（青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，山東青島 266000）

截至2019年底，我國40個城市開通城軌交通運(yùn)營線路共208條，運(yùn)營線路總長為6 736.2 km，地下線長4 366.5 km，占比64.8%。己投用的隧道結(jié)構(gòu)，由于地質(zhì)條件不利或施工、設(shè)計不合理等因素，隧道結(jié)構(gòu)受到襯砌病害的影響。因此，開展地鐵隧道結(jié)構(gòu)表面檢測，有利于及時發(fā)現(xiàn)病害，防止病害發(fā)展[1]。

1 地鐵隧道結(jié)構(gòu)表面快速檢測技術(shù)的發(fā)展

當(dāng)前我國城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)檢查仍以人工靜態(tài)檢查為主，存在占用大量人工、檢查質(zhì)量不高的問題。國內(nèi)外針對隧道結(jié)構(gòu)表面快速檢測技術(shù)開展了大量的研究和試驗，并已進(jìn)行實踐使用。地鐵隧道結(jié)構(gòu)表面快速檢測技術(shù)根據(jù)成像方式的不同可分為三維激光掃描、CCD成像掃描。

2 三維激光掃描

2.1 三維激光掃描系統(tǒng)基本原理

三維激光掃描系統(tǒng)以軌道小車為載體，由高精度三維激光掃描儀、GNSS/IMU/DMI組合定位設(shè)備、同步控制單位等設(shè)備組成[2]。軌道小車推行過程中激光射線與小車前進(jìn)方向垂直，隨著不斷推行前進(jìn)得到螺旋線狀的掃描點，同步技術(shù)將掃描點云與下車位置數(shù)據(jù)進(jìn)行實時同步，實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)的三維重建[3]。使用軟件處理點云數(shù)據(jù)得到高清晰度灰度圖和斷面圖，通過分析灰度圖、斷面圖得到隧道結(jié)構(gòu)滲漏水、裂縫和收斂等信息。

三維激光掃描系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 三維激光掃描系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)表

2.2 作業(yè)流程

2.2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

（1）硬件調(diào)試。包括高精度移動測量系統(tǒng)安裝調(diào)試、硬件設(shè)備的檢查、慣導(dǎo)校準(zhǔn)等。

（2）采集參數(shù)設(shè)置。軌道小車行駛速度控制在5 km/h以內(nèi)；掃描頻率為1 000 kHz；掃描儀轉(zhuǎn)速為200 r/s；編碼器轉(zhuǎn)1 000個脈沖。

（3）采集作業(yè)操作流程。①組裝掃描設(shè)備，設(shè)備電源上電，開機(jī)連接設(shè)備WiFi；②打開采集軟件，完成慣導(dǎo)的初始化，掃描儀旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后（點云數(shù)據(jù)開始增長），人工平穩(wěn)推進(jìn)，直至到達(dá)采集目的地，設(shè)備停穩(wěn)后，結(jié)束測站；③保證設(shè)備靜止，點擊“結(jié)束工程-靜止”，設(shè)備靜止5 min，完成后可進(jìn)行設(shè)備掉頭、更改采集線路等操作，如果已經(jīng)完成采集任務(wù)，先點擊“關(guān)閉設(shè)備”，等待2 min，再進(jìn)行設(shè)備斷電操作。

2.2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

使用專用軟件對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到高清晰度灰度圖和深度圖，通過對圖像分析得到隧道結(jié)構(gòu)的滲漏水、裂縫、破損檢測、結(jié)構(gòu)直徑分析和橫斷面分析等。

2.2.3 數(shù)據(jù)分析成果

（1）隧道高清晰度灰度圖成果。

隧道正射灰度影像將足夠密度的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化，以特定步長的柵格對點云進(jìn)行劃分，并為每個柵格設(shè)置其行列值，將該柵格內(nèi)點的強(qiáng)度平均值作為該柵格的灰度值，因此，柵格為對應(yīng)圖像中的特定像素，實現(xiàn)點云到圖像的轉(zhuǎn)化。由于激光對混凝土與水的反射率不同，在灰度影像圖中滲漏水區(qū)域為明顯不規(guī)則黑色部分，在灰度圖中可識別滲漏水、結(jié)構(gòu)裂縫[4]。

（2）隧道斷面圖成果。

利用點云數(shù)據(jù)對隧道斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取，并在特定里程處導(dǎo)出該處的斷面點云，得到該斷面的輪廓CAD圖，如圖1所示。

圖1 地鐵隧道結(jié)構(gòu)斷面圖

3 CCD成像掃描

3.1 CCD成像掃描系統(tǒng)基本原理

CCD成像掃描系統(tǒng)通常以工程車為載體，由慣導(dǎo)及測距模塊、狀態(tài)指示模塊、存儲單元、定位模塊、高清成像模塊、高亮補(bǔ)光模塊等組成。在工程車行駛過程中不斷快速拍攝，得到隧道結(jié)構(gòu)表面圖像，運(yùn)用圖像處理、計算機(jī)深度學(xué)習(xí)等技術(shù)判斷隧道結(jié)構(gòu)滲漏水、裂縫、破損情況。

CCD成像掃描系統(tǒng)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 CCD掃描系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)表

3.2 作業(yè)流程

作業(yè)的主要流程分別為相機(jī)參數(shù)調(diào)整、相機(jī)標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)檢查。

（1）根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)尺寸，擬定采集參數(shù)，進(jìn)行相機(jī)對焦，使相機(jī)視場中央及邊角圖像清晰。

（2）相機(jī)標(biāo)定分為尺寸標(biāo)定和三維標(biāo)定。

尺寸標(biāo)定：將裂縫尺貼在標(biāo)定板上，緊貼在兩側(cè)相機(jī)視場中央的隧道壁處，使用相機(jī)拍攝并記錄，拍攝結(jié)果保證0.2 mm刻度清晰可見。

三維標(biāo)定：拍攝不同角度的標(biāo)定板照片及標(biāo)定板中方格清晰可見，標(biāo)定人員手指沒有侵入方格。

（3）標(biāo)定完成后即可正式采集，采集過程中車速控制在30～35 km/h，到達(dá)預(yù)先設(shè)定終點即可。

（4）采集完成后檢查數(shù)據(jù)，檢查相機(jī)采集幀數(shù)是否一致，并隨機(jī)從采集文件中抽取數(shù)張照片查看細(xì)節(jié)是否清晰。

3.3 數(shù)據(jù)分析成果

使用服務(wù)器對采集的隧道結(jié)構(gòu)表面圖像進(jìn)行智能分析，形成包含結(jié)構(gòu)表面裂縫、滲漏水、剝落情況的報告。選取地鐵部分區(qū)間隧道系統(tǒng)生成的報告進(jìn)行人工復(fù)檢，得出CCD成像掃描系統(tǒng)對裂縫、滲漏水的檢出率為100%，剝落檢出率為100%，但存在將結(jié)構(gòu)修補(bǔ)誤判為剝落的情況。后續(xù)系統(tǒng)通過結(jié)構(gòu)病害大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，提升對結(jié)構(gòu)病害的識別，以減少誤判。CCD成像掃描系統(tǒng)滲漏水病害檢測如圖2所示。

圖2 CCD成像掃描系統(tǒng)滲漏水病害檢測圖

4 三維激光掃描技術(shù)和CCD成像掃描技術(shù)的優(yōu)缺點

三維激光掃描技術(shù)的缺點：（1）大量的點云數(shù)據(jù)需求和設(shè)備對振動控制的要求，限制了軌道小車的速度，速度控制在5 km/h以下；（2）圖像分辨率較低，如瑞士AMBERG技術(shù)公司開發(fā)的GRP5000檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)采集的圖像分辨率僅為5 mm/dpi。

三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點：（1）設(shè)備精確度高，可準(zhǔn)確得到隧道錯臺、滲漏水、裂縫等表觀病害情況，并能夠?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行精準(zhǔn)測量，形成隧道收斂成果，代替?zhèn)鹘y(tǒng)斷面收斂檢測；（2）設(shè)備體積小，功率小，不需要占用行車作業(yè)點，具有機(jī)動靈活、適應(yīng)環(huán)境強(qiáng)等優(yōu)點。

CCD成像掃描技術(shù)缺點：（1）設(shè)備體積大，需要使用工程車進(jìn)行拖掛并提供電力，占用行車作業(yè)點；（2）數(shù)據(jù)量較大，每公里隧道形成數(shù)據(jù)約0.5 TB，占用大量存儲資源。

CCD成像掃描技術(shù)優(yōu)點：（1）檢測速度快，檢測速度約30～35 km/h，可快速完成城軌線網(wǎng)級檢測；（2）檢測圖像清晰，可準(zhǔn)確反映滲漏水、裂縫、剝落等隧道表觀病害。

5 結(jié)語

根據(jù)地鐵現(xiàn)場使用和試驗的情況可知，三維激光掃描技術(shù)和CCD成像掃描技術(shù)均具有較高的準(zhǔn)確率，可滿足隧道表面快速檢測的需求，但根據(jù)成像原理的不同，兩種技術(shù)有不同的優(yōu)缺點及不同的使用場景。CCD成像掃描技術(shù)適用于城軌隧道結(jié)構(gòu)全線檢測，建立全壽命周期的成長健康狀況“檔案館”，為軌道隧道運(yùn)營提供病害預(yù)警。三維激光掃描技術(shù)適用于小范圍隧道結(jié)構(gòu)檢測，如檢測地區(qū)范圍內(nèi)施工對既有地下隧道結(jié)構(gòu)的影響。