隧道病害维修保养技术方案设计

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2022-03-08 09:58 热度：

摘 要：摘 要：为保障铁路隧道安全运营，在分析国内外车辆技术、作业平台技术和检测技术现状的基础上，从车辆技术、作业平台技术、检测技术和作业模式 4 方面，提出隧道病害维修保养技术方案

　　摘 要：为保障铁路隧道安全运营，在分析国内外车辆技术、作业平台技术和检测技术现状的基础上，从车辆技术、作业平台技术、检测技术和作业模式 4 方面，提出隧道病害维修保养技术方案设计思路，设计一套整合隧道病害维修保养相关技术装备及检测模式方案。该方案采用内燃电传动及蓄电池电传动集成的混合动力传动系统，搭载三作业平台，配备探地雷达系统、手持雷达、音频检测系统和高速成像系统，采用智能巡检、机械复检和人工专检的检测作业模式，是适应我国铁路发展的隧道病害维修保养可行方案。

　　关键词：隧道病害;隧道检测;养路机械;维修保养

　　0 引言

　　由于铁路隧道运营年限、结构形式和所在运营区段内的环境情况不同，隧道病害也多种多样，根据病害位置，可分为隧道表面病害和内部病害 2 种。其中，表面病害有剥离、掉块、裂缝和渗漏等，内部病害有空洞、塌方、漏水、沉降和错位等。目前，国内外的隧道病害维修保养模式和设备单一，并且存在效率低、检出率低、误报率高等缺陷。因此，研究一种系统化、综合性的隧道病害维修保养技术方案，是铁路隧道运营安全亟待解决的课题。

　　1 现状

　　1.1 车辆技术

　　目前，国外暂无用于铁路隧道病害检测的车辆设备。在国内，传统的检查、检测方式决定隧道检测一般选用传统的平板车、客车、作业车或其他可自运行的工程车，作为检查或检测车辆。平板车及客车需额外配备牵引车牵引运行，存在运用管理复杂和作业安全风险高的问题;作业车及其他可自运行的工程车配备的动力单元单一，没有动力保驾功能，存在运行安全风险高的问题。

　　1.2 作业平台技术

　　作业平台技术指搭载各种检查、检测设备的作业平台技术。目前，国外暂无用于铁路隧道病害检测的专用作业平台设备。国内铁路隧道病害作业平台技术主要有：① 升降旋转单作业平台、三作业平台、高空作业斗等专用作业平台技术，这些平台可搭载作业人员实施专项目视检查、敲击检查 (或检测) 和手持雷达检测;②液压 伸缩臂技术，可用于搭载隧道表面接触式雷达;③ 车棚自身顶部搭载技术，可用于搭载高速成像、非接触式雷达。第 1 种技术既可用于检测作业，也可用于搭载作业人员靠近实施检查和维修作业;后 2 种技术仅可用于检测作业，无法实施检查和维修作业。

　　1.3 检测技术

　　国外隧道病害检测主要针对错综复杂的公路网系统中的隧道，大多数采用接触式隧道病害检测方式实施检测，即采用空气耦合探地雷达检测。主要生产厂家有意大利 IDS 公司、美国 LAUREL 公司和瑞典 SUBECHO 公司。与国外相比，我国铁路隧道运营里程较长，隧道病害状况较复杂，检查、检测方式也较为多样。

　　(1) 采用人工目视和敲听方式，检查隧道表面。主要实施方案有 2 种：① 搭设铁路脚手架实施检查;② 利用接触网作业车 (以下简称“ 作业车 ”)，将检修人员送达需检查的隧道壁，实施检查。施工人员采用目视方式检查时，依据经验判断隧道表面是否存在剥离、掉块、裂缝、渗漏等病害;采用敲听方式检查时，使用敲击锤敲击检查空洞，依据敲击反馈的声音结合经验判断。若隧道表面病害出现“似离非离”状态，则在现场实施强制性剥除处理。根据调研情况，平均每个“天窗”作业可以完成约 200 m 长度的隧道病害检查作业。这种检查方式是各铁路局工务系统中普遍采用的方式，存在施工安全隐患大、效率低、检测不到位等缺陷。

　　(2) 采用高速成像方式，检测隧道表面。该技术已经成熟应用在公路隧道检测及铁路供电系统中 (4C 检测)。主要原理是利用高速摄像机拍摄检测对象，然后对比分析。摄像光源主要有激光光源、卤素光源和氙气光源等。采用在传统工程车顶部设置高速摄像机及光源，高速通过隧道，智能捕捉检测病害，并利用分析软件实时对比分析数据。宝鸡中车时代工程机械有限公司在研制的 ZXJ-160 型综合巡检车上，采用激光光源对隧道表面结构状态高速摄像，其他光源在铁路系统中暂无装车应用实例。该技术采用车顶固定安装高速摄像机及光源方式，可实现接触网不断电情况下的高速检测功能，但需建立隧道结构状态数据库。

　　(3) 采用机械化敲击检查方式，检测隧道内部衬砌。采用接触网作业车，自带作业平台，搭载作业人员起升至作业点位，使用敲击锤敲击检查隧道内部衬砌，敲击声音通过拾音器及扩音器放大，分析人员结合经验判断病害等级。该方式应用于部分铁路局工务系统中，使用的作业车由工务段自行改装，存在施工安全隐患大、效率低、检查不到位等缺陷。

　　(4) 采用红外热成像方式，检测隧道内部衬砌。每个物体 (混凝土、水及岩石) 都能够辐射出红外线。利用红外辐射技术，判别被测物体(混凝土、水及岩石) 的温度高低和热分布场。通过光电红外探测器，将物体发热部位辐射的功率转换成电信号，再通过成像装置处理转换为红外热图像。在传统工程车顶部安装红外探测器，高速通过隧道时智能捕捉探测，然后运用分析软件实时对比分析。由于隧道内环境复杂，该技术暂无铁路装车应用实例。

　　(5) 采用空气耦合探地雷达方式，检测隧道内部衬砌。电磁波在不同介质中传播时，其路径、电磁强度和波形存在差异。电磁波发射器发射出的高频电磁波，通过混凝土、水、岩石及空气等不同介质反射回来的波被接收器接收，接收器得到的反射波根据其旅行时间、幅度和波形的不同，可推断其介质及结构。在列车上设置空气耦合探地雷达，由专业人员分析数据。探地雷达检测方式是近几年全球隧道病害检测方式中最先进、最热门的检测方式之一，在国内铁路行业中，中国铁道科学研究院集团有限公司、中国铁路西安局集团有限公司和宝鸡中车时代工程机械有限公司等，分别研制了样机，但由于隧道与检测设备之间距离过大，以及隧道内环境复杂等因素影响，上述隧道检测车样机均存在检出率低、误报率高的问题，现场应用效果不理想。

　　(6) 采用音频检测方式，检测隧道内部衬砌。主要原理与探地雷达类似，不同的是该方式采用的检测波是声波。声波由激振装置 (敲击锤) 自动敲击隧道表面产生，接收器 (拾音器) 将此声波信号转换成电信号，由分析软件智能分析。在专用作业车或检测车上，设置激振装置 (敲击锤) 及其搭载平台，低速通过隧道实施敲击检测。该方式简单、实用，部分铁路局采用钢柱敲击、扩音器放大敲击声音、人耳收听判断的简易改装方式实施作业。该技术正处于研究阶段，暂无装车应用实例。

　　2 设计思路

　　根据国内现有的检测技术、车辆技术及作业平台技术现状，提出隧道病害维修保养技术方案设计思路。

　　2.1 车辆技术

　　相关数据显示，隧道内线路通常都与长大坡道(里程长、坡度大) 同时出现。因此，需要考虑在长大坡道线路运行时，车辆应具备优良的牵引及制动性能。

　　现有的传统工程车一般采用机械、液压或液力传动方式，致使其制动部分采用的是传统的空气制动方式，该制动方式存在闸瓦磨损严重、制动力弱等缺点。电传动是解决上述问题的有效方式。电传动车辆可配备电阻制动，有效解决车辆在长大下坡道制动时闸瓦磨损严重和制动力弱的问题。目前，

　　2 种主流高速电传动方式为接触网电传动和内燃电传动。接触网电传动要求车辆必须在接触网不断电情况下运行，并且存在接触网受损及断电等风险。因此，内燃电传动 (交—直—交) 是隧道检测车主传动的首选方案。

　　近年来，国家在各行各业提倡遵循绿色环保、节能减排、降污降噪等发展理念，铁路隧道内施工作业也不例外。隧道内施工需将作业装置起升至隧道壁病害位置，距离隧道建筑限界很近。因此，必须将车辆行驶速度控制在安全范围内，隧道施工作业时车辆采用低速走行 (0～10 km/h) 作业模式。如果车辆采用内燃机车牵引模式在隧道内低速走行，发动机的排烟和噪音无法及时在隧道内排出，烟尘和噪音对施工作业人员会造成很大的健康影响，其中烟尘还会影响施工人员视线，降低施工作业效率。考虑到主传动方式为电传动，以及隧道检测车减排、降噪的需求，蓄电池作为动力源驱动牵引电机运行的 (直—交) 电传动方式是解决这一问题的唯一途径。

　　2.2 作业平台技术

　　传统升降旋转单作业平台最大回转半径为 3 125 mm，双线隧道线路中心距离相邻隧道壁 3 000 mm (与传统升降旋转单作业平台同高度的位置)，单线隧道线路中心距离隧道壁最大为 2 500 mm (与传统升降旋转单作业平台同高度的位置)。因此，传统作业平台存在隧道内回转角度小、存在非正常作业风险等缺陷。为解决这一问题，需要设计开发能够满足双线及单线隧道全断面检查或检测的作业平台，三作业平台可在最大作业幅度 4 200 mm 以内自由水平伸缩，因此可以满足上述需求。升降旋转单作业平台双线及单线干涉情况如图 1 所示。

　　2.3 检测技术

　　检测技术对比见表 1。

　　由国内外检测技术现状可知，单一的隧道检测或检查方式无法高效、准确、安全地实现隧道全断面病害的检出。隧道检测是系统化、综合性的维修保养问题，需要采用多种检测手段实施综合作业。根据调研及对隧道现状分析，参照国内铁路钢轨探伤车的探伤检测技术，考虑将高速成像技术、音频检测技术、手持雷达检测技术、钻芯取样技术整合到一起。

　　2.4 作业模式

　　综上分析，研究开发集内燃电传动与蓄电池电传动为一体的混合动力传动系统，搭载三作业平台装置，配备探地雷达系统、手持雷达、音频检测系统和高速成像系统的混合动力隧道检测专用设备(以下简称“隧道检测车”)，提供一种智能巡检— 机械复检—人工专检的作业模式，实现隧道维修保养作业流程的精细化，不仅可以提升作业效率，还可以提高作业精度。隧道病害检测维修保养作业模式如图 2 所示。

　　3 确定技术方案

　　3.1 车辆技术

　　车辆为四轴电传动轨道车，主要由转向架、动力传动系统、燃油系统、制动系统、液压系统、电气系统和车架组成。动力传动系统是车辆的核心组成部分，采用内燃电传动 (交—直—交) 和蓄电池电传动 (直—交) 的混合传动方式。

　　内燃电传动系统主要由柴油机、永磁发电机、牵引变流器 (与蓄电池电传动系统共用) 和牵引电机 (与蓄电池电传动系统共用) 组成。内燃电传动系统设置 2 套动力单元 (柴油机和永磁发电机)，装机功率为 1 044 kW。为增大车上人员活动空间，便于车上蓄电池、三作业平台结构及检测系统布置，车辆动力传动系统采用下沉式 (车架以下) 布置方案，整车最高运行速度可达 130 km/h，满足整车高速运行及检测需求。内燃电传动系统如图 3 所示。

　　蓄电池电传动系统主要由动力蓄电池、牵引变流器 (与内燃电传动系统共用) 和牵引电机 (与内燃电传动系统共用) 组成。动力蓄电池采用磷酸铁锂电池，装机容量为 300 kW·h，整车最高运行速度可达 20 km/h，满足隧道内 3 h 的续航需求，满足整车低速运行、检查、检测和钻芯需求。

　　3.2 三作业平台技术

　　三作业平台主要用于复检和定检，搭载施工人员、手持检测设备和钻芯设备。该装置主要包括平台及其附属的调平装置和一系锁定机构。三作业平台包含 2 个可以水平、垂直升降的 A 和 B 作业平台，以及能±90°旋转升降的 C 作业平台。三作业平台能够达到以下高度、幅度：① 双线隧道 710 mm~ 7 510 mm (平台地板面距离轨面的垂直距离) 的作业高度、1 200 mm～4 225 mm (平台外侧距离轨道中心的水平距离) 的作业幅度;② 单线隧道 1 200 mm～7 510 mm (平台地板面距离轨面的垂直距离) 的作业高度、1 200 mm～4 225 mm (平台外侧距离轨道中心的水平距离) 的作业幅度。因此，三作业平台可以实现双线及单线隧道全断面覆盖到位的检查维修。三作业平台在双线及单线隧道中作业如图 4 所示。

　　3.3 检测技术

　　3.3.1 智能巡检

　　为提高效率，智能巡检对检测精度要求较低，但是运行、检测速度很快，即采用非接触式空气耦合探地雷达及高速成像技术实现内燃电传动 (交— 直—交) 高速检测模式。根据市场调研及国内外的检测技术现状，采用激光光源完成高速摄像，是实现隧道表面病害检测的最有效方式。该方式具有检测速度快 (约 120 km/h)、可不断电、光源功率小 (激光光源约 10 kW，其他光源在同等照度等级下功率约 60 kW) 等优势。非接触式空气耦合探地雷达 (耦合距离大于或等于 4.5 m) 是实现隧道内部衬砌病害高速检测的基本方式，该方式无需配备对接触网、承力索、支撑装置、辅助悬挂、回流线、高压线等的避让装置。

　　3.3.2 机械复检

　　机械复检是比智能巡检更为精确的一种检测模式。根据表 1，采用音频检测和手持雷达检测并行的方法实施作业。主要实施方案包括：接触网断电，蓄电池动力源驱动整车低速运行 (速度小于等于 10 km/h)，检测设备搭载在三作业平台上的机械手上，从而实现全断面表面及内部衬砌的低速检测。平台上搭载的机械手如图 5 所示。

　　3.3.3 人工专检

　　智能巡检和机械复检属于无损检测，通过智能巡检和机械复检基本可以确定隧道病害伤损状态，但是由于无损检测存在一定的漏检和误报情况，一些病害伤损可能被遗漏。因此，在智能巡检和机械复检后，有必要实施人工专检。人工专检分为人工检查和钻芯取样 2 种。人工检查是对遗漏的病害损伤实行全面排查;钻芯取样是对智能巡检和机械复检不一致的结构实施确认的过程，通过钻芯取样，可以判断病害伤损真实情况。钻芯取样采用机械手搭载气钻钻头，对准智能巡检和机械复检结果不一致的“病害位置”钻孔，然后对钻芯检查分析。主要实施方案包括：接触网断电，车辆采用蓄电池动力源驱动整车低速运行 (速度小于等于 10 km/h)、停车检查等。

　　3.4 整车技术

　　利用车辆技术、作业平台技术和检测技术及其相关装备和部件，共同搭建匹配，组成满足现有铁路技术条件、符合铁路隧道检测需求的混合动力隧道检测车整车。其中，车辆部分由空气制动系统、液压系统、电气系统、动力传动系统、燃油系统、转向架、车架、车棚及车内布置组成，作业平台部分由三作业平台、调平装置和锁定油缸组成，检测部分由高速摄像装置、探地雷达装置、手持雷达装置和敲击检查装置组成。混合动力隧道检测车外形如图 6 所示。

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　　4 结语

　　隧道是我国铁路网重要组成部分，保障隧道安全运营是铁路行业的重要课题。通过对比分析、方案设计，隧道检测车采用内燃电传动 (交—直— 交) 系统及蓄电池电传动 (直—交) 系统的混合动力传动系统，配备探地雷达系统、高速成像系统、音频敲击检查系统、手持探地雷达系统和三作业平台。隧道检测车是改善作业环境、提高运行性能、实现隧道全断面(表面及内部衬砌) 病害检测的专用技术装备，是适应我国铁路发展的可行的综合性隧道病害维修保养技术方案。——论文作者：张永超 1 ，任涛龙 1 ，罗文彬 1 ，曹海峰 2

　　参考文献

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文章名称：隧道病害维修保养技术方案设计

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