隧道二衬背后空洞智能化检测和预防技术
王 琨
(中交三公局河北雄安交通轨道分公司，北京 101100)
近年来，我国铁路隧道建造技术发展突飞猛进，到2020年底，中国已经投入运营工作的铁路隧道有16 798座，总长度为19 630 km。随着隧道长度不断增加，我国隧道已经进入高维修时期，隧道病害不断涌现，严重威胁隧道运营安全。根据2015年中国铁路总公司统计的铁路隧道现况资料，投入运营的铁路隧道中出现隧道衬砌严重腐蚀裂损的隧道有4 431座，长约272.3 km[1]，其中隧道衬砌背后空洞问题是一个较为突出的隐患，二衬背后空洞会降低施工作业质量以及生产效率，从而影响铁路隧道后期运营过程的安全性和长期效应(使用年限)，已经成为较为严重的隧道质量问题。[2]为了保障隧道质量，先进可靠的空洞检测技术和预防整治技术成为了隧道建设的关键技术难题。
衬砌空洞检测方法分为有损检测法和无损检测法两大类。因为有损检测法破坏了衬砌的整体性，需要后续工艺的处理，成本昂贵。随着工业科技的不断发展，这种传统的检测方法在隧道建设过程中已经逐渐消失，取而代之的是现代工业科技的无损检测法。国内外许多学者采用不同媒介(电磁波、声波、超声波)对隧道衬砌结构内部进行大量研究，总结归纳出目前国内外衬砌空洞无损检测的主要方法，其中包括敲击法、地质雷达法、冲击回波法、超声波检测法，每种方法都有其各自的优缺点，见表1。罗宏建[3]、李金川[4]、吴霞等[5]成功将窄脉冲高频率超声波技术运用在不同材料内部结构缺陷的检测中，但该方法对界面要求较高，不适用于衬砌检测。姜勇[6]、周先雁[7]、王伟[8]采用短时的机械冲击产生的低频应力波(声波)对隧道衬砌缺陷进行检测，证实冲击回波检测衬砌中空洞缺陷的可行性，但是该方法对衬砌表面质量要求高，检测效率低，不适用于实际施工环境。唐浩等[9]对地质雷达检测法开展了一系列的试验与正演数值模拟研究工作，研究工作发现模拟的结论和整个试验的结论基本是一致的，这对于地质雷达检测有着重要的参考价值；
张康乔[10]以济莱项目王家隧道为例，陈伟等[11]以山东在建某隧道为例，分析归纳了地质雷达衬砌检测中存在的误差及影响检测精度的原因，对如何提高地质雷达在隧道衬砌检测中的精度进行了探讨总结；
刘博[12]、昝文博等[13]利用固定频率的电磁波对衬砌表观病害和结构内部缺陷进行研究，研究结果表明地质雷达法可有效地对衬砌中的空洞缺陷进行分析，但是该方法易受钢筋、水的影响，后期识别工作量大。刘涛[14]通过对人工敲击法进行分析，分析结果表明敲击法对隧道衬砌表面质量要求就低得多，成本低，而且不受施工环境影响，作业灵活高效；
但是龚彦峰等[15]研究认为敲击法的缺陷也十分突出，目前主要依靠人工检测,,在人力击振的条件下，其最大测试深度一般不超过0.15 m，检测质量受人为因素影响较大，偶然性大，代表性差，容易出现漏检误检，检测速度慢，自动化识别程度低，难以全面、准确检测，远不能满足现场需求。
表1 4种无损检测法的优缺点比较
综上所述，敲击法相比于其他检测方法开展工作更加方便快捷，更加具备选择倾向性，但受人为因素影响严重。通过调研国内外多种隧道检测技术，分析现有隧道检测技术的特点，发现目前的检测技术存在自动识别程度低、检测效率较慢等问题，本文研究在基于检测自动化技术、管理智能化理念和模式的基础上初步提出将背后空洞智能化检测技术和预防监控技术应用于隧道质量检测和监控中，有效地解决了目前国内人工敲击法的缺陷，同时保留其优点，提升了敲击检测技术在隧道衬砌检测中的有效性，实现隧道衬砌检测过程和检测结果分析自动化，消除人为因素干扰，为隧道安全运行奠定良好基础。
衬砌背后空洞给隧道施工和运营带来极大的安全隐患。因此，对该段隧道衬砌质量进行检测就显得尤其重要，及时发现施工工艺缺陷、施工管理缺陷等，才能通过空洞治理技术进行处理，最大限度地保证工程质量，提高生产效率，同时还能大大减少后期的处理费用。
21世纪以来，机械设备制造能力日新月异，信息技术发展迅猛，随着信息化与机械化高度融合及其技术在隧道工程上的综合应用，智能化势必成为未来隧道工程发展的主流趋向。新时代下隧道建造工程的需求和要求日益增多，为了顺应时代的发展，引领时代的潮流，隧道工程必须促进隧道衬砌智能化检测技术和隧道建设高度融合，提升隧道工程项目的品质，为隧道安全运行奠定良好基础。
1.1 基于敲击回声的背后空洞智能化检测
基于敲击回声的隧道衬砌空洞智能化检测是基于自动敲击技术、声音自动采集技术、空洞声学特征提取及智能识别技术，将新一代的机械技术、信息技术与隧道衬砌质量检测技术相结合，实现隧道衬砌质量检测全过程的智能化理念和模式。
隧道衬砌空洞智能化检测技术的指标要求：(1)实时识别；
(2)识别准确率不低于80%；
(3)识别距离衬砌表面15 cm以内空洞；
(4)识别脱空面积不小于0.2 m2的空洞。
1.2 基于敲击回声的背后空洞智能化检测技术原理
隧道衬砌空洞智能化检测的理念和模式是建立在数值仿真的基础之上的，通过建立铁路隧道衬砌空洞模型，其中包括结构单元模型、声学单元模型以及结构-声学耦合模型，计算敲击作用下，不同空洞大小、衬砌厚度的模态、声场分布及时频特征，作为空洞特征参数的参考数据库，为试验和方案设计提供指导。在数值仿真的指导下，提出了隧道衬砌空洞智能化检测的方案设计，主要分为自动敲击、声音采集以及智能识别三个系统。下面具体介绍以下各个模块的基本原理和特征。
(1)自动敲击技术
自动敲击技术采用基于弹簧储能的自动敲击装置，具有噪音小，结构简单，敲击力精度高等优点。自动敲击装置组成主要包括伺服电机、凸轮、蓄力弹簧、敲击锤头等。原理是伺服电机带动凸轮转动，弹簧被压缩，敲击锤处于最低位置；
随后凸轮与弹簧脱离，弹性势能释放，锤头向上快速弹出；
敲击锤头弹出敲击衬砌面，电机转动，继续压缩弹簧。自动敲击技术特点在于敲击动作灵敏，敲击冲量可调可控，敲击频率0.5～5 Hz可调可控，可实现边走边敲击，敲击距离监测。
(2)声音采集技术
声音自动采集技术主要包括传感模块、采集模块和处理模块，原理是ECM传声器检测到自动敲击装置敲击衬砌面发出的声学信号，随后按一定规律将检测到的声学信号转变成电信号输出到采集模块，通过采集模块统一采集所需的敲击回声后输出到嵌入式处理器。
(3)智能识别技术
智能识别主要包括预处理、信号处理分析、机器学习3个模块，识别流程见图1。首先通过数据清洗和滤波获取纯净的声音信号，然后对有效的敲击声学信号进行信号处理分析，提取多维特征参数，方法为从时域、频域、时频域的维度构建隧道衬砌空洞指数，从而构建对正常回声与空响回声的识别模型，判断是否存在空洞，构建多维特征向量的空洞识别算法，识别准确率良好；
同时采用深度学习等算法进行深入研究信号特征，识别空洞的大小、深度等。
图1 衬砌空洞智能识别流程
1.3 基于敲击回声的背后空洞智能化检测技术特点
(1)不受外界施工环境影响，对隧道衬砌表面质量要求低，作业灵活高效，实时识别，对衬砌空洞识别的检测正确率、重复性好，数据分析难度小，结果图像简单直观。
(2)隧道衬砌空洞智能化检测技术具有自动敲击、同步采集、自动去噪、智能识别、声光报警、自动标记等功能，是该项技术相对于传统人工敲击法最大的创新之处，实现了隧道衬砌检测自动化，消除了传统检测过程中人为因素的干扰。
(3)在智能识别隧道衬砌空洞的同时，还可以通过深度学习等算法进行深入研究信号特征，识别空洞的大小、深度等，具有创新性，也具有实际应用价值。
(4)实现了检测结果分析自动化，现场采集数据可快速自动出结果，检测效率较人工敲击法有极大提升。
(5)目前基于敲击回声的隧道衬砌空洞智能化检测技术还处于应用的初期阶段，应用较少，可能还存在一些潜在的技术缺陷，还需要进一步的研究完善。
1.4 现场试验
基于敲击回声的隧道衬砌空洞自动敲击检测装置，主要针对铁路隧道衬砌进行现场试验，已经在北京东郊试验场模拟空洞和新建京张铁路第七标段西黄庄、董家庄和祁家庄3条铁路隧道进行实际敲击和信号采集试验。
(1)新建京张铁路JZSG-7标西黄庄、董家庄、祁家庄3条铁路隧道属于全线重点控制性工程，起讫里程为DK 132+250～DK 137+130、DK 142+195～DK 143+357、DK 144+125～DK 149+865，三条隧道的长度均超过了1 000 m，设计速度为350 km/h和250 km/h，最大埋深77～100 m。隧址区属低山丘陵，地形起伏较大，工程地质条件十分复杂，隧址区岩性发育比较复杂，总体以砂岩为主，在不同部位有较大变化，主要有白云岩、泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩等，局部穿插有玄武岩、安山岩、辉绿岩等岩脉岩，且洞身及洞顶范围内岩石大多遭受风化作用，自稳成洞能力较差。隧址区范围内构造不发育，仅在里程DK 132+600附近有断层破碎带，断裂带附近岩体较为破碎，但范围内节理裂隙发育，降低了岩体的稳定性。隧道大部分地段地下水不发育。综上所述，3条隧道施工难度较大，故对施工质量要求较高。
(2)针对全部采集样本数据，60%～70%样本用于研究分析，其余样本用于测试，同一敲击点的多个声音样本作为一个整体，分配于研究分析样本集或测试样本集中，试验场地和各个隧道场地的数据均出现在分析集和测试样本集中。在北京东郊试验现场模拟实验和3条实际铁路隧道试验中，主要采集5个不同参数下敲击衬砌面发出的声学信号数据，其中包括3个外因参数(采集位置、敲击位置、敲击力)和2个内因参数(空洞尺寸和空洞处衬砌厚度)，目的是为了研究这些参数与敲击回声特性关系。数据结果表明，通过分析敲击回声的冲击响应变化曲线(见图2)，所有采集的数据中空洞信号的冲击响应频谱存在明显拱起(第一主频)，实心信号的冲击响应频谱则不存在这一现象，我们称其为空洞特征，可以用来判断是否存在空洞。
图2 不同参数的冲击响应变化曲线
同时通过分析不同参数下的冲击响应变化曲线，发现空洞特征即第一主频的频率仅仅与空洞尺寸和空洞处衬砌厚度2个内因参数有关，与其他3个外因参数无关，采集的样本数据显示，见表2，固定的空洞尺寸和衬砌厚度对应的主频频率也是固定的，不受外因参数的影响，例如空洞尺寸为0.16 m2和衬砌厚度为150 mm的空洞对应的主频频率是1 800 Hz，不论在什么采集位置、敲击位置以及敲击力的情况下，主频频率固定是1 800 Hz，不同的外因参数只影响第一主频的声压级(可以理解为冲击响应的强度)；
同时还发现衬砌厚度越薄、空洞尺寸越大，第一主频越低，声压级较高，空洞特征越明显，易识别，但当衬砌厚度超过150 mm时第一主频的声压级较低，相应的空洞特征就不明显，不易识别。因此我们可以通过深入研究敲击回声的信号特征，进一步分析第一主频的特性得到空洞的分布深度及规模大小。
表2 不同内因参数的主频特性统计
对4个现场实地采集的样本其中一部分数据用于空洞识别正确率测试，数据结果表明：北京东郊试验场模拟空洞试验和3条隧道现场空洞试验的空洞识别正确率相似，高达90%以上，这一统计结果证明基于敲击回声的背后空洞智能化检测技术初步证实有一定实用性，但还处于应用的初期阶段，应用较少，可能还存在一些潜在的技术缺陷，还需要进一步的研究完善。
1.5 其他智能化检测技术
除了基于敲击回声的智能化检测技术外，目前正在研究的还有基于AI检测机器人的智能化检测技术和基于检测车图像识别的智能化检测技术等。
基于AI检测机器人的智能化检测技术主要采用地质雷达探测技术，将高灵敏地质雷达安装在检测机器人上，开发空洞智能分析软件，实现隧道衬砌空洞快速检测快速分析的目标。
基于检测车图像识别的智能化检测技术是由图像采集系统、全幅图像拼接系统、图像智能识别系统、历史数据比对系统、报告自动生成5项技术组成，能够将检测结果从二维转为三维，实现可视化，极大地提高数据处理的效率，同时实现检测自动化和决策智能化。图像识别智能检测技术对衬砌表面裂缝具有较好的检测效果，但是无法检测出衬砌背后空洞。
通过采用上述隧道衬砌空洞智能化检测技术，实现隧道衬砌质量检测全过程的智能化，消除人为因素的干扰，更进一步地保障隧道衬砌的质量。但是我们知道只有先进、可靠的检测技术是远远不够，正所谓治标不治本，仅仅只发展先进的衬砌空洞检测技术能够达到最大效果就是减少后期因衬砌空洞引起的安全隐患，依然解决不了隧道工程的通病，普遍出现二衬背后空洞现象，无法从源头减少和避免其出现。通过对具体工程实例京张铁路隧道背后空洞分析，清楚地了解到衬砌背后空洞的形成原因、分布特征以及衬砌空洞对结构安全性影响，针对空洞形成原因及分布特征，发展新一代的衬砌背后空洞预防和整治技术，在采用隧道衬砌空洞智能化检测技术的基础上，同时结合后期预防措施和施工控制措施以最大程度地减少和避免空洞的出现，从而确保衬砌质量能够满足隧道整体质量要求，为隧道安全运行奠定良好基础。
2.1 二衬防脱空自动报警技术
隧道内二衬背后脱空问题始终困扰着现场的施工生产，衬砌浇筑混凝土过程中，肉眼看不见衬砌是否有脱空现场，无法判断是否需要继续泵送混凝土。若泵送混凝土过量，泵送压力变大，易造成台车模板移位、模板变形的情况。为了有效地解决这一施工难题，文章初步探索采用二衬防脱空自动报警技术，实现衬砌浇筑混凝土过程预警智能化，从而确保混凝土灌注饱满密实。
二衬防脱空自动报警技术是一种以电子探测技术为核心的防脱空智能预防技术，主要包括数据采集、预警管理、数据分析3个模块，见图3。通过激光三维扫描获取隧道实际开挖断面信息，根据二衬模板安装信息，计算二衬混凝土所需总量，并监测混凝土浇筑实际使用量，从而预测空洞尺寸。同时，利用液位继电器工作原理，在隧道顶部设立探头，当混凝土注满时会将探头和台车的拱板接通导电，从而产生注满的信号，进一步触发声光报警系统，对应提醒泵送操作手混凝土目前浇筑的高度，还需要浇筑多少方量浇筑完毕，可以有效的避免空洞的产生。
图3 二衬防脱空自动报警系统构架
在拱顶预埋5条接触式贯通电路，通过混凝土与电路接触导电，触发声光系统，从而确保混凝土灌注饱满密实。在台车电气控制部分加装液位继电器和声光报警指示灯等电气元件，将浇筑拱顶混凝土流动的物理信号转换成电信号再转换成现场施工人员易于识别的声光信号，当浇筑到位时报警灯变亮，同时发出蜂鸣声，起到提示作用，见图4。结合二衬台车排气、注浆装置，将单导线探头从注浆、排气口位置探出，探头可重复利用，节约了导线消耗用量，施工成本较低。
图4 二衬防脱空自动报警系统工作原理
共设置5组预警点，所有输出电压均为安全电压，具有较高的安全性。在台车电气控制部分加装液位继电器和声光报警指示灯等电气元件，将浇筑拱顶混凝土流动的物理信号转换成电信号再转换成现场施工人员易于识别的声光信号，当浇筑到位时报警灯变亮，同时发出蜂鸣声，起到提示作用。
2.2 防顶裂技术
隧道内的施工缝处经常有混凝土开裂现象，会对后期的通车运营情况造成极大的安全隐患，文章初步采用台车防顶裂装置，防止台车在混凝土浇筑过程中上浮顶裂已浇筑端混凝土。
防顶裂技术工作原理是在二衬模板台车搭接端头左、右侧设置防顶裂装置，防顶裂装置由底座、丝杆、弧形钢板、销子等组成。模板台车就位后，调节丝杆直至弧形钢板紧贴上组二衬混凝土表面。二衬模板台车通过端头左、右侧设置防顶裂装置，防顶裂装置由底座把压力传递给丝杆，再由丝杆传递给弧形钢板，增大了端头混凝土的受力面积，减少压强，模板对混凝土的压强明显减少，在混凝土浇筑过程中，有效减少了模板上浮造成施工缝处混凝土顶裂的现象。
可通过布置压力传感器等方式检测丝杆对弧形钢板的压力大小，之后科学计算出弧形钢板对混凝土的压强，通过调整弧形钢板的大小，或增加防顶裂装置的数量减小压强，来保证弧形钢板对混凝土的压强小于端头混凝土能承受的压强，进而避免裂缝的产生。
2.3 应用验证
两种隧道衬砌空洞预防技术的研发，主要在京张高铁西黄庄隧道中得到应用与验证。数据记录显示，技术应用前通过第三方检测验证情况，衬砌背后脱空情况较多，50组衬砌中约8组有脱空现象，占16%，通过敲击检查等措施统计施工缝开裂现象，50组衬砌中约11组有施工缝开裂现象，占22%；
技术应用后通过第三方检测验证，衬砌背后脱空情况明显减少，50组衬砌中约3组有脱空现象，占6%，通过敲击检查等措施统计，施工缝开裂现象减少，50组衬砌中约4组有施工缝开裂现象，占8%。
综上所述，二衬防脱空自动报警、防顶裂技术应用后，通过第三方检测统计缺陷问题数量，衬砌混凝土背后脱空及衬砌施工缝开裂现象已明显减少。目前二衬防脱空自动报警系统、防顶裂技术已开始在中铁隧道局各项目进行推广，衬砌脱空现象和施工缝开裂现象均已明显减少。
隧道内二衬防脱空自动报警能实时动态监测拱顶混凝土浇筑，同时可以更直观地提示现场操作人员混凝土浇筑的高度，能检测衬砌背后是否有脱空情况，确保混凝土灌注饱满密实。隧道内二衬防顶裂技术可有效保护已浇筑端混凝土，避免开裂。两项预防技术在应用方面的意义是巨大的，同时在提高劳动效率和减少成本的方面也是不可忽视的。首先可提高衬砌浇筑工人的劳动效率，台车浇筑人员直接通过声光报警系统就可以了解混凝土浇筑情况；
再者可减少衬砌混凝土的浪费，减少成本，通过声光报警系统能实时掌握衬砌混凝土的浇筑高度，即可动态准确算出混凝土的剩余需求量，避免向拌合站多要混凝土料，避免材料浪费；
最后可减少后期的缺陷整治成本，通过使用防脱空和防顶裂装置，减少衬砌脱空和施工缝裂缝等病害，把病害问题消灭在萌芽中，减少二次整治的费用。
二衬拱顶防脱空自动报警装置虽然可以检测出混凝土是否已与防水板密贴，若混凝土长时间灌注仍未灌满，泵送混凝土会造成混凝土对模板的压力增大，易造成模板变形等问题，可以尝试在模板上安装压力传感器，并通过数据采集设备，以数字化的形式显示到主控电脑内，已便实时掌握混凝土对模板的压力。
(1)隧道二衬背后空洞智能化检测是基于自动敲击技术、声音自动采集技术、智能识别技术提出的隧道衬砌质量检测全过程的智能化理念和模式。它是在数值仿真的基础上从时域、频域、时频域维度构建隧道衬砌空洞指数，进一步建立对正常回声与空响回声的识别模型，判断是否存在空洞。
(2)隧道二衬防脱空自动报警技术是一种以电子探测技术为核心的智能预防技术，利用液位继电器工作原理，在混凝土区域顶部设立探头，当混凝土注满时会将探头和台车的拱板接通导电，产生注满信号，触发声光报警系统，对应提醒泵送操作手对应探头点已灌注完成，有效防止空洞发生。
(3)京张铁路隧道在采用上述隧道二衬背后空洞智能化检测和智能预防技术进行施工控制后，第三方地质雷达检测二衬背后1 023处，其中只3处出现楔形空洞，预防治理效果非常明显。实践证明，相较于现在主流的隧道质量检测技术，基于智能化理念和模式的空洞检测技术具有作业灵活高效、检测正确率高的优点，消除人为因素的干扰，能够最大程度地减少空洞的出现。
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