中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)作為評(píng)價(jià)運(yùn)營(yíng)隧道襯砌現(xiàn)狀的必要手段，是隧道維修、加固的重要前期工作。影響隧道襯砌質(zhì)量安全的因素很多，其中襯砌裂縫是最為常見的病害，裂縫產(chǎn)生機(jī)理涉及圍巖形變、襯砌質(zhì)量、環(huán)境腐蝕等，如果不及時(shí)檢測(cè)并治理，后期會(huì)嚴(yán)重影響隧道的運(yùn)營(yíng)安全。因此，中交路橋科技結(jié)合以往的工程現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，分析裂縫產(chǎn)生的原因及識(shí)別技術(shù)。
一、襯砌裂縫產(chǎn)生的原因
隧道襯砌裂縫是最為常見的襯砌病害，產(chǎn)生的原因很多。隧道圍巖壓力釋放變形、地基不均勻沉降、圍巖變形或松動(dòng)導(dǎo)致襯砌受力不均；襯砌施工質(zhì)量問(wèn)題，混凝土配合比不當(dāng)、振搗不密實(shí)、養(yǎng)護(hù)不到位導(dǎo)致襯砌強(qiáng)度不足；外加荷載作用，長(zhǎng)期車輛荷載反復(fù)作用、超載車輛頻繁通行使襯砌產(chǎn)生疲勞裂縫；襯砌環(huán)境因素引起的材料劣化、混凝土碳化、鋼筋銹蝕、凍融破壞導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)性能下降；溫度與濕度變化，晝夜或季節(jié)溫差引起襯砌熱脹冷縮產(chǎn)生溫度裂縫，地下水侵蝕等。這些因素都是引起襯砌裂縫的內(nèi)因，也是加速裂縫發(fā)展的主要因素。
二、襯砌裂縫危害
隧道襯砌裂縫危害也很多，不過(guò)不進(jìn)行針對(duì)行的治理，會(huì)影響隧道安全。裂縫會(huì)損害襯砌的整體性，襯砌因裂損變形而侵限；襯砌對(duì)圍巖的支護(hù)能力削弱,不能有效地約束圍巖使之保持穩(wěn)定,因此可能發(fā)生掉塊傷人,砸壞過(guò)往車輛或產(chǎn)生突然坍塌,中斷行車等危險(xiǎn)；裂縫漏水,造成更為嚴(yán)重的隧道水害；隧道仰拱或整體道床裂損影響隧道內(nèi)的線路質(zhì)量,使行車速度受到限制或危及行車安全；在圍巖中含有瓦斯等有害氣體時(shí),有害氣體將經(jīng)由襯砌裂縫處散逸至洞內(nèi)而產(chǎn)生危害。
三、裂縫病害檢測(cè)
隧道襯砌裂縫是引起隧道內(nèi)滲水、掉塊等病害的原因，隧道內(nèi)出現(xiàn)裂縫會(huì)嚴(yán)重影響隧道的行車安全和使用壽命，因此必須對(duì)隧道內(nèi)裂縫進(jìn)行識(shí)別，傳統(tǒng)的襯砌裂縫檢測(cè)效率低、耗時(shí)耗力，檢測(cè)質(zhì)量受人為影響因素較多，不能反映襯砌的質(zhì)量。
1、襯砌列放采集車
融合現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)的隧道裂縫采集車，從上到下分別為圖像采集器、工控機(jī)和動(dòng)力行進(jìn)裝置，在沿著軌道行駛過(guò)程中，不斷進(jìn)行拍攝，這些圖像需要連續(xù)而非間隔，這就要求相機(jī)拍攝時(shí)的頻率與采集車的行進(jìn)速度相匹配，能夠大大提高檢測(cè)效率，保證檢測(cè)質(zhì)量。
數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括圖像采集相機(jī)、補(bǔ)光燈、采集服務(wù)器、編碼器、顯示器、電源等。采集車的行駛速度一般需要滿足10km/h，在同等條件下，采集車行駛速度越慢，對(duì)線陣相機(jī)拍攝頻率的要求就越低，實(shí)現(xiàn)隧道表觀數(shù)據(jù)的快速采集，采集精度為0.2mm。
2、基于AI的的隧道裂縫檢測(cè)算法
隧道工程環(huán)境復(fù)雜，內(nèi)壁上識(shí)別障礙物較多，襯砌裂縫容易受到纜線、照明燈等物體的遮擋，干擾裂縫的檢測(cè)，增加了特征提取的難度，基于 Pytorch 深度學(xué)習(xí)框架的改進(jìn)的 YOLOv5 模型，利用深度卷積神經(jīng)和 GPU 等并行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)隧道裂縫AI檢測(cè)。AI識(shí)別模型訓(xùn)練過(guò)程中分別設(shè)置初始學(xué)習(xí)率為 1e-2、1e-3、1e-4、1e-5 并對(duì)相應(yīng)的訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選取最佳的學(xué)習(xí)率，使用上述學(xué)習(xí)率訓(xùn)練模型時(shí)訓(xùn)練集上的損失曲線如圖所示。
模型訓(xùn)練學(xué)習(xí)率為 1e-2 時(shí)收斂速度較快，但訓(xùn)練過(guò)程損失波動(dòng)較大，1e-3 時(shí)收斂速度較快，且效果最好，學(xué)習(xí)率繼續(xù)減小時(shí)訓(xùn)練效果沒(méi)有明顯提升，且收斂速度較慢，因此學(xué)習(xí)率選擇 1e-3。
3、基于圖像處理的裂縫特征提取和計(jì)算
在深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)模型輸出分類和裂縫位置信息的基礎(chǔ)上，采用基于形態(tài)學(xué)運(yùn)算的方法，去除噪聲后，對(duì)裂縫區(qū)域進(jìn)行特征提取，得到比較完整的裂縫信息。
4、裂縫量化指標(biāo)計(jì)算
選取裂縫的長(zhǎng)度、寬度、面積 3 個(gè)指標(biāo)，根據(jù)隧道襯砌裂縫等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理。
(1) 裂縫面積的計(jì)算
裂縫的面積是最基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)隧道的安全評(píng)估具有重要意義。 裂縫的面積采用統(tǒng)計(jì)像素點(diǎn)數(shù)量的方法，即統(tǒng)計(jì)連通域內(nèi)像素點(diǎn)的總和。對(duì)于經(jīng)過(guò)形態(tài)學(xué)處理的二值圖像，背景像素值為 0，裂縫像素值為 1，統(tǒng)計(jì)每個(gè)連通域中灰度值為 1 的個(gè)數(shù)，即 f(x,y)=1，為該條裂縫的面積，計(jì)算公式如下式所示。
(2) 裂縫長(zhǎng)度的計(jì)算
裂縫的長(zhǎng)度是最重要的指標(biāo)，反映了裂縫的延伸情況，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，說(shuō)明延伸越嚴(yán)重，可能造成的后果也越惡劣。根據(jù)裂縫細(xì)長(zhǎng)形狀的特點(diǎn)，將剔除毛刺后的骨架長(zhǎng)度作為裂縫的長(zhǎng)度，而骨架的長(zhǎng)度可以計(jì)算為
其中，n 和 m 分別表示骨架上非 0 像素點(diǎn)之間的距離為 1 或個(gè)像素點(diǎn)間隔，如圖所示：
(3)裂縫寬度的計(jì)算
裂縫的寬度對(duì)隧道施工安全具有重要的意義，是評(píng)估隧道安全的重要指標(biāo)。平均寬度采用裂縫的面積與長(zhǎng)度的比值，如下式所示，即連通域面積與股價(jià)長(zhǎng)度的比值：
5、裂縫識(shí)別成果
項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)利用隧道工程20張圖像提取的特征向量組作為一個(gè)序列向量組，使用雙向RNN網(wǎng)絡(luò)對(duì)特征向量組進(jìn)行整合，使得單張圖像的特征中不僅僅包含圖像的特征信息，同時(shí)也包含相鄰圖像的特征信息，識(shí)別精度0.2mm，大大提高了人工裂縫檢測(cè)效率。
四、中交路橋科技隧道安全檢測(cè)方案
中交路橋科技有限公司是專業(yè)從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。技術(shù)人員涉及鐵道工程、城市道路與公路、橋梁工程、隧道工程、建筑工程、水利工程、工程物探、安全技術(shù)、電力、信號(hào)、集成電路、智能科學(xué)等專業(yè)。
在運(yùn)營(yíng)隧道質(zhì)量安全檢測(cè)方面具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)及工程經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)完成近百座隧道工程的襯砌裂縫、背后空洞、鋼筋位置等檢測(cè)，并提供了科學(xué)的病害治理方案，保障隧道工程運(yùn)營(yíng)安全，為隧道安全運(yùn)營(yíng)與管養(yǎng)提供科學(xué)依據(jù)。
