基于图像识别技术的隧道衬砌裂缝检测系统研究

首先分析了既有隧道衬砌裂缝检测系统存在的问题,然后应用最新技术发展成果,提出基于图像识别技术的隧道衬砌裂缝检测系统。该系统能对隧道衬砌图像予以高速采集和存储,其后端采用基于深度学习的裂缝识别算法对海量的隧道衬砌图像数据进行快速识别,并提取裂缝特征参数。将该系统安装在现有轨道车上进行了试验,结果表明该系统可以50 km/h的速度对1 mm以上衬砌裂缝无遗漏采集。     

基于图像特征提取的隧道衬砌裂缝检测研究

隧道内存在的各种病害中以衬砌裂缝最为常见和严重。现阶段我国正处于高速铁路大量建设和投入使用的时期,由于高速铁路列车运行速度较快,衬砌裂缝产生掉块将会是巨大的安全隐患。但与之相应的隧道检测手段仍停留在人工肉眼检测的阶段,本文基于近几年快速发展的工程图像检测系统,提出适用于图像检测的隧道衬砌裂缝评价指标,对采集到的裂缝图像进行增强和分割处理,通过实验选取了合适的增强和分割方法,并利用形态学原理对裂缝图像进行处理,提取出裂缝长度、宽度等特征指标,并将特征指标作为识别和评价裂缝的数据依据。     

基于深度卷积神经网络的隧道衬砌裂缝识别算法

衬砌裂缝严重影响了铁路隧道的安全运营,采用机器视觉技术快速获取衬砌图片并进行裂缝识别是国内外的研究热点。衬砌裂缝图像信号具有复杂的特性,存在水渍、污染及其他结构缝等引起的噪声,加之光照不均匀、分布不规律等原因,使得传统的图像处理方法难以快速、准确地检测衬砌裂缝。本文提出一种基于深度神经网络的隧道衬砌裂缝识别算法,有效解决了裂缝识别速度慢、精度低等问题。分类结果精度达到94%,识别速度在GPU(Pascal Titan X)上每张图片仅需0.05 s;分割网络性能均交并比可达到65%,能够准确分割出裂缝形状。该算法具有很好的工程应用价值。     

隧道检测裂缝的图像处理研究

裂缝是隧道衬砌最常见的病害之一,基于近几年快速发展的工程检测系统与图像处理算法的研究,提出基于CCD相机的衬砌裂缝检测系统来采集裂缝图像。通过比较均值滤波、中值滤波、维纳滤波、自适应中值滤波和加权邻域滤波比较,选择自适应中值滤波进行图像增强。结合直方图阈值分割法、Otsu最大类间方差阈值和局部阈值分割法,对增强后图像进行二值化处理比较,Otsu法较好地保留了裂缝的边缘信息,证明了该算法的有效性,为后续裂缝信息的提取奠定了基础。     

铁路隧道衬砌表观病害智能检测技术

针对铁路隧道衬砌表观病害检测需求，梳理并分析技术现状，介绍隧道衬砌表观病害智能检测系统的研制情况和系统组成。提出铁路隧道衬砌表观病害智能检测面临的技术难点，分析图像快速采集、病害智能识别、病害样本库构建等智能检测关键技术。通过基于实测数据集以及现场检测复核等手段，验证铁路隧道衬砌表观病害智能检测系统关键参数。结合现场运用情况，分析铁路隧道衬砌表观病害智能检测系统运用效率。智能检测系统应用表明，铁路隧道衬砌表观病害智能检测技术可大幅提升隧道衬砌病害检测的自动化和智能化水平。     

衬砌刚度对盾构隧道抗震性能的影响分析

研究目的:提高盾构隧道的抗震性能是保证隧道安全运营、保证人民生命及财产安全的必然要求。盾构隧道抗震减震措施主要有改变衬砌一定范围内围岩的性能和改变结构本身的性能。改变衬砌结构本身性能方面有多种方式,如增加衬砌厚度,改变管片环向或纵向接头方式、改变衬砌刚度等。本文通过数值分析比较不同的衬砌刚度对盾构隧道抗震减震性能的影响,为盾构隧道抗震设计提供参考。研究结论:根据不同衬砌刚度盾构隧道的受力分析,得出单纯提高管片的刚度并不能提高盾构隧道的抗震性能,反而增加衬砌管片的受力。随着隧道衬砌刚度的增加,衬砌结构的位移减少量不足2 mm,因此增加衬砌刚度对约束盾构隧道在地震作用下的变形并不明显。     

隧道衬砌分岔裂缝特征提取研究

随着高速铁路的快速发展,高铁隧道的病害问题逐渐受到重视,而隧道衬砌分岔裂缝发育造成的衬砌剥落掉块已成为常见的隧道病害之一,因此对于分岔裂缝的检测与防治十分重要。基于数字图像处理的隧道衬砌裂缝特征提取研究方面,国内外专家学者已经做了很多工作,但大都基于单线裂缝,针对分岔裂缝的特征提取研究还很少。利用MATLAB软件编程,在单线裂缝特征识别的基础上,通过对分岔裂缝进行分支化处理,提取了分岔裂缝的拐点特征。并加入了分岔点生长编码作为分岔裂缝新的裂缝特征,该特征能够量化分岔裂缝的初始生长方向。经裂缝匹配试验验证,不同时期的分岔裂缝图像,其拐点特征和分岔点生长编码特征能够达到高度匹配。两种特征能够为分岔裂缝的机器自动化识别提供可靠依据,进而为实现隧道衬砌剥落掉块预警奠定基础。     

高速铁路新建隧道衬砌质量检测车的研制与应用

根据我国高速铁路新建隧道建设期的检测需求和特点,提出检测车的主要技术指标和关键技术问题。该车采用轮胎式走行车辆平台,作业速度3～10 km/h,非作业运行最高速度80 km/h,兼具衬砌内部、隧底结构检测与衬砌裂缝识别功能,可同时对拱墙3条测线、仰拱2条测线进行检测。基于机器人自动追踪技术和地质雷达检测技术,雷达天线与衬砌表面距离可保持在(100±20)mm,确保隧道衬砌质量检测数据的连续性和准确性。轮胎式隧道检测车已在新建高速铁路隧道中得到应用,效果良好。     

背后空洞引起高速铁路隧道衬砌裂缝形态的FEM对比分析

衬砌背后空洞和衬砌开裂是威胁高速铁路隧道行车安全的最主要问题。高速铁路隧道衬砌背后空洞不仅是威胁隧道结构安全的重要因素,更是造成衬砌结构开裂最主要的原因。通过基于虚拟裂缝模型的扩展有限元方法(XFEM)和基于弥散裂缝模型的常规有限元分析方法(CFEM)的地层结构模型,对高速铁路隧道衬砌拱肩背后一定范围内空洞引起的衬砌开裂形态进行数值模拟分析,开裂形态表现为拱肩背后空洞近拱顶边缘的二次衬砌内侧开裂,同时初期支护环向贯通开裂。研究表明,扩展有限元法能较好地描述衬砌开裂的走向、长度等开裂形态以及扩展规律等,而ANSYS中的SOLID65单元能实现对衬砌背后空洞引起衬砌开裂范围的定性描述,两者之间相互补充和相互验证能较为准确地描述衬砌开裂的几何信息,进而有助于衬砌结构开裂应力场分析。     

朔黄铁路隧道衬砌表观病害检测技术

为实现朔黄铁路隧道衬砌表观病害远距离非接触快速检测,提出一种基于多源数据深度融合的隧道病害检测方法。首先利用高清线阵相机、激光扫描传感器等检测设备获取隧道衬砌表观高清图像和激光点云数据,然后利用特征提取网络提取图像和点云特征图,并采用空间变换方法将图像特征图投影到点云特征俯视图上得到融合特征图,最后利用候选区域网络和金字塔场景分析网络对融合特征图进行检测识别,输出病害的类型与位置信息。在朔黄铁路重点隧道开展的现场试验表明,该方法能检测隧道裂缝、掉块、渗水等表观病害状态,有效提升重载铁路隧道运维的智能化程度及综合检测水平。     

以性能指标为控制变量的强度折减因子

发展以性能指标为控制变量的强度折减因子是基于性能抗震设计方法的有效途径。本文以刚度退化(SD)滞回模型的SDOF体系为对象,利用改进的Park-Ang双参数破坏准则,根据所收集到的三类场地的214条近断层地震动记录为基础,首先从数值分析的角度检验以延性为指标的强度折减因子的可靠性,表明以单调变形延性系数为基础的强度折减方法难以有效考虑累积效应,导致过高的结构总体损伤而偏于不安全。在定义基于确定性能指标的强度折减因子的基础上,通过自编程序以近震记录分组下结构响应的统计结果进行回归分析,建立确定性能指标下的强度折减因子表达式,按三种场地类别用回归方法确定5%阻尼条件下的参数取值并进行验证,可作为桥梁结构基于性能的抗震设计方法的必要工具。     

基于时变刚度模型的悬臂梁损伤识别研究

考虑呼吸裂纹引起的损伤结构的非线性效应,提出裂纹悬臂梁的指数衰减时变刚度模型,分析结构瞬时频率与损伤位置和损伤程度的关系;利用中心差分法和Teager能量算子求解自由振动响应的瞬时频率;基于瞬时频率对结构的损伤识别进行探讨,建立损伤指标,识别结构的损伤程度;考虑噪声对损伤指标的影响。研究结果表明：结构瞬时频率是损伤位置和损伤程度的二维函数,瞬时频率的波内调制验证了结构的非线性,表明时变刚度模型的合理性,损伤指标具有一定的抗噪性。     

减振垫刚度变化对U型梁桥系统振动及结构噪声的影响研究

为了研究隔离式减振垫垂向刚度对U型梁桥结构振动及噪声的影响,采用多体动力学和有限元联合仿真的方法建立基于Timoshenko梁模型的车辆-轨道-桥梁刚柔耦合动力学模型,并将理论计算结果与以往文献对比,验证了模型的有效性。基于该模型计算了减振垫垂向刚度不同情况下的桥梁系统振动及噪声响应。结果表明:随着隔离式减振垫垂向刚度的增大,钢轨和轨道板的振动响应都有不同程度的减小,但桥梁结构的振动响应被放大,轨道结构和U型桥梁的振动幅值先是产生明显变化,随后逐渐趋于平缓;隔离式减振垫垂向刚度增加会增大桥梁结构二次噪声,所以应该选取较小的隔振垫刚度以达到抑制U型梁桥结构二次噪声的目的,但过小的垂向刚度可能会放大40 Hz以内低频区域的结构噪声。综合U型梁桥系统振动及结构噪声的计算结果,考虑到工程成本,用于高架结构的隔离式减振垫垂向刚度取为0.067N/mm~3较为合适。     

地面堆载作用下盾构隧道管片开裂行为分析

针对盾构隧道管片的非线性响应提出一种基于地层结构法的数值模拟手段,考虑土体、混凝土、钢筋和接触的非线性力学行为,将能够准确描述混凝土受拉压与剪切行为的总应变开裂模型赋予衬砌管片。针对实际工程的数值计算结果能够与隧道沉降及实际裂纹开展特征吻合,验证了该数值分析模型的有效性。引入最大裂缝宽度、开裂因子和开裂率等指标评价及预测衬砌开裂行为。研究结果表明:堆载作用下管环的主要损伤区扩展,深度增加,并萌生出宏观裂纹。基于对上、下行线开裂行为的对比分析可知堆载高度和堆载偏移距离对管片开裂行为有重要影响。     

高速铁路隧道壁吸声材料降噪效果仿真分析

应用SYSNOISE软件建立列车-隧道-隧道内壁吸音板结构的二维边界元模型,研究隧道内壁吸声结构不同铺设方案下的降噪效果。根据高速铁路列车通过时隧道内壁吸声结构不同铺设面积、铺设位置等因素,分析其对列车通过时噪声的降噪效果,并综合考虑工程经济性等因素,计算4个较为典型的隧道内壁吸声结构的铺设方案。计算结果表明:在隧道内壁全部铺设吸声材料的情况下,铺设隧道吸声结构对隧道内声压级的降噪效果约为14.3dB。随着隧道内壁吸声材料铺设面积的增加,隧道内的降噪效果越好。在计算选取的4个方案中,内壁整体铺设方案降噪效果最佳,内壁部分铺设方案降噪效果最差,两者的组合方案降噪效果适中,实际工程应用中应综合各方面因素对降噪方案进行选取。     

CRTSⅢ型减振板式轨道垫层刚度限值研究

为研究CRTSⅢ型减振板式轨道减振垫层刚度对自密实混凝土耐久性的影响,应用弹性地基梁-实体有限元模型,以减振垫刚度限值为研究对象,考虑列车荷载与正温度梯度共同作用,计算不同垫层刚度下自密实混凝土的拉应力、裂纹分布及宽度、耐久性损伤度。结果表明,随减振垫层刚度减小,自密实混凝土层拉应力、裂纹数量、裂纹宽度及耐久性相对损伤度均逐渐增大;依据自密实混凝土层耐久性要求,得到减振垫层的面刚度下限值为20 MPa/m。     

反复荷载作用下的混凝土损伤本构模型

混凝土损伤模型的研究,实际上是研究混凝土材料的本构行为。在外界因素作用下,材料的累积变形引起结构内部损伤发展,最终的损伤将产生宏观裂缝直至整个结构破坏。根据Najar损伤理论,提出了新的分段曲线混凝土受压损伤变量模型和混凝土受拉软化段损伤变量模型,给出了不同强度混凝土损伤变量方程和损伤演化方程。通过计算对比分析认为,建议的损伤模型与已有的混凝土本构模型较吻合。该方法的优点是参数少,不同的混凝土强度有确定的损伤演变方程,可以动态分析混凝土的累积损伤程度。在此基础上,根据已有混凝土反复荷载作用下的滞回规则,建立了在某一循环荷载下的加载、再加载、卸载路径下的损伤本构模型,该模型考虑了混凝土在反复荷载作用下的应力跌落、裂面效应、强度下降、刚度退化等力学性能。应用本文建议的模型进行反复荷载下的截面损伤计算,试验结果与文献计算结果较吻合。     

基于对应分析模型的隧道衬砌病害主成因挖掘

基于对应分析模型提出隧道衬砌病害主成因挖掘方法.根据隧道衬砌病害的样本和成因的调查资料,建立隧道衬砌病害对应分析模型的列联表;通过因子分析,建立对应分析模型中的R型因子分析与Q型因子分析的关系;计算对应分析模型的收敛性,采用特殊点排除法优化对应分析模型的收敛性;将隧道衬砌病害样本点和成因点绘制在二维对应分析图中;根据两者在图中的对应位置关系判断导致隧道衬砌病害的主成因.根据收集的18座隧道衬砌病害资料,采用提出的隧道衬砌病害主成因挖掘方法,利用SPSS软件进行主成因挖掘.结果表明,样本隧道衬砌病害的主成因有衬砌背后空洞、衬砌厚度不足、围岩处理不当和塑性地压4个.     

非均匀收敛随机介质模型对浅埋隧道施工引起地表沉降预测研究

针对软弱土层中的浅埋大跨隧道在施工过程中出现的初支变形、断面底部隆起等现象,通过对原有的断面收敛模式进行修正,提出考虑初支变形与断面底部收敛的统一收敛模式,并以单洞及双洞椭圆隧道为例,推导出该种收敛模式下隧道施工中产生地表沉降的随机介质法预测公式,应用遗传-蚁群混合算法(GA-ACA)解决该预测模型的参数反演计算问题。为验证该模型对浅埋隧道地表变形预测的准确性,以乌鲁木齐地铁1号线三—新区间某典型断面为例,分别使用均匀收敛、底部为0、底部非0以及统一收敛模式等4种收敛模式进行参数反演,并将反演结果与现场监测结果做对比,研究结果表明:统一收敛模式与隧道断面实际变形规律更加吻合,其预测精度要比不考虑初支变形与断面底部收敛时的预测精度更高,即对浅埋、超浅埋隧道而言,初支变形以及底部隆起等现象对地表变形预测结果产生的影响不可忽略。