隧道二襯背后空洞智能化檢測和預(yù)防技術(shù)

王 琨

(中交三公局河北雄安交通軌道分公司，北京 101100)

引言

近年來，我國鐵路隧道建造技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，到2020年底，中國已經(jīng)投入運(yùn)營工作的鐵路隧道有16 798座，總長度為19 630 km。隨著隧道長度不斷增加，我國隧道已經(jīng)進(jìn)入高維修時(shí)期，隧道病害不斷涌現(xiàn)，嚴(yán)重威脅隧道運(yùn)營安全。根據(jù)2015年中國鐵路總公司統(tǒng)計(jì)的鐵路隧道現(xiàn)況資料，投入運(yùn)營的鐵路隧道中出現(xiàn)隧道襯砌嚴(yán)重腐蝕裂損的隧道有4 431座，長約272.3 km[1]，其中隧道襯砌背后空洞問題是一個(gè)較為突出的隱患，二襯背后空洞會(huì)降低施工作業(yè)質(zhì)量以及生產(chǎn)效率，從而影響鐵路隧道后期運(yùn)營過程的安全性和長期效應(yīng)(使用年限)，已經(jīng)成為較為嚴(yán)重的隧道質(zhì)量問題。[2]為了保障隧道質(zhì)量，先進(jìn)可靠的空洞檢測技術(shù)和預(yù)防整治技術(shù)成為了隧道建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)難題。

襯砌空洞檢測方法分為有損檢測法和無損檢測法兩大類。因?yàn)橛袚p檢測法破壞了襯砌的整體性，需要后續(xù)工藝的處理，成本昂貴。隨著工業(yè)科技的不斷發(fā)展，這種傳統(tǒng)的檢測方法在隧道建設(shè)過程中已經(jīng)逐漸消失，取而代之的是現(xiàn)代工業(yè)科技的無損檢測法。國內(nèi)外許多學(xué)者采用不同媒介(電磁波、聲波、超聲波)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行大量研究，總結(jié)歸納出目前國內(nèi)外襯砌空洞無損檢測的主要方法，其中包括敲擊法、地質(zhì)雷達(dá)法、沖擊回波法、超聲波檢測法，每種方法都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，見表1。羅宏建[3]、李金川[4]、吳霞等[5]成功將窄脈沖高頻率超聲波技術(shù)運(yùn)用在不同材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷的檢測中，但該方法對(duì)界面要求較高，不適用于襯砌檢測。姜勇[6]、周先雁[7]、王偉[8]采用短時(shí)的機(jī)械沖擊產(chǎn)生的低頻應(yīng)力波(聲波)對(duì)隧道襯砌缺陷進(jìn)行檢測，證實(shí)沖擊回波檢測襯砌中空洞缺陷的可行性，但是該方法對(duì)襯砌表面質(zhì)量要求高，檢測效率低，不適用于實(shí)際施工環(huán)境。唐浩等[9]對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測法開展了一系列的試驗(yàn)與正演數(shù)值模擬研究工作，研究工作發(fā)現(xiàn)模擬的結(jié)論和整個(gè)試驗(yàn)的結(jié)論基本是一致的，這對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)檢測有著重要的參考價(jià)值；張康喬[10]以濟(jì)萊項(xiàng)目王家隧道為例，陳偉等[11]以山東在建某隧道為例，分析歸納了地質(zhì)雷達(dá)襯砌檢測中存在的誤差及影響檢測精度的原因，對(duì)如何提高地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測中的精度進(jìn)行了探討總結(jié)；劉博[12]、昝文博等[13]利用固定頻率的電磁波對(duì)襯砌表觀病害和結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明地質(zhì)雷達(dá)法可有效地對(duì)襯砌中的空洞缺陷進(jìn)行分析，但是該方法易受鋼筋、水的影響，后期識(shí)別工作量大。劉濤[14]通過對(duì)人工敲擊法進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明敲擊法對(duì)隧道襯砌表面質(zhì)量要求就低得多，成本低，而且不受施工環(huán)境影響，作業(yè)靈活高效；但是龔彥峰等[15]研究認(rèn)為敲擊法的缺陷也十分突出，目前主要依靠人工檢測,,在人力擊振的條件下，其最大測試深度一般不超過0.15 m，檢測質(zhì)量受人為因素影響較大，偶然性大，代表性差，容易出現(xiàn)漏檢誤檢，檢測速度慢，自動(dòng)化識(shí)別程度低，難以全面、準(zhǔn)確檢測，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)場需求。

表1 4種無損檢測法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

綜上所述，敲擊法相比于其他檢測方法開展工作更加方便快捷，更加具備選擇傾向性，但受人為因素影響嚴(yán)重。通過調(diào)研國內(nèi)外多種隧道檢測技術(shù)，分析現(xiàn)有隧道檢測技術(shù)的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)目前的檢測技術(shù)存在自動(dòng)識(shí)別程度低、檢測效率較慢等問題，本文研究在基于檢測自動(dòng)化技術(shù)、管理智能化理念和模式的基礎(chǔ)上初步提出將背后空洞智能化檢測技術(shù)和預(yù)防監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于隧道質(zhì)量檢測和監(jiān)控中，有效地解決了目前國內(nèi)人工敲擊法的缺陷，同時(shí)保留其優(yōu)點(diǎn)，提升了敲擊檢測技術(shù)在隧道襯砌檢測中的有效性，實(shí)現(xiàn)隧道襯砌檢測過程和檢測結(jié)果分析自動(dòng)化，消除人為因素干擾，為隧道安全運(yùn)行奠定良好基礎(chǔ)。

1 隧道襯砌背后空洞智能化檢測技術(shù)

襯砌背后空洞給隧道施工和運(yùn)營帶來極大的安全隱患。因此，對(duì)該段隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測就顯得尤其重要，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工工藝缺陷、施工管理缺陷等，才能通過空洞治理技術(shù)進(jìn)行處理，最大限度地保證工程質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)還能大大減少后期的處理費(fèi)用。

21世紀(jì)以來，機(jī)械設(shè)備制造能力日新月異，信息技術(shù)發(fā)展迅猛，隨著信息化與機(jī)械化高度融合及其技術(shù)在隧道工程上的綜合應(yīng)用，智能化勢必成為未來隧道工程發(fā)展的主流趨向。新時(shí)代下隧道建造工程的需求和要求日益增多，為了順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，引領(lǐng)時(shí)代的潮流，隧道工程必須促進(jìn)隧道襯砌智能化檢測技術(shù)和隧道建設(shè)高度融合，提升隧道工程項(xiàng)目的品質(zhì)，為隧道安全運(yùn)行奠定良好基礎(chǔ)。

1.1 基于敲擊回聲的背后空洞智能化檢測

基于敲擊回聲的隧道襯砌空洞智能化檢測是基于自動(dòng)敲擊技術(shù)、聲音自動(dòng)采集技術(shù)、空洞聲學(xué)特征提取及智能識(shí)別技術(shù)，將新一代的機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)與隧道襯砌質(zhì)量檢測技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)隧道襯砌質(zhì)量檢測全過程的智能化理念和模式。

隧道襯砌空洞智能化檢測技術(shù)的指標(biāo)要求：(1)實(shí)時(shí)識(shí)別；(2)識(shí)別準(zhǔn)確率不低于80%；(3)識(shí)別距離襯砌表面15 cm以內(nèi)空洞；(4)識(shí)別脫空面積不小于0.2 m2的空洞。

1.2 基于敲擊回聲的背后空洞智能化檢測技術(shù)原理

隧道襯砌空洞智能化檢測的理念和模式是建立在數(shù)值仿真的基礎(chǔ)之上的，通過建立鐵路隧道襯砌空洞模型，其中包括結(jié)構(gòu)單元模型、聲學(xué)單元模型以及結(jié)構(gòu)-聲學(xué)耦合模型，計(jì)算敲擊作用下，不同空洞大小、襯砌厚度的模態(tài)、聲場分布及時(shí)頻特征，作為空洞特征參數(shù)的參考數(shù)據(jù)庫，為試驗(yàn)和方案設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。在數(shù)值仿真的指導(dǎo)下，提出了隧道襯砌空洞智能化檢測的方案設(shè)計(jì)，主要分為自動(dòng)敲擊、聲音采集以及智能識(shí)別三個(gè)系統(tǒng)。下面具體介紹以下各個(gè)模塊的基本原理和特征。

(1)自動(dòng)敲擊技術(shù)

自動(dòng)敲擊技術(shù)采用基于彈簧儲(chǔ)能的自動(dòng)敲擊裝置，具有噪音小，結(jié)構(gòu)簡單，敲擊力精度高等優(yōu)點(diǎn)。自動(dòng)敲擊裝置組成主要包括伺服電機(jī)、凸輪、蓄力彈簧、敲擊錘頭等。原理是伺服電機(jī)帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，彈簧被壓縮，敲擊錘處于最低位置；隨后凸輪與彈簧脫離，彈性勢能釋放，錘頭向上快速彈出；敲擊錘頭彈出敲擊襯砌面，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，繼續(xù)壓縮彈簧。自動(dòng)敲擊技術(shù)特點(diǎn)在于敲擊動(dòng)作靈敏，敲擊沖量可調(diào)可控，敲擊頻率0.5～5 Hz可調(diào)可控，可實(shí)現(xiàn)邊走邊敲擊，敲擊距離監(jiān)測。

(2)聲音采集技術(shù)

聲音自動(dòng)采集技術(shù)主要包括傳感模塊、采集模塊和處理模塊，原理是ECM傳聲器檢測到自動(dòng)敲擊裝置敲擊襯砌面發(fā)出的聲學(xué)信號(hào)，隨后按一定規(guī)律將檢測到的聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出到采集模塊，通過采集模塊統(tǒng)一采集所需的敲擊回聲后輸出到嵌入式處理器。

(3)智能識(shí)別技術(shù)

智能識(shí)別主要包括預(yù)處理、信號(hào)處理分析、機(jī)器學(xué)習(xí)3個(gè)模塊，識(shí)別流程見圖1。首先通過數(shù)據(jù)清洗和濾波獲取純凈的聲音信號(hào)，然后對(duì)有效的敲擊聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理分析，提取多維特征參數(shù)，方法為從時(shí)域、頻域、時(shí)頻域的維度構(gòu)建隧道襯砌空洞指數(shù)，從而構(gòu)建對(duì)正?；芈暸c空響回聲的識(shí)別模型，判斷是否存在空洞，構(gòu)建多維特征向量的空洞識(shí)別算法，識(shí)別準(zhǔn)確率良好；同時(shí)采用深度學(xué)習(xí)等算法進(jìn)行深入研究信號(hào)特征，識(shí)別空洞的大小、深度等。

圖1 襯砌空洞智能識(shí)別流程

1.3 基于敲擊回聲的背后空洞智能化檢測技術(shù)特點(diǎn)

(1)不受外界施工環(huán)境影響，對(duì)隧道襯砌表面質(zhì)量要求低，作業(yè)靈活高效，實(shí)時(shí)識(shí)別，對(duì)襯砌空洞識(shí)別的檢測正確率、重復(fù)性好，數(shù)據(jù)分析難度小，結(jié)果圖像簡單直觀。

(2)隧道襯砌空洞智能化檢測技術(shù)具有自動(dòng)敲擊、同步采集、自動(dòng)去噪、智能識(shí)別、聲光報(bào)警、自動(dòng)標(biāo)記等功能，是該項(xiàng)技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)人工敲擊法最大的創(chuàng)新之處，實(shí)現(xiàn)了隧道襯砌檢測自動(dòng)化，消除了傳統(tǒng)檢測過程中人為因素的干擾。

(3)在智能識(shí)別隧道襯砌空洞的同時(shí)，還可以通過深度學(xué)習(xí)等算法進(jìn)行深入研究信號(hào)特征，識(shí)別空洞的大小、深度等，具有創(chuàng)新性，也具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

(4)實(shí)現(xiàn)了檢測結(jié)果分析自動(dòng)化，現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)可快速自動(dòng)出結(jié)果，檢測效率較人工敲擊法有極大提升。

(5)目前基于敲擊回聲的隧道襯砌空洞智能化檢測技術(shù)還處于應(yīng)用的初期階段，應(yīng)用較少，可能還存在一些潛在的技術(shù)缺陷，還需要進(jìn)一步的研究完善。

1.4 現(xiàn)場試驗(yàn)

基于敲擊回聲的隧道襯砌空洞自動(dòng)敲擊檢測裝置，主要針對(duì)鐵路隧道襯砌進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，已經(jīng)在北京東郊試驗(yàn)場模擬空洞和新建京張鐵路第七標(biāo)段西黃莊、董家莊和祁家莊3條鐵路隧道進(jìn)行實(shí)際敲擊和信號(hào)采集試驗(yàn)。

(1)新建京張鐵路JZSG-7標(biāo)西黃莊、董家莊、祁家莊3條鐵路隧道屬于全線重點(diǎn)控制性工程，起訖里程為DK 132+250～DK 137+130、DK 142+195～DK 143+357、DK 144+125～DK 149+865，三條隧道的長度均超過了1 000 m，設(shè)計(jì)速度為350 km/h和250 km/h，最大埋深77～100 m。隧址區(qū)屬低山丘陵，地形起伏較大，工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜，隧址區(qū)巖性發(fā)育比較復(fù)雜，總體以砂巖為主，在不同部位有較大變化，主要有白云巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖等，局部穿插有玄武巖、安山巖、輝綠巖等巖脈巖，且洞身及洞頂范圍內(nèi)巖石大多遭受風(fēng)化作用，自穩(wěn)成洞能力較差。隧址區(qū)范圍內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育，僅在里程DK 132+600附近有斷層破碎帶，斷裂帶附近巖體較為破碎，但范圍內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，降低了巖體的穩(wěn)定性。隧道大部分地段地下水不發(fā)育。綜上所述，3條隧道施工難度較大，故對(duì)施工質(zhì)量要求較高。

(2)針對(duì)全部采集樣本數(shù)據(jù)，60%～70%樣本用于研究分析，其余樣本用于測試，同一敲擊點(diǎn)的多個(gè)聲音樣本作為一個(gè)整體，分配于研究分析樣本集或測試樣本集中，試驗(yàn)場地和各個(gè)隧道場地的數(shù)據(jù)均出現(xiàn)在分析集和測試樣本集中。在北京東郊試驗(yàn)現(xiàn)場模擬實(shí)驗(yàn)和3條實(shí)際鐵路隧道試驗(yàn)中，主要采集5個(gè)不同參數(shù)下敲擊襯砌面發(fā)出的聲學(xué)信號(hào)數(shù)據(jù)，其中包括3個(gè)外因參數(shù)(采集位置、敲擊位置、敲擊力)和2個(gè)內(nèi)因參數(shù)(空洞尺寸和空洞處襯砌厚度)，目的是為了研究這些參數(shù)與敲擊回聲特性關(guān)系。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，通過分析敲擊回聲的沖擊響應(yīng)變化曲線(見圖2)，所有采集的數(shù)據(jù)中空洞信號(hào)的沖擊響應(yīng)頻譜存在明顯拱起(第一主頻)，實(shí)心信號(hào)的沖擊響應(yīng)頻譜則不存在這一現(xiàn)象，我們稱其為空洞特征，可以用來判斷是否存在空洞。

圖2 不同參數(shù)的沖擊響應(yīng)變化曲線

同時(shí)通過分析不同參數(shù)下的沖擊響應(yīng)變化曲線，發(fā)現(xiàn)空洞特征即第一主頻的頻率僅僅與空洞尺寸和空洞處襯砌厚度2個(gè)內(nèi)因參數(shù)有關(guān)，與其他3個(gè)外因參數(shù)無關(guān)，采集的樣本數(shù)據(jù)顯示，見表2，固定的空洞尺寸和襯砌厚度對(duì)應(yīng)的主頻頻率也是固定的，不受外因參數(shù)的影響，例如空洞尺寸為0.16 m2和襯砌厚度為150 mm的空洞對(duì)應(yīng)的主頻頻率是1 800 Hz，不論在什么采集位置、敲擊位置以及敲擊力的情況下，主頻頻率固定是1 800 Hz，不同的外因參數(shù)只影響第一主頻的聲壓級(jí)(可以理解為沖擊響應(yīng)的強(qiáng)度)；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)襯砌厚度越薄、空洞尺寸越大，第一主頻越低，聲壓級(jí)較高，空洞特征越明顯，易識(shí)別，但當(dāng)襯砌厚度超過150 mm時(shí)第一主頻的聲壓級(jí)較低，相應(yīng)的空洞特征就不明顯，不易識(shí)別。因此我們可以通過深入研究敲擊回聲的信號(hào)特征，進(jìn)一步分析第一主頻的特性得到空洞的分布深度及規(guī)模大小。

表2 不同內(nèi)因參數(shù)的主頻特性統(tǒng)計(jì)

對(duì)4個(gè)現(xiàn)場實(shí)地采集的樣本其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)用于空洞識(shí)別正確率測試，數(shù)據(jù)結(jié)果表明：北京東郊試驗(yàn)場模擬空洞試驗(yàn)和3條隧道現(xiàn)場空洞試驗(yàn)的空洞識(shí)別正確率相似，高達(dá)90%以上，這一統(tǒng)計(jì)結(jié)果證明基于敲擊回聲的背后空洞智能化檢測技術(shù)初步證實(shí)有一定實(shí)用性，但還處于應(yīng)用的初期階段，應(yīng)用較少，可能還存在一些潛在的技術(shù)缺陷，還需要進(jìn)一步的研究完善。

1.5 其他智能化檢測技術(shù)

除了基于敲擊回聲的智能化檢測技術(shù)外，目前正在研究的還有基于AI檢測機(jī)器人的智能化檢測技術(shù)和基于檢測車圖像識(shí)別的智能化檢測技術(shù)等。

基于AI檢測機(jī)器人的智能化檢測技術(shù)主要采用地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)，將高靈敏地質(zhì)雷達(dá)安裝在檢測機(jī)器人上，開發(fā)空洞智能分析軟件，實(shí)現(xiàn)隧道襯砌空洞快速檢測快速分析的目標(biāo)。

基于檢測車圖像識(shí)別的智能化檢測技術(shù)是由圖像采集系統(tǒng)、全幅圖像拼接系統(tǒng)、圖像智能識(shí)別系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)比對(duì)系統(tǒng)、報(bào)告自動(dòng)生成5項(xiàng)技術(shù)組成，能夠?qū)z測結(jié)果從二維轉(zhuǎn)為三維，實(shí)現(xiàn)可視化，極大地提高數(shù)據(jù)處理的效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)檢測自動(dòng)化和決策智能化。圖像識(shí)別智能檢測技術(shù)對(duì)襯砌表面裂縫具有較好的檢測效果，但是無法檢測出襯砌背后空洞。

2 隧道襯砌空洞智能預(yù)防技術(shù)

通過采用上述隧道襯砌空洞智能化檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道襯砌質(zhì)量檢測全過程的智能化，消除人為因素的干擾，更進(jìn)一步地保障隧道襯砌的質(zhì)量。但是我們知道只有先進(jìn)、可靠的檢測技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，正所謂治標(biāo)不治本，僅僅只發(fā)展先進(jìn)的襯砌空洞檢測技術(shù)能夠達(dá)到最大效果就是減少后期因襯砌空洞引起的安全隱患，依然解決不了隧道工程的通病，普遍出現(xiàn)二襯背后空洞現(xiàn)象，無法從源頭減少和避免其出現(xiàn)。通過對(duì)具體工程實(shí)例京張鐵路隧道背后空洞分析，清楚地了解到襯砌背后空洞的形成原因、分布特征以及襯砌空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響，針對(duì)空洞形成原因及分布特征，發(fā)展新一代的襯砌背后空洞預(yù)防和整治技術(shù)，在采用隧道襯砌空洞智能化檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，同時(shí)結(jié)合后期預(yù)防措施和施工控制措施以最大程度地減少和避免空洞的出現(xiàn)，從而確保襯砌質(zhì)量能夠滿足隧道整體質(zhì)量要求，為隧道安全運(yùn)行奠定良好基礎(chǔ)。

2.1 二襯防脫空自動(dòng)報(bào)警技術(shù)

隧道內(nèi)二襯背后脫空問題始終困擾著現(xiàn)場的施工生產(chǎn)，襯砌澆筑混凝土過程中，肉眼看不見襯砌是否有脫空現(xiàn)場，無法判斷是否需要繼續(xù)泵送混凝土。若泵送混凝土過量，泵送壓力變大，易造成臺(tái)車模板移位、模板變形的情況。為了有效地解決這一施工難題，文章初步探索采用二襯防脫空自動(dòng)報(bào)警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)襯砌澆筑混凝土過程預(yù)警智能化，從而確保混凝土灌注飽滿密實(shí)。

二襯防脫空自動(dòng)報(bào)警技術(shù)是一種以電子探測技術(shù)為核心的防脫空智能預(yù)防技術(shù)，主要包括數(shù)據(jù)采集、預(yù)警管理、數(shù)據(jù)分析3個(gè)模塊，見圖3。通過激光三維掃描獲取隧道實(shí)際開挖斷面信息，根據(jù)二襯模板安裝信息，計(jì)算二襯混凝土所需總量，并監(jiān)測混凝土澆筑實(shí)際使用量，從而預(yù)測空洞尺寸。同時(shí)，利用液位繼電器工作原理，在隧道頂部設(shè)立探頭，當(dāng)混凝土注滿時(shí)會(huì)將探頭和臺(tái)車的拱板接通導(dǎo)電，從而產(chǎn)生注滿的信號(hào)，進(jìn)一步觸發(fā)聲光報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)提醒泵送操作手混凝土目前澆筑的高度，還需要澆筑多少方量澆筑完畢，可以有效的避免空洞的產(chǎn)生。

圖3 二襯防脫空自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)構(gòu)架

在拱頂預(yù)埋5條接觸式貫通電路，通過混凝土與電路接觸導(dǎo)電，觸發(fā)聲光系統(tǒng)，從而確保混凝土灌注飽滿密實(shí)。在臺(tái)車電氣控制部分加裝液位繼電器和聲光報(bào)警指示燈等電氣元件，將澆筑拱頂混凝土流動(dòng)的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場施工人員易于識(shí)別的聲光信號(hào)，當(dāng)澆筑到位時(shí)報(bào)警燈變亮，同時(shí)發(fā)出蜂鳴聲，起到提示作用，見圖4。結(jié)合二襯臺(tái)車排氣、注漿裝置，將單導(dǎo)線探頭從注漿、排氣口位置探出，探頭可重復(fù)利用，節(jié)約了導(dǎo)線消耗用量，施工成本較低。

圖4 二襯防脫空自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)工作原理

共設(shè)置5組預(yù)警點(diǎn)，所有輸出電壓均為安全電壓，具有較高的安全性。在臺(tái)車電氣控制部分加裝液位繼電器和聲光報(bào)警指示燈等電氣元件，將澆筑拱頂混凝土流動(dòng)的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場施工人員易于識(shí)別的聲光信號(hào)，當(dāng)澆筑到位時(shí)報(bào)警燈變亮，同時(shí)發(fā)出蜂鳴聲，起到提示作用。

2.2 防頂裂技術(shù)

隧道內(nèi)的施工縫處經(jīng)常有混凝土開裂現(xiàn)象，會(huì)對(duì)后期的通車運(yùn)營情況造成極大的安全隱患，文章初步采用臺(tái)車防頂裂裝置，防止臺(tái)車在混凝土澆筑過程中上浮頂裂已澆筑端混凝土。

防頂裂技術(shù)工作原理是在二襯模板臺(tái)車搭接端頭左、右側(cè)設(shè)置防頂裂裝置，防頂裂裝置由底座、絲桿、弧形鋼板、銷子等組成。模板臺(tái)車就位后，調(diào)節(jié)絲桿直至弧形鋼板緊貼上組二襯混凝土表面。二襯模板臺(tái)車通過端頭左、右側(cè)設(shè)置防頂裂裝置，防頂裂裝置由底座把壓力傳遞給絲桿，再由絲桿傳遞給弧形鋼板，增大了端頭混凝土的受力面積，減少壓強(qiáng)，模板對(duì)混凝土的壓強(qiáng)明顯減少，在混凝土澆筑過程中，有效減少了模板上浮造成施工縫處混凝土頂裂的現(xiàn)象。

可通過布置壓力傳感器等方式檢測絲桿對(duì)弧形鋼板的壓力大小，之后科學(xué)計(jì)算出弧形鋼板對(duì)混凝土的壓強(qiáng)，通過調(diào)整弧形鋼板的大小，或增加防頂裂裝置的數(shù)量減小壓強(qiáng)，來保證弧形鋼板對(duì)混凝土的壓強(qiáng)小于端頭混凝土能承受的壓強(qiáng)，進(jìn)而避免裂縫的產(chǎn)生。

2.3 應(yīng)用驗(yàn)證

兩種隧道襯砌空洞預(yù)防技術(shù)的研發(fā)，主要在京張高鐵西黃莊隧道中得到應(yīng)用與驗(yàn)證。數(shù)據(jù)記錄顯示，技術(shù)應(yīng)用前通過第三方檢測驗(yàn)證情況，襯砌背后脫空情況較多，50組襯砌中約8組有脫空現(xiàn)象，占16%，通過敲擊檢查等措施統(tǒng)計(jì)施工縫開裂現(xiàn)象，50組襯砌中約11組有施工縫開裂現(xiàn)象，占22%；技術(shù)應(yīng)用后通過第三方檢測驗(yàn)證，襯砌背后脫空情況明顯減少，50組襯砌中約3組有脫空現(xiàn)象，占6%，通過敲擊檢查等措施統(tǒng)計(jì)，施工縫開裂現(xiàn)象減少，50組襯砌中約4組有施工縫開裂現(xiàn)象，占8%。

綜上所述，二襯防脫空自動(dòng)報(bào)警、防頂裂技術(shù)應(yīng)用后，通過第三方檢測統(tǒng)計(jì)缺陷問題數(shù)量，襯砌混凝土背后脫空及襯砌施工縫開裂現(xiàn)象已明顯減少。目前二襯防脫空自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、防頂裂技術(shù)已開始在中鐵隧道局各項(xiàng)目進(jìn)行推廣，襯砌脫空現(xiàn)象和施工縫開裂現(xiàn)象均已明顯減少。

隧道內(nèi)二襯防脫空自動(dòng)報(bào)警能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測拱頂混凝土澆筑，同時(shí)可以更直觀地提示現(xiàn)場操作人員混凝土澆筑的高度，能檢測襯砌背后是否有脫空情況，確?；炷凉嘧枬M密實(shí)。隧道內(nèi)二襯防頂裂技術(shù)可有效保護(hù)已澆筑端混凝土，避免開裂。兩項(xiàng)預(yù)防技術(shù)在應(yīng)用方面的意義是巨大的，同時(shí)在提高勞動(dòng)效率和減少成本的方面也是不可忽視的。首先可提高襯砌澆筑工人的勞動(dòng)效率，臺(tái)車澆筑人員直接通過聲光報(bào)警系統(tǒng)就可以了解混凝土澆筑情況；再者可減少襯砌混凝土的浪費(fèi)，減少成本，通過聲光報(bào)警系統(tǒng)能實(shí)時(shí)掌握襯砌混凝土的澆筑高度，即可動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確算出混凝土的剩余需求量，避免向拌合站多要混凝土料，避免材料浪費(fèi)；最后可減少后期的缺陷整治成本，通過使用防脫空和防頂裂裝置，減少襯砌脫空和施工縫裂縫等病害，把病害問題消滅在萌芽中，減少二次整治的費(fèi)用。

二襯拱頂防脫空自動(dòng)報(bào)警裝置雖然可以檢測出混凝土是否已與防水板密貼，若混凝土長時(shí)間灌注仍未灌滿，泵送混凝土?xí)斐苫炷翆?duì)模板的壓力增大，易造成模板變形等問題，可以嘗試在模板上安裝壓力傳感器，并通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以數(shù)字化的形式顯示到主控電腦內(nèi)，已便實(shí)時(shí)掌握混凝土對(duì)模板的壓力。

3 結(jié)論

(1)隧道二襯背后空洞智能化檢測是基于自動(dòng)敲擊技術(shù)、聲音自動(dòng)采集技術(shù)、智能識(shí)別技術(shù)提出的隧道襯砌質(zhì)量檢測全過程的智能化理念和模式。它是在數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上從時(shí)域、頻域、時(shí)頻域維度構(gòu)建隧道襯砌空洞指數(shù)，進(jìn)一步建立對(duì)正常回聲與空響回聲的識(shí)別模型，判斷是否存在空洞。

(2)隧道二襯防脫空自動(dòng)報(bào)警技術(shù)是一種以電子探測技術(shù)為核心的智能預(yù)防技術(shù)，利用液位繼電器工作原理，在混凝土區(qū)域頂部設(shè)立探頭，當(dāng)混凝土注滿時(shí)會(huì)將探頭和臺(tái)車的拱板接通導(dǎo)電，產(chǎn)生注滿信號(hào)，觸發(fā)聲光報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)提醒泵送操作手對(duì)應(yīng)探頭點(diǎn)已灌注完成，有效防止空洞發(fā)生。

(3)京張鐵路隧道在采用上述隧道二襯背后空洞智能化檢測和智能預(yù)防技術(shù)進(jìn)行施工控制后，第三方地質(zhì)雷達(dá)檢測二襯背后1 023處，其中只3處出現(xiàn)楔形空洞，預(yù)防治理效果非常明顯。實(shí)踐證明，相較于現(xiàn)在主流的隧道質(zhì)量檢測技術(shù)，基于智能化理念和模式的空洞檢測技術(shù)具有作業(yè)靈活高效、檢測正確率高的優(yōu)點(diǎn)，消除人為因素的干擾，能夠最大程度地減少空洞的出現(xiàn)。