中日韩运营铁路隧道检测技术现状及发展趋势

王 勇，安哲立，，*，马伟斌，郑泽福，郭小雄

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081)

0 引言

交通基础设施建设是经济发展的基础，随着我国交通基础设施建设持续发展，铁路隧道规模也不断攀升。截至2020年底，我国投入运营铁路隧道16 798座，总长19 630 km；在建铁路隧道2 746座，总长约6 083 km；规划铁路隧道6 395座，总长16 325 km[1]，运营、在建和规划中的铁路隧道均居世界首位。由于设计不当、施工不规范、管理不严格、隧道周边环境不确定以及材料自身缺陷等原因，隧道在建设过程中易形成质量缺陷，在内外因素耦合作用下发展成为隧道病害，威胁行车安全，降低隧道使用寿命。检测作为运营期隧道状态信息获取的最主要方式，是发现隧道安全隐患、评估隧道服役性能、制定养护维修策略的基础，对保障隧道运营安全至关重要。

韩自力等[2]探讨了我国铁路隧道状态感知体系，提出了隧道状态综合感知技术体系的基本框架; 马伟斌等[3]、许学良等[4]研究了铁路隧道全生命周期检测、监测体系，提出了平台化管理及动态检测的模式，分析了铁路隧道既有检测、监测及评估现状，提出了针对性整治技术; 安哲立等[5]针对川藏铁路特殊环境，对建设期隧道检测技术进行了优化配置，提出了适用于川藏铁路的隧道检测建议。

以上研究均为我国铁路隧道检测技术体系发展提供了思路，为新技术应用提供了建议。但我国运营铁路隧道总体规模巨大，对隧道检测提出了更多挑战。传统隧道检测方式依赖人工、效率低下，先进检测技术普及程度不高，难以满足大规模运营隧道检测及时、高效的需求。各检测项目之间彼此独立，关联较少，多个检测项目彼此约束、相互印证的检测模式及相关技术发展尚不成熟。同时，检测作业标准化程度低，缺乏统一的判释标准，使得检测结果差异较大，无法对隧道服役状态进行准确、全面、客观的评价。在检测频率方面，既有检测周期固定，尚未形成基于隧道状态的动态周期检测。数据处理、分析与管理剥离，数据运转效率不高且数据可应用性差、应用率低。

综上所述，发展多技术协同的快速综合检测手段，建立统一标准的处理、分析及评估模式，构建基于平台一体化管理的隧道检测技术体系对我国大规模运营铁路隧道检测具有重要意义。

日本、韩国在铁路隧道检测领域各有优势，在中日韩铁路研究互有合作的背景下，本文对中日韩隧道检测技术进行调研和梳理，分析隧道检测技术的发展方向，提出适用于我国大规模运营铁路隧道的检测模式。

1 运营铁路隧道常规检测方式概述

1.1 检查制度

铁路隧道检查包括对隧道及其附属设施的检测以及对隧道状态、功能的核查。运营铁路隧道检测是铁路隧道检查的一部分，通过直接或间接的方式发现隧道缺陷及病害，获取隧道状态信息。

1.1.1 中国铁路隧道检查制度

中国运营铁路隧道检查包括经常检查、定期检查、临时检查及专项检查等[6]。经常检查主要针对隧道易损部位以及直接影响行车安全的部位，如拱顶、隧底等部位，一般按需制定检查频率，主要采用目视观察、摄影和敲击等方法;定期检查一般在春融及汛前对隧道排水、泄洪及防汛设备进行1次检查，在秋季对隧道进行1次全面检查，除采用经常检查使用的方法外，必要时还会采用无损检测和钻孔取芯等方法;临时检查是在隧道发生破坏性作用后进行，如地震、火灾、洪水等;专项检查是更详细的检查，采用方法视实际情况而定，检查周期较长、工作量较大，重要隧道一般每5年进行1次检查，普通隧道一般每10年进行1次检查。

1.1.2 日本铁路隧道检查制度

日本运营铁路隧道检查包括总体检查和个别检查。总体检查由周期不超过2年的定期检查和必要时进行的不定期检查构成[7-8]，一般采用目视观察和敲击等方法。其中,定期检查又包括初次总体检查、通常总体检查及特别总体检查。初次总体检查在隧道投入运营前进行，主要目的是掌握隧道缺陷及劣化情况；通常总体检查每2年进行1次，主要目的是掌握隧道总体情况和劣化程度等；对于新干线隧道，特别总体检查每10年进行1次，其他隧道每20年进行1次。个别检查是在总体检查后认为有必要的情况下进行的更为详细的专项检查。不定期检查是在地震、大雨雪等引起的洪水、火灾等突发性灾害后所实施的应急检查。

1.1.3 韩国铁路隧道检查制度

韩国运营铁路隧道检查包括日常检查、定期检查和一级隧道综合安全检查。日常检查为每季度1次，主要对隧道易损部位及重点部位进行检查，确认是否存在安全隐患；定期检查为每2年1次，对隧道总体情况进行较全面的检查；一级隧道综合安全检查主要针对长度在1 km以上铁路隧道和高速铁路隧道，检查频率为每5年1次，是对隧道全面详细的检查。

1.2 常规检测技术

铁路隧道缺陷主要包括衬砌厚度不足、衬砌混凝土强度不足、衬砌背后空洞及不密实等，易成为铁路隧道病害发生的诱因。铁路隧道病害在隧道交付运营时已存在或在运营期间出现，主要为缺陷演化或隧道劣化所致，主要包括渗漏水、衬砌位移或变形、净空不足、裂纹、衬砌压溃或剥落、衬砌腐蚀、整体道床裂损、仰拱或底板裂损、基床软化及翻浆等[9-10]，隧道病害会威胁行车安全、降低隧道使用寿命。当前，我国运营铁路隧道检测以电磁波法、敲击法、图像识别法作为大规模检测的主要方法，钻孔取芯一般作为验证手段使用，目视观察在检测及验证中均有使用。日韩运营铁路隧道常规检测技术和我国基本类似，但日本铁路隧道检测更重视目视观察和敲击法，将其作为获取隧道信息并评价隧道状态的最主要方式。通过检查卡逐项进行检测和评价，检查卡对隧道异常类型及程度进行了细致划分，作业人员除对隧道异常进行确认，还需要对其形成原因进行简单分析，对作业人员要求较高。运营铁路隧道缺陷及病害常规检测技术如表1所示。

表1 运营铁路隧道缺陷及病害常规检测技术

2 运营铁路隧道检测技术

2.1 图像类检测技术

图像类检测技术主要针对隧道表观状态及隧道断面轮廓等进行检测，目前主要通过摄像、激光扫描等方式进行数据采集，搭配专业软件进行异常识别。

2.1.1 图像识别检测

图像类检测技术主要是利用线阵CCD相机摄像及自动识别软件进行隧道缺陷及病害检测，此类检测多以裂纹识别为主，还可对渗漏水、剥落等进行识别。一般将相机搭载于车辆或移动平台进行图像采集，具有采集速度快、作业便捷、人工依赖程度低等特点。

2.1.1.1 轨道式移动检测平台

同济大学研制了利用线阵CCD相机及光源组成的检测平台，发展成为目前的MTI-200A检测平台(见图1)，可检测裂纹、渗漏水、掉块等，其检测速度为0～10 km/h，应用表明其裂纹最高识别精度可达到0.2 mm[11-12]。

图1 MTI-200A检测平台

韩国早在2006年就由汉阳大学研制了裂纹图像检测装置[13]，后韩国铁道技术研究所研发了TIBOS检测机器人(见图2)。该装置采用二维激光扫描仪和高分辨率摄像机进行综合扫描，相机能够自动调整分辨率、焦距和角度，从而完成对隧道裂纹、渗漏水及剥落等情况的检测。此外，TIBOS还能够评估轨道不平顺性及钢轨部件紧固状态。激光扫频速率为30 kHz，摄像机最大采样帧率为30 f/s。激光扫描仪和摄像机均可选择安装数量，最多可安装3台激光扫描仪和90个摄像头。装置检测速度为1～6 km/h，有高分辨率检测、正常检测和高速检测3种工作模式。高分辨率检测模式下，对裂纹的识别精度可达0.1 mm，目前在韩国隧道检测中已有较成熟应用。

图2 TIBOS检测机器人

2.1.1.2 车载式检测平台

中国铁道科学研究院集团有限公司(以下简称“铁科院”)基于车载线阵相机开发了图像识别检测技术，能够以50 km/h速度进行图像采集，具备对宽度1 mm裂纹的识别能力，采用人工智能算法可有效排除电缆、施工缝、污渍、阴影等干扰项，并对渗漏水、剥落、掉块等进行识别，识别准确率达到80%以上。病害识别结果如图3所示。

(a)干扰项排除 (b)裂纹识别

JR东日本TuLIS衬砌表面摄像车(见图4)采用激光成像技术，由12个传感器组成，每个传感器包括激光和区域相机。检测时6个传感器组合工作可对半幅隧道进行扫描，通过激光扫描衬砌表面，照相机拍摄其反射光，从而获取检测部位的图像及三维信息。该车纵向检测精度和环向检测精度均为1 mm，检测速度为20 km/h。

图4 TuLIS检测车

2.1.1.3 图像后处理软件

在图像后处理软件开发方面，日本中外科技股份株式会社开发的图像后处理软件能够将裂纹、渗漏水、剥落通过展开图进行形象化展示。衬砌缺陷展开如图5所示。日本理光开发的后处理软件能自动识别病害并生成缺陷病害CAD图(见图6)，为后期养护维修提供便利。

图5 衬砌缺陷展开图

图6 衬砌缺陷自动生成图

2.1.2 三维激光扫描检测

三维激光扫描技术由于其精度高、覆盖面广的特点，在隧道检测中应用广泛。其在运营期隧道检测中的应用包括：隧道内轮廓及净空变化检测；隧道侵限情况检测；对破检的空洞进行形态扫描，计算空洞体积；隧道渗漏水检测[14]。

三维激光扫描技术在运营期隧道检测中的应用效果主要取决于二次开发软件的算法及其计算能力。目前三维激光扫描技术在隧道内轮廓及净空变化检测、隧道侵限检测中已较广泛应用。对已破检验证的空洞体积检测精度与空洞形态及破检位置有关，当空洞形态类似梭形、破检位置居中时，其检测精度较高；当空洞形态极不规则、破检位置居空洞边缘时，其检测精度较差。在检测隧道拱顶空洞时，通过对已破检的衬砌背后进行扫描，可识别空洞的几何形态(见图7)，并计算空洞尺寸，为后期制定修补空洞方案提供依据。三维激光扫描技术在隧道渗漏水检测中的识别率可达92%，能准确识别渗漏水部位及面积[14]。

图7 衬砌空洞三维扫描成像

由于图像识别检测裂缝存在图像畸变等问题，利用三维激光扫描进行隧道裂缝检测开始受到关注[15]。从理论而言，利用三维激光扫描检测裂缝不仅无畸变，同时可以对裂缝宽度进行高精度测量，其主要难点在于如何高效获取高密度点云数据并进行后期处理与识别，当前三维激光扫描已初步实现了在桥梁、轨道板、路面裂缝检测中的应用[16-18]。

2.2 探测类检测技术

探测类检测技术主要针对隧道衬砌内部状态进行检测，主要通过声波、电磁波、温度、振动的变化进行检测，是一种无损的检测方式。

2.2.1 冲击回波检测

20世纪80年代提出冲击回波法，至20世纪90年代末理论逐渐完善，并在隧道检测中被推广应用。其原理是通过在隧道壁上激发并产生冲击波，在空洞处声阻抗变化，发生反射并形成回波，通过采集回波信号并进行频谱分析判断衬砌是否存在空洞。

我国学者采用冲击回波法和迁移学习实现了对隧道衬砌厚度不足、衬砌混凝土强度不足、衬砌背后空洞及不密实等缺陷的识别，通过迁移学习所得的训练模型缺陷识别准确率总体超过了95%[19]。工程实际应用也表明了其可靠性和广泛的应用前景。

冲击回波检测在韩国隧道检测中应用也较多[20]，韩国电力公社开发的隧道冲击回波检测装置(见图8)，可用于探测隧道结构与地层间的空洞，在实验环境下其检测精度达到了99%。

图8 隧道冲击回波检测装置

2.2.2 雷达检测机器人

隧道爬壁检测机器人(见图9)利用海绵真空负压吸盘在衬砌表面进行爬行，机器人搭载地质雷达，可在20 m距离内利用遥控方式实现爬壁行走，对隧道进行检测，降低了人员高空作业风险[21]。

图9 隧道爬壁检测机器人

2.2.3 水击声音检测

日本研发的水击声音法利用水对衬砌施加振动，通过收音装置进行振动测量，进而判释衬砌剥落情况[22]。水击声音法检测装置如图10所示。

图10 水击声音法检测装置

2.2.4 敲击检测

中国铁路成都铁路局集团有限公司等多家单位联合开发了智能手机隧道衬砌敲击检测技术[23]，通过对密实衬砌敲击检测确定隧道空洞阈值。采用智能手机作为检测平台，利用专用激振装置敲击衬砌，对采集到的信号进行分析，确定是否存在空洞。此外，自然科学基金委发布的2020年高铁联合基金将“铁路隧道混凝土结构缺陷声学特性及识别方法研究”作为重点资助的研究方向，未来我国在敲击检测技术方面特别是对缺陷声学特征研究方面，将得到更多重视。

日本很早就开始对自动敲击装置进行研发。2003年，日本哈萨马环境事业开发部联合多部门研发了自动敲击检测车(见图11)，该车能以1.5～2.0 km/h的速度，间隔30～45 cm进行敲击检测。

图11 自动敲击检测车

日本I·T建设株式会社研制了手持自动敲击检测装置(见图12)，该装置通过手持自动敲击装置获取衬砌敲击数据及敲击位置信息，并上传至手持平板电脑，由后台计算机系统判释衬砌缺陷及病害情况并反馈给平板电脑，整个过程能在数秒内完成。其打击力为0.5～2 N，打击频率为2次/s，可连续敲击3万次以上，能在气温为-20～40 ℃、相对湿度为10%～90%的环境下正常作业。该技术提高了判释标准程度，检测过程可由电脑自动记录，大大降低了对检测人员数量及专业性的要求。

图12 手持自动敲击检测装置

日本自动控制系统研究所等部门研发了隧道检测无人机，如图13所示。该装置搭载摄像机，沿隧道壁面飞行，并采集图像。当到达敲击检测点时，通过飞行控制使敲击装置与隧道壁平行，作业人员通过控制器控制敲击并采集数据，完成对隧道衬砌的检测。该装置避免了检测人员高空作业，可进行隧道少人化抽检及异常确认。为提高信噪比，在后期改良中明确了螺旋桨噪声频率范围，可对无人机螺旋桨噪声进行滤波处理。日本大阪大学开发了可吸附于隧道壁面的检测无人机[24]，通过空气吸盘可吸附于隧道壁面，保证敲击的稳定性。

图13 隧道检测无人机

2.2.5 温差检测

温差检测[25]设备(见图14)用照射装置加热衬砌，利用衬砌正常部位温度下降比衬砌剥落部位快的特点，通过红外线照相机对剥落部位和正常部位进行热成像，判释剥落等异常情况。该技术存在的问题是设备费用高，加热耗能大。

图14 温差法检测车

2.2.6 激光激振检测

JR西日本与日本原子能机构等多部门联合研发了激光激振检测装置[26-28](见图15)，以取代人工敲击。该方法使用脉冲激光激振，并通过激光测量振动变化，从而识别衬砌剥落、空洞等异常情况。激光激振检测法原理如图16所示。该技术实现了自动化、远距离无接触式检测，但装置费用高、检测范围小、衬砌表面有污渍时检测准确性差。

图15 激光激振检测装置

图16 激光激振检测法原理

2.3 集成综合类检测技术

集成综合类检测技术主要指多类型检测设备集成于同一平台(一般为车载平台)进行综合检测的技术，该技术具有标准化程度高、作业方式便捷、检测功能丰富的特点。

2.3.1 隧道检测车

1)铁科院研制了轮轨式隧道衬砌质量检测车[29-30](见图17)，该车能同时检测隧道衬砌内部及表面的缺陷和病害，并能对隧道净空变化、侵限情况进行检测。衬砌内部最大检测深度为1.5 m，垂直分辨率大于2 cm，表观状态检测精度为1 mm。

图17 轮轨式隧道衬砌质量检测车

2)铁科院研制的轮胎式隧道衬砌质量检测车(见图18)，由衬砌限界检测系统、衬砌内部缺陷检测系统、衬砌表观质量检测系统组成，可对隧道轮廓、衬砌厚度、钢筋分布、钢架间距以及仰拱缺陷、衬砌空洞、衬砌表面裂缝、掉块、渗水情况等进行快速检测。满足隧道拱顶和边墙9条测线、仰拱4条测线的检测，检测作业速度为3～10 km/h。相较于传统手持天线，检测效率显著提高。

图18 轮胎式隧道衬砌质量检测车

3)上海同岩土木工程科技股份有限公司研制了轮轨式地铁隧道结构检测车(见图19)，能检测裂纹、渗漏水、变形等。标称检测速度不低于30 km/h，裂纹检测精度可达0.1 mm。

图19 轮轨式地铁隧道结构检测车

4)中铁隧道局集团有限公司等多家单位联合研发了集成非接触探地雷达、CCD工业相机检测系统以及车载式三维激光扫描系统的隧道综合检测车(见图20)，实现了隧道衬砌内部状态、表观状态及几何形变一体化快速检测。该车采用模块化设计，检测舱可搭载于汽车、轨道平板车。其非接触式雷达检测系统可实现0.5～4.5 m的远距离检测。

图20 隧道综合检测车

5)JR东日本的CLIC检测车[31](见图21)搭载3台16通道收发耦合阵列天线雷达，安装在滑动臂上的2台呈圆弧状展开，安装在偏移臂上的1根伸长到正上方，展开到拱部进行检查。作业时车辆往返3次检测14条测线，能以3.5 km/h速度检测40 cm厚衬砌的空洞等缺陷。

图21 CLIC检测车

6)日本计测检查株式会社等研发的MIMM-R检测车[32-33](见图22)搭载了连续图像摄影系统、高精度三维激光测量系统、非接触雷达探测系统(配置3条天线)，能检测衬砌裂纹、渗漏水、变形、厚度不足、空洞等。该车能以50～70 km/h速度进行隧道表观状态检测；以50 km/h速度在距衬砌3 m距离进行雷达检测，探测深度为50 cm，通过探头的上下升降及前后左右旋转实现对不同测线的检测。通过钻孔验证，厚度不足及空洞检测精度可达80%～90%。其后处理软件ITAMS2019功能也十分强大，包含5个子系统：1)分析系统，自动提取裂纹；2)Drawing系统，生成检测缺陷及病害展开图；3)数据库系统，实现检测表格生成及管理；4)Viewer系统，对检测数据、图像和三维图进行展示(见图23)；5)终端操作系统，连接平板电脑进行实时操作。该车最大的特点是能将变形情况与裂纹发展进行比对，进而判断裂纹是由于外力作用导致还是施工或材料因素引起。

图22 MIMM-R检测车

图23 检测结果三维图

2.3.2 巡检机器人

集成综合检测技术除检测车外，隧道巡检机器人在电力系统、轨道交通等领域已广泛应用[34]。我国地铁隧道智能巡检机器人(见图24)能实现限界入侵、异物入侵、电缆温度、裂纹、渗漏水、隧道变形和轨道变形检测，并可对隧道进行视频监控和三维建模，降低了运营隧道人工巡检的需求。

图24 地铁隧道智能巡检机器人

3 检测技术发展趋势及模式

3.1 运营期隧道检测技术发展趋势

我国铁路运营期隧道总体规模巨大，传统隧道检测依赖人工、缺乏快速检测手段，先进检测技术普及程度不高，难以满足大规模运营隧道检测及时、高效的需求。同时隧道检测内业处理效率不高，可能导致病害整治工作滞后，增大运营风险。基于运营期隧道检测技术发展，结合铁路隧道检测需求，当前运营期隧道检测技术发展具有如下趋势。

3.1.1 快速综合检测技术

隧道检测逐渐由单项目独立检测向一体化综合检测方向发展。以隧道检测车为代表的集成综合检测装备不仅降低了检测过程的人工需求，其检测效率也大幅提升。随着数码摄像、三维激光扫描、无损检测、人工智能等技术发展，移动式检测设备将具备更强大的检测功能，有效提高运营隧道检测的效率及综合化程度。同时，智能设备逐渐取代人工检测，标准化作业更易实现，也将使检测数据更加客观、可靠。

3.1.2 数据智能化判释

内业处理是制约隧道检测效率提高的主要因素之一。判释依赖人工经验，主观性强，降低了检测结果的可靠性。随着人工智能技术发展及检测数据样本库的进一步丰富，检测数据的判释将逐渐形成统一的标准，判释过程将更少依赖人工，其效率将大幅提高。

3.1.3 隧道状态协同评估

隧道不同类型缺陷的相关性研究是当下的研究热点之一，随着缺陷演化机制、演化阶段表现形式、不同缺陷及病害之间的影响模式等相关研究的日益完善，隧道状态评估将由独立评估转变为基于多源数据融合的协同评估，实现检测数据之间的彼此约束，使评估结果更接近隧道的真实状态。

3.2 运营铁路隧道检测模式

随着川藏、渝昆等铁路开工建设，隧线比高、特长隧道多将成为未来铁路隧道的新特点。快速综合检测、数据智能化判释、隧道状态协同评估将成为技术发展方向。同时我国铁路隧道运营所面临的形势比世界上其他国家都要复杂，既有技术和模式无法完全满足实际需求，建立适合我国国情的运营铁路隧道检测模式，既是实际需求，也是交通强国所必需。结合我国铁路隧道运营特点，隧道检测应重视铺轨前的隧道检测，积累较为完整的隧道初始状态数据，并构建数字孪生隧道模型，以此为基础进行运维管理。运营期隧道检测模式见图25。基于快速、综合、智能化检测搭建隧道检测技术体系，以此开展隧道检测，并实时更新模型数据。基于多源数据融合进行隧道状态协同评估并预测发展趋势，建立养护维修专家库辅助人工决策制定养护维修方案，实现依据隧道状态、有目的、分轻重缓急并高效配置人、机、物、料的隧道维修，即隧道状态修。依据隧道健康状态动态调整检测周期，降低检测成本，形成以综合移动式检测装备、自动巡检装备为主要检测手段，建立隧道状态信息库和养护维修专家库进行数据管理与辅助决策，利用信息管理平台进行综合管理，最终实现大规模隧道少人化、高效率的检测和运维管理。

图25 运营期隧道检测模式

4 结论与建议

我国运营铁路隧道规模巨大，不仅给运维管理带来了巨大挑战，国民经济也将承受更多负担。及时发现隧道隐患，既是运营安全保障之所需，也是实现预防修的基础，即在隧道发生影响正常使用的病害或风险之前进行预防性维修。本文首先介绍了中日韩运营期隧道检查制度及周期，总结了隧道缺陷及病害常规检测技术。针对图像类检测技术、探测类检测技术、集成综合类检测技术3个方面，介绍了中日韩隧道检测技术进展。基于我国运营铁路隧道检测需求及既有技术发展现状，提出了以快速综合检测、数据智能化判释、隧道状态协同评估为主的发展趋势，分析了适用于我国运营铁路隧道检测模式。运营铁路隧道检测应重视铺轨前的隧道检测，确保隧道初始状态信息的全面和真实性，同时，加快建设隧道状态信息库，基于快速、综合、智能化的隧道检测技术体系，实现运营期铁路隧道的动态周期检测，达到降本增效的目的。