激光成像技术在铁路隧道检测中的应用

■ 宋国华 刘建瑞

隧道衬砌表面病害的检查是无损检测中重要的一步，表面病害随着时间的发展将成为结构的内部病害，同时表面病害多是内部结构病害在衬砌表面的反映。但目前检查和检测手段落后，基本沿用“眼看手量”的方法，一些病害难以发现，且耗费大量人力、物力。激光成像系统是采用三维激光扫描技术，根据铁路隧道检测需求研发的一种轻型隧道检查小车，该系统弥补了传统方法的缺陷，实际应用中取得了很好效果。

1 激光成像系统测量原理

激光成像系统是把三维激光扫描技术用于隧道等地下工程的施工、竣工测量和运营维护测量，是一种集光、机、电技术为一体的多功能轻型隧道检查小车。该系统能无损、快速获得地下结构综合数字图像信息。当小车在轨道上行走时，激光器发射激光并以螺旋线形式对隧道表面进行全断面高密度扫描，通过分析发射和接收激光信号的强度和相位差，可以获得隧道衬砌内表面的影像信息，形成灰度图及隧道衬砌表面扫描点坐标。系统测量原理见图1。

2 系统组成

激光成像系统硬件主要包括：（1）轨道测量小车：用于里程、轨距、高低、超高等测量；（2）超高速相位式激光扫描仪：扫描最高频率100 Hz，采样频率500 000测点/s，测点为10 000个/圈，测量范围1～20 m，对于每个已测点，该设备都可产生三维坐标和反射率信息；（3）高可靠性的笔记本电脑。

系统软件包括图像采集与处理软件和与之配套的图像信息管理软件。

3 数据处理与分析

激光成像系统在检测过程中可即时显示隧道轮廓图，并可在现场看到初步测量结果。数据后处理工作由专用数据处理软件和与之配套的隧道图像信息管理软件进行。根据采集的隧道表面图像，进行病害判读，并将病害信息存入数据库，还可根据需要对各类病害进行统计分析。数据处理流程见图2。

4 应用实例

采用激光成像检测系统对某铁路多个运营隧道进行检测，并对数据进行分析处理。根据自动生成的隧道病害展开图，能够初步判断隧道表面病害存在的位置，然后利用图像信息处理软件的统计功能，对病害分布做定量分析。

4.1 图像数据分析处理

图3—图6是经过处理的隧道衬砌表面病害扫描图像。

通过对所采集的图像进行分析，结合隧道图像信息管理软件，可对隧道衬砌表面病害（裂纹、掉块、渗水、腐蚀等）及隧道内设施（接触网、避车洞等）的分布进行标明。采用统计分析的方法对隧道病害程度进行评价。

图7所示为根据隧道图像扫描结果并配合隧道绘图软件制作的隧道状况展开图。隧道衬砌表面病害及隧道内设施在图中通过不同图例加以标明。

图8、图9是根据隧道病害情况图并利用隧道图像信息管理软件统计功能进行的病害分类统计，TB××表示区段，每个区段长度为10 m。

图1 激光成像系统测量原理

图2 数据处理流程

图3 隧道边墙渗水

图4 隧道边墙裂纹

图5 隧道拱顶掉块（已修补）

图6 隧道拱顶腐蚀

图7 隧道病害状况展开图

图8 隧道裂缝累积长度分布图

由图中可定量看到各个区域内裂缝长度、漏水面积等。

4.2 检测系统需进一步研究的问题

通过隧道数据分析结果和现场实际情况对比，发现检测系统中存在一些问题需进一步研究分析：

（1）对于季节性渗水这样的病害，在没有水渗出的情况下，隧道壁上也留有水的痕迹，图像上难以分辨清是否有水渗出；

图9 隧道衬砌渗漏水累积面积分布图

（2）对于隧道洞口处（白天进行检测的情况）的裂纹，可能受到光线影响，一些裂纹无法识别出来，当隧道壁和裂纹颜色接近时，识别裂纹也比较困难；

（3）当处理后的图像导入图像管理软件时，图像需进行压缩，有些细小裂纹在图像管理软件中无法识别出来，识别时还需对照导出的图片进行判读。

5 结论与建议

（1）采用激光成像系统对隧道衬砌表面病害进行检测，能够很方便的将病害分布情况标明，并自动生成隧道病害状况展开图。

（2）引进隧道激光扫描成像系统进行隧道检测，为搭建隧道病害数字化管理平台提供了数据基础。

（3）隧道洞口处的检测应尽量在夜间进行。

（4）对于有些难以判断的病害，应通过导出的图片进行判读，并加强现场对一些病害的记录。

[1]铁道部运输局基础部．铁路隧道检测技术手册[M]．北京：中国铁道出版社，2007

[2]肖书安，张正禄．高速铁路隧道竣工测量新技术[J]．铁道标准设计，2007(9)