NFX|隧道衬砌缺陷红外热检测应用研究

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摘　要：

随着隧道的老化，需要定期的检测和维护程序来保证其安全。红外热成像法是一种非接触无损检测方法，用于检测混凝土衬砌箱形隧道和盾构隧道中的缺陷。通过隧道现场实测数据与数值模拟相结合的方法，从缺陷混凝土表面的控制传热机制出发，研究了孔隙类型、无缺陷和有缺陷混凝土表面之间的温差、隧道空气和混凝土表面之间的温差以及孔隙深度对缺陷检测精度的影响。结果表明，封闭式孔隙更容易被红外成像检测出；混凝土表面与隧道空气的温差大于0.35℃，是检测深度约为30ｍｍ或更小的孔隙的理想条件。

关键词：

高铁隧道；红外热成像；无损检测；衬砌缺陷；数值分析

红外热成像检测是一种利用红外测温来发现结构缺陷的无损无接触的检测方法。通过形成的物体表面的温度场来分析物体表面以及内部的差异性，从而进行缺陷的检测。基于红外热成像检测的优点，其在实际工程中被广泛运用[1-2]。有许多研究学者对红外热成像检测进行研究，从而提出了适应不同工程的检测方法。许鑫浩[3]通过试验发现缺陷尺寸大小对红外检测外饰面内部缺陷的影响程度更为明显；在日光条件下，红外热成像正对缺陷检测，检测结果更加容易进行辨别，检测结果更精确。罗广衡[4]针对高寒区混凝土坝的老化检修问题，在红外热成像及图像处理技术的基础上，提出了一种非接触式的保温层缺陷快速检测方法。胡海林[5]通过试验和数值模拟相结合的方式验证了利用红外热成像无损检测方法检测金属部件内部缺陷的可行性。王登涛[6]基于红外热成像检测原理，通过推导夜间条件下轨道板表面温差计算公式，建立了含表面裂缝轨道板红外热成像检测模型，发现当环境温度大于１０℃时，利用热成像技术可以在夜间实现对轨道板表面裂缝的有效检测，且环境温度越高、裂缝尺寸越大，检测效果越好。

将在前人的研究基础上，结合现场实测温度数据和数值模拟，研究无缺陷和有缺陷混凝土表面之间的温差、隧道空气和混凝土表面之间的温差、孔隙类型以及孔隙深度对缺陷检测精度的影响。

1 试验

1.1 隧道内温度测量

收集了贵州地区某钢筋混凝土箱形隧道和盾构隧道内部实测的现场温度数据。图１是该隧道内的测量点设置，包括锤击试验点、热成像测点、温度测量点、固定测点和无损或轻微破坏性试验点。

隧道空气和混凝土表面之间的温差、无缺陷和有缺陷混凝土表面之间温差对于孔隙检测的准确性非常重要。给出了两组不同条件下的温度测量数据。图２(a)为理想条件下，24h内隧道空气温度Ｔ、无缺陷混凝土表面温度和有缺陷混凝土表面温度的现场数据。图2(b)给出了混凝土表面和隧道空气之间的温差，即；有缺陷和无缺陷的混凝土表面之间的温度差，即。从图２中可以看出，隧道空气和混凝土表面之间的温差在所有情况下都大于0.35℃。衬砌混凝土中有缺陷和无缺陷部分之间的温差全部小于0.55℃

图３是另一组现场数据，在24h内每分钟测量１次。在该组数据中，隧道空气和有缺陷混凝土表面之间的温差（）相对较小。图3(a)显示了有缺陷和无缺陷混凝土表面以及隧道空气的温度，根据图3(b)所示的现场测量数据，除了大约上午７点到９点之间的时间，值均小于0.35℃。有缺陷和无缺陷混凝土表面的温差均小于0.15℃，即＜0.15℃。

1.2 孔隙检测

使用红外热成像检测混凝土孔隙通常取决于混凝土表面和隧道空气之间的温差以及无缺陷和有缺陷混凝土表面之间的温差。为了确定红外热成像检测孔隙的准确度，在进行红外热成像检测的相同位置进行了无损锤击试验（见图１）。锤击试验由熟练的检查员对隧道有限段的所有表面进行，发现该段隧道存在实际孔隙的可能性很高。

根据检查员的经验，他们通过锤击试验检测到的孔隙数量与实际孔隙数量非常接近。为了简单起见，假设实际孔隙数与通过锤击试验获得的孔隙数相同。将红外热成像检测到的孔隙数量与锤击试验检测到的孔隙数量之比称为孔隙检测率。图４给出了基于混凝土表面和隧道空气之间的温差的３种情况下孔隙检测率的现场测量数据。当混凝土表面温度低于隧道空气温度时（，吸热情况），缺陷检测率约为40％。对于混凝土表面温度大于隧道空气温度的情况（，散热情况），红外热成像检测出缺陷的概率很大。如果温差增加超过0.35℃时，检测率约为76％。当孔隙尺寸大于10cｍ×10cｍ的检测率高达到78％。由此说明，混凝土温度越高，红外热成像检测出孔隙的概率越高。

2 数值分析

2.1 传热机理

混凝土表面、隧道空气和孔隙内空气之间的热量传递如下：

１）混凝土表面和隧道空气：混凝土表面和隧道空气之间的热量通过瞬态对流机制进行热交换。通过对流机制，混凝土表面和隧道空气之间的热传递推导如下

式中，

q 为传导的热量，Ｗ·ｍ

h 为对流传热系数，Ｗ/(ｍ²·Ｋ）

Ａ为通过对流进行传热的面积，m²

和分别为环境温度和混凝土表面温度，℃

２）混凝土衬砌内部：假设混凝土段内部材料为均质和各向同性，则通过改变混凝土表面外侧和内侧的温度，混凝土内部的传热根据传导公式(2)计算如下

式中，

q为传导的热量，Ｗ·ｍ

ｋ为导热系数，Ｗ/(ｍ·Ｋ)

ΔＴ／Δｎ为垂直于面积Ａ方向上的温度梯度

混凝土内部的温度分布受材料热性能的影响，包括电导率(k)、比热(ｃ)、密度(ρ)和热扩散率(α)。混凝土的三维瞬态对流传热由傅里叶方程(3)控制

式中，Ｔ为时间；ｔ为温度。

３）孔隙周围的混凝土和孔隙内的滞留空气：随着混凝土表面附近区域出现缺陷，空气被滞留在混凝土内。这种通过空气辐射与封闭孔隙的表面相互作用的传热计算公式如式(4)

式中，

q 为通过辐射传递的热量，Ｗ·ｍ

ｅ为系统的辐射系数

σ 为Stephan-Boltzmann常数，Ｗ/()，取σ＝；Ａ为通过辐射进行热传递的面积，m²；ΔＴ为两个系统之间的温差。

2.2 数值模型

根据实际情况，建立数值模型，并使用midas NFX软件进行数值分析，设置模型管片的宽度、长度和厚度分别为80cm、100cm和30cm，孔隙的宽度、长度和厚度分别为10cm、10cm和0.5cm。假设缺陷区域位于靠近内部混凝土中心，仅对混凝土块的1/4进行建模，如图５所示。假设模型的侧面为绝热的，则意味着热量不允许通过侧面传导。衬砌管片顶部与恒定温度为16℃的土壤接触，并通过稳定的对流机制散热。管片的内表面通过瞬态对流机制与隧道空气进行热交换。表１列出数值模型的输入参数。

将现场测量的隧道空气温度引入数值模型，并监测无缺陷和有缺陷混凝土表面的温度随时间的变化，所得结果如图６所示。可以看出在大约上午8:30前，数值分析所得的温度与现场测量中观测到的接近。而上午8:30之后，随着隧道空气温度的增加，数值分析温度与实测温度相差逐渐变大。这意味着与数值模拟结果相比，现场混凝土表面对环境温度变化更为敏感。

假设距混凝土表面2cm深度处存在尺寸为10cm×10cm×0.5cm的孔隙。图７为有无孔隙辐射情况下有缺陷混凝土表面温度数值模拟效果。图７表明，若考虑孔隙上的辐射效应会导致传热速率增加，从而使有缺陷混凝土表面的温度超过无缺陷混凝土表面的温度，这与实测数据不符。因此，为了使分析结果与测量数据更好地吻合，在数值分析中忽略孔隙辐射对温度的影响。

2.3 孔隙类型对检测精度的影响

隧道混凝土衬砌中的腐蚀性孔隙可分为两种类型：如果孔隙与隧道空气接触，则称为开放式孔隙；否则，它被称为封闭式孔隙（如图８所示）。

在开放式孔隙中，图９是分别有开放式和封闭式孔隙的情况下，有缺陷混凝土表面温度变化的数值模拟结果。

在开放式孔隙的情况下，孔隙壁受到外部空气的影响，衬砌表面的温度变得更接近隧道空气的温度，孔隙内的温度随隧道空气温度的变化而变化。与开放式孔隙相比，封闭式孔隙的温度由于受外界干扰较少，更接近于无缺陷混凝土的温度，衬砌表面温度较具有开放式孔隙的衬砌更高，因此与隧道空气温差更大。当使用红外热成像检查具有相同深度的孔隙时，可以容易地检测到具有闭合边界的封闭式孔隙。

2.4 孔隙深度对检测精度的影响

根据本研究中收集的现场测量结果，钢筋腐蚀产生的孔隙位于19~30ｍｍ的深度范围内。在考虑与隧道空气温度相关的数据，以及热成像检测的最佳温度差，选择在午夜12点到中午12点之间的温度进行数值分析，从图3可以知道的最大值和最小值分别在凌晨１点和７：３０，故取这两个时间，再将孔隙深度扩大到５ｍｍ到50ｍｍ进行数值分析，改变孔隙的深度，来监测孔隙深度对无缺陷和有缺陷衬砌混凝土表面温度的影响。

图10显示了不同孔隙深度效应下和的数值结果。从图10中可以看出随着孔隙的深度增加，逐渐变小，那么检测出孔隙的几率将会减小。从图10(a)中可知，在上午7:30时，有缺陷和无缺陷衬砌混凝土表面温差，该值是红外热成像相机的灵敏阈值，故该时间点可以检测到最大深度30ｍｍ的孔隙。从图10(b)可以看出随着孔隙深度的增加，逐渐变小，其绝对值逐渐变大，这是由于在浅孔隙的情况下，衬砌表面的缺陷部分较小，表面温度很快与隧道空气温度平衡，故值较小；还可以看出当孔隙深度大于30ｍｍ时，的变化在很大程度上与孔隙深度无关。由于温差越大，检测精度越高。的最大值是在上午7:30，在此时间大于0.35℃，而其他时间温度小于0.35℃。因此，混凝土表面和隧道空气之间的温差（）大于0.35℃，是检测深度约为30ｍｍ或更小的孔隙的理想条件。