隧道病害监测检测技术研究现状概述

由于隧道沿线众长，人工检测效率低下且主观性强，需要自动化、信息化的监测检测方式来对隧道进行日常的运营维护管理，及时进行病害诊断和防治。近来，来自国内的相关研究人员详细梳理了隧道中常见的几种病害和目前国内外常用的几种监测检测技术，对各自的特点和检测能力进行了分析。与此同时，还简述了无人机、巡检车、巡检机器人等3种常见巡检系统装备，对其使用条件和环境进行了整理。
此外，其还对隧道智能监测检测未来的发展趋势进行了展望，提出运用多种综合监测检测技术，结合人工智能和大数据分析是未来隧道监测检测智能化发展的趋向。

一、隧道常见病害
隧道在运营期间常见的结构病害包括：衬砌背后空洞、注浆不密实、衬砌厚度不足，管片错位、不均匀沉降，衬砌裂损及变形、渗漏水、衬砌材质劣化等。其中，衬砌裂缝和渗漏水是隧道中最常见的2种病害。此外，隧道中还会发生诸如列车事故、火灾事故、恐怖袭击、洪水、地震等突发灾害。

二、隧道监测检测技术
常用的隧道监测手段是采用各种传感技术和相应设备进行多方位监测检测，主要监测隧道内的变形、裂缝、渗漏水等病害。

探地雷达技术

主要利用电磁波在各种材料的介电常数的差异来检测和辨识病害。   
GPR可检测隧道衬砌厚度、空洞、密实性等病害，也可用来探测地下水的分布和钢筋位置，但无法检测衬砌中混凝土的强度。当前，GPR技术的检测精度较高，但探测深度一般小于50 m，且在地质复杂地区的应用精度不高。GPR的探测和辨识精度取决于周围介质的电性差异，因此使用环境受限。此外，GPR的数据解释依靠人为主观判断，需探寻一种更好的数据处理及病害识别方法。

三维激光扫描技术

主要利用激光测距原理，即根据激光往返的时间，结合激光的速度角度来判断测点被测点的矢量距离。      
三维激光扫描在隧道工程中的应用主要集中在变形监测，也可检测隧道的裂缝和渗漏水病害。该技术的点云数据后期处理非常复杂，对数据处理的算法要求很高。并且，该技术大部分还依赖一个一个的站来进行检测，要不断进行搬站，速度较慢。因此，需进一步开发自动化移动巡检装备，例如车载激光雷达、机器人携带激光扫描等来提高检测效率

冲击回波技术

利用小钢球或小锤敲击混凝土表面，在混凝土表面产生应力波，当应力波在混凝土内部进行传播时，遇到内部缺陷会产生反射并在结构表面产生微小位移。使用传感器接收应力波在混凝土内产生的响应，并进行频谱分析。通过频谱图可得到混凝土的材质、厚度、缺陷等信息。      
冲击回波法在隧道工程中的主要应用是检测衬砌混凝土的厚度及其内部缺陷。该方法检测精度较高，但检测的病害种类比较单一，并且现今这种检测方式自动化程度不足，一定程度上还需要人的经验来判断。因此需要进一步深入研究自动化检测程序和病害识别方法。

红外探测技术

主要根据物质的热辐射来进行检测，收集被探测目标与其所处背景环境的红外辐射强度差异，并将其转换成相应的电信号，以此获取背景环境信息并最终加以检测判断。   
红外探测技术在隧道工程中的应用主要集中于探水以及探火。红外成像技术是利用环境温度来检测，但环境的温度差异往往较小，收集的图像对比度较低，分辨率较差，并且红外探测技术也容易受到隧道内设备等干扰。而限制该技术应用的最大因素是成本问题，红外成像设备价格昂贵，长隧道内铺设成本非常高，所以应用较少。


光纤光栅技术

主要是将来自光源的光由光纤进入调制器，使其与待测的物理量在调制区产生相互作用，之后光的光学性质发生相应的变化，称为被调制的信号光。调制的信号光最后会转化成电信号并与之前的信号相比较来判断病害。光纤传感器具有质量轻、体积小、操作简单、对刺激敏感、对结构工作影响较小、可以分布式布置等优点。     
由于光纤对于物理变化具有很高的敏感性，常应用于混凝土的健康监测，例如对火灾、变形、裂缝等进行监测。光纤传感技术可以较好地对隧道结构变形以及渗漏水情况进行检测，且可对隧道进行实时监测和在线传输。但是传感器需要的技术要求较高，数据处理较为复杂，也会受到隧道的温度以及振动等不良情况的影响。另外，在复杂环境的隧道中，传感器的铺设也是一大难题，如何有针对性地进行合理的铺设仍是待探讨的问题。


高清摄像技术

利用摄像机对隧道内影像进行拍摄，然后利用各种数据处理算法对收集到的图像进行分析，从而判断隧道内发生的各类病害。数字相机现今大多数运用CCD相机，该技术的核心内容是如何运用图像来进行病害的检测。      
摄像技术主要应用于隧道的裂缝、渗漏水、变形等主要问题的监测。目前高清摄像技术对裂缝、渗漏水、错台、掉块的检测已达到了较高的分辨率，病害识别十分准确。但数字照相技术对于照片质量要求较高，所以对相机的质量、隧道的光源环境、隧道表面的清洁情况提出了较高的要求。

三、隧道监测检测巡检装备
无人机

携带各类传感器，在隧道中飞行巡检，会收集各类数据并将数据实时传输到数据处理平台，处理平台对异常数据做出预警。     
具有体积小、可摇感操控且能在其上搭载多种传感器的优点，能到达人工不方便进行检测的地方，因此在数据收集方面可发挥较大作用。      当前主要有四类技术问题亟需突破：续航问题、通信问题、定位导航问题以及避障问题，未来需在无人机智能监测检测系统上进一步探讨。
巡检车

其运用主要是装载高清相机、激光传感器、探地雷达等各种检测设备以及相应的软件系统。     
当前用得最多的移动检测装备。主要有轨道轮式和地面轮式，轨道式巡检车可用于地铁及铁路隧道，地面轮式巡检车可用于公路隧道。可装载的设备较多，并可以自身形成一个检测系统，及时获取结果，且能组合多种设备来检测病害。但体积过大，应用场景受限。
巡检机器人

通过携带激光设备或相机来进行视觉检测。      
主要用于综合管廊和隧道。有轮式和履带式，轮式分地面轮式和轨道轮式，地面轮式主要用于公路隧道，轨道轮式主要用于地铁和铁路隧道。因其灵活性，未来在隧道检测中可发挥重要作用。     
体积一般较小，可检测的项目也较少，目前多用于视觉监测检测。遇到灾后恶劣的隧道环境，其智能化程度和行走越障、耐高温、耐火、防水等性能需进一步提升。

四、发展趋势

未来对于隧道的监测检测将朝着减少人力资源，提高自动化、智能化、集成化方向发展。隧道的固定式设备监测，还未建立起相应的多元监测系统，目前主要是在自动化、智能化方面进行了大量研究，但监测项目比较单一，还需探究更多功能全面的监测方案。相比之下，移动式检测装备更全面综合。国内也在大力研发集成各种技术的隧道综合检测车。
同时，人工智能、5G、大数据等的发展，对于隧道监测检测技术的进步发挥了关键作用。未来运用大数据、云计算、物联网、人工智能、BIM+CIM、VR、数字孪生技术，构建数字化管理平台，建立全域感知、智能监测、预警应急、快速决策体系，可实现隧道智能韧性运维和可视化管理。
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