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Automatic Road Tunnel Crack Inspection Based on Crack Area Sensing and Multiscale Semantic Segmentation

Computers, Materials & Continua 2024年第4期79卷 1679-1703页

作者： Dingping Chen Zhiheng Zhu jinyang fu Jilin He College of Mechanical and Electrical Engineering Central South UniversityChangsha410083China Department of Geotechnical Guangdong Hualu Transportation Technology Company LimitedGuangzhou510000China National Engineering Research Center of High-Speed Railway Construction Technology Changsha410075China

The detection of crack defects on the walls of road tunnels is a crucial step in the process of ensuring travel safetyand performing routine tunnel maintenance. The automatic and accurate detection of cracks on the surface of roadtunnels is the key to improving the maintenance efficiency of road tunnels. Machine vision technology combinedwith a deep neural network model is an effective means to realize the localization and identification of crackdefects on the surface of road tunnels.We propose a complete set of automatic inspection methods for identifyingcracks on the walls of road tunnels as a solution to the problem of difficulty in identifying cracks during manualmaintenance. First, a set of equipment applied to the real-time acquisition of high-definition images of walls inroad tunnels is designed. Images of walls in road tunnels are acquired based on the designed equipment, whereimages containing crack defects are manually identified and selected. Subsequently, the training and validationsets used to construct the crack inspection model are obtained based on the acquired images, whereas the regionscontaining cracks and the pixels of the cracks are finely labeled. After that, a crack area sensing module is designedbased on the proposed you only look once version 7 model combined with coordinate attention mechanism (CAYOLOV7) network to locate the crack regions in the road tunnel surface images. Only subimages containingcracks are acquired and sent to the multiscale semantic segmentation module for extraction of the pixels to whichthe cracks belong based on the DeepLab V3+ network. The precision and recall of the crack region localizationon the surface of a road tunnel based on our proposed method are 82.4% and 93.8%, respectively. Moreover, themean intersection over union (MIoU) and pixel accuracy (PA) values for achieving pixel-level detection accuracyare 76.84% and 78.29%, respectively. The experimental results on the dataset show that our proposed two-stagedetection method outperforms other state-of-the-a

关键词： Road tunnel crack inspection crack area sensing multiscale semantic segmentation CA-YOLO V7 DeepLab V3+

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Experimental investigation on the invert stability of operating railway tunnels with different drainage systems using 3D printing technology

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Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2022年第5期14卷 1470-1485页

作者： Linyi Li Junsheng Yang jinyang fu Shuying Wang Cong Zhang Maolong Xiang School of Civil Engineering Central South UniversityChangsha410075HunanChina National Engineering Research Center of High-speed Railway Construction Technology Changsha410075China School of Civil Engineering Central South University of Forestry and TechnologyChangsha410004China

In recent years, the invert anomalies of operating railway tunnels in water-rich areas occur frequently,which greatly affect the transportation capacity of the railway lines. Tunnel drainage system is a crucial factor to ensure the invert stability by regulating the external water pressure(EWP). By means of a threedimensional(3D) printing model, this paper experimentally investigates the deformation behavior of the invert for the tunnels with the traditional drainage system(TDS) widely used in China and its optimized drainage system(ODS) with bottom drainage function. Six test groups with a total of 110 test conditions were designed to consider the design factors and environmental factors in engineering practice,including layout of the drainage system, blockage of the drainage system and groundwater level fluctuation. It was found that there are significant differences in the water discharge, EWP and invert stability for the tunnels with the two drainage systems. Even with a dense arrangement of the external blind tubes, TDS was still difficult to eliminate the excessive EWP below the invert, which is the main cause for the invert instability. Blockage of drainage system further increased the invert uplift and aggravated the track irregularity, especially when the blockage degree is more than 50%. However, ODS can prevent these invert anomalies by reasonably controlling the EWP at tunnel bottom. Even when the groundwater level reached 60 m and the blind tubes were fully blocked, the invert stability can still be maintained and the railway track experienced a settlement of only 1.8 mm. Meanwhile, the on-site monitoring under several rainstorms further showed that the average EWP of the invert was controlled within 84 k Pa, while the maximum settlement of the track slab was only 0.92 mm, which also was in good agreement with the results of model test.

关键词： Operating railway tunnels Invert stability Tunnel drainage system Three-dimensional(3D)printing technology Model test

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水压与动载耦合作用下高铁隧底结构裂损机理分析

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第2期55卷 525-537页

作者：傅金阳张寅初谢佳伟阳军生刘浩中南大学土木工程学院湖南长沙410075 高速铁路建造技术国家工程研究中心湖南长沙410075 中国中铁股份有限公司北京100039 济南轨道交通集团建设投资有限公司山东济南250013

高速铁路隧道底部结构隆起变形开裂是多方面影响因素叠加作用的结果。综合利用扩展有限元方法、流固耦合理论和现场实测结果,采用激振力荷载拟合函数施加于轨面模拟列车振动荷载作用效果,分析在水压和列车动荷载耦合作用下的高铁隧道底... 详细信息

高速铁路隧道底部结构隆起变形开裂是多方面影响因素叠加作用的结果。综合利用扩展有限元方法、流固耦合理论和现场实测结果,采用激振力荷载拟合函数施加于轨面模拟列车振动荷载作用效果,分析在水压和列车动荷载耦合作用下的高铁隧道底部结构不协调变形机理,揭示水压与动荷载作用下隧道底部结构的变形特征与水压力变化规律。研究结果表明:在既有隧底结构型式与排水条件下,水压变化是隧道底部结构变形与开裂的诱发原因,列车动荷载导致的裂缝水压交替变化是隧道底部结构持续性隆起裂损的间接原因。隧道底部结构开裂一般首先发生在仰拱填充层中央排水沟处,然后在轨道板、仰拱填充层与衬砌仰拱结构存在刚度差异的各交界面上出现裂缝。高速列车动荷载周期性的上下振动与水压力耦合作用下隧道底部结构界面和各裂缝过水处产生超静水压力,其周期性抽吸变化将对裂缝产生水力压裂效应,加剧隧道底部结构的裂损。高水压高铁隧道底部结构隆起开裂的整治措施应综合考虑泄水降压、裂缝封堵以及底部多层结构体系的层间锚固。

关键词：高铁隧道底部结构不协调变形扩展有限元流固耦合

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基于深度学习的小麦抗旱相关根系表型原位测量与分析

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农业机械学报 2024年第5期55卷 207-217页

作者：段凌凤傅金阳王新轶施家伟李为坤杨万能华中农业大学工学院武汉430070 华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室武汉430070

根系是植物吸收水分的主要通道,根系表型与植物抗旱能力息息相关。为了快速准确地获取小麦根系表型指标,利用土培根盒法进行了小麦干旱胁迫实验,共采集18个时间点的根系时序图像。设计了一套基于深度学习的根系图像处理与分析流程,针对... 详细信息

根系是植物吸收水分的主要通道,根系表型与植物抗旱能力息息相关。为了快速准确地获取小麦根系表型指标,利用土培根盒法进行了小麦干旱胁迫实验,共采集18个时间点的根系时序图像。设计了一套基于深度学习的根系图像处理与分析流程,针对土壤遮蔽引起的断根问题,提出了一种融合目标检测网络和沙漏注意力网络的检测-修复两阶段断根修复方法,以修复根系断裂区域,并通过多尺度训练和自适应迭代法提高修复精度和鲁棒性。提取了小麦在干旱胁迫和对照处理下的根面积、总根长、根宽、根深、根宽深比、根密度6个表型性状,分析了小麦根系对干旱胁迫的表型响应。结果显示,干旱胁迫下,小麦会有更低的根系生物量、更深的根系扎根深度及更分散的根系构型。同时计算了小麦根系干旱胁迫耐受性指数,结合主成分分析法,对小麦品种的抗旱能力进行了描述和排序。

关键词：小麦根系表型原位测量抗旱性分析断根修复深度学习

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不等跨四连拱隧道中隔墙结构受力现场测试与分析

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岩土工程学报 2023年第10期45卷 2201-2208页

作者：李雨哲柏署杨雄阳军生傅金阳中南大学土木工程学院湖南长沙410075 湖南省交通规划勘察设计院有限公司湖南长沙410200

依托长沙观音岩不等跨四连拱公路隧道工程,选择典型断面对主、辅4个正洞施工全过程中隔墙墙身内力进行现场监测分析,获得其在多洞室开挖、频繁扰动下的力学特征,并验算其安全性。结果表明:四连拱隧道中隔墙结构受力受到相邻的先行洞室... 详细信息

依托长沙观音岩不等跨四连拱公路隧道工程,选择典型断面对主、辅4个正洞施工全过程中隔墙墙身内力进行现场监测分析,获得其在多洞室开挖、频繁扰动下的力学特征,并验算其安全性。结果表明:四连拱隧道中隔墙结构受力受到相邻的先行洞室开挖影响最大,不相邻洞室开挖对其影响较小;中间位置的中隔墙所承受荷载较两侧的更大,正洞开挖对其影响更明显;施工全过程各中隔墙结构的安全性均满足要求,说明其结构设计和施工措施合理。研究成果可为复杂条件下多连拱隧道的设计与施工提供借鉴。

关键词：四连拱隧道中隔墙现场测试力学特征安全性评价

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高地温隧道衬砌混凝土早期开裂机理及防控措施

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铁道学报 2022年第3期44卷 105-114页

作者：傅金阳徐光阳杨曾赵宁宁刘守花中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学高速铁路建造技术国家工程研究中心湖南长沙410075 中铁五局集团有限公司第一工程有限责任公司湖南长沙410117

为解决高地温隧道衬砌混凝土早龄期开裂问题,以我国西部某超高地温隧道为依托,利用理论推导、数值模拟与现场测试方法分析温度与湿度变化耦合作用下高地温隧道衬砌混凝土早期开裂机理及针对性保温隔热措施。研究结果表明:高地温与混凝... 详细信息

为解决高地温隧道衬砌混凝土早龄期开裂问题,以我国西部某超高地温隧道为依托,利用理论推导、数值模拟与现场测试方法分析温度与湿度变化耦合作用下高地温隧道衬砌混凝土早期开裂机理及针对性保温隔热措施。研究结果表明:高地温与混凝土早龄期水化产热共同作用形成的温度应力是隧道衬砌早龄期开裂的内在原因,早龄期混凝土强度增长不足是表面开裂直接原因;高地温隧道诱发衬砌混凝土早龄期开裂的围岩温度临界值约为63℃,低于此值时隧道衬砌正常施工不会导致早龄期开裂;超过此围岩温度临界值时,建议在初支与二衬间设置夹心式保温隔热层,避免衬砌混凝土因过大内外温差出现早期表面开裂;采用夹心式保温隔热层相比二衬表面设置表贴式保温隔热层更具施工组织便利性,且可避免衬砌混凝土长期处于高温状态。研究结果可为高地温衬砌混凝土早龄期开裂风险防控和隔热措施设计提供参考。

关键词：高地温开裂机理多场耦合数值模拟早龄期开裂控制

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基于土层重力效应的近邻双孔隧道地层位移计算和扰动分区

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河海大学学报（自然科学版） 2023年第6期51卷 67-76页

作者：杨海涛晏莉吴昊傅金阳唐锐钟涛长沙理工大学土木工程学院湖南长沙410114 中南大学土木工程学院湖南长沙410075

为分析近邻双孔隧道施工的相互影响,利用复变函数和Schwarz交替法求解基于土层重力效应且洞室发生收敛变形的地层位移解析函数,通过设置位移约束点对地层位移进行修正,最终获得了土层重力效应下近邻双孔隧道开挖的解析模型。采用该解析... 详细信息

为分析近邻双孔隧道施工的相互影响,利用复变函数和Schwarz交替法求解基于土层重力效应且洞室发生收敛变形的地层位移解析函数,通过设置位移约束点对地层位移进行修正,最终获得了土层重力效应下近邻双孔隧道开挖的解析模型。采用该解析模型分析了迭代次数、位移约束及洞室水平变形对地层位移的影响规律。结果表明:当迭代次数为2时,计算结果已满足精度要求;设置竖向位移约束边界使地表相对沉降曲线整体发生向下偏移,左侧水平位移约束边界则使相对水平变形向左侧发生一定量的偏移;随着洞室水平变形系数的增大,地层相对竖向变形随之增大而相对水平变形却随之减小,且对两者的影响程度不一致。基于地层位移判别准则,获得了基于几何近接度和埋深比的双孔隧道的强、弱、无影响分区。

关键词：近邻双孔隧道重力效应复变函数地层变形影响分区

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隧道体外排水深埋中心水沟设计参数模型试验研究

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岩石力学与工程学报 2023年第6期42卷 1508-1519页

作者：相懋龙阳军生包德勇李林毅傅金阳中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉430063 高速铁路建造技术国家工程研究中心湖南长沙410075

隧道深埋中心水沟可有效减少富水地段仰拱高水压及其导致的隧底结构隆起问题。通过设计融合3D打印技术的隧道模型试验,探究了深埋水沟重要设计参数对隧道排水效能及结构安全性的影响规律,进一步地,给出深埋水沟重要设计参数的合理取值... 详细信息

隧道深埋中心水沟可有效减少富水地段仰拱高水压及其导致的隧底结构隆起问题。通过设计融合3D打印技术的隧道模型试验,探究了深埋水沟重要设计参数对隧道排水效能及结构安全性的影响规律,进一步地,给出深埋水沟重要设计参数的合理取值区间。研究结果表明:深埋水沟管径参数是影响隧道排水量、衬砌外水压力、结构位移的主导因素且存在阶段性影响规律,在0~0.8 m管径工况下,随着管径增长深埋水沟排水量增长明显,衬砌水压分布型式由“扇贝型”分布逐步转变为“桃型”分布,底部结构从整体显著隆起逐步转为轻微沉降状态,0.8~1.6 m管径工况下,随管径增长隧道排水总量、衬砌水压分布、底部结构位移维持基本稳定状态,兼顾其他控制因素,推荐类似工程中管径取值0.6~1.0 m;深埋水沟埋深参数并非是影响排水效能的主导因素,该参数选取时应从方便现场施工、保证排水效果、利于隧底稳定性等方面综合考虑。

关键词：隧道工程铁路隧道体外排水深埋水沟隧底隆起 3D打印技术模型试验

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盾构隧道渣土资源化再利用技术研究及展望

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隧道建设（中英文） 2022年第2期42卷 188-207,I0003-I0022页

作者：谢亦朋张聪阳军生傅金阳肖超占永杰中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南林业科技大学土木工程学院湖南长沙410004 中建五局土木工程有限公司湖南长沙410004

为形成对盾构渣土资源化再利用技术进展、挑战与创新的系统认识,介绍了国内外盾构隧道渣土的分类再利用标准,详细总结了盾构渣土作为盾构施工辅助材料、再生建筑材料、植被复垦材料与工程填筑材料的再利用技术。阐明分析了盾构渣土资源... 详细信息

为形成对盾构渣土资源化再利用技术进展、挑战与创新的系统认识,介绍了国内外盾构隧道渣土的分类再利用标准,详细总结了盾构渣土作为盾构施工辅助材料、再生建筑材料、植被复垦材料与工程填筑材料的再利用技术。阐明分析了盾构渣土资源化再利用技术在标准、方法、设备、市场效益等方面仍存在细化、优化、规模化、产业化的挑战,构建了"再利用方式初判—盾构渣土分级处理—渣土再利用可行性评价—再生产品性能与市场效益评估"的盾构渣土资源化再利用的标准化技术流程。重点阐述了盾构渣土在壁后注浆材料、植被复垦基质和免烧建筑材料等方面的再利用新技术,提出了盾构渣土在壁后注浆材料中的分级再利用标准、渣土再生产品性能优化的多目标规划技术、盾构渣土作为植被复垦基质的再利用可行性试验方法、盾构渣土制备免烧空心砖的工艺流程与参数优化等新思路。最后,对我国盾构渣土资源化再利用技术与产业发展趋势进行了展望。

关键词：盾构隧道渣土资源化再利用技术壁后注浆材料植被复垦免烧空心砖

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列车动载作用下隧道底部隆起预应力锚索整治失效机制分析

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振动与冲击 2023年第15期42卷 190-198页

作者：相懋龙阳军生李林毅傅金阳王立川李雨哲中南大学土木工程学院长沙410075 高速铁路建造技术国家工程实验室长沙410075 中铁十八局集团有限公司天津300222

以我国西南某铁路YD隧道典型底部隆起案例为依托,通过分析长达8年的现场监测数据,明确了预应力锚索处置后仍存在的隧底围岩变形难以约束、底部隆起病害持续发展的工程问题,进一步结合数值模拟手段,探究了列车振动荷载作用下缓倾层状岩... 详细信息

以我国西南某铁路YD隧道典型底部隆起案例为依托,通过分析长达8年的现场监测数据,明确了预应力锚索处置后仍存在的隧底围岩变形难以约束、底部隆起病害持续发展的工程问题,进一步结合数值模拟手段,探究了列车振动荷载作用下缓倾层状岩体运营铁路隧道底部隆起预应力锚索整治的失效机制。研究结果表明:列车动载作用是导致YD隧道底部预应力锚索整治失效的关键因素;在列车动载作用下,预应力锚索出现了整体滑移现象,导致较大程度的预应力损失,难以有效约束隧底隆起发展,最终使锚索整治失效,可见在该病害整治中不宜采用预应力锚索进行加固;同时随列车速度增加,会进一步加剧预应力锚索整治失效现象,在同类病害整治后的逐级提速过程中应引起高度重视,铁路隧道底部隆起病害不宜采用预应力锚索整治方案。

关键词：铁路隧道缓倾层状岩体底部隆起列车动载预应力锚索失效机制

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