張海濤

(中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司， 湖南 長沙 410100)

0 引言

在隧道結(jié)構(gòu)中，襯砌作為結(jié)構(gòu)受力的重要組成部分，起到承載圍巖壓力、支撐、防腐蝕、防水等作用[1]，襯砌狀態(tài)直接影響鐵路的運(yùn)輸安全，關(guān)系到隧道的安全和使用壽命，襯砌質(zhì)量檢測(cè)成為隧道建設(shè)過程中不可或缺的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)檢測(cè)方法分為無損檢測(cè)和有損檢測(cè)。其中，有損檢測(cè)雖然能夠直觀地檢測(cè)襯砌質(zhì)量，但往往會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的整體性造成破壞；無損檢測(cè)常用的檢測(cè)方法是打擊聲法和地質(zhì)雷達(dá)法[2]，基于現(xiàn)場施工條件，現(xiàn)有地質(zhì)雷達(dá)法往往是作業(yè)人員站在作業(yè)平臺(tái)上手持地質(zhì)雷達(dá)往復(fù)檢測(cè)，雖然在一定程度上保護(hù)了隧道襯砌結(jié)構(gòu)，但由于平臺(tái)穩(wěn)定性及作業(yè)人員人為因素等影響[3]，檢測(cè)過程仍存在測(cè)線偏移、儀器脫離隧道表面、工作強(qiáng)度大、安全隱患較多等弊端，無法滿足隧道襯砌質(zhì)量驗(yàn)收快速、高效、安全、高精度檢測(cè)的需求。因此，開展能夠?qū)崿F(xiàn)隧道襯砌質(zhì)量機(jī)械化全斷面檢測(cè)作業(yè)臺(tái)車研究具有十分重要的意義。

目前，隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化、集成化成為國內(nèi)外隧道質(zhì)量檢驗(yàn)的發(fā)展方向[4]。其中，在國內(nèi)外隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)中，搭載檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)臺(tái)車研制成為重要技術(shù)手段。日本JR東京旅客鐵道公司和日本三井船舶公司合作開發(fā)的隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)車，采用軌行式自輪運(yùn)轉(zhuǎn)車，搭載3臺(tái)雷達(dá)探測(cè)器往復(fù)3次實(shí)現(xiàn)全斷面檢測(cè)，每臺(tái)雷達(dá)探測(cè)器掃描覆蓋寬度為1 m，最大檢測(cè)深度為40 cm[5]。德國SPACETAC公司研制的TS3隧道三維激光紅外車載掃描系統(tǒng)搭載在小型貨車、軌道車上，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道外觀病害、斷面形變檢測(cè)，檢測(cè)速度為5 km/h[6]。國內(nèi)基于隧道表面狀態(tài)檢測(cè)的臺(tái)車研制技術(shù)日漸完善。同濟(jì)大學(xué)黃宏偉研制的地鐵隧道結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)MTI-100，是由6臺(tái)線陣 CCD相機(jī)及光源組成的行走檢測(cè)平臺(tái)，可檢測(cè)裂縫、滲漏水、掉塊等隧道表面病害信息[7]；武大卓越研制的隧道快速檢測(cè)車搭載多個(gè)精密傳感器，時(shí)速可達(dá)80 km，每日檢測(cè)里程可達(dá)約500 km，裂縫精度達(dá)到0.2 mm，實(shí)現(xiàn)了隧道裂縫、掉塊等隧道表面病害信息的快速檢測(cè)，但尚未涉及隧道二次襯砌內(nèi)部深層脫空、不密實(shí)等缺陷方面檢測(cè)。目前，國內(nèi)針對(duì)二次襯砌內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)多采用地質(zhì)雷達(dá)法，但針對(duì)隧道襯砌地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)方向的檢測(cè)臺(tái)車研制起步較晚，傳統(tǒng)人工手持天線作業(yè)及搭載接觸式地質(zhì)雷達(dá)天線檢測(cè)臺(tái)車作業(yè)尚存在貼合不連續(xù)、往復(fù)作業(yè)、測(cè)線因人為因素發(fā)生偏移等問題。鐵科院采用基于WEB的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)，研發(fā)的面向竣工驗(yàn)收期隧道的輪胎式襯砌質(zhì)量檢測(cè)裝備[8]搭載5臺(tái)雷達(dá)天線，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道襯砌內(nèi)部密實(shí)度、鋼筋分布情況的檢測(cè)，但隧道全斷面襯砌質(zhì)量檢測(cè)驗(yàn)收時(shí)仍需要往復(fù)作業(yè)，檢測(cè)效率有待進(jìn)一步提高。

本文針對(duì)現(xiàn)有地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)法存在的問題及隧道發(fā)展需求，研制隧道襯砌質(zhì)量全斷面檢測(cè)臺(tái)車(簡稱檢測(cè)臺(tái)車)，提出單次多線機(jī)械化同步檢測(cè)、多通道雷達(dá)天線數(shù)據(jù)采集控制、雷達(dá)天線與隧道壁自適應(yīng)、里程綜合定位及視頻采集等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)單次多線全斷面覆蓋機(jī)械化、信息化作業(yè)，進(jìn)一步提高檢測(cè)效率，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 隧道襯砌質(zhì)量全斷面檢測(cè)臺(tái)車整體設(shè)計(jì)

隧道襯砌質(zhì)量全斷面檢測(cè)臺(tái)車是一種應(yīng)用到隧道竣工襯砌質(zhì)量驗(yàn)收的作業(yè)臺(tái)車，主要對(duì)二次襯砌完成后襯砌厚度、襯砌背后回填密實(shí)度、襯砌內(nèi)部鋼架、鋼筋分布情況等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)作業(yè)時(shí)所搭載雷達(dá)天線可覆蓋拱頂、左右拱腰、左右邊墻、左右矮邊墻7條測(cè)線，仰拱2條測(cè)線，實(shí)現(xiàn)隧道襯砌單次全斷面檢測(cè)。

1.1 總體布置

檢測(cè)臺(tái)車整體采用“汽車底盤+機(jī)械臂”結(jié)構(gòu)，相對(duì)常規(guī)地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)方法，機(jī)械化作業(yè)取代人工能在很大程度上提高檢測(cè)效率及檢測(cè)精度。臺(tái)車主要結(jié)構(gòu)包括汽車底盤、傳動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)臂架、雷達(dá)天線緩沖機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、九通道隧道質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)、仰拱檢測(cè)伸縮臂、液壓系統(tǒng)、操作室、機(jī)構(gòu)室、副車架、集中潤滑系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組。其中，檢測(cè)作業(yè)狀態(tài)時(shí)，機(jī)構(gòu)室可向車體后方滑移打開，作業(yè)人員在操作間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。臺(tái)車整體布置如圖1所示。檢測(cè)臺(tái)車檢測(cè)臂架及仰拱檢測(cè)伸縮臂采用遙控作業(yè)，保證臂架展開作業(yè)時(shí)作業(yè)人員的安全。檢測(cè)臺(tái)車主要技術(shù)參數(shù)見表1，工作范圍如圖2所示。

1.2 九通道隧道質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)

九通道隧道質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)主要由地質(zhì)雷達(dá)天線、雷達(dá)控制采集軟件、數(shù)據(jù)分析處理軟件、病害定位測(cè)距裝置和視頻控制采集系統(tǒng)等模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。其中，襯砌檢測(cè)由多通道雷達(dá)主機(jī)1連接6個(gè)400 MHz的接觸式雷達(dá)天線，6個(gè)雷達(dá)天線分別連接到主機(jī)1預(yù)留接口；考慮多通道雷達(dá)天線控制接口硬件在主機(jī)內(nèi)部安裝空間及采集圖像分屏顯示操作舒適性，多通道雷達(dá)主機(jī)2連接2個(gè)150 MHz的接觸式雷達(dá)天線及1個(gè)400 MHz的接觸式雷達(dá)天線，實(shí)現(xiàn)對(duì)仰拱檢測(cè)及邊墻1條測(cè)線的檢測(cè)，將雷達(dá)主機(jī)并列安裝在操作室操作臺(tái)位置。2臺(tái)多通道雷達(dá)主機(jī)時(shí)序由CPLD控制，通過CLK、LINK 2根同步信號(hào)線進(jìn)行同步時(shí)序，通過USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即通過USB接口ID識(shí)別不同天線通道，分時(shí)協(xié)同作業(yè)，將每個(gè)雷達(dá)天線通道數(shù)據(jù)單獨(dú)存盤顯示，通過圖像分析處理算法將各個(gè)通道采集的數(shù)據(jù)以灰度圖形式動(dòng)態(tài)地顯示在同一視圖的不同通道框中，間接實(shí)現(xiàn)隧道仰拱及二次襯砌質(zhì)量數(shù)據(jù)同步采集。

(a) 檢測(cè)臺(tái)車主視圖

表1 臺(tái)車主要技術(shù)參數(shù)

圖2 檢測(cè)臺(tái)車工作范圍(單位： mm)

圖3 九通道隧道質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1)地質(zhì)雷達(dá)天線模塊。該模塊分別安裝在機(jī)械臂架及仰拱檢測(cè)伸縮臂各分臂端部，用于對(duì)襯砌內(nèi)部密實(shí)度、鋼筋網(wǎng)分布情況、厚度等進(jìn)行準(zhǔn)確檢查，利用高頻電磁脈沖波的反射來探測(cè)目標(biāo)體。它通過發(fā)射天線向地下或目標(biāo)體發(fā)射高頻帶短脈沖電磁波，經(jīng)過地下地層或目標(biāo)體反射后返回地面，被接收天線所接收。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁波能量強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)的變化而變化[9-14]，進(jìn)而達(dá)到對(duì)襯砌內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“X光”檢查，原理如圖4所示。

圖4 電磁波在地下的傳播途徑及記錄波形

2)雷達(dá)控制采集軟件模塊。該軟件主要為隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)臺(tái)車提供雷達(dá)數(shù)據(jù)采集顯示保存、GPS信息接收、設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)等功能，能夠在雷達(dá)設(shè)備支持下完成雷達(dá)數(shù)據(jù)的顯示、保存功能。

3)病害定位測(cè)距裝置、視頻采集系統(tǒng)模塊。病害定位通過安裝在車輪上的一套高精度角度編碼器實(shí)現(xiàn)與汽車底盤行駛距離完美轉(zhuǎn)換，對(duì)病害位置進(jìn)行精確標(biāo)定。視頻采集模塊配置高清攝像機(jī)3臺(tái)，其中2臺(tái)安裝在駕駛室后側(cè)擋板兩側(cè)，左右對(duì)稱，1臺(tái)居中安裝在駕駛室上方導(dǎo)流罩處，如圖5所示。3臺(tái)高清攝像機(jī)同時(shí)工作實(shí)時(shí)捕捉隧道內(nèi)部場景，可借助視頻對(duì)襯砌缺陷位置進(jìn)行復(fù)核及判定，進(jìn)一步提高檢測(cè)臺(tái)車的檢測(cè)精度。

圖5 病害定位及視頻采集模塊

九通道隧道質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化傳統(tǒng)的主機(jī)-天線一體的模式[13]，2臺(tái)雷達(dá)主機(jī)分時(shí)協(xié)同工作，通過同步信號(hào)進(jìn)行時(shí)序上的協(xié)作，9臺(tái)雷達(dá)天線通過同步信號(hào)分時(shí)交替工作，即同一時(shí)間內(nèi)只有1臺(tái)天線作業(yè)。分時(shí)協(xié)同作業(yè)實(shí)現(xiàn)了多組雷達(dá)天線同步作業(yè)的效果，通過9組雷達(dá)天線、視頻采集設(shè)備、病害定位裝置完成了檢測(cè)臺(tái)車對(duì)隧道二次襯砌狀況單次全斷面檢測(cè)，相對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)方式，一方面檢測(cè)效率得以提高，另一方面排除人為因素影響，檢測(cè)精度同步得以提高，能夠?yàn)樗淼酪r砌檢測(cè)驗(yàn)收提供準(zhǔn)確參考。九通道雷達(dá)天線質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)配置具體參數(shù)見表2。

表2 九通道雷達(dá)天線質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

1.3 檢測(cè)臂架

傳統(tǒng)人工手持雷達(dá)天線檢測(cè)作業(yè)，作業(yè)臺(tái)架前移過程中存在地面不平、移動(dòng)偏擺、作業(yè)人員手抖動(dòng)等影響因素，測(cè)線容易發(fā)生偏移，因此通過設(shè)計(jì)檢測(cè)臂架代替人工托舉，避免測(cè)線偏移及安全問題發(fā)生。檢測(cè)作業(yè)時(shí)，檢測(cè)臺(tái)車機(jī)構(gòu)室打開，檢測(cè)臂架呈展開狀態(tài)，考慮車輛行駛狀態(tài)下臂架展開高度、寬度較大及臂架端部實(shí)時(shí)貼合隧道壁的工況，檢測(cè)臂架為主要受力部件。因此，在Creo中對(duì)檢測(cè)臺(tái)車的檢測(cè)臂架進(jìn)行建模，模型如圖6所示。通過ANSYS有限元分析軟件對(duì)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析。

圖6 檢測(cè)臂架三維模型

1.3.1 臂架各分臂與隧道壁接觸阻力

各分臂端部安裝雷達(dá)天線緩沖機(jī)構(gòu)，自重G=2 000 N。雷達(dá)天線在油缸及雷達(dá)天線緩沖機(jī)構(gòu)作用下緊貼隧道壁，緩沖機(jī)構(gòu)完全壓縮狀態(tài)下，產(chǎn)生的正壓力F=500 N，受力分析時(shí)對(duì)模型進(jìn)行簡化，直接將各分力施加在機(jī)械臂架各分臂端部。

1.3.2 載荷及邊界條件施加

在檢測(cè)臂架底座上施加固定約束，雷達(dá)緩沖機(jī)構(gòu)自重G及正壓力F分別施加在檢測(cè)臂架各分臂端部。行進(jìn)過程中各分臂克服末端雷達(dá)天線緩沖機(jī)構(gòu)自重G及隧道壁施加的正壓力F，所承受的綜合阻力F總=2 061.6 N，如圖7所示。

(a) 分臂載荷施加

1.3.3 應(yīng)力結(jié)果及分析

各分臂在1.3.2節(jié)載荷及邊界條件作用下，檢測(cè)臂架主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形云圖如圖8所示。由圖8可知，檢測(cè)臂架結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)區(qū)域呈藍(lán)色，應(yīng)力較??；應(yīng)力較大區(qū)域出現(xiàn)在檢測(cè)臂架兩水平分臂二級(jí)伸縮臂與基本臂搭接處，最大應(yīng)力值為583.19 MPa；最大位移位于兩輔助臂端部，最大位移值為57.676 mm。臂架材料為Q690E，屈服極限值為690 MPa，臂架強(qiáng)度滿足要求。

(a) 應(yīng)力云圖 (單位： MPa)

1.4 雷達(dá)天線緩沖機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)多為人工托舉雷達(dá)天線與隧道壁剛性貼合，雖然可以保證平面處天線與壁面貼合，但因隧道表面多為弧形結(jié)構(gòu)，遇到弧面過度或者遇到不平整壁面，天線容易脫離隧道壁，甚至因障礙物存在對(duì)天線造成損壞，同時(shí)也可能對(duì)作業(yè)人員造成傷害，影響到檢測(cè)效果。檢測(cè)臺(tái)車所配置雷達(dá)天線緩沖機(jī)構(gòu)能有效解決檢測(cè)過程中天線自適應(yīng)避障的難題，其主要由伸縮主彈簧、擺動(dòng)小彈簧、連桿機(jī)構(gòu)組成，借助主彈簧收縮實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線與隧道壁接觸面垂直方向的調(diào)節(jié)，借助小彈簧擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線沿隧道壁上下方向的調(diào)節(jié)，如圖9所示。檢測(cè)作業(yè)過程中，天線遇到阻礙情況下可借助彈簧及連桿機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)調(diào)整姿態(tài)與隧道壁緊密貼合，保證數(shù)據(jù)檢測(cè)的連續(xù)性。

1—伸縮主彈簧； 2—連桿機(jī)構(gòu)； 3—擺動(dòng)小彈簧。

2 隧道襯砌全斷面檢測(cè)臺(tái)車的技術(shù)特點(diǎn)

基于鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測(cè)規(guī)程，對(duì)襯砌驗(yàn)收拱頂、拱腰、邊墻至少布置5條測(cè)線，達(dá)到對(duì)襯砌厚度、背后回填密實(shí)度、內(nèi)部鋼筋、鋼架分布狀況檢測(cè)相關(guān)規(guī)定[14]。通過對(duì)可滿足測(cè)線數(shù)量要求的檢測(cè)臂架、仰拱檢測(cè)伸縮臂設(shè)計(jì)，搭載接觸式雷達(dá)天線實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)設(shè)備集成化設(shè)計(jì)及隧道全斷面連續(xù)檢測(cè)。

2.1 集成化設(shè)計(jì)

檢測(cè)臺(tái)車采用集成化設(shè)計(jì)，將檢測(cè)臂架、雷達(dá)天線緩沖機(jī)構(gòu)、九通道隧道質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)、操作室和機(jī)構(gòu)室等集成在汽車底盤上。操作室內(nèi)遙控完成檢測(cè)臂架動(dòng)作及襯砌質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)采集，檢測(cè)作業(yè)可實(shí)現(xiàn)靈活操作，同時(shí)采用汽車底盤，轉(zhuǎn)場運(yùn)輸方便，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2 全斷面連續(xù)檢測(cè)

檢測(cè)臺(tái)車設(shè)計(jì)多級(jí)伸縮檢測(cè)臂架及仰拱檢測(cè)伸縮臂，實(shí)現(xiàn)隧道斷面拱頂、拱腰、邊墻、仰拱檢測(cè)的全覆蓋。另外，采用定制化九通道雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多組雷達(dá)天線作業(yè)的數(shù)據(jù)同步采集、存儲(chǔ)及標(biāo)定質(zhì)量缺陷位置，準(zhǔn)確分析隧道內(nèi)部環(huán)境狀況。同時(shí)，結(jié)合隧道表面狀況設(shè)計(jì)雷達(dá)天線緩沖機(jī)構(gòu)，使得檢測(cè)作業(yè)過程中雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)具備自動(dòng)緩沖功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道表面狀態(tài)變化的自適應(yīng)，規(guī)避表面障礙物的影響，保證時(shí)刻與隧道壁緊密貼合，檢測(cè)精度高。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 工程概況

隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)臺(tái)車研制成功后在湖北省鄭萬高鐵某隧道初步試用。該隧道為客運(yùn)專線雙線隧道，列車設(shè)計(jì)行車速度為350 km/h，全長900 m，最大埋深為123 m，隧道設(shè)計(jì)縱坡為30‰的單面上坡，進(jìn)口與橋緊鄰，出口與路基相接。隧道軌面以上凈空面積為100 m2，隧道斷面半徑R=6.7 m，沿隧道中心線仰拱至拱頂高度H=9.945 m。

3.2 測(cè)線布置

根據(jù)隧道內(nèi)部環(huán)境制定相應(yīng)的檢測(cè)方案，為不影響隧道內(nèi)部施工車輛通行，最初采用半斷面檢測(cè)，即檢測(cè)臺(tái)車分左右2次對(duì)隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)，現(xiàn)場測(cè)線布置方案如圖10所示。當(dāng)隧道內(nèi)部停止車輛通行時(shí)采用全斷面檢測(cè)方案進(jìn)行復(fù)測(cè)。

3.3 檢測(cè)流程

1)為保證點(diǎn)位的準(zhǔn)確，在檢測(cè)工作開展前，提前在隧道的邊墻上每5 m做好標(biāo)記，每50 m設(shè)置里程樁號(hào)標(biāo)識(shí)，安排清理隧道內(nèi)的雜物，將檢測(cè)臺(tái)車的臂架展開調(diào)整至拱頂、拱腰、邊墻相應(yīng)位置。

2)檢測(cè)參數(shù)設(shè)置。400、150 MHz屏蔽天線，采樣道長設(shè)置為512點(diǎn)，采集時(shí)窗為40 ns，測(cè)距輪觸發(fā)探測(cè)方式，采樣間隔為1 cm，采樣時(shí)窗為車輛行駛速度限定調(diào)整至檢測(cè)狀態(tài)模式5 km/h。

3)數(shù)據(jù)采集及分析處理。沿隧道縱向行駛，探地雷達(dá)天線緊貼隧道壁，啟動(dòng)九通道隧道質(zhì)量檢測(cè)軟件系統(tǒng)。因隧道暫未完全開通，有效測(cè)試距離為330 m，同步采集拱頂、左右拱腰、左右邊墻、仰拱處襯砌質(zhì)量圖像。

采集到圖像數(shù)據(jù)需經(jīng)處理，在原始數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，得到雷達(dá)剖面圖，然后進(jìn)行分析得到探測(cè)結(jié)果[15]。傳統(tǒng)處理方式多為人工設(shè)置參數(shù)進(jìn)行操作，檢測(cè)臺(tái)車相對(duì)傳統(tǒng)處理方式實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)批處理功能，進(jìn)一步提高了檢測(cè)效率。數(shù)據(jù)分析軟件界面如圖11所示，雷達(dá)通道采集處理后選取部分圖像數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖11 數(shù)據(jù)分析軟件界面

(a) 右拱腰測(cè)線 (b) 左拱腰測(cè)線

隧道斷面設(shè)計(jì)鋼筋分布理論值為20 cm,通過圖像數(shù)據(jù)分析,除左拱腰、左下拱腰、右拱腰、右下拱腰、拱頂測(cè)線略有幾處里程點(diǎn)位置存在鋼筋間距較大這一缺陷外,整體襯砌質(zhì)量良好，無明顯缺陷。其中，缺陷區(qū)域圖像顯示鋼筋間隔約為理論值2倍,實(shí)測(cè)在45 cm左右，人工手持雷達(dá)天線第三方檢測(cè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)記錄分別為拱腰、拱頂處鋼筋分布間距為45、43 cm,經(jīng)過對(duì)比驗(yàn)證，檢測(cè)臺(tái)車檢測(cè)結(jié)果真實(shí)可靠。但人工檢測(cè)拱頂、拱腰、邊墻測(cè)線時(shí)需在對(duì)應(yīng)位置標(biāo)畫出參考直線防止測(cè)線偏移,實(shí)際作業(yè)過程中因人員因素及作業(yè)臺(tái)架行車前進(jìn)的不穩(wěn)定性,雷達(dá)天線往往發(fā)生偏移及脫離隧道壁,破壞了檢測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。 相比而言,檢測(cè)臺(tái)車機(jī)械臂架搭載雷達(dá)天線取代人工同時(shí)具備自動(dòng)緩沖功能,能夠使雷達(dá)天線始終沿隧道縱向同一直線檢測(cè),采集數(shù)據(jù)連續(xù)性進(jìn)一步提高。

3.4 效率分析

試用場地原有檢測(cè)手段為“人工+裝載機(jī)+地質(zhì)雷達(dá)”，整個(gè)斷面檢測(cè)1 km需要耗時(shí)15 h，裝載機(jī)搭載人工作業(yè)也存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，且容易引起檢測(cè)數(shù)據(jù)不連續(xù)； 而檢測(cè)臺(tái)車檢測(cè)1 km只需1 h(含臂架展開準(zhǔn)備時(shí)間)，檢測(cè)效率提高15倍，檢測(cè)過程全部依靠機(jī)械臂架進(jìn)行，安全可靠。具體效率對(duì)比見表3。

表3 效率對(duì)比

4 結(jié)論與討論

1)隧道襯砌質(zhì)量全斷面檢測(cè)臺(tái)車的研制以機(jī)械化、信息化無損檢測(cè)方式為基礎(chǔ)，并針對(duì)現(xiàn)階段隧道建設(shè)襯砌驗(yàn)收快速、高效、精確的需求研發(fā)設(shè)計(jì)。整機(jī)采用汽車底盤，集成檢測(cè)臂架、雷達(dá)天線緩沖機(jī)構(gòu)、九通道隧道質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)等，可一次實(shí)現(xiàn)隧道襯砌邊墻、拱頂和仰拱9條測(cè)線的連續(xù)檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集。

2)通過采用400 MHz+150 MHz天線組合方式，設(shè)計(jì)多通道雷達(dá)采集軟件同步采集，可檢測(cè)出二次襯砌厚度、鋼筋分布、襯砌密實(shí)度及背后缺陷等，檢測(cè)速度不小于5 km/h，襯砌檢測(cè)深度不小于0.5 m。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，檢測(cè)臺(tái)車克服了傳統(tǒng)無損檢測(cè)存在的測(cè)線偏移、勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢測(cè)數(shù)據(jù)偏差等缺陷，檢測(cè)效率提高了15倍，大大降低了作業(yè)強(qiáng)度及提高了檢測(cè)精準(zhǔn)度。

3)目前階段數(shù)據(jù)處理分析尚處于“人工為主+機(jī)器為輔”階段，檢測(cè)臺(tái)車在傳統(tǒng)處理方式上增加了批處理功能，但圖像分析目前尚未能實(shí)現(xiàn)無人化分析。隨著人工智能技術(shù)及襯砌檢測(cè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的完善，下一步可以使檢測(cè)臺(tái)車在已有基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)智能化分析，進(jìn)一步提高檢測(cè)效率。