第1章地铁隧道安全隐患检测技术的
研究现状1.1地铁隧道安全隐患检测的必要性
随着我国城市化进程的不断加快，为提高城市容量、缓解城市交通、改善城市环境，不断加大了城市地铁隧道的建设。地铁运营里程的增加，对于地铁隧道维护的需求也在不断扩大。为保障地铁隧道正常使用，维护人民生命财产的安全，确保城市的安全稳定发展，减少因隧道安全问题使地铁运营停运情况的发生，对地铁隧道进行安全检测显得尤为重要。依据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》《关于推进城市安全发展的实施意见》等国家重要文件，城市安全发展已成为我国深入改革和经济社会发展重大战略。新时代我国社会主要矛盾的转化要求牢固树立“以人民为中心”的发展理念，建立高效科学的隧道检测和地下空间安全应急管理体系，提升全社会抵御城市灾害风险的能力，满足人民对美好生活向往的需求。地铁隧道的安全关乎城市每一个人的出行。重如泰山，解决和预防地下空间安全隐患，已迫在眉睫。
地铁隧道作为城市公共交通的核心组成部分，在城市地铁隧道运营期间，受周边岩土体变化、车辆运行、外部施工、注浆不足等影响，隧道结构常出现形变过大、管片错台、渗漏水、空鼓、结构背后空洞等病害，使结构与围岩不能共同均匀承受外力，恶化结构受力条件，降低隧道结构的安全可靠度和稳定性，隧道结构发生灾难性破坏的概率大大增加，直接威胁地铁运营安全和结构安全。地铁隧道的安全隐患对于城市安全运行的影响体现在多个方面。
（1）危害市民生命安全。地铁载客量大，地铁隧道空间相对封闭，人员疏散难度大，一旦发生安全事故，后果不堪设想，将给人民和国家带来极大的损失。
（2）破坏城市公共交通系统。地铁作为城市公共交通的重要一环，其运营效率直接影响到城市交通的整体状况。地铁隧道的安全隐患若得不到及时有效的处理，可能导致地铁系统频繁出现故障或中断运行，加剧城市交通拥堵问题，影响市民的出行效率和城市的交通秩序。
（3）引起不良的社会影响。地铁隧道安全问题的社会关注度高，社会影响力大，及时排除安全隐患问题，不易引发社会恐慌，有利于社会的和谐稳定。
（4）影响城市经济的发展。地铁隧道作为城市基础设施的重要组成部分，其安全性和稳定性直接影响城市的形象和投资环境。保障地铁系统的正常运行对于城市的经济发展具有重要意义。高效、稳定、可靠的地铁系统，可以有效提升城市的吸引力和竞争力，助力城市的经济发展和产业升级。
（5）地铁隧道安全隐患的检测具有隐蔽性高、探测难度大，检测时间窗口短等特点，采用人工方式对外观质量进行人眼尺量，效率低，识别精度低且容易漏检测。
近年来，随着科学技术的快速发展，探地雷达、机器视觉等探测手段逐渐应用在公路和铁路隧道安全隐患检测中，但是目前的检测技术仍难以满足实际需求。现有地铁隧道安全探测装备和技术水平（探测深度浅、探测速度慢、探测精度低）与超大城市安全治理及工程需求不平衡的矛盾，已经成为痛点，严重制约企业行业安全智能化水平的提高。应加大基础理论、关键技术、先进装备的攻关力度，通过二次开发、吸收引进、攻克破解难题，建立系统的地铁隧道安全隐患探测理论和设备，加快先进技术成果的推广应用，着力突破城市地铁隧道安全领域科技发展的瓶颈和体制机制障碍，*大限度地释放科技改革创新活力。
解决地铁隧道内部隐患，遏制城市地铁隧道重特大安全事故发生，降低事故造成的人民群众生命财产损失，提升城市安全综合保障能力为重点，提升城市安全综合治理与保障能力，是推进国家治理体系治理能力现代化的必然要求，也是适应国家高精尖经济结构调整，满足经济社会发展的迫切需求，为基本实现社会主义现代化和建设国际一流和谐宜居之都提供坚实的安全保障。
1.2地铁隧道安全隐患检测技术的研究现状
地铁在运营过程中，地铁的安全面临着隧道空洞、裂缝、渗漏水以及内轮廓形变等多种病害的威胁。因此，对隧道定期进行全面检测，及时发现安全隐患，并对隐患进行针对性治理显得尤为重要。对隧道安全隐患进行全方位的检测，则要求对隧道不同的病害做针对性的研究分析，采用科学的指标对隧道的安全性进行客观和定量评价。
1.2.1隧道衬砌结构病害检测技术现状
1.无损检测方法
盾构施工因其安全性和高效性而被广泛应用于地铁建造过程中。在盾构施工过程中，盾构机同步进行隧道挖掘、管片衬砌安装及管片壁后注浆等工序。管片壁后注浆填充管片与岩土体之间的空隙，形成稳定的隔水层，防止隧道壁渗水，并且有利于周围土体和隧道整体受力的稳定，预防岩土体失稳，避免引发安全事故［1］。注浆过程多依赖于施工人员经验来控制注浆压力和注浆量，注浆效果无法直接观察，会导致管片和围岩之间存在空隙，造成隧道整体受力不均匀，引发周围岩土体产生较大形变。因此，对管片背后注浆体进行检测，获取壁后注浆效果，指导壁后注浆缺陷的二次补浆，可以有效避免周围土体形变，保障隧道的安全稳定。
对于注浆体检测的无损检测（NDT）方法，有声波法、超声波法、弹性波法、微波法、红外热成像法、探地雷达法（GPR）、射线照相法和瞬变电磁法（TEM）等［2］。不同的检测方法有各自的优势和局限性，如声波法、超声波法、射线照相法均属于接触式探测，这些方法会影响探测速度。
声波法是基于声波在不同介质中传播时的物理特性变化对浆缺陷检测，一般用于混凝土材料内部缺陷检测及其均匀性和结构强度评价。检测结果可靠性高，但是要求稳定的耦合条件，因此数据采集效率低。苏联学者索科洛夫（Sokolov）在1929年**次提出利用超声波检测不透明材料内部缺陷的方法［3］。因为超声波波长短，穿透能力弱，所以可以利用超声波对微小缺陷进行探测，但无法对体积大的物体进行检测，并且其检测结果受管片内部钢筋笼干扰强烈，其结果存在较大偏差［4］。
弹性波法是利用隧道管片和注浆层中介质的弹性差异对注浆缺陷进行检测。该检测方法广泛应用于油气勘探、工程勘查和结构检测中，可采用钢球等作为震源，撞击结构表面，根据从结构内部反射回来的P波信号判断结构强度或缺陷位置［5］。与探地雷达相比，该方法受钢筋的干扰小，且经济效益更为显著，但在注浆质量检测中效率偏低，无法快速实时地进行大范围检测。
瞬变电磁法（TEM）是基于地层电阻率差异的一种无损检测（NDT）方法。Ye等将瞬态电磁雷达（TER）用于模型试验中的管片注浆缺陷检测，分析了隧道盾构管片后灌浆层的不同接触状态时电阻率的变化［6，7］。
近几十年来，探地雷达法经常用于混凝土结构检测，通过分析和接收信号的振幅、频率、相位、时间等，可以获取目标体的深度、大小和填充介质等［8］。探地雷达法具有操作简单、效率高和分辨率高等优点，其处理方式简单快捷，成像技术愈加完善。但雷达波在遇到介电常数较高的物质时，表现出透射能力差和高反射性，所以探地雷达法用于钢筋较多的管片背后注浆检测时，会接收到较多的干扰信号。因此，进行数据处理的主要目的是抑制钢筋的散射干扰，放大注浆层和缺陷的反射信号，并使用成像方法将雷达信号转换为地下分布的图像。
此外，一些学者会采用综合物探方法对混凝土介质检测。例如，通过探地雷达法和地震成像法结合来检测管片后注浆层的质量，通过探地雷达法和弹性波法相互验证，确定输水隧道缺陷的位置等。
2.探地雷达检测
探地雷达检测技术可对隧道背后衬砌和隧底质量进行检测。天线是探地雷达系统中的重要组成部分，负责将导波转换成自由空间中的电磁波。天线的性能影响着整个探地雷达系统的探测深度和探测分辨率。天线可分为地面耦合式天线和空气耦合式天线，地面耦合式天线检测时需要接触探测面，空气耦合式天线检测时可悬空一定高度，避免与隧道表面直接接触。地面耦合式天线检测方法得到的雷达图像质量较好，内部结构清晰，空气耦合式天线检测速度快、效率高，有利于快速、大面积地掌握隧道衬砌结构情况。
探地雷达天线类型多种多样，有喇叭天线、锥形槽天线、双锥天线、螺旋天线、蝶形天线等，可针对探地雷达法不同应用的需求选取相应的天线类型。喇叭天线的时域响应特性较好，与地面耦合探地雷达常用的平面天线（如蝶形天线等）相比，具有体积小、频带宽、方向性好等特点，但喇叭天线受地面影响较大，有波形拖尾振荡［9］。锥形槽天线具有良好的带宽特性，但波形保真性差和色散强。双锥天线与盘锥天线类似，是一种全向天线，有稳定的方向图，但体积较大。螺旋天线的带宽较大，在脉冲信号的激励下产生较多的振荡，且时域响应特性差［10］。蝶形天线的末端常会因电流积聚而产生一定的回波损耗，使天线端口阻抗不匹配，需要通过加载电阻的方式解决该问题。蝶形天线因体积小、重量轻而被广泛应用到探地雷达系统中。
阵列式探测是探地雷达系统研发的一个重要发展方向。1980年，世界上**台基于天线阵列的探地雷达由意大利的IDS GeoRadar（IDS）公司成功研制出，相比单通道雷达，其探测速度更快，分辨率更高。经过数十年的发展，意大利雷达已经在天线屏蔽技术、天线阵列技术和数据自动解译等方面占据领先地位。1998年，瑞典MALA公司生产了世界上**台应用于商业的三维探地雷达系统。2001年，挪威3D-Radar公司推出了GeoScope三维探地雷达，实现了探地雷达三维展示，大大提升了探地雷达的操作性能。2008年，瑞典MALA公司研发的三维探地雷达系统MIRA问世，其采用斜向极化进行采集，探测结果非常直观，并且可以实现从三维数据采集、处理解释到出报告的无缝衔接。
三维探地雷达于2013年开始引入我国。许多研究人员将引进的三维探地雷达系统应用于市政工程领域，如地下管线探测和道路病害检测等，其在道路检测中主要应用于结构层厚度检测、沥青路面均匀性评价及内部结构物探测等。2016年，刘涛将三维探地雷达技术应用于沥青路面均匀性评价，提高了沥青路面的施工质量［11］。
目前，我国一些科研机构做了大量实验研究，并自主研发了一些具有一定优点的雷达天线阵列系统。习建军研究了在极化平面波照射条件下的目标体形态特征，并利用一维和二维分布的收发天线阵列进行目标检测，结果证明，多极化综合特征分析方法可以改善目标检测的稳定性，提高信噪比［12］。中国航天科工集团第三研究院三十五研究所在2018年成功研制出我国*个全阵列式三维探地雷达“鹰眼-A”，其管线检测准确率达到90%以上，代表着我国无损探地技术真正从二维跨越到三维。吉林大学对天线的极化特性进行长期深入研究，开发了全极化探地雷达数据采集系统，并将系统分别应用于路面塌陷和冰裂缝探测实验，均取得了不错的效果［13］。一些研究人员还对地下病害的自动识别方法进行了研究。
3.探地雷达数据处理
探地雷达在对隧道探测过程中容易受周围环境与设备的影响，导致回波数据中存在较强的噪声与杂波干扰。所以，提高探地雷达数据的质量和病害信息的准确性一直是研究的重点与难点，去噪也是探地雷达数据处理领域的**问题之一。
自1980年以来，随着计算机的迅速发展，涌现出许多探地雷达数据处理方法，推动了探地雷达数据处理的进步。1999年，Carevic将卡尔曼滤波应用于探地雷达数据处理过程中，实现对检测目标与背景的分离，并且利用小波变换实现对杂波的抑制［14］。2005年，Abujarad等利用奇异值分解方法对均值后的探地雷达数据进行奇异值分解，设定一个相关阈值实现对目标信号与杂波的分离［15］。2010年，Khan和Al-Nuaimy提出了一种基于特征值的背景去噪方法，能够有效去除数据中的背景噪声［16］，但该方法会损失部分有效信号，并且不能处理复杂的噪声。2012年，冯德山等运用经验模态分解方法，对低信噪比的探地雷达数据进行分解，去除属于噪声部分的本征模态函数分量，实现对噪声的去除［17］，但该方法缺乏理论支撑，算法存在模态混淆。
目前，许多基于阀值智能化等非稳定信号的降噪技术层出不穷，如小波变换、
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