紅外雙目探測儀在隧道滲漏水檢測中的應用

潘紅兵，李 猛

(1.南京交通運營管理集團有限公司，江蘇 南京 210000；2.上海航天控制技術研究所，上海 201109)

1 引 言

滲漏水是隧道的主要病害之一，也是引起隧道其他病害的根源。以長江隧道為代表的超大規模過江隧道，由于其長期處在高水壓地層中，在長期運營的過程中難免會受到滲漏水的影響，其形式主要包括：隧道漏水和涌水、襯砌積水、襯砌滲水以及襯砌表面泛堿等。這些形式的滲漏水會對隧道的安全運行產生嚴重威脅，因此，對隧道及時進行準確且有效的滲漏水檢測具有非常重要的意義。

目前，對于隧道滲漏水病害的研究主要集中在尋找滲漏水產生的原因[1-7]以及滲漏水發生后對交通帶來的潛在風險[8-13]。石建勛[14]等通過建立物理模型對隧道滲漏水病害的影響因素進行研究，發現滲漏水水量和襯砌厚度存在緊密聯系。艾青[15]等基于生存分析方法，建立了預測滲漏水病害隨各影響因素與事件發展的Weibull損傷累計模型，討論了滲漏水可能帶來的風險。孟慶年[16]等首次提出，將移動三維激光掃描與圖像分割相結合，通過空間變化法將三維點云數據轉換為二維正射影像，采用圖像二值化處理算法增強隧道滲漏水病害區域的邊緣信息，進而獲得滲漏水的區域大小和里程信息。上述研究增強了對隧道滲漏水的診斷與防治，有效地規避了滲漏水對于交通的潛在危害。但是，目前還沒有出現工程化的隧道滲漏水檢測系統，對于隧道滲漏水的檢測主要還停留在理論研究階段。

本文根據紅外熱成像技術研制了紅外雙目探測儀，并通過室內測溫可行性試驗和隧道測溫試驗，驗證所研制的紅外雙目探測儀對滲漏水處檢測的精度。

2 紅外熱成像測溫原理

任何溫度高于絕對零度(-273.15℃)的物體都會以電磁波的形式不斷地向外輻射能量，其輻射能包括各種波長。其中，波長范圍在0.76～1000μm之間的電磁波稱為紅外光波。物體輻射紅外能量的強弱與其溫度呈正相關，溫度越高則紅外能量越強。紅外熱成像技術就是利用紅外光的溫度效應來進行溫度的測量[17]。普朗克定律解釋了黑體的光譜輻射強度隨波長變化的分布規律，這是紅外熱像儀測溫的理論依據，其表達式為[17-19]：

(1)

式中，Ebλ為黑體光譜輻射通量密度，W/(cm2·μm)；c1為第一輻射常數，c1=3.7415×10-12W·cm2；c2為第二輻射常數，c2=1.43879cm·K；λ為光譜輻射的波長，μm；T為黑體熱力學溫度，K。

3 紅外雙目探測儀

基于紅外熱成像測溫原理研制了紅外雙目探測儀，如圖1所示，該探測儀由雙目探測系統和云臺等組成。雙目探測系統由上部分的紅外熱成像元件和下部分的可見光成像元件組成。紅外熱成像元件用于測量目標溫度，可見光成像元件用于將可見光目標成像到探測器的光敏面上，為智能分析系統提供分析圖像。云臺根據后臺系統的控制信號進行俯仰和航向調整，最終實現隧道拱頂區域探測。

圖1 紅外雙目探測儀

紅外熱成像元件的測溫分辨率達到0.1℃，可有效測量隧道內部發生的微熱量傳導所形成的小量溫差，從而解決常規熱像儀測溫分辨率不足，無法盡早發現隧道滲漏點的問題。紅外熱成像元件采用大孔徑設計，通過增大光學系統的能量來獲取更多有關隧道信息的紅外圖像，利于提取識別小目標、小溫差的可疑信號，提升隧道中輕微滲漏點的檢測效果?？紤]隧道檢測使用環境的特殊要求，選用的紅外熱像儀的具體參數指標見表1。

表1 紅外熱像儀參數

4 紅外雙目探測儀測溫可行性試驗研究

在實際盾構隧道檢測環境中，隧道拱頂是雙層石棉板結構，如有少量的滲漏水附著在石棉板內部，且在積水尚未透過石棉板的情況下，通過表面特征很難準確辨別滲漏水點的位置。因而，在利用紅外雙目探測儀檢測前，必須驗證其對板后隱形滲漏點檢測的可行性。

如圖2所示，將兩層石棉板裝訂在一起用來模擬隧道拱頂的雙層石棉板結構，并將水體放置在雙層石棉板后模擬滲漏點。圖中箭頭所指為水體(低溫輻射源)與石棉板熱傳導傳熱區域。試驗前，采集的石棉板以及水體的溫度分別為23.9℃和18.6℃，二者之間的實際溫差為5.3℃。

圖2 雙目探測試驗示意圖

試驗中，每隔5min對目標表面進行溫度采集，共采集15min。圖3為試驗中不同時刻紅外視圖。初始時刻不放置水體(a1)時，測得石棉板溫度為23.9℃，放置水體(a2)時，測得石棉板溫度為23.3℃，水體導致紅外測溫測得的石棉板處溫度降低0.6℃。隨著時間推移，不放置水體時測得的石棉板溫度(b1,c1,d1)均高于放置水體(b2,c2,d2)時測得的溫度，出現與水接觸位置的溫度低于其周邊溫度的現象。但此時的石棉板表面并未發生任何可視性變化。

(a)0時刻有無水體石棉板的溫度差異

圖4為試驗中同一點的溫度變化曲線。無水體時，15min內石棉板溫度由23.9℃降低為23.5℃，溫度變化為0.4℃；有水體時，15min內測得的石棉板溫度由23.3℃降低為22.7℃，溫度變化為0.6℃。低溫水體的存在不僅使得所測得的石棉板溫度降低，且其溫度變化速率也遠大于無低溫水體時。通過對采集的紅外圖像進行分析，可以比較出石棉板表層的溫度差異，可有效地診斷隱藏在石棉板后的滲漏病害區域。

圖4 石棉板溫度變化曲線

5 紅外雙目探測儀隧道測溫試驗研究

為了進一步驗證紅外雙目探測儀在實際工況下對滲漏點檢測的可行性，對某隧道S線進行穹頂潛在滲水檢測。圖樣采集過程中使用隧道檢測車動態巡檢，單向行駛，行駛速度為20～30km/h，采集時長約為60min。隧道內通過環號來確定檢測點相對位置，相鄰環號間隔的距離為2m，測試路徑如圖5所示。

圖5 測試路徑總體示意圖

隧道檢測過程中，共發現6個疑似滲漏點(其檢測結果如圖6所示)，這6個疑似滲漏點分別為：第203環滲漏點(a)，第922環滲漏點(b)，第1004環滲漏點(c)，第1050環滲漏點(d)，第1165環滲漏點(e)，第1206環滲漏點(f)。圖6中同一位置左側為紅外視圖，右側為可見光視圖。對比分析紅外視圖中溫度分布，疑似滲漏點區域相較于其他區域有明顯色差，紅外雙目探測儀對隧道滲漏水病害的檢測較為理想。

圖6 不同滲漏點檢測結果(線框內為實際滲漏點位置)

為進一步驗證紅外雙目探測儀的檢測精度，對第922環滲漏點進行破板取樣，取下該位置的石棉板，如圖7所示，證明該位置存在漏水現象。隧道紅外測溫圖像和破板取樣結果的一致性，驗證了紅外雙目探測儀在隧道穹頂潛在滲漏點的檢測中具備人眼無法識別石棉板內部滲漏隱患的能力，并且具有高精度及實時性，可有效降低滲漏區域對隧道結構的破壞。

圖7 石棉板取樣示意圖

6 結 語

紅外熱成像技術應用于隧道滲漏水檢測，能夠客觀、真實地反映隧道本身的結構問題，是一項無接觸式的無損檢測技術，改變了傳統的破壞式的檢測方法。本文基于其對溫度漂移的敏感性建立了一套隧道內部滲漏水檢測系統，以紅外雙目探測儀為主體，車載平臺作為檢測實施載體，通過室內可行性試驗和隧道實地檢測試驗，證明該系統可準確、快速地定位隧道滲漏區，可以有效提高檢測效率，保證隧道的運營安全，具有較強的應用價值。