隧道衬砌质量检测作为评价运营隧道衬砌现状的必要手段，是隧道维修、加固的重要前期工作。影响隧道衬砌质量安全的因素很多，其中衬砌裂缝是最为常见的病害，裂缝产生机理涉及围岩形变、衬砌质量、环境腐蚀等，如果不及时检测并治理，后期会严重影响隧道的运营安全。因此，中交路桥科技结合以往的工程现场经验，分析裂缝产生的原因及识别技术。
一、衬砌裂缝产生的原因
隧道衬砌裂缝是最为常见的衬砌病害，产生的原因很多。隧道围岩压力释放变形、地基不均匀沉降、围岩变形或松动导致衬砌受力不均；衬砌施工质量问题，混凝土配合比不当、振捣不密实、养护不到位导致衬砌强度不足；外加荷载作用，长期车辆荷载反复作用、超载车辆频繁通行使衬砌产生疲劳裂缝；衬砌环境因素引起的材料劣化、混凝土碳化、钢筋锈蚀、冻融破坏导致衬砌结构性能下降；温度与湿度变化，昼夜或季节温差引起衬砌热胀冷缩产生温度裂缝，地下水侵蚀等。这些因素都是引起衬砌裂缝的内因，也是加速裂缝发展的主要因素。
二、衬砌裂缝危害
隧道衬砌裂缝危害也很多，不过不进行针对行的治理，会影响隧道安全。裂缝会损害衬砌的整体性，衬砌因裂损变形而侵限；衬砌对围岩的支护能力削弱,不能有效地约束围岩使之保持稳定,因此可能发生掉块伤人,砸坏过往车辆或产生突然坍塌,中断行车等危险；裂缝漏水,造成更为严重的隧道水害；隧道仰拱或整体道床裂损影响隧道内的线路质量,使行车速度受到限制或危及行车安全；在围岩中含有瓦斯等有害气体时,有害气体将经由衬砌裂缝处散逸至洞内而产生危害。
三、裂缝病害检测
隧道衬砌裂缝是引起隧道内渗水、掉块等病害的原因，隧道内出现裂缝会严重影响隧道的行车安全和使用寿命，因此必须对隧道内裂缝进行识别，传统的衬砌裂缝检测效率低、耗时耗力，检测质量受人为影响因素较多，不能反映衬砌的质量。
1、衬砌列放采集车
融合现代先进技术的隧道裂缝采集车，从上到下分别为图像采集器、工控机和动力行进装置，在沿着轨道行驶过程中，不断进行拍摄，这些图像需要连续而非间隔，这就要求相机拍摄时的频率与采集车的行进速度相匹配，能够大大提高检测效率，保证检测质量。
数据采集设备包括图像采集相机、补光灯、采集服务器、编码器、显示器、电源等。采集车的行驶速度一般需要满足10km/h，在同等条件下，采集车行驶速度越慢，对线阵相机拍摄频率的要求就越低，实现隧道表观数据的快速采集，采集精度为0.2mm。
2、基于AI的的隧道裂缝检测算法
隧道工程环境复杂，内壁上识别障碍物较多，衬砌裂缝容易受到缆线、照明灯等物体的遮挡，干扰裂缝的检测，增加了特征提取的难度，基于 Pytorch 深度学习框架的改进的 YOLOv5 模型，利用深度卷积神经和 GPU 等并行计算，实现隧道裂缝AI检测。AI识别模型训练过程中分别设置初始学习率为 1e-2、1e-3、1e-4、1e-5 并对相应的训练结果进行对比，选取最佳的学习率，使用上述学习率训练模型时训练集上的损失曲线如图所示。
模型训练学习率为 1e-2 时收敛速度较快，但训练过程损失波动较大，1e-3 时收敛速度较快，且效果最好，学习率继续减小时训练效果没有明显提升，且收敛速度较慢，因此学习率选择 1e-3。
3、基于图像处理的裂缝特征提取和计算
在深度学习目标检测模型输出分类和裂缝位置信息的基础上，采用基于形态学运算的方法，去除噪声后，对裂缝区域进行特征提取，得到比较完整的裂缝信息。
4、裂缝量化指标计算
选取裂缝的长度、宽度、面积 3 个指标，根据隧道衬砌裂缝等级标准进行处理。
(1) 裂缝面积的计算
裂缝的面积是最基础的评价指标，对隧道的安全评估具有重要意义。 裂缝的面积采用统计像素点数量的方法，即统计连通域内像素点的总和。对于经过形态学处理的二值图像，背景像素值为 0，裂缝像素值为 1，统计每个连通域中灰度值为 1 的个数，即 f(x,y)=1，为该条裂缝的面积，计算公式如下式所示。
(2) 裂缝长度的计算
裂缝的长度是最重要的指标，反映了裂缝的延伸情况，长度越长，说明延伸越严重，可能造成的后果也越恶劣。根据裂缝细长形状的特点，将剔除毛刺后的骨架长度作为裂缝的长度，而骨架的长度可以计算为
其中，n 和 m 分别表示骨架上非 0 像素点之间的距离为 1 或个像素点间隔，如图所示：
(3)裂缝宽度的计算
裂缝的宽度对隧道施工安全具有重要的意义，是评估隧道安全的重要指标。平均宽度采用裂缝的面积与长度的比值，如下式所示，即连通域面积与股价长度的比值：
5、裂缝识别成果
项目实验利用隧道工程20张图像提取的特征向量组作为一个序列向量组，使用双向RNN网络对特征向量组进行整合，使得单张图像的特征中不仅仅包含图像的特征信息，同时也包含相邻图像的特征信息，识别精度0.2mm，大大提高了人工裂缝检测效率。
四、中交路桥科技隧道安全检测方案
中交路桥科技有限公司是专业从事工程检测监测、城市安全监测预警与评价、数字智能化研发为一体的复合型高新技术集团企业。技术人员涉及铁道工程、城市道路与公路、桥梁工程、隧道工程、建筑工程、水利工程、工程物探、安全技术、电力、信号、集成电路、智能科学等专业。
在运营隧道质量安全检测方面具有较强的理论基础及工程经验，已经完成近百座隧道工程的衬砌裂缝、背后空洞、钢筋位置等检测，并提供了科学的病害治理方案，保障隧道工程运营安全，为隧道安全运营与管养提供科学依据。
