1、收稿日期：基金项目：中国国家铁路集团有限公司科研开发计划重点课题（重点）。作者简介：王 琨（），男，年毕业于上海铁道大学铁道工程专业，工学学士，高级工程师，：。文章编号：（）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）摘 要：目前隧道衬砌质量检测方法仍然以“地质雷达敲击法”为主，敲击法存在检测效率低、精度低、受人为因素影响大，容易出现漏检误检等诸多问题。为了提升敲击法在隧道衬砌检测中的有效性，基于敲击回声研究了隧道衬砌智能化检测新技术，通过采用自动敲击、声音自动采集和智能识别方法，在数值仿真的基础上从时域、频域、时频域维度提取隧道衬砌空洞特征参数，进一步
2、建立对正常回声与空响回声的识别模型，针对空洞识别模型进行的模拟实验和实际隧道现场试验，数据结果表明，智能化检测新技术的空洞识别正确率达 以上，可以有效识别空洞，实现隧道衬砌智能化检测。同时结合后期智能预防措施，采用最新衬砌空洞预防技术，可最大程度地减少和避免空洞的出现，以确保隧道运营安全。关键词：铁路隧道；二次衬砌；背后空洞；智能化检测；智能化预防中图分类号：.；.文献标识码：开放科学（资源服务）标识码（）：（，）：，：；隧道二衬背后空洞智能化检测和预防技术：王 琨引言近年来，我国铁路隧道建造技术发展突飞猛进，到 年底，中国已经投入运营工作的铁路隧道有 座，总长度为 。随着隧道长度不断增加，我
3、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 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 座，长约.，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。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
4、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。罗宏建、李金川、吴霞等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、周先雁、王伟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
5、境。唐浩等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；张康乔以济莱项目王家隧道为例，陈伟等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、昝文博等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
6、且不受施工环境影响，作业灵活高效；但是龚彦峰等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.，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。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
7、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。表 种无损检测法的优缺点比较衬砌空洞检测方法优点缺点超声波检测法 结构简单 经济性好对界面要求较高，不适用于衬砌检测冲击回波法 结构简单 准确性高 对衬砌表面质量要求高 检测效率低地质雷达法 非接触检测 检测功能多 易受钢筋、水影响 后期识别工作量大敲击法 作业灵活 成本低目前主要依靠人工，检测质量受人工影响较大 隧道衬砌背后空洞智能化检测技术衬砌背后空洞给隧道施工和运营带来极大
8、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。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铁 道 勘 察 年第 期隧道建设高度融合，提升隧道工程项目的品质，为隧道安全运行奠定良好基础。.基于敲击回声的背后空洞智能化检测基
9、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：（）实时识别；（）识别准确率不低于；（）识别距离衬砌表面 以内空洞；（）识别脱空面积不小于.的空洞。.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
10、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。（）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.可调
11、可控，可实现边走边敲击，敲击距离监测。（）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 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。（）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 个模块，识别流程见图。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
12、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 衬砌空洞智能识别流程.基于敲击回声的背后空洞智能化检测技术特点（）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。（）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。（）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，
13、识别空洞的大小、深度等，具有创新性，也具有实际应用价值。（）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。（）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，可能还存在隧道二衬背后空洞智能化检测和预防技术：王 琨一些潜在的技术缺陷，还需要进一步的研究完善。.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 条铁路隧道进行实际敲击和信号采集试验。（）新建京张铁路 标西黄庄、董家庄、祁家庄 条铁路隧道属于全线重点控制性工
14、程，起讫里程为 、，三条隧道的长度均超过了 ，设计速度为 和 ，最大埋深 。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 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，条隧道施工难度较大，故对施工质量要求较高。（）针对全部采集样本数据，样本用于研究分析，其余样本用于测试，同一敲
15、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 条实际铁路隧道试验中，主要采集 个不同参数下敲击衬砌面发出的声学信号数据，其中包括 个外因参数（采集位置、敲击位置、敲击力）和 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），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。同时通过分析不同参数下的冲
16、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 个内因参数有关，与其他 个外因参数无关，采集的样本数据显示，见表，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.和衬砌厚度为图 不同参数的冲击响应变化曲线 的空洞对应的主频频率是 ，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 ，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 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 不同内因参数的主频特性统计空洞尺寸 衬砌厚度 主频频率 对 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 条隧道现场空洞试验的空洞识别正确率相似，高达 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
