营运中隧道衬砌裂缝影像判释暨特征化与数字化技术

营运中隧道的维护管理与安全检测作业常需处理大量的衬砌表面影像资料。本研究研发衬砌影像裂缝自动判释技术以及裂缝空间分布特征化与数字化技术,提供衬砌表面影像判释与信息化处理的有效工具。经数个已知肇因、衬砌裂缝具不同空间分布形态的隧道案例应用结果显示,所提技术可以快速取得判释基准一致的衬砌裂缝分布展开图;而数字化参数组合有效分离不同空间分布形态的裂缝,且对于衬砌裂缝空间分布形态相同,裂缝发展程度不一的情况亦具有应用性。     

隧道开挖支护质量3DZI检测技术及应用研究

为解决钻爆法隧道施工过程中隧道围岩及开挖支护质量难以快速、完整、准确检测的难题,通过对三维重建与全景展开图技术的融合与改进,提出基于3DZI技术(3D Reality and Deep Zoom Image)的隧道开挖与支护质量检测方法。通过用参数化流线与迹线方程构建网格化的设计轮廓曲面,建立三维轮廓与二维展开平面之间的映射关系,实现三维实景与平面全景展开图的信息协同与辨识;通过网格曲面法线方程与三维实景模型求交,实现对空间距离测量和体积估算,并生成净空偏差云图和断面图;通过求交修正后的网格曲面实现对图像无视差矫正拼接,生成高质量的全景展开图,用于还原记录围岩和初支表面情况,实现对表面物体长度和面积的测量。结果表明:该方法设备成本低且作业灵活,仅需在现场布置若干控制点后自由设站拍摄照片,可实现隧道围岩地质编录、超欠挖与初支工程量等量化检测,以及隧道塌方体积与大变形量的快速测定,并可揭示各项作业效果之间的因果关联性。工程现场应用表明:该方法检测结果能直观全面地反映隧道开挖支护效果及围岩地质情况,同时获得超欠挖分布规律和初支材料用量信息,可为隧道施工开挖与支护质量控制、动态设计提供可靠的信息化检测结果和依据。     

探地雷达检测隧道衬砌质量缺陷判别及工程应用研究

探地雷达检测技术具有高效、快速、无损等优点,广泛应用于隧道衬砌质量检测,本文通过对隧道衬砌质量常见缺陷的类型、成因及缺陷典型雷达图像的识别分析,依托探地雷达技术在某铁路隧道衬砌质量检测工程中的应用实例,对隧道衬砌质量缺陷类型、数量、分布等方面进行统计分析,得出隧道衬砌质量缺陷分布的一般规律,研究结果对指导隧道衬砌施工过程质量控制和缺陷整治,提高隧道建设和运营养护水平具有工程实践意义。     

隧道衬砌自动化检测及健康评价技术研究

为进一步提高隧道衬砌的自动化检测及健全度评价技术,基于无损检测技术开展了非可视化高速摄影检测技术和常时微动检测技术研究。非可视化高速摄影检测技术能够实现衬砌表面病害高速检测、自动识别与提取,检测系统行车速度可达到100 km/h,裂缝检测精度可达到0.2 mm (检测车速度100 km/h);常时微动检测技术能够实现提取隧道衬砌内部异常点(包括裂缝和空洞)的自动检测,具有小型化、抗干扰能力强、精度高、无需额外震源等优势。健全度评价方面,提出分形维数、常时微动平均合成谱RAS (resultant average spectrum),结合TCI(tunnel-lining crack index)实现隧道衬砌病害特征的定量化描述,3个指标可以综合考虑裂缝的宽度、长度、方向、数量、交叉分布以及衬砌内部异常等特性,相互结合可以更为准确地确定损伤衬砌段。     

基于水平集方法的隧道衬砌裂缝识别研究

本文提出一种基于水平集方法的隧道衬砌裂缝自动识别算法,水平集模型使用演化曲线的长度作为内部能量项,以约束演化曲线的连续性和光滑性,结合管型流场和局部导向信息构成外部能量项,用来驱动曲线演化。首先使用局部导向滤波对原始裂缝图像进行裂缝结构增强处理,然后使用大津法进行图像预分割,并根据预分割的结果初始化水平集函数,最后使用水平集模型完成图像分割,实现裂缝识别。实验结果表明,算法的裂缝识别效果良好,抗噪性能强于常规的图像识别算法。     

提高地质雷达隧道衬砌质量检测效果的几点措施

地质雷达已成为隧道施工质量检查和运行期间隧道病害检测的重要手段,然而在采用地质雷达进行隧道衬砌质量检测时也暴露出一些问题。为提高采用地质雷达进行隧道衬砌质量检测的效果,简述了地质雷达隧道衬砌质量检测基本工作原理,从现场检测过程中的增益设置、病害识别、干扰图像辨识、衬砌厚度检测和里程定位几方面,讨论提高地质雷达检测隧道衬砌效果的几点措施。得出:1)增益设置应尽量在边墙喷射混凝土密实度较好的地段进行,并应远离隧道内干扰物;2)病害和干扰图像的识别需在现场检测和室内分析工作中不断积累经验;3)衬砌厚度的检测可用平均波速法,并辅以微电测深法,采用平均波速法探测隧道衬砌厚度的绝对误差可控制在5 cm;4)隧道衬砌质量检测宜采用时间触发方式,尽可能保证雷达天线匀速移动,并做好记录工作。     

云南山区国省干线运营公路隧道衬砌病害状况分析

基于云南山区100余座国省干线运营公路隧道服役状况检测数据,统计了隧道衬砌裂缝、衬砌背后空洞和衬砌渗漏水等病害特征,得到了各典型病害的主要存在形式、存在部位及其分布规律,分析了各典型病害主要成因。结果表明:衬砌裂缝以环向裂缝为主,边墙及墙脚处裂缝居多,裂缝多集中在宽度小、长度短的区间。衬砌背后空洞以拱顶和拱腰处为主,多集中在长度14m以内、横向宽度10cm～50cm范围。围岩越好,发生衬砌背后空洞的概率越大。渗漏水类型以浸渗为主,渗漏水多集中在边墙处。所得结论可为云南省公路隧道维修加固、病害防治和设计、施工优化提供参考及数据样本。     

基于3D空间球面的车载全景快速生成方法

为了高效生成具有低失真度的车载全景,以保证基于此影像信息的辅助驾驶系统的实时性,提出针对运算效率进行优化的车载全景生成方法。首先,利用多扫描线趋近、圆拟合的方法实现鱼眼成像有效区域的准确自动提取,并对参数进行优化以提升算法鲁棒性。基于鱼眼成像有效区域轮廓,计算得到有效区域半径以及圆心。以圆心为原点,半径为单位长度重构笛卡尔坐标系。再基于此坐标系,将鱼眼成像通过经纬映射投射至3D空间球面并在球心建立虚拟相机,利用梯度下降获取视锥体最优旋转角后进行视角重构并成像,直接获取该方向鸟瞰图,实现通过一步变换完成鱼眼校正与逆透视变换,达到提升车载全景影像生成速率与减少图像失真的效果。最后,对图像位置进行配准,使虚拟相机直接成像在指定位置,并对4幅图像进行融合,从而降低由于拼接缝带来的图像信息损失,保证生成的车载全景影像最大程度保留道路信息。研究结果表明:使用该方法在同等硬件平台下,基于标定参数计算生成车载全景影像速率提升接近1倍,从视觉上图像失真程度明显降低;该算法可以提升车载全景生成速率,减少计算资源占用,降低图像失真,从而提升基于车载全景影像的辅助驾驶系统的实时性与可靠性。     

隧道衬砌施工缺陷对结构安全的影响研究

运用理论分析和数值模拟等研究手段,基于地层-结构法原理,就衬砌厚度不足、衬砌背后空洞和衬砌结构裂缝3种病害对衬砌结构安全性的影响进行研究,得出缺陷在衬砌结构不同位置处以及沿隧道纵向不同长度上衬砌结构的应力和安全系数的变化规律,为隧道结构的安全性评价和后期的运营监测提供依据。     

地质雷达在高速公路隧道衬砌交工验收检测中的应用

以高速公路隧道衬砌交工验收检测为契机,结合公路隧道衬砌结构特点,着重介绍了隧道衬砌缺陷雷达识别特征及工程处治方式分析,隧道衬砌厚度雷达检测误差分析及隧道衬砌厚度雷达层位追踪方法,并通过雷达检测实例结合钻孔验证了高速公路隧道衬砌交工验收检测中的3项重点关注指标,确定了地质雷达在高速公路隧道衬砌交工验收检测中的可靠性,并取得了良好效果,达到了评价公路隧道衬砌质量的目的,为高速公路隧道衬砌工程质量交工验收提供了科学依据。     

基于计算机视觉的桥梁裂缝半自动检测方法

桥梁裂缝对桥梁危害很大,对其进行识别检测对桥梁安全至关重要。但桥梁环境复杂,含有大量噪声和干扰信息,很难准确的自动识别出裂缝。本文提出一种半自动检测桥梁裂缝的方法,通过用户在裂缝上选取多个种子点,实现裂缝的自动跟踪,然后用区域连通的方法对多个种子点填充出的区域进行连接,从而提取出完整的桥梁裂缝。实验结果表明,该方法通过人机交互,降低了对算法的要求,裂缝识别更有针对性,能够快捷准确地提取出隧道裂缝。     

地质雷达探测过程中干扰物的图像识别

为了保证施工安全与质量,采用地质雷达进行施工前期地质情况调查和施工质量无损检测。通过对探测过程中外界干扰因素形成的图像进行识别,提高地质雷达探测图像识别的准确率。对地质雷达探测过程中地面高压输电线、隧道衬砌台车、避车洞等干扰物形成的雷达图像进行了分析判别,研究确定了高压输电线、隧道衬砌台车、避车洞等干扰物在雷达图像上的表现形式。该研究成果可为地质雷达、地质勘察和无损检测图像解释提供参考,能有效提高地质雷达探测图像识别的分析效率和准确率。     

运营铁路隧道衬砌背后较大空洞的精确检测技术

目前采用地质雷达等无损检测技术可快速、准确检测衬砌厚度和衬砌中钢筋数量等参数,并可有效判识衬砌背后空洞等缺陷沿隧道纵向和环向长度,但对这类缺陷的径向尺度因介电常数的差异、反射面的识别等原因而无法准确判识。依托西南地区某运营铁路隧道衬砌背后存在较大空洞的工程实际,结合现场钻孔调查和地质雷达无损检测,首次运用钻孔三维激光扫描技术对运营铁路隧道衬砌背后空洞进行扫描,实现精确检测,得到衬砌背后空洞的三维形态和具体尺寸,检测成果可为隧道病害整治提供准确的数据,可设计出更具针对性和操作性的整治方案。提出的“物探+钻孔三维激光扫描”技术,能实现衬砌背后空洞“粗中有细”的全面检测。     

基于空气耦合式探地雷达探测的衬砌层位特征识别的正演模拟

采用探地雷达进行隧道衬砌检测时,需要准确提取衬砌的层位特征（含相应病害信息）。采用空气耦合式探地雷达对隧道衬砌质量进行检测,基于GprMax2D和Matlab为平台环境,对衬砌层位特征识别进行研究。主要研究及结论如下： 1）对多种实际工况的衬砌形式进行二维正演模拟分析,并对电磁波在多层介质中反射特征进行研究。研究表明,探地雷达反射回波的起始位非零,而电磁波在介质分界层处发生反射的时刻取决于电磁波所传播层面的厚度,当2层介质差别较大或2层介质之间有空气存在时,反射时刻位于波形的最大波峰或波谷所在位置,而与脉冲源的位置和第2层介质的介电常数无关。 2）根据隧道衬砌的分层特征,在实际隧道衬砌中,对探地雷达数据和实际干扰因素进行分析处理,对与理论反射时间误差太大的进行修正。研究成果对应隧道衬砌层位及病害性状识别均具有指导和借鉴意义。     

衬砌存在裂缝的隧道力学模型及机理研究

衬砌裂缝是隧道工程中最常见的病害,严重时会影响隧道的运营安全,准确评价存在裂缝衬砌结构安全状况是隧道工程师面对的难题。通过分析隧道裂缝病害力学和几何特征,利用接触理论模拟裂缝面的接触摩擦作用,基于地层—结构方法建立了包含纵向裂缝的隧道计算模型,并综合钢筋混凝土理论和脆性材料断裂判据,建立了存在裂缝的隧道衬砌结构安全性评价方法。在计算模型和评价方法的基础上,分析了裂缝角度对衬砌结构安全的影响,计算结果表明,裂缝角度是决定衬砌结构稳定性的重要参数。算例分析表明,该计算模型和评价方法简便易行,意义明确,对深入理解和分析裂缝面承载机理具有指导意义,对存在裂缝的隧道病害检测和状态评定具有借鉴和指导意义。     

一种基于多尺度脊边缘的沥青路面裂缝检测算法

为了提高沥青路面裂缝的检测精度,针对裂缝的复杂性和多态性,提出了一种普适性较好的基于多尺度脊边缘的沥青路面裂缝检测算法。首先,对路面不同形状裂缝的多种脊边缘特征进行分析,并对利用高斯函数及其导数检测脊边缘的原理进行了推导;其次,根据脊边缘的多尺度特性,采用多个尺度的高斯滤波器对图像中的多尺度脊边缘进行检测,并对各个尺度的检测结果进行像素级融合;然后,结合裂缝的长度、宽度、方向、连续性、线性度等特征去除伪裂缝;最后,利用最小生成树算法实现了检测图像上不同位置裂缝的连接,使得检测出的裂缝更加接近实际裂缝的形态。研究结果表明:提出的算法可以对不同形状特征、尺寸和位置的裂缝目标进行有效检测,具有较高的检测精度和较好的检测效果,且该算法抗噪性能好、通用性强,是一种具有工程应用前景的高效的沥青路面裂缝检测方法。     

山岳隧道衬砌裂缝肇因诊断方法研究——以力学因素为例

诊断衬砌异状肇因为隧道安全评估与维修补强对策设计至关重要之项目。依据隧道检测案例与技术文献报导,研究隧道衬砌裂缝力学因素,提出可诊断力学因素的5种典型裂缝型态。继而透过典型裂缝型态的特征与空间分布,开发出诊断山岳隧道衬砌裂缝力学肇因之流程与方法,并以一实际铁路隧道检测案例验证所提流程与方法。     

基于深度学习方法的路面裂缝目标检测

公路和城市道路最主要的路面损坏类型是裂缝类病害。能否准确识别,尤其在众多路面信息图像中高效甄别各类表观病害,为路面技术状况评定、养护科学决策和路面病害处置提供基础数据,是当前领域研究的重难点。为此,对横向裂缝、纵向裂缝、斜裂缝长度类和龟裂、破损板面积类等典型裂缝类病害几何特征进行分析,确定了自动识别裂缝样本标注方法,构建了路面裂缝目标检测样本库,包含沥青裂缝长度类图像样本6 311个、龟裂面积类图像样本4 086个、水泥裂缝长度类图像样本37 945个、破碎板面积类图像样本7 310个。基于Faster-RCNN进行训练验证,开展路面裂缝目标检测并实现自动识别。利用北京市政道路2 000 km路面图像进行试验验证,并与路面裂缝Unet分割自动识别方法进行对比。试验结果表明,开展路面裂缝目标检测可通过提出的深度学习方法,有效提高召回率和准确率,其值高达85%以上,自动识别运行效率为12.3帧/s,与Unet分割自动识别方法对比更接近路面裂缝实际情况。     

探地雷达在隧洞衬砌质量检测中的应用

通过对电磁波在隧洞混凝土衬砌中的反射特征进行研究,并结合具体工程实例,阐述在隧洞衬砌质量检测中根据波形记录和雷达图像如何识别混凝土衬砌脱空、钢支撑、钢筋及保护层厚度、衬砌渗漏、衬砌厚度及衬砌混凝土内部缺陷等反射特征,从而确定隧洞的衬砌质量。     

围岩冻胀对隧道结构影响及锚杆整治对策

根据最近文献资料统计,季节冻土区隧道衬砌边墙出现纵向裂缝的案例越来越多,给隧道运营安全带来极大危害。采用理论分析和数值模拟方法研究了季节冻土区隧道冬季边墙衬砌开裂的原因及相应整治对策。结果表明:(1)仅考虑围岩冻胀力荷载时,当冻胀力达到一定量值时,边墙中间位置会产生较大弯矩,会导致边墙混凝土衬砌产生裂缝,当考虑冻胀力荷载和围岩荷载共同作用时,围岩荷载会进一步加剧衬砌裂缝的发展程度;(2)计算得到的边墙拉应力最大值对应位置通常在轨面以上2～3m处,与现场某隧道由围岩冻胀荷载导致衬砌开裂现象位置吻合;(3)当既有隧道内轮廓没有富余,不允许侵限的情况下,利用设置"被动型"抗拉全长锚固锚杆整治冻胀隧道病害的措施,可以有效抵抗围岩季节冻胀力荷载,防止边墙衬砌开裂现象的发生,确保隧道的运营安全。