T/CSPSTC 76-2021 隧道病害快速调查与评价技术规程

犐犆犛９３．０６０

犆犆犛犘２１

团体标准

犜／犆犛犘犛犜犆７６—２０２１

隧道病害快速调查与评价技术规程

犜犲犮犺狀犻犮犪犾犮狅犱犲狅犳狆狉犪犮狋犻犮犲犳狅狉狉犪狆犻犱犻狀狏犲狊狋犻犵犪狋犻狅狀犪狀犱犲狏犪犾狌犪狋犻狅狀狅犳

狋狌狀狀犲犾犱犻狊犲犪狊犲狊

２０２１１２１６发布２０２１１２３１实施

中国科技产业化促进会发布

书

犜／犆犛犘犛犜犆７６—２０２１

目次

前言…………………………Ⅲ

引言…………………………Ⅳ

１范围………………………１

２规范性引用文件…………………………１

３术语和定义………………１

４基本规定…………………２

４．１应用对象……………２

４．２使用条件……………２

４．３隧道结构网格划分…………………３

５隧道病害快速调查平台…………………４

５．１基本要求……………４

５．２平台组成……………４

５．３功能模块……………５

６方案设计…………………９

６．１工作任务……………９

６．２资料收集……………９

６．３方法可行性分析……………………９

６．４方法试验……………９

６．５工作参数选择………………………９

６．６工作精度要求………………………９

６．７设计编写……………１０

７快速调查…………………１０

７．１基本要求……………１０

７．２图像采集……………１１

７．３图像识别……………１２

８病害评价…………………１３

８．１基本要求……………１３

８．２评价指标体系………………………１３

８．３指标层权重…………………………１４

８．４评价等级及标准……………………１４

８．５评价步骤……………１４

９质量检查与评价…………………………１５

１０定期跟踪分析…………………………１５

１０．１基本要求…………………………１５

１０．２隧道病害数据库的建立…………１５

Ⅰ

书

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１０．３隧道健康状态网格化动态评价…………………１６

１１成果报告………………１６

附录Ａ（资料性）渗漏水的判定标准……………………１７

附录Ｂ（资料性）评价指标判定标准……………………１９

参考文献……………………２６

Ⅱ

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前言

本文件按照ＧＢ／Ｔ１．１—２０２０《标准化工作导则第１部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定

起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

本文件由北京市市政工程研究院提出。

本文件由中国科技产业化促进会归口。

本文件起草单位：北京市市政工程研究院、中铁第四勘察设计院集团有限公司、中煤科工集团重庆

研究院有限公司、深圳市市政工程总公司、武汉光谷卓越科技股份有限公司、湖南省交通规划勘察设计

院有限公司、铁正检测科技有限公司、浙江省工程物探勘察设计院有限公司、南京大学、合肥工大工程试

验检测有限责任公司、中铁上海工程局集团第五工程有限公司、中铁科工集团轨道交通装备有限公司、

中铁工程设计咨询集团有限公司、中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司、深圳市新通物探工程有

限公司、北京交通大学、山东大学、中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司、中国铁道科学研究院集

团有限公司、上海勘察设计研究院（集团）有限公司、北京市热力工程设计有限责任公司、深圳市水务工

程检测有限公司、中国市政工程西北设计研究院有限公司、创新联盟认证中心有限公司、标准联合咨询

中心股份公司。

本文件主要起草人：叶英、李成洋、胡运兵、叶子剑、张智明、宋长宇、曹民、胡惠华、张成平、马伟斌、

赵志元、朱鸿鹄、杨善武、唐俊、吕刚、彭方进、刘建友、童彪、陈宗刚、冷冬灵、康跃明、王静、祁鏤、王晓亮、

袁钊、张巍、沈立伟、吴建新、杨浩亮、李彦生、吕延豪、朱兴龙、卢毅、王海林、潘星、何鹏、张明财、王正方、

雷丹、阎岩、刘尊景、刘奥、肖勇、肖曦彬、邢旭凯、童景盛、彭斌、康厚清、卢成绪、郝宇花。

Ⅲ

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引言

目前，我国已建成的各类交通隧道近５万ｋｍ，运营的隧道已不同程度地出现衬砌裂缝、变形及渗

漏水等病害。这些表面病害还会进一步导致衬砌结构内部病害，从而威胁到隧道的运营安全，影响隧道

的正常使用性能，缩短隧道的使用寿命。运营隧道如不进行病害调查和修复，将有可能发生突发性的灾

害，导致巨大的经济损失和不良的社会影响。虽然目前国内外对隧道病害快速调查技术的研究很多，但

该技术仍未进入实用化阶段，运营隧道病害的调查仍以人工现场调查法为主，人工调查占用大量的人力

物力，主观性强且效率低，不仅影响隧道交通运营，而且带有危险性。因此，针对大量运营隧道制定隧道

病害快速调查技术的相关标准十分迫切。

隧道病害快速调查将带来海量的现场图像数据，如何快速有效地处理并提取隧道病害特征和尺寸

等信息，如何精准利用和客观评价隧道衬砌表面病害对整个运营隧道的影响，这是隧道病害快速调查的

重要内容，也是全生命周期的隧道健康状况评价的发展方向。

本文件结合已有隧道病害调查方法和机器视觉技术，利用机器视觉代替人工调查，规范隧道病害定

期快速调查技术方法，建立隧道全生命周期的健康状况评价体系，定期为隧道健康状况打分评判，为运

营隧道建立健康档案。

起草组在分析现有隧道病害调查技术的基础上，经调查研究，认真总结实践经验，参考相关国际和

国内标准，在广泛征求意见的基础上，制定本文件，以提高隧道运营的安全性。

Ⅳ

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隧道病害快速调查与评价技术规程

１范围

本文件规定了隧道病害快速调查与评价的应用对象、使用条件、方案设计、工作方法、检查与评价、

分析和成果报告编写的要求。

本文件适用于运营隧道衬砌表面裂缝、渗漏水及净空变化的快速巡查或调查工作。

２规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文

件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于

本文件。

ＪＴＧＦ９０公路工程施工安全技术规范

ＪＴＧＨ１２公路隧道养护技术规范

３术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

３．１

隧道病害狋狌狀狀犲犾犱犻狊犲犪狊犲狊

由于外力、施工、材料劣化、火灾、洪水、地震等造成的影响隧道使用功能的损伤及劣化状态。

３．２

隧道结构网格划分犿犲狊犺犵犲狀犲狉犪狋犻狅狀狅犳狋狌狀狀犲犾狊狋狉狌犮狋狌狉犲

把隧道结构模型分成很多小的单元。

注：网格划分与计算目标的匹配程度、网格质量的好坏有关，决定了后期隧道评价单元计算的质量。网格质量是指

网格几何形状的合理性，其与隧道结构、模筑长度、ＣＣＤ相机覆盖范围有关，质量好坏将影响隧道健康状态的

评价结果。隧道结构网格划分是隧道结构健康评价的基础，每个网格单元的健康状态是整个运营隧道健康状

态的组成部分。

３．３

犆犆犇成像犆犆犇犻犿犪犵犻狀犵

ＣＣＤ由很多感光半导体元素（像素）构成方形矩阵，聚焦在像素上的入射光亮度转换成电荷，电信

号通过ＡＤ转换为数字信号并传送到计算机，计算机将数据流显示为二维图像。

注：ＣＣＤ是电荷耦合器件（ｃｈａｒｇｅｃｏｕｐｌｅｄｄｅｖｉｃｅ）的简称，ＡＤ是模／数转换器。

３．４

快速调查狉犪狆犻犱犻狀狏犲狊狋犻犵犪狋犻狅狀

由多个ＣＣＤ成像系统、光电测速模块、激光测距模块、照明模块、电源模块及附属设施组成的移动

平台，在快速通过隧道时，按照隧道网格划分利用ＣＣＤ成像系统对隧道衬砌表面的每个单元拍照和测

距，依次记录各单元内的裂缝分布和变形，并采用图像识别提取隧道表观病害特征的调查方法。

１

犜／犆犛犘犛犜犆７６—２０２１

３．５

图像识别犻犿犪犵犲犻犱犲狀狋犻犳犻犮犪狋犻狅狀

利用计算机对图像进行处理、分析和理解，以识别各种不同模式的目标和对象的技术。

注：图像识别是应用深度学习算法的一种实践应用。

３．６

神经网络犱犲犲狆狀犲狌狉犪犾狀犲狋狑狅狉犽

具有适应性的神经元组成的广泛并行互联的网络。

注：神经网络能够模拟生物神经系统对真实世界物体所作出的交互反映。

３．７

深度神经网络犱犲犲狆狀犲狌狉犪犾狀犲狋狑狅狉犽

有很多隐藏层的神经网络。

注：深度神经网络也可称为多层感知机，按照层次可分为输入层、任意数量的隐藏层和输出层。

４基本规定

４．１应用对象

隧道病害快速调查平台可用于发现隧道衬砌表面裂缝、渗漏水及净空变化。

４．２使用条件

４．２．１检查范围为未装饰的二次衬砌、装配式衬砌，其他地下工程混凝土表面也可参照执行。

４．２．２隧道烟尘浓度较小，不影响ＣＣＤ成像清晰度和分辨率。

４．２．３调查工作需要避免在隧道交通量大时进行，检测环境温度应为－２０℃～５０℃。

４．２．４ＣＣＤ成像系统到隧道衬砌表面的最大距离一般不超过２０ｍ，ＣＣＤ成像系统的方向与衬砌表面

垂直。

４．２．５ＣＣＤ相机镜头与光源、相机一起构成一个完整的图像采集系统，相机镜头的选择主要包括：波长

与变焦、工作距离与焦距、像面大小与像质、光圈与接口等。镜头应符合下列要求。

ａ）镜头应满足失真小、可标定、成像清晰等要求。

ｂ）镜头靶面尺寸不应小于感光元件尺寸。

ｃ）镜头的分辨率不应小于相机感光元件的物理分辨率。

ｄ）镜头焦距的选择应由测量距离、感光元件的对角线长度与测量范围的对角线长度确定。

ｅ）镜头焦距的选择应满足公式（１）：

犇×犾

犉≥犔…………（１）

式中：

犉———镜头焦距，单位为毫米（ｍｍ）；

犇———测量距离，单位为毫米（ｍｍ）；

犾———感光元件的对角线距离，单位为毫米（ｍｍ）；

犔———测量范围的对角线距离，单位为毫米（ｍｍ）。

４．２．６ＣＣＤ相机固定后，其位移测量分辨率可按照公式（２）进行估算。估算出的位移测量分辨率应满

足测量分辨率要求。

狆狊×犇

犱＝犉×犓…………（２）

式中：

犱———测量分辨率，单位为毫米（ｍｍ）；

２

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狆狊———感光元件尺寸，单位为微米（μｍ）；

犇———测量距离，单位为米（ｍｍ）；

犉———镜头焦距，单位为毫米（ｍｍ）；

犓———亚像素细分数，无量纲。

４．２．７ＣＣＤ相机应满足特定的ＩＰ６７防护等级要求，快门速度和采样频率应满足动态测试的要求。

４．２．８在ＣＣＤ成像单元的光源设计中需要考虑光谱、方向、强度、偏振性、均匀性等影响，照明光源应

照度均匀、无反射、无阴影，避免直射镜头。

４．２．９隧道病害快速调查平台的移动距离测定可选择测距轮传感器、光电测速传感器和轮速传感器。

４．２．１０隧道病害快速调查平台的ＣＣＤ成像单元可安装用于测量ＣＣＤ成像系统到拍摄图像中心点的

距离的激光测距传感器，此距离用于计算隧道净空量。

４．２．１１渗漏水隧道病害需要另行建立识别特征、计算模型、评价体系进行单独评价。

４．２．１２有害气体（一氧化碳）、烟雾浓度可根据需要通过搭载检测模块按照里程进行单项检测。

４．２．１３照明可根据需要通过搭载检测模块按照里程进行单项检测。

４．３隧道结构网格划分

４．３．１隧道结构网格划分应结合隧道结构受力、衬砌模筑长度与快速调查平台ＣＣＤ成像系统个数、辐

射角度及平台移动速度进行。

４．３．２通常将隧道二次衬砌网格横向划分为５个部分：拱顶、右拱腰、右侧墙、左拱腰和左侧墙。

４．３．３通常将隧道二次衬砌网格纵向划分为５ｍ～１２ｍ，纵向网格长度与平台移动速度有关。

４．３．４隧道结构网格单元病害种类包括衬砌裂缝、衬砌强度不足、衬砌厚度不足、钢筋锈蚀、衬砌变形、

衬砌背后空洞、有害气体（单元附近）、照明病害（单元附近）等。

４．３．５隧道网格横向划分要求如下。

ａ）隧道结构型式多样，包括直墙式、三心圆曲墙式、五心圆曲墙式等，如图１为五心圆曲墙式隧道

衬砌，由于不同部位衬砌受力不同，宜将衬砌结构横向网格化处理。

ｂ）同一横向网格内衬砌结构受力变化不大，评价时取同一权重值，通常将网格按照左、右分别划

分为拱顶、拱腰、侧墙等。

ｃ）在确定好横向网格后，可根据网格确定ＣＣＤ成像系统个数与辐射角度范围，原则上要实现隧

道结构ＣＣＤ成像全覆盖。

ｄ）如某个横向网格过大，可采用两个以上ＣＣＤ成像系统覆盖，后期对图像进行拼接；如某个横向

网格过小，而ＣＣＤ成像过大，后期对图像进行裁剪，确保每个网格一张图像。

图１五心圆曲墙式隧道衬砌结构网格划分

４．３．６隧道网格纵向划分要求如下：

ａ）隧道纵向网格划分是在横向划分基础上的纵向长度延伸，如图２为隧道衬砌结构沿轴向延伸，

由于ＣＣＤ成像一次覆盖隧道衬砌长度不同，宜将衬砌结构纵向网格化处理；

ｂ）同一纵向网格内衬砌结构受力变化不大，评价时取同一权重值，纵向网格长度需要结合平台移

动速度与ＣＣＤ成像系统覆盖的范围确定，原则上要确保隧道结构纵向网格成像全覆盖；

３

犜／犆犛犘犛犜犆７６—２０２１

ｃ）纵向网格ＣＣＤ成像，确保网格间图像的搭接，通常应有１０ｃｍ以上的搭接量。

标引序号说明：

犅犻犼———网格单元编号；

犻———横向网格顺序号；

犼———纵向网格顺序号。

图２隧道衬砌结构沿轴向延伸

４．３．７网格单元属性要求如下。

ａ）隧道网格单元由横向与纵向网格组成，单位段网格指衬砌结构网格沿纵向延伸单位长度。

ｂ）每个衬砌网格具有相同的病害属性，包括衬砌裂缝、衬砌强度不足、衬砌厚度不足、钢筋锈蚀、

衬砌变形、衬砌背后空洞、有害气体、照明病害等。

ｃ）衬砌裂缝确定指标为网格单元内裂缝长度、裂缝宽度、裂缝深度、裂缝方向。裂缝深度在没有

实际检测值的情况下可采用经验方法，即裂缝深度与裂缝宽度成正比例，通常为１∶１，也可根

据现场情况调整。

ｄ）衬砌强度不足确定指标为网格单元实测强度与设计强度的比值，没有实测强度值时默认实测

强度为设计值。

ｅ）衬砌厚度不足确定指标为网格单元实测厚度与设计厚度的比值，没有实测厚度值时默认实测

厚度为设计值。

ｆ）钢筋锈蚀确定指标为网格单元实测钢筋截面与设计截面积比，没有实测钢筋截面值时默认实

测截面为设计值。

ｇ）衬砌变形确定指标为网格单元的变形量和变形速率。

ｈ）衬砌背后空洞确定指标为网格单元内实测空洞的横向延伸和纵向延伸。

ｉ）有害气体确定指标为纵向单元内的一氧化碳浓度和烟雾浓度，相同纵向网格单元取同一实

测值。

ｊ）照明病害确定指标为发现距离，相同纵向网格单元取同一实测值。

５隧道病害快速调查平台

５．１基本要求

５．１．１平台应指定专人负责，严格按照操作手册的规定使用、维护和管理。

５．１．２平台应存放在阴凉、通风、干燥、无腐蚀性气体、无强磁场等的地方，使用和运输都应在安全状态

下进行。

５．１．３平台使用前和完成调查后，应对平台设备进行全面检查、维护和校准。

５．１．４非调查期，所有设备应每月进行一次通电检查，平台所用电池应按照说明书要求定期充电。

５．２平台组成

５．２．１移动ＣＣＤ成像快速调查平台应包括检查设备和系统软件。安装方式如图３所示，系统安装在承

载车（５）上，在Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ５个方向上各安装了一套照明模块、ＣＣＤ成像系统和激光测距模块。光电

４

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测速模块安装在平台车的侧下方，平台车在隧道内匀速行进，５个方向的成像模块高速地采集隧道结构

图像，测距模块和测速模块获取图像的空间位置信息。

标引序号说明：

１———照明模块；

２———ＣＣＤ成像系统；

３———激光测距模块；

４———光电测速模块；

５———承载车。

图３移动犆犆犇成像快速调查平台

５．２．２检查设备包括承载移动平台、５个ＣＣＤ成像系统、光电测速模块、激光测距模块、照明模块、电源

模块及附属设施，如图４所示。

图４隧道病害快速调查平台组成示意图

５．２．３软件包括激光测距和光电测速模块、高清图