張翠兵

(中國鐵路總公司運(yùn)輸局，北京100844)

鐵路隧道襯砌狀態(tài)檢查車研制及運(yùn)用

張翠兵

(中國鐵路總公司運(yùn)輸局，北京100844)

通過對國內(nèi)外隧道襯砌、隧底檢測技術(shù)和裝備進(jìn)行對比分析，結(jié)合我國鐵路隧道襯砌狀態(tài)檢測需求，對車載地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了探討，提出了隧道狀態(tài)快速檢測車的技術(shù)方案，研制了鐵路隧道襯砌狀態(tài)檢查車。該車可同時(shí)對襯砌5條測線、隧底3條測線進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)了全隧道的無損檢測，最高檢測速度可達(dá)10 km/h，并在新建和既有鐵路上得到成功運(yùn)用，顯著提高了鐵路隧道無損檢測的效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

鐵路隧道 襯砌 隧底 地質(zhì)雷達(dá) 無損檢測

1 概述

隧道作為重要的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，其狀態(tài)好壞直接關(guān)系到鐵路行車安全及運(yùn)輸效能。截至2013年底，全路共有運(yùn)營隧道7 349座4 929.49 km，合資鐵路隧道2 981座3 435.81 km。這些隧道建設(shè)年代不同，材料各異，結(jié)構(gòu)多樣。大量早期建設(shè)的隧道，存在不同程度的病害。2013年國家鐵路橋隧秋檢數(shù)據(jù)表明，運(yùn)營線上7 193座隧道中，按照鐵路劣化評定標(biāo)準(zhǔn)，劣化等級達(dá)到B級及以上的有4 920座，劣化率達(dá)到68.4%，且呈逐年上升趨勢?！惰F路橋隧建筑物修理規(guī)則》要求對隧道進(jìn)行定期檢測，及早發(fā)現(xiàn)病害，但以往由于檢測技術(shù)落后，主要依靠表面目視檢查、釘錘敲擊、人工記錄等方法，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。許多檢測項(xiàng)目由于缺乏有效檢測手段難以實(shí)施，大量早期病害和隱性病害(如隧道襯砌厚度不足、圍巖狀態(tài)劣化等)難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，隧道狀態(tài)檢測技術(shù)急需提高。

一些發(fā)達(dá)國家對隧道襯砌質(zhì)量和病害檢測主要采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行，并研發(fā)了專門的車載設(shè)備。德國GBM Wiebe公司生產(chǎn)的隧道檢測設(shè)備主要由4部SIR-20型雷達(dá)主機(jī)、3臺400 MHz屏蔽天線以及Weibe公司生產(chǎn)的400 MHz空氣耦合天線組成;該系統(tǒng)可同時(shí)檢測隧道襯砌厚度、背后空洞及仰拱基底狀況，檢測深度可達(dá)3.0 m。日本JR東日本旅客鐵道公司和日本三井船舶公司合作開發(fā)的隧道襯砌檢測車CLIC(Concrete Lining Inspection Car)，采用軌行式自輪運(yùn)轉(zhuǎn)車，裝備16通道收發(fā)空氣耦合陣列天線，雷達(dá)波中心頻率1.5 GHz(頻帶寬度100 MHz～35 GHz)。襯砌檢測車采用3臺雷達(dá)探測器3次往返檢測14條測線，每臺雷達(dá)探測器掃描覆蓋寬度1 m，最大檢查深度40 cm，工作速度為3.5 km/h。

近年來，使用地質(zhì)雷達(dá)對隧道進(jìn)行無損檢測的方法也在國內(nèi)既有鐵路和新建鐵路隧道驗(yàn)收中廣泛應(yīng)用。原鐵道部制定了《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》(TB 10223—2004)、《鐵路工程物理勘探規(guī)范》(TB 10013—2010)等對其進(jìn)行規(guī)范化管理?！陡咚勹F路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》(TB 10753—2010)中也要求對隧道襯砌混凝土厚度、背后回填密實(shí)度采用無損檢測，拱頂設(shè)置1條測線，左右拱腰、邊墻各設(shè)置1條測線，隧底2條測線，全隧檢測。

傳統(tǒng)的地質(zhì)雷達(dá)檢測操作時(shí)需搭設(shè)操作平臺將操作人員抬升到較高的位置，操作人員手持天線進(jìn)行檢測，且一次只能檢測1條測線，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢測速度不高，檢測效率較低。特別是在既有線檢測時(shí)，由于鐵路天窗時(shí)間有限，該種檢測方法遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)場需求，研制先進(jìn)的隧道襯砌狀態(tài)檢測車，對鐵路隧道的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的檢測就顯得尤為迫切。

2 隧道襯砌狀態(tài)檢查車研制思路

隧道狀態(tài)檢查車可利用現(xiàn)有客車車體，通過在車體上加裝液壓操作設(shè)備后，再安裝地質(zhì)雷達(dá)檢測設(shè)備。檢查車自身不帶動(dòng)力，掛在列車尾部運(yùn)行，可以快速到達(dá)檢測目的地，然后加掛在軌道車或機(jī)車后對隧道襯砌內(nèi)部和隧底進(jìn)行檢測。

2.1隧道襯砌內(nèi)部檢測

隧道狀態(tài)檢查車基于對單線隧道襯砌同時(shí)檢測5條測線，滿足最低測線要求的思想，設(shè)計(jì)確定:安裝5條支撐地質(zhì)雷達(dá)天線的機(jī)械臂及其控制設(shè)備。各臂可以同時(shí)工作，每條臂可以在45°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)并伸縮。

對于病害嚴(yán)重隧道或二、三線隧道，若需要加密測線，可以調(diào)整機(jī)械臂的位置，進(jìn)行雙向反復(fù)檢測。

2.2 隧底檢測

隧道狀態(tài)檢查車設(shè)計(jì)可以同時(shí)或單獨(dú)進(jìn)行襯砌、隧底狀態(tài)檢測。也可以單獨(dú)進(jìn)行襯砌檢測或隧底檢測。隧底狀態(tài)檢測測線為線路中心和鋼軌外側(cè)共3條。隧底檢測的3個(gè)地質(zhì)雷達(dá)天線安裝在車體下部。

2.3 地質(zhì)雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)

2.3.1 檢測深度確定

按照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)規(guī)定，對于Ⅱ～Ⅴ級圍巖，雙線隧道襯砌拱墻部位總厚度35～70 cm，考慮到要探測襯砌背后圍巖狀況，探測深度確定為1.5 m，能夠滿足對于襯砌拱墻部位的檢測評定要求。

建國以來各時(shí)期采用的隧道襯砌標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖達(dá)數(shù)十種。對于有仰拱隧道，雙線隧道從軌面到仰拱最低點(diǎn)頂面的距離有176 cm(專隧(93)0030標(biāo)準(zhǔn)圖)、202 cm(專隧(01)0034標(biāo)準(zhǔn)圖)等。若仰拱厚度按照70 cm計(jì)算，軌頂至仰拱底面的距離約2.7 m。若從砟頂算起，約為2.4 m。因此要求檢測深度最少能夠達(dá)到砟頂以下2.5 m，即能夠查清大多數(shù)隧道仰拱下部情況。

2.3.2 檢測精度

《鐵路運(yùn)營隧道襯砌安全等級評定暫行規(guī)定》(鐵運(yùn)函［2004］174號)給出了隧道襯砌缺陷及病害的量化指標(biāo)如襯砌厚度、襯砌背后空洞長度、回填不密實(shí)的長度、基底不密實(shí)的長度、仰拱或地板裂損長度等。這給襯砌和隧底檢測的精度提出要求。

采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行襯砌和隧底檢測的精度，與雷達(dá)系統(tǒng)的分辨率密切相關(guān)。理論上，分辨率取決于雷達(dá)波的脈沖寬度(對應(yīng)天線中心頻率)與探測目標(biāo)的埋置深度。在一定的中心頻率下，分辨率受頻帶寬度影響，頻帶寬度又受到天線制造工藝的影響。分辨率分為垂直分辨率和橫向分辨率。垂直分辨率決定了對地層厚度、空洞垂向?qū)挾鹊鹊牧繙y精度;橫向分辨率決定對空洞縱向長度、仰拱縱向裂損長度等的量測精度。

《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》(TB 10223—2004)規(guī)定:地質(zhì)雷達(dá)天線可以采用不同頻率的天線組合，垂直分辨率應(yīng)高于2 cm。

依照上述規(guī)定，將地質(zhì)雷達(dá)天線的分辨率定為2 cm。在實(shí)際檢測過程，可以依據(jù)檢測目標(biāo)情況，在雷達(dá)參數(shù)、檢測速度等方面進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)設(shè)置，保證檢測精度。

2.3.3 檢測速度

檢測速度影響隧道狀態(tài)檢查車的現(xiàn)場檢測能力。國內(nèi)到目前為止，對于襯砌均采用接觸式檢測。即由人工手持天線，使之密貼在襯砌表面。有時(shí)采用軌道車、鏟車等架設(shè)支架提供人工平臺。這種方式?jīng)Q定了檢測速度一般不超過5 km/h，理想情況下可到7～8 km/h。

隧道狀態(tài)檢查車在滿足檢測精度要求下，對檢測速度目標(biāo)的設(shè)定，既要有所突破，又要考慮各種制約因素。隧道現(xiàn)場存在各種影響檢測速度的制約因素，如電化隧道接觸網(wǎng)對拱頂檢測形成制約，隧道變截面時(shí)要對天線支撐臂的長短進(jìn)行調(diào)整，隧道的照明等附屬設(shè)施可能對某些測線有影響等等。

檢測速度也對地質(zhì)雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)提出要求。檢測速度與測點(diǎn)的密度、掃描速率和通道的脈沖重復(fù)頻率有關(guān)。在采樣點(diǎn)數(shù)一定(一般采用512點(diǎn))的情況下，單通道脈沖重復(fù)頻率越高，掃描速率越高。理論上，檢測速度為掃描速率與測點(diǎn)間距的乘積，當(dāng)測點(diǎn)間距一定時(shí)，掃描速率越高，檢測速度就越高。一般確定一個(gè)物體需要20道掃描線。

對于路基檢測，根據(jù)西安鐵路局科研所的經(jīng)驗(yàn)，測點(diǎn)間距一般設(shè)置在5～10 cm。測點(diǎn)間距5 cm，每1 m有20個(gè)掃描線。軌枕間距40 cm，有8個(gè)掃描線，軌枕寬20 cm，有4個(gè)掃描線，可以清晰地看到每根軌枕。一般認(rèn)為測點(diǎn)間距5 cm的測試速度為最佳速度。測點(diǎn)間距10 cm時(shí)的測試速度為最高速度。在測點(diǎn)間距5 cm的情況下，英國和德國的車載路基地質(zhì)雷達(dá)檢測速度達(dá)到100 km/h。線路方向測點(diǎn)密度決定了水平方向上的分辨率。測點(diǎn)間距5 cm，在30 m的圖像上，4 m寬的涵洞比較容易分辨，2 m以下寬度的涵洞比較難以分辨。

對于隧道襯砌和隧底檢測，由于是對混凝土構(gòu)筑物進(jìn)行檢測，加之上面提到的制約因素，設(shè)定了比路基檢測更高標(biāo)準(zhǔn)的測點(diǎn)間距目標(biāo)值和較低的檢測速度目標(biāo)值。采用測點(diǎn)間距2 cm。這樣，對于0.5 m長的缺陷，可以有25個(gè)掃描線，比較容易識別。檢測速度目標(biāo)值設(shè)定為10 km/h。

2.4 視頻監(jiān)控

隧道內(nèi)有各種附屬設(shè)施，既可能對地質(zhì)雷達(dá)信號產(chǎn)生干擾，影響后期缺陷判識，也可能妨礙天線的正常前進(jìn)。隧道狀態(tài)檢查車應(yīng)設(shè)置視頻攝像系統(tǒng)，對隧道全斷面進(jìn)行攝像，以查清現(xiàn)場環(huán)境和可能的突發(fā)情況，

以便現(xiàn)場應(yīng)急處置。視頻攝像系統(tǒng)配合激光表面成像系統(tǒng)，可以為后期病害判識中干擾的排除提供幫助。

3 隧道狀態(tài)檢查車關(guān)鍵技術(shù)問題

3.1 隧道狀態(tài)檢查車車體

車體采用一節(jié)客車車廂，為25T型車體，運(yùn)營速度160 km/h，定員12人。車輛不自帶動(dòng)力，在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中加掛在列車尾部運(yùn)行，到達(dá)目的地后，加掛在軌道車或機(jī)車后進(jìn)行檢測。檢測方向固定，車輛的一位端為前進(jìn)方向，二位端為檢測系統(tǒng)端(見圖1)。

圖1 隧檢車車體

3.2 液壓機(jī)械臂支撐系統(tǒng)

地質(zhì)雷達(dá)安裝在液壓機(jī)械臂支撐系統(tǒng)上，通過液壓臂支撐系統(tǒng)把地質(zhì)雷達(dá)送到要求的檢測位置上。液壓臂支撐系統(tǒng)由電器控制裝置、液壓驅(qū)動(dòng)裝置及5條相互獨(dú)立的液壓臂組成。5條機(jī)械臂布置于隧道狀態(tài)檢查車二位端，對應(yīng)檢測拱頂、左右拱腰、左右側(cè)墻5條測線，可一次完成單線隧道檢測。

5條液壓臂呈X形布置在檢測車平臺上(圖2)。雷達(dá)小車在液壓臂頂端，其底座固定在多級伸縮臂中最內(nèi)一級套筒頂部，多級伸縮臂帶動(dòng)雷達(dá)小車升降，探測時(shí)雷達(dá)小車緊貼隧道襯砌內(nèi)壁。多級伸縮臂的伸長動(dòng)作由多級柱塞液壓缸驅(qū)動(dòng)完成，收縮動(dòng)作由液壓絞車及鋼絲繩拖拽完成(圖3)。液壓臂通過擺動(dòng)液壓缸的伸縮實(shí)現(xiàn)在隧道壁面的擺動(dòng)。5條液壓臂可以全部收回至檢測車內(nèi)，伸出后各液壓臂的擺動(dòng)范圍為45°，5套雷達(dá)檢測裝置就可以完成隧道地面以上180°范圍內(nèi)指定位置的探測工作。5條液壓臂伸縮與擺動(dòng)均可單獨(dú)控制，互不干擾。

為適應(yīng)不同限界隧道的探測，液壓臂采用了一種新型的雙四連桿機(jī)構(gòu)，可以把液壓臂頂端雷達(dá)送到與隧道表面近似平行的位置，以達(dá)到自動(dòng)檢測隧道襯砌內(nèi)壁的目的。液壓臂通過其頂部的具有避障功能的小車與雷達(dá)天線連接。小車采用實(shí)心橡膠輪胎與襯砌表面接觸，能夠保證天線底面與襯砌表面距離固定，見圖4。

圖2 液壓機(jī)械臂支撐系統(tǒng)

圖3 液壓臂構(gòu)造示意

圖4 帶避障功能的小車

3.3 隧道襯砌及隧底檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)由隧道襯砌檢測模塊、隧底檢測模塊、視頻監(jiān)控模塊及測距模塊組成。

隧道襯砌狀態(tài)檢測模塊包括:1臺主機(jī)連接5個(gè)400 MHz+900 MHz空氣耦合式屏蔽天線陣，天線布置于機(jī)械臂小車內(nèi)，5個(gè)天線陣通過“橋接”方式連接到主機(jī)。

隧底狀態(tài)檢測模塊包括2臺主機(jī)，共4個(gè)通道，1臺連接3個(gè)400 MHz空氣耦合式屏蔽天線，另1臺連接900 MHz空氣耦合式屏蔽天線，天線懸掛于車下中間位置(圖5)。

隧道襯砌和隧底檢測系統(tǒng)的3臺雷達(dá)主機(jī)通過SINC-UNIT集成化同步單元連接。同步單元將接收到的軟件發(fā)出的指令分別傳遞給隧底雷達(dá)控制單元和襯砌雷達(dá)控制單元，使隧底雷達(dá)系統(tǒng)和襯砌雷達(dá)系統(tǒng)同步工作，然后隧底雷達(dá)控制單元和襯砌雷達(dá)控制單元再把采集的數(shù)據(jù)返回同步單元，雷達(dá)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)經(jīng)同步處理后，在數(shù)據(jù)記錄儀上顯示、存儲。數(shù)據(jù)記錄儀為一臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，并設(shè)置一臺安裝有采集軟件的便攜式計(jì)算機(jī)備用。

視頻監(jiān)控模塊由分別布置于車頂、隧底的兩臺攝像機(jī)組成，可同步顯示、記錄檢測過程中襯砌表面及隧底情況。測距模塊是車載探地雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，由多普勒測距儀及光電編碼器組成，主要用于確定車輛的運(yùn)行位置。多普勒測距儀應(yīng)用于高速狀態(tài)，光電編碼器應(yīng)用于低速狀態(tài)。

圖5 隧底檢測雷達(dá)天線

4 試運(yùn)用情況

隧檢車研制完成后，先后在北京鐵路樞紐西北環(huán)線3號隧道、達(dá)成線開展了現(xiàn)場試驗(yàn)及試運(yùn)用。隧檢車前后分別連接一輛軌道車，試驗(yàn)時(shí)由其中的一輛軌道車牽引。北京鐵路樞紐西北環(huán)線3號隧道全長為3 453.8 m，建成于1982年，為單線電氣化隧道。隧道襯砌形式為直墻式，襯砌材料有混凝土、噴射混凝土及鋼筋混凝土。隧底為整體道床，素混凝土鋪底，個(gè)別區(qū)段采用鋼筋混凝土仰拱。試驗(yàn)時(shí)雷達(dá)采集參數(shù)設(shè)置為道間距2 cm，采樣點(diǎn)數(shù)512。典型雷達(dá)圖見圖6(a)。2012年，利用隧檢車對達(dá)成線部分隧道進(jìn)行了檢測，對施工質(zhì)量和內(nèi)部缺陷進(jìn)行了評判，典型檢測圖像見圖6(b)、圖6(c)。經(jīng)現(xiàn)場復(fù)核和破檢證明，檢測結(jié)果真實(shí)可靠。

圖6 地質(zhì)雷達(dá)反射圖

5 結(jié)論

1)隧檢車采用25T型客車車體，集成了地質(zhì)雷達(dá)檢測、液壓機(jī)械臂支撐、視頻監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集及處理等系統(tǒng)，可一次實(shí)現(xiàn)隧道襯砌5條測線及隧底3條測線的連續(xù)檢測和數(shù)據(jù)采集。

2)通過采用400 MHz+900 MHz天線組合方式，可檢測出襯砌厚度、鋼筋分布、襯砌及背后缺陷等，檢測深度不小于1.5 m，檢測速度最高可達(dá)10 km/h。

3)液壓機(jī)械臂支撐系統(tǒng)的5條機(jī)械臂可獨(dú)立進(jìn)行伸縮、旋轉(zhuǎn)，最大伸出量達(dá)8.1 m，可滿足大斷面鐵路隧道襯砌檢測的需要。

綜上，該車可以滿足隧道襯砌、隧底及路基狀態(tài)檢測要求，可有效指導(dǎo)隧道、路基設(shè)備的養(yǎng)護(hù)維修。下一步將繼續(xù)研究如何提高液壓機(jī)械臂對電氣化鐵路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)支柱的避障效果，提高電氣化鐵路隧道的檢測效率。

［1］中華人民共和國鐵道部．TG/GW 103—2010鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則［S］．北京:中國鐵道出版社，2010．

［2］中華人民共和國鐵道部．TB 10223—2004鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程［S］．北京:中國鐵道出版社，2004．

［3］中華人民共和國鐵道部．TB 10753—2010高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國鐵道出版社，2010．

［4］中華人民共和國鐵道部．TB 10003—2005鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［5］中華人民共和國鐵道部運(yùn)輸局．鐵運(yùn)函［2004］174號鐵路運(yùn)營隧道襯砌安全等級評定暫行規(guī)定［S］．北京:中華人民共和國鐵道部運(yùn)輸局，2004．

［6］昝月穩(wěn)，張安學(xué)，小田義野．鐵路路基狀態(tài)檢查車的研制及應(yīng)用［J］．路基工程，2007(5):30-31．

［7］徐曙，張學(xué)飛．新型雙四連桿機(jī)構(gòu)在隧道檢測裝置中的應(yīng)用［J］．鐵道車輛，2013，51(6):31-33．

Research，manufacture and application of inspection vehicle for detecting railway tunnel lining condition

ZHANG Cuibing
(Transport Bureau，China Railway Corporation，Beijing 100081，China)

T hrough analysis comparison of detection technology and equipments for tunnel lining and bottom at home and abroad．By combing with the need of railway tunnel lining state detection in China，the main technical indexes and key technology problems of geological radar system on the vehicle were discussed，technical solution of fast inspection car for tunnel state was presented，and inspection car for the railway tunnel lining state was developed，which could detect 5 lines of tunnel lining and 3 lines of tunnel bottom at the same time and achieve the nondestructive testing of whole tunnel．T he inspection car can reach a maximum detection speed of 10 km/h and has been used in some new and existing railways successfully，which could greatly improve the speed and efficiency of railway tunnel nondestructive detection and reduce the labor intensity．

Railway tunnel;T unnel lining;T unnel bottom;Geological radar;Nondestructive testing

U457+．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．12

1003-1995(2015)04-0040-05

(責(zé)任審編 李付軍)

2014-12-09;

2015-01-20

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2008G017-A)

張翠兵(1973—)，男，四川蓬溪人，高級工程師，博士。