最常见的缺陷。二衬厚度不足对二衬结构的安全性影响显著，表现为缺陷部位的结构安全系数发生了明显的降低。二衬背后脱空时二衬结构的安全系数最小值不一定只发生在缺陷部位，此时二衬的安全性由结构的受拉性质决定，易使二衬出现受拉损伤，二衬背后脱空会对隧道全断面的安全性产生影响。