卓長(zhǎng)智 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司合武鐵路有限公司

1 既有隧道的狀況

合武鐵路安徽段共有隧26座，總長(zhǎng)45.653 km。其中，3 km～10 km 隧道4座，總長(zhǎng)21.934 km；10 km 以上隧1座，長(zhǎng)10.766 km。合寧鐵路共有隧道2座，總長(zhǎng)2.005 km。

經(jīng)業(yè)內(nèi)權(quán)威檢測(cè)，28座隧道共發(fā)現(xiàn)1 080處襯砌缺陷（二襯背后不密實(shí)或空洞），襯砌缺陷段總長(zhǎng)共3 120.8 m。其中，有19座隧道存在不同程度的隧道二襯厚度不足，共計(jì)270處。

2018年，設(shè)備管理單位再次對(duì)28座隧道進(jìn)行全面排查，發(fā)現(xiàn)空響、滲漏水、露筋及其它等280處缺陷，發(fā)現(xiàn)雙塊式軌枕?yè)跫玳_(kāi)裂、脫落30處。

2 缺陷形成原因及檢修

2.1 缺陷形成原因

2.1.1 設(shè)計(jì)不合理

由于地質(zhì)勘探不到位，隧道穿越古錯(cuò)落體、滑動(dòng)帶、巖溶區(qū)暗河，造成隧道先天不足；設(shè)計(jì)斷面形式不合理和排水設(shè)計(jì)不合理等造成隧道混凝土開(kāi)裂、排水不暢等病害。

2.1.2 施工造成

由于超挖或坍方后未按規(guī)范回填或壓注漿工作，造成初期支護(hù)與圍巖之間留有較大范圍的空隙，混凝土振搗不密實(shí)或存在空洞，形成積水空間；所選防水材料不合格（不合理）或防水板的鋪設(shè)存有缺陷；施工中的塌方處理不徹底，形成不密實(shí)、脫空等缺陷；欠挖或變形過(guò)大，造成二次襯砌厚度不足等。

2.1.3 維護(hù)不當(dāng)

洞外排水系統(tǒng)遭破壞，未及時(shí)修復(fù)；洞內(nèi)水溝被堵，造成基底積水，使基底圍巖軟化，產(chǎn)生翻漿冒泥。

2.2 現(xiàn)有的檢查維修方式

一般利用封鎖點(diǎn)或天窗點(diǎn)集中檢查和日常檢查。就目前的檢查檢測(cè)水平而言，隧道維修尚屬于勞動(dòng)密集型行業(yè)，大多依靠傳統(tǒng)的方法。加之，維修工人技術(shù)水平有限，對(duì)隧道的認(rèn)知不足；隧道內(nèi)設(shè)備多，涉及專(zhuān)業(yè)部門(mén)多，協(xié)調(diào)配合復(fù)雜。這些導(dǎo)致檢測(cè)、維修進(jìn)度受到嚴(yán)重的影響，效率、質(zhì)量不高。因此，需要對(duì)現(xiàn)有高鐵隧道的巡檢方式進(jìn)行改進(jìn)，采用最新的科技信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道狀態(tài)和運(yùn)輸安全的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能分析、科學(xué)診斷，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)鐵路運(yùn)輸安全的分析掌控，為基礎(chǔ)設(shè)施與設(shè)備的養(yǎng)護(hù)維修提供科學(xué)依據(jù)，有效降低高鐵巡檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，并提高巡檢效率和巡檢人員的人身安全性，最終變“定期檢測(cè)”為“自動(dòng)檢測(cè)”；變“定期修”為“故障修”、“可預(yù)見(jiàn)性維修”。

3 設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，以計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)為手段，以鐵路隧道綜合安全集成管理為目標(biāo)。

3.1 實(shí)用性

系統(tǒng)務(wù)必完全滿(mǎn)足各項(xiàng)安全防護(hù)與監(jiān)管的實(shí)際需求，采用當(dāng)前計(jì)算機(jī)主流應(yīng)用技術(shù)和相對(duì)成熟的系統(tǒng)集成管理模式，在適當(dāng)考慮未來(lái)發(fā)展需求的前提下，避免盲目追求系統(tǒng)設(shè)計(jì)超前性和設(shè)備豪奢性。

3.2 可擴(kuò)展性

系統(tǒng)設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循相關(guān)技術(shù)的國(guó)際、國(guó)內(nèi)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確保系統(tǒng)之間的透明性和互聯(lián)互動(dòng)，并充分考慮與其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)的連接。在設(shè)計(jì)和設(shè)備選型時(shí)，將科學(xué)預(yù)測(cè)未來(lái)擴(kuò)容需求，進(jìn)行余量設(shè)計(jì)，便于兼容于擴(kuò)展。

3.3 穩(wěn)定性與安全性

系統(tǒng)的建設(shè)需要融合以往建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合具體應(yīng)用需求，使用具有成熟應(yīng)用實(shí)踐的軟件平臺(tái)架構(gòu)確保系統(tǒng)的健壯性，選用具備高可靠性、高安全性，具有數(shù)萬(wàn)小時(shí)平均無(wú)故障時(shí)間的設(shè)備，同時(shí)為關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)冗余備份。

3.4 易管理性與易維護(hù)性

系統(tǒng)采用全中文、圖形化軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理與維護(hù)?？勺詣?dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中任何一臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并顯示出詳細(xì)情況，以輔助管理人員及時(shí)準(zhǔn)確地判斷和解決問(wèn)題。

4 技術(shù)原理

4.1 分布式光纖傳感技術(shù)原理

當(dāng)光纖注入一束激光，光纖中每點(diǎn)均會(huì)發(fā)生布里淵光散射效應(yīng)，布里淵散射光的中心頻率漂移量與光纖各點(diǎn)的軸向應(yīng)變相關(guān)。利用相應(yīng)的解調(diào)和分析技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)光纖中每一點(diǎn)應(yīng)變的分布式檢測(cè)。脈沖光以一定的頻率自光纖的一端入射，與光纖中的聲子產(chǎn)生布里淵散射，其中的背向布里淵散光沿光纖原路返回到脈沖光的入射端，得到光纖沿線各個(gè)采樣點(diǎn)的散射光譜。當(dāng)光纖沿線的存在軸向應(yīng)變時(shí)，背向布里淵散射光的頻率將發(fā)生漂移，頻率的漂移量與光纖應(yīng)變變化呈良好的線性關(guān)系。

4.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

4.2.1 長(zhǎng)距離、大范圍監(jiān)測(cè)

光纖兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是傳輸數(shù)據(jù)量大和損耗小，在無(wú)需中繼的情況下，可以實(shí)現(xiàn)十幾公里的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);分布式光纖傳感器是真正的分布式測(cè)量，可以連續(xù)的得到沿著探測(cè)光纜幾十公里的測(cè)量信息，誤報(bào)和漏報(bào)率大大降低，同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可對(duì)道路、隧道、管線等線性工程進(jìn)行長(zhǎng)距離無(wú)盲區(qū)的全覆蓋監(jiān)測(cè)。

4.2.2 分布式不漏測(cè)

分布式感測(cè)光纜可以實(shí)現(xiàn)做到隧道工程線路的全長(zhǎng)覆蓋，對(duì)于覆蓋到每一點(diǎn)都可以監(jiān)測(cè)，避免重點(diǎn)災(zāi)害發(fā)生漏監(jiān)。

4.2.3 耐腐蝕、抗電磁干擾，穩(wěn)定性好

分布式感測(cè)光纜其本質(zhì)為二氧化硅，性質(zhì)穩(wěn)定、天生絕緣，同時(shí)光纖傳感器的信號(hào)是以光纖為載體的，本征安全，不受任何外界電磁環(huán)境的干擾，在高電磁環(huán)境中可以正常工作；光纖傳感器由于完全的電絕緣，本征防雷可以抵抗高電壓和高電流的沖擊。

4.2.4 多參量監(jiān)測(cè)

通過(guò)一根光纜，采用不同調(diào)制解調(diào)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變、溫度、以及振動(dòng)等多變量感測(cè)，從壓力、溫度、振動(dòng)、變形等多角度進(jìn)行滲漏探測(cè)。對(duì)管廊結(jié)構(gòu)和設(shè)施進(jìn)行多種參量測(cè)量，可以做到多參數(shù)閾值報(bào)警，相互印證，避免的單一因素的多干擾性，綜合探測(cè)提升探測(cè)的準(zhǔn)確性，降低其誤報(bào)率。

4.2.5 絕緣、無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)供電

光纖傳感器內(nèi)傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，解調(diào)儀器設(shè)備通過(guò)發(fā)射和接收光信號(hào)，來(lái)對(duì)光纖傳感器進(jìn)行測(cè)試。傳感器無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)供電，能耗低。

4.2.6 壽命長(zhǎng)，成本低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單

光纖的材料一般皆為石英玻璃，其具有不腐蝕，耐火，耐水及壽命長(zhǎng)的特性，通?？梢苑?0年。對(duì)于大面積、大范圍線性工程監(jiān)測(cè)，光纖傳感技術(shù)均攤成本低廉；通過(guò)波分、時(shí)分復(fù)利用技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)光纖傳感器多點(diǎn)多參量串聯(lián)監(jiān)測(cè)，易于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)；其測(cè)試解調(diào)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模塊化，易于系統(tǒng)集成。

4.2.7 靈敏度高，測(cè)量精度高，定位精準(zhǔn)

大多數(shù)光纖傳感器的靈敏度和測(cè)量精度都優(yōu)于一般的傳感器，可以測(cè)試異常區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)幾個(gè)微應(yīng)變的測(cè)試精度。

5 技術(shù)方案

5.1 分布式光纖視覺(jué)復(fù)合線纜系統(tǒng)

將分布式光纖、高清攝像頭、供電纜集成在一體的線型結(jié)構(gòu)中，形成分布式光纖視覺(jué)光纜（見(jiàn)圖1）。

圖1 分布式光纖視覺(jué)復(fù)合線纜

其中分布式光纖既是一種無(wú)源的傳感設(shè)備，后臺(tái)接入光纖信號(hào)分析主機(jī)，能夠感知異常溫升，振動(dòng)等隧道內(nèi)環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)也是傳輸通道，能夠?qū)⒁曨l數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送到控制中心后臺(tái)。

采用低照度、小體積、低功耗的高清攝像頭模塊，隨著復(fù)合線纜一起在隧道內(nèi)鋪設(shè)。隧道內(nèi)監(jiān)控視頻通過(guò)光纖傳回后臺(tái)，在數(shù)據(jù)處理單元采用視頻拼接技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)攝像頭的位置進(jìn)行標(biāo)定，工作人員可以隨時(shí)查看指定區(qū)間的隧道內(nèi)實(shí)時(shí)視頻圖像。通過(guò)視頻分析服務(wù)器陣列對(duì)隧道內(nèi)監(jiān)控視頻進(jìn)行智能圖像分析識(shí)別，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)異物入侵、掉塊、積水異常、接觸網(wǎng)吊柱損壞、火災(zāi)等重大安全異常情況。從而全方位的把握整個(gè)隧道內(nèi)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

由于集成了供電及數(shù)據(jù)傳輸載體，分布式光纖視覺(jué)復(fù)合光纜具備無(wú)限擴(kuò)展的可能性。例如，可根據(jù)需要在線纜的布設(shè)路徑上部署各種傳感設(shè)備，例如氣體傳感器，粉塵傳感器、濕度傳感器等；還可以接入無(wú)線傳輸熱點(diǎn)，為隧道內(nèi)各種設(shè)備設(shè)施提供無(wú)線數(shù)據(jù)接入的途徑。

5.2 隧道口落石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

山體塹坡的落石將嚴(yán)重威脅鐵路行車(chē)安全。在隧道口被動(dòng)網(wǎng)上增設(shè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)光纜，當(dāng)發(fā)生山體塹坡、邊坡的落石并對(duì)被動(dòng)網(wǎng)造成貫穿或明顯拉伸等會(huì)對(duì)被動(dòng)網(wǎng)造成損壞的事件時(shí)將導(dǎo)致應(yīng)力光纜發(fā)生形變，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致光纜斷線。監(jiān)測(cè)主機(jī)對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行遠(yuǎn)程感知定位，并根據(jù)應(yīng)變值獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際形變量；在適當(dāng)位置安裝監(jiān)控?cái)z像機(jī)與之聯(lián)動(dòng)，當(dāng)光纜監(jiān)測(cè)到異常應(yīng)力變化時(shí)可自動(dòng)調(diào)用攝像機(jī)對(duì)該位置進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，便于相關(guān)人員及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況；并在線路旁增設(shè)智能電子哨兵，對(duì)是否有落入線路且可能對(duì)行車(chē)造成影響的障礙物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)以上三重手段對(duì)可能出現(xiàn)的山體塹坡、邊坡的落石事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)也可以在事故發(fā)生時(shí)迅速定位，遠(yuǎn)程觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，利于及時(shí)對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行搶修和搶險(xiǎn)（見(jiàn)圖2）。

圖2 隧道口落石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署示意圖

5.3 隧道巡檢系統(tǒng)

圖3 隧道巡檢機(jī)器人示意圖

在高鐵隧道內(nèi)壁安裝巡檢軌道，智能巡檢設(shè)備沿著軌道勻速前進(jìn)（見(jiàn)圖3）。機(jī)器人巡檢設(shè)備上可以?huà)燧d多種傳感設(shè)備，包括高精度3D激光雷達(dá)，超高分辨率線陣相機(jī)，高清面陣監(jiān)控相機(jī)等。

（1）3D激光雷達(dá)實(shí)時(shí)掃描隧道內(nèi)壁，獲取其完成的3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)3D點(diǎn)云拼接技術(shù)，形成隧道內(nèi)部的完整3D模型。再通過(guò)基于3D模型的自動(dòng)識(shí)別，歷史數(shù)據(jù)比對(duì)等計(jì)算過(guò)程，能夠?qū)崿F(xiàn)隧道內(nèi)壁裂紋檢測(cè)，隧道形變檢測(cè)與預(yù)警、隧道頂部塌陷、掉塊檢測(cè)、漏水檢測(cè)、隧道內(nèi)軌面異物檢測(cè)等功能；同時(shí)獲取隧道高精度結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，如任意里程斷面徑向收斂數(shù)據(jù)，包括橢圓度，長(zhǎng)軸，短軸，偏轉(zhuǎn)角，斷面任意高度的水平凈空線，圓心高度凈空線長(zhǎng)，頂點(diǎn)高度，圓心坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。

（2）超高分辨率線陣相機(jī)配合補(bǔ)光系統(tǒng)，在軌道機(jī)器人勻速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，對(duì)隧道內(nèi)壁進(jìn)行高速拍照，通過(guò)對(duì)超高分辨率的圖片的拼接技術(shù)，形成隧道內(nèi)完成的高清圖像，利用基于深度學(xué)習(xí)的圖片智能識(shí)別技術(shù)，圖像比對(duì)，基準(zhǔn)圖像分析等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)隧道內(nèi)病害監(jiān)測(cè)，例如隧道內(nèi)壁裂紋檢測(cè)，隧道形變檢測(cè)與預(yù)警、隧道頂部塌陷、掉塊檢測(cè)、漏水檢測(cè)、接觸網(wǎng)吊柱脫落、隧道內(nèi)軌面異物檢測(cè)等（見(jiàn)圖4）。

圖4 超高分辨率線陣掃描隧道內(nèi)壁展開(kāi)圖

（3）高清面陣監(jiān)控相機(jī)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，尤其當(dāng)發(fā)現(xiàn)隧道病害及緊急情況時(shí)，通過(guò)控制中心能夠?qū)崟r(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)情況。

（4）隧道巡檢機(jī)器人搭載了3D激光雷達(dá)，超高分辨率線陣相機(jī)等設(shè)備用以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)和設(shè)備設(shè)施狀態(tài)的高精度檢測(cè)?？紤]到列車(chē)運(yùn)行的安全性，隧道巡檢機(jī)器人考慮采用遠(yuǎn)程遙控以及現(xiàn)場(chǎng)手工啟動(dòng)與回收兩種方式，只在隧道內(nèi)無(wú)列車(chē)運(yùn)行的時(shí)段進(jìn)行巡檢；支持巡檢機(jī)器人精確位置反饋，且配有備用蓄電池供電，保證即使出現(xiàn)電力故障時(shí)，也能確保巡檢機(jī)器人的回收與定位。

5.4 報(bào)警處置

分布式光纖視覺(jué)復(fù)合線纜系統(tǒng)、隧道口落石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、隧道巡檢系統(tǒng)這三個(gè)系統(tǒng)，可根據(jù)需要安裝在重點(diǎn)隧道內(nèi)，對(duì)隧道狀況進(jìn)行全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采用鐵路電纜傳輸，數(shù)據(jù)及監(jiān)控中心設(shè)在設(shè)備管理單位的調(diào)度中心，實(shí)時(shí)盯控，可按照需要?jiǎng)討B(tài)配置報(bào)警閾值，當(dāng)發(fā)生異物入侵、掉塊、積水異常、接觸網(wǎng)吊柱脫落、火災(zāi)等重大安全異常情況時(shí)，管理維護(hù)者能夠獲得足夠、比較完整的信息。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)可以知道具體位置、規(guī)模；我們根據(jù)系統(tǒng)返回的信息，及時(shí)采取不同應(yīng)急處置措施。條件成熟了也可接入列控中心，直接進(jìn)行預(yù)警。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前，利用分布式光纖、光柵、軌道機(jī)器人、智能圖像、激光雷達(dá)、電子傳感器等多源信息感知與融合技術(shù)，在鐵路設(shè)備監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段，需要有從理論到實(shí)踐、從實(shí)踐到理論循環(huán)往復(fù)的過(guò)程。本文通過(guò)對(duì)鐵路隧道設(shè)備的健康監(jiān)測(cè)與智能手段應(yīng)用的分析，從而為隧道養(yǎng)修工作提供全面精準(zhǔn)的感知和診斷，可以有效地增強(qiáng)工務(wù)部門(mén)對(duì)設(shè)備狀況的掌控能力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，處置病害，減少或消除地質(zhì)災(zāi)害造成的事故和對(duì)運(yùn)輸構(gòu)成的威脅，幫助提高工務(wù)巡檢效率和質(zhì)量。