城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能演化與感控基礎(chǔ)理論綜述

朱合華，王曙光，彭立敏，黃宏偉，朱宏平，吳 波，白廷輝

(1．同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211800；3. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083；4.華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；5.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 511442；6.上海申通地鐵集團(tuán)，上海 201102)

城市軌道交通對緩解交通壓力、便捷市民出行、改善城市結(jié)構(gòu)、提升城市整體形象和競爭力具有重要意義[1]。近年來，我國大量城市的軌道交通已建成并投入使用，至2020年底，我國大陸地區(qū)共有45座城市開通城市軌道，運(yùn)營里程7 969.7公里，運(yùn)營車站達(dá)4 681座[2]。軌道交通已成為城市交通的主動脈，其結(jié)構(gòu)健康服役的重要性日漸突出。一方面，在內(nèi)外因素的共同作用下，城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)會發(fā)生變化，性能逐步退化；另一方面，我國軌道交通建設(shè)速度迅猛，結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量難免存在一定程度的缺陷，且結(jié)構(gòu)損壞后不易或不可更換，給軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役狀態(tài)的判斷和預(yù)知控制帶來了極大困難[3-5]。具體而言，城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)在服役過程中長期處于復(fù)雜的物理-化學(xué)-力學(xué)條件下,各種內(nèi)外環(huán)境均會對其材料性能和全壽命產(chǎn)生重要的影響，導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)性能演化機(jī)制難清[3]；同時(shí)，城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)為超長線狀地下結(jié)構(gòu),在服役過程中受各種因素的影響而逐漸出現(xiàn)病害，其結(jié)構(gòu)性能隨之不斷劣化，健康狀態(tài)極其難知[4]；而且，城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)常處于地下水賦存環(huán)境中，導(dǎo)致傳統(tǒng)方法難以有效修復(fù)或者加固損傷的地下結(jié)構(gòu)，使得地下結(jié)構(gòu)損壞后極其難修[5]。

為了解決地下結(jié)構(gòu)性能演化機(jī)制難清、健康狀態(tài)難知以及地下結(jié)構(gòu)損壞極其難修等工程科學(xué)難題，2011年，“城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能演化與感控基礎(chǔ)理論”獲國家“973計(jì)劃”立項(xiàng)。項(xiàng)目由同濟(jì)大學(xué)、華中科技大學(xué)、中南大學(xué)、華南理工大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)和上海申通地鐵集團(tuán)有限公司共同承擔(dān)，共設(shè)置動態(tài)服役環(huán)境中地下結(jié)構(gòu)材料全壽命期性能演化機(jī)制、地下結(jié)構(gòu)性能與環(huán)境耦合作用機(jī)制、超長線狀地下結(jié)構(gòu)狀態(tài)智慧感知理論與方法、動態(tài)時(shí)空環(huán)境效應(yīng)下的地下結(jié)構(gòu)健康診斷與服役性能預(yù)知理論、地下水環(huán)境下的結(jié)構(gòu)智能自修復(fù)與加固理論、地下結(jié)構(gòu)健康服役的數(shù)字化保障與控制體系6個(gè)課題，同濟(jì)大學(xué)朱合華為項(xiàng)目首席科學(xué)家，南京工業(yè)大學(xué)劉偉慶、中南大學(xué)彭立敏、同濟(jì)大學(xué)黃宏偉、華中科技大學(xué)朱宏平、華南理工大學(xué)吳波、同濟(jì)大學(xué)朱合華和上海申通集團(tuán)白廷輝分別為第1—6課題負(fù)責(zé)人。經(jīng)過5年多共同努力，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)揭示了動態(tài)時(shí)空環(huán)境效應(yīng)下的地下結(jié)構(gòu)性能演化機(jī)制，發(fā)展了超長線狀地下結(jié)構(gòu)狀態(tài)智慧感知與評估理論，并建立了地下水環(huán)境下的結(jié)構(gòu)自修復(fù)機(jī)制與自適應(yīng)控制理論，在地下結(jié)構(gòu)全壽命期性能演化多尺度模型與預(yù)測方法、超長線狀地下結(jié)構(gòu)的智慧感知與損傷識別方法、地下結(jié)構(gòu)管片的混凝土自修復(fù)與加固方法以及地下結(jié)構(gòu)健康服役的數(shù)字化保障與控制體系4個(gè)方面取得代表性成果。

1 地下結(jié)構(gòu)全壽命期性能演化多尺度模型與預(yù)測方法

1.1 地下結(jié)構(gòu)材料多尺度本構(gòu)和性能劣化模型

混凝土材料微觀結(jié)構(gòu)在空間上具有明顯跨尺度屬性，在時(shí)間上具有顯著演化發(fā)展特征，既有研究主要集中在微觀材料組分隨時(shí)間的變化及其體積分?jǐn)?shù)對宏觀材料性能的影響，對微觀組分(如細(xì)砂、骨料)粒徑、形狀和空間位置的隨機(jī)分布考慮不足。Zhang等[6]和Guan等[7]考慮骨料的形狀、粒徑分布和空間分布的隨機(jī)性，能高效考慮界面區(qū)的影響；尺度跨越具有雙向性，既可以分析微觀結(jié)構(gòu)特征對宏觀性能的影響，又可以描述微觀結(jié)構(gòu)對宏觀荷載的響應(yīng)，從微觀、細(xì)觀、宏觀層次探究了城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)材料性能形成機(jī)制和復(fù)雜環(huán)境下服役性能的劣化機(jī)制(圖1)，并基于均勻化理論建立了分析混凝土早期性能的多尺度模型[7]。

圖1 地下結(jié)構(gòu)材料多尺度本構(gòu)模型[6-7]

圖2 混凝土三維孔隙實(shí)時(shí)模型[8]

圖3 侵蝕過程的產(chǎn)物填充孔隙[8]

1.2 隧道管片、接縫性能演化計(jì)算模型

針對地下結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，既有研究考慮因素單一，缺乏對多因素耦合作用機(jī)制及其對結(jié)構(gòu)性能影響的研究，與地下結(jié)構(gòu)所處實(shí)際環(huán)境聯(lián)系不夠緊密，相關(guān)模型難以直接用于地下結(jié)構(gòu)工程實(shí)際。Lei等[12-13]發(fā)明了能真實(shí)模擬侵蝕環(huán)境、動靜荷載、邊界狀態(tài)的隧道襯砌結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)裝置與方法，揭示了在結(jié)構(gòu)荷載、材料損傷、環(huán)境變異和基底狀態(tài)等因素作用下隧道結(jié)構(gòu)耐久或疲勞損傷性能演化機(jī)制，構(gòu)建了侵蝕環(huán)境-動靜荷載-邊界狀態(tài)耦合條件下隧道襯砌結(jié)構(gòu)全壽命服役性能分析理論框架和計(jì)算方法，為多因素耦合下結(jié)構(gòu)全壽命期性能分析提供解決方案。

針對管片接縫，既有研究沒有把接頭在服役周期內(nèi)的性能劣化與抗?jié)B能力結(jié)合，沒有考慮接縫接觸壓力和接觸狀態(tài)等多因素的耦合作用。Shi等[14-15]結(jié)合考慮管片接縫的接觸應(yīng)力和變形狀態(tài)，發(fā)明了盾構(gòu)管片接頭抗?jié)B性能試驗(yàn)裝置與方法，揭示了在考慮橡膠密封墊老化及接頭張開錯(cuò)臺變形特征下的盾構(gòu)隧道管片接頭抗?jié)B性能演化機(jī)制，提出了接縫防水材料的時(shí)變本構(gòu)模型及接縫應(yīng)力-耦合滲流分析模型，建立了盾構(gòu)隧道接縫防水性能的優(yōu)化控制設(shè)計(jì)方法。

1.3 隧道結(jié)構(gòu)損傷缺陷計(jì)算分析理論與方法

針對隧道結(jié)構(gòu)的損傷缺陷計(jì)算，既有無網(wǎng)格類方法的形函數(shù)計(jì)算需要大量的矩陣相乘、求逆等運(yùn)算，計(jì)算代價(jià)大、公式復(fù)雜；插值函數(shù)一般為有理函數(shù)，不是多項(xiàng)式，數(shù)值積分困難；插值點(diǎn)的影響域選擇具有一定隨意性，無嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜≈狄?guī)則；位移邊界直接施加困難，極大地制約了無網(wǎng)格方法的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展。Cai等[16-17]、Wu等[18]和Zhuang等[19]針對多種綜合因素共同作用下，隧道結(jié)構(gòu)損傷缺陷等承載力及安全評估的工程和科學(xué)難題，創(chuàng)新發(fā)展了新的獨(dú)立覆蓋無網(wǎng)格分析理論方法(ICMM)，在獨(dú)立的結(jié)點(diǎn)影響域上定義無網(wǎng)格插值函數(shù)，保留了無網(wǎng)格方法所有的動網(wǎng)格模擬優(yōu)點(diǎn)，插值函數(shù)為一般多項(xiàng)式，計(jì)算公式簡單、計(jì)算時(shí)間短、容易實(shí)施精確積分、容易施加位移邊界條件，較好地克服了現(xiàn)有無網(wǎng)格方法在斷裂分析方面存在的困難(圖4和5)。開發(fā)了相應(yīng)的盾構(gòu)隧道分析軟件系統(tǒng)，為地下結(jié)構(gòu)服役性能的健康評估提供理論和軟件支撐[16-19]。

圖4 隧道結(jié)構(gòu)損傷缺陷計(jì)算理論[16-17]

圖5 ICMM分析軟件計(jì)算結(jié)果[16-17]

2 超長線狀地下結(jié)構(gòu)的智慧感知與損傷識別方法

2.1 地下結(jié)構(gòu)靜態(tài)參量無線感知與整體模量動力感知方法

國內(nèi)外較少有關(guān)于地下結(jié)構(gòu)綜合無線感知的研究，在變形傳感方面劍橋大學(xué)僅有無線感知結(jié)構(gòu)傾斜的研究[20]，缺少針對地下結(jié)構(gòu)的多參量無線感知，此外超長線狀地下結(jié)構(gòu)縱向沉降與橫向收斂關(guān)系的機(jī)制不清[11]。針對超長線狀地下結(jié)構(gòu)服役環(huán)境，提出盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)橫向變形模式[21-22]，建立傾角與隧道收斂間的定量關(guān)系[23]；提出了基于三維空間的盾構(gòu)隧道縱向變形模式分析方法，得到盾構(gòu)隧道縱向變形模式[10]；建立縱向變形、隧道橫斷面收斂與結(jié)構(gòu)內(nèi)力關(guān)系理論模型[11]，通過橫斷面傾角變化感知隧道力學(xué)狀態(tài)。在大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，得到滲漏水、裂縫的分布特點(diǎn)和規(guī)律，建立基于泊松過程的滲漏水隨機(jī)模型[24]，采用擴(kuò)展有限元揭示了不同位置裂縫的發(fā)展規(guī)律[25]，為滲漏水和裂縫感知提供了依據(jù)。建立基于魯棒性的感知節(jié)點(diǎn)布置優(yōu)化策略[26]，解決自動化監(jiān)測的高成本困境。

針對拼裝式盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)，利用基于振動的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)方法，在振動響應(yīng)模擬方面提出了2.5維算法高效模擬方法[27]。但隧道埋置于土體中的拼裝結(jié)構(gòu)，因土體的耦合和約束作用引起響應(yīng)特征變化[28]，故既有研究無法感知土體耦合下的結(jié)構(gòu)性能；商用無線振動傳感器頻響范圍低，難以實(shí)現(xiàn)土體和地下結(jié)構(gòu)共同監(jiān)測[29]。Feng等[30]和Zhou等[31]建立了基于傳播模態(tài)截止頻率、扭轉(zhuǎn)波速及傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)感知方法，彌補(bǔ)了盾構(gòu)隧道考慮地層的整體彈性模量感知中的不足。

2.2 地下結(jié)構(gòu)感知單元體研發(fā)與超長線狀結(jié)構(gòu)WSN低功耗異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

目前，德國BeanAir、美國MircoStrain等公司開發(fā)的無線振動傳感器頻率低于300 Hz[29]；加拿大Measurand公司利用傾角傳感器制作出的SAA(Shape Accel Array)產(chǎn)品，可以用于測量隧道收斂、地層水平位移以及路基沉降[32]。但原有無線傳感器存在分辨率低、地下空間適應(yīng)性差、價(jià)格昂貴等問題，地下結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)感知缺乏系統(tǒng)完善的無線感知方法[4]。項(xiàng)目組研究人員自主研發(fā)了無線MEMS傾角傳感器[33]、縱向不均勻沉降傳感器[34]、無線滲漏水傳感器[24]、無線接縫傳感器[35]、無線振動加速度傳感器[29]和壓電智能傳感器[36]，實(shí)現(xiàn)了靜動性能參量感知體的國產(chǎn)化[37]，研發(fā)的傾角傳感器對比美國crossbow產(chǎn)品分辨率提高10倍，成本降低一半以上，具備更為出色的電氣性能兼容性(圖6(a))[4]，在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過更新?lián)Q代，形成的微型高精度無線MEMS傾角傳感器(圖6(b))，尺寸為52 mm×50 mm×40 mm，遠(yuǎn)小于市面上常見的國際一流標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品(圖6(c)),尺寸為60 mm×60 mm×45 mm[33]。

圖6 MEMS傾角傳感器[4，33]

具備感知、數(shù)據(jù)處理和通信功能的微小傳感器功能正在增強(qiáng)，促進(jìn)了基于大量傳感器節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作的WSN的實(shí)現(xiàn)。在網(wǎng)絡(luò)集成中，智能化、小型化、低成本及低功耗已成為研究的趨勢。但對于超長線狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，缺乏數(shù)據(jù)智能處理和低成本路由方面的理論研究，在適時(shí)監(jiān)測的超量數(shù)據(jù)的傳輸上容易丟包，且在現(xiàn)場應(yīng)用中存在傳感器功耗大、使用壽命短等不足[38]。He等[38]和Li等[39]針對以上問題，建立了超長線狀地下結(jié)構(gòu)低功耗、自組網(wǎng)智慧感知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(圖7)，解決了地下環(huán)境下不能智慧感知及高能耗問題；LoRaWAN和ZigBee等無線通信技術(shù)也逐漸被應(yīng)用于復(fù)雜的隧道環(huán)境[40]。為了適應(yīng)隧道信號傳輸環(huán)境，新型的網(wǎng)絡(luò)路由算法RHCRP能優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)簇頭的選擇進(jìn)而優(yōu)化傳感器布設(shè)方案[41]。He 等[42-43]建立了超長線狀地下結(jié)構(gòu)時(shí)空壓縮和恢復(fù)算法，解決了地下環(huán)境下數(shù)據(jù)不能快速、準(zhǔn)確傳輸?shù)膯栴}。目前，用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的WSN技術(shù)信號通常在空氣中傳輸，然而地下結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測亟需引入埋入式傳感器感知結(jié)構(gòu)狀態(tài)，埋入式傳感器的無線信號需要穿透土層和鋼筋混凝土等復(fù)雜介質(zhì)，信號損耗明顯增大。Huang等[44]建立了無線信號穿越土層損耗與傳感器的天線場區(qū)特性、電磁波頻率、土壤種類和含水量的定量關(guān)系。

2.3 基于分布識別的損傷定位與基于子結(jié)構(gòu)的損傷識別方法

地下結(jié)構(gòu)存在線狀長、病害種類繁多、巖土賦存條件復(fù)雜等問題，現(xiàn)有模型包含大量單元和參數(shù)，現(xiàn)場監(jiān)測產(chǎn)生海量監(jiān)測信號，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析的維度災(zāi)難，從而使結(jié)構(gòu)損傷識別的效率低。Wang 等[45]和羅輝等[46]基于互信息理論對超長線狀地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)(圖8)，保證了識別的精度，減小了數(shù)據(jù)的冗余量，建立基于分布式識別策略的惟響應(yīng)損傷定位方法(損傷定位)，結(jié)合小波包能量譜，解決了損傷精確定位差的問題。

圖7 超長線狀環(huán)境中傳感網(wǎng)模型[39]

圖8 基于互信息理論的子區(qū)間劃分方法[46]

地下結(jié)構(gòu)存在超長距離、土結(jié)構(gòu)交互作用和邊界條件模糊等問題，Lu等[47]和Gu等[48]的模型節(jié)點(diǎn)單元多、系統(tǒng)矩陣尺寸大、計(jì)算效率低。他們的模型中未知參數(shù)多，優(yōu)化迭代難以收斂，優(yōu)化參數(shù)精度欠佳。Weng 等[49-50]和Zhu等[51-53]基于子結(jié)構(gòu)有限元模型修正的損傷識別方法，解決了整體地下結(jié)構(gòu)多尺度識別的問題，在精度相同的條件下，子結(jié)構(gòu)修正效率提高90%。同時(shí)，結(jié)合層次分析方法等，構(gòu)建了完善的健康評價(jià)指標(biāo)體系和健康評估方法；建立了城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)體系性能退化可靠度分析模型，為地下結(jié)構(gòu)可靠度分析和性能退化分析提供了新的途徑。

3 地下結(jié)構(gòu)管片的混凝土自修復(fù)與加固方法

3.1 自修復(fù)混凝土的細(xì)觀力學(xué)模型

針對地下水環(huán)境下的結(jié)構(gòu)混凝土的修復(fù)，目前常用的方法有微膠囊自修復(fù)、電化學(xué)沉積自修復(fù)等多種方法[54]。圍繞修復(fù)問題，建立了自修復(fù)混凝土的細(xì)觀力學(xué)模型。

3.1.1 微膠囊自修復(fù)混凝土的細(xì)觀力學(xué)模型

目前，國內(nèi)外關(guān)于混凝土的微膠囊自修復(fù)研究主要局限于試驗(yàn)研究[54]，而在其力學(xué)模型、修復(fù)介質(zhì)遷移規(guī)律、評價(jià)方法以及影響因素等方面的研究成果相對較少。Zhu等[55-56]針對這一理論空白，建立了微膠囊自修復(fù)混凝土的細(xì)觀力學(xué)模型和概率修復(fù)模型，相應(yīng)的參數(shù)分析結(jié)果可以為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。Zhu等[55]提出的拉/壓荷載下微膠囊自修復(fù)混凝土的細(xì)觀力學(xué)計(jì)算模型如圖9所示，根據(jù)這一模型，可從細(xì)觀機(jī)制上解釋及預(yù)測不同直徑微膠囊自修復(fù)混凝土在受壓荷載作用下的本構(gòu)關(guān)系。

圖9 拉/壓荷載下微膠囊自修復(fù)混凝土的細(xì)觀力學(xué)計(jì)算模型[56]

同時(shí)，Zhu等[56]還建立了微膠囊自修復(fù)混凝土的三維修復(fù)概率細(xì)觀力學(xué)模型，用該模型計(jì)算的結(jié)果與蒙特卡羅法的計(jì)算結(jié)果吻合很好(圖10)。由圖10可知：在微膠囊摻量(Vf)一定的情況下，單個(gè)微膠囊的修復(fù)程度(h)越高，整體的修復(fù)概率(P)反而越低[57]。

圖10 修復(fù)程度和體積分?jǐn)?shù)的影響[57]

3.1.2 電化學(xué)沉積修復(fù)飽和/非飽和混凝土的細(xì)觀力學(xué)模型

在電化學(xué)沉積修復(fù)領(lǐng)域，國內(nèi)外既有研究缺乏修復(fù)混凝土的力學(xué)模型[57]， Zhu等[58]和Yan等[59]建立了電化學(xué)沉積修復(fù)飽和/非飽和混凝土的細(xì)觀力學(xué)模型，如圖11所示，揭示了電沉積產(chǎn)物、飽水程度和混凝土孔隙結(jié)構(gòu)對修復(fù)效果的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著沉積物性能和飽和度的提升，修復(fù)后混凝土具有更好的性能；Chen等[60-61]進(jìn)一步基于所提電化學(xué)沉積修復(fù)混凝土的確定性細(xì)觀力學(xué)模型，結(jié)合材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的隨機(jī)描述，通過隨機(jī)模擬可獲取修復(fù)后材料宏觀性能的概率特征，形成了電化學(xué)沉積修復(fù)混凝土的隨機(jī)細(xì)觀力學(xué)框架。

圖11 電化學(xué)沉積修復(fù)飽和/非飽和混凝土的細(xì)觀模型[58-59]

3.2 地下結(jié)構(gòu)管片的短期主動加固和長期被動加固方法

在地下管片結(jié)構(gòu)加固方面的研究中，為改善地下管片結(jié)構(gòu)的當(dāng)前損傷狀態(tài)，Wu等[62]提出了SMA螺栓短期主動加固的方法，對內(nèi)置式形狀記憶合金(SMA)螺栓進(jìn)行有效加熱(圖12)，使接頭張開量和撓度分別減小了30%～60%和20%～40%，混凝土受壓區(qū)邊緣應(yīng)變降低了90%，鋼螺栓應(yīng)變降低了70%，這一方法既改善了當(dāng)前狀態(tài)，也為后續(xù)長期被動加固創(chuàng)造有利條件。

圖12 內(nèi)置式SMA螺栓的加熱方法[62]

在管片的鋼板加固方面，之前的工作多采用傳統(tǒng)鋼板加固，為了提高加固效果，Luo等[63]提出了管片結(jié)構(gòu)的型鋼加固方法。在用鋼量相同時(shí)，所提型鋼加固方法具有更優(yōu)的加固效果。

管片結(jié)構(gòu)的加固還面臨著耐久性的問題，在此之前，芳綸纖維布(AFRP)加固混凝土部件的耐久性能幾乎未見文獻(xiàn)報(bào)道。Wu等[64]和Zhang等[65]研究發(fā)現(xiàn)AFRP加固混凝土部件總體上具有良好的耐氯鹽和硫酸鹽性能，初步消除了工程界的疑慮。

3.3 火災(zāi)高溫后管片接頭的耐水性能

火災(zāi)嚴(yán)重威脅地下結(jié)構(gòu)加固體系安全，因此，對火災(zāi)高溫過后地下結(jié)構(gòu)管片的性能研究很有必要。針對縫隙對熱量傳遞的影響不明確和高溫后接頭密封墊的耐水性能不清楚等問題，Yan等[66-67]和Wu等[68]研究了管片接頭的高溫后耐水性能。研究揭示了縫隙對混凝土部件溫度分布的影響，發(fā)現(xiàn)縫隙面上溫度偏低，傾斜縫隙面上的溫度分布相對于垂直縫隙面上的溫度分布略微偏高。這說明縫隙具有延緩?fù)饨鐭崃肯驑?gòu)件內(nèi)部傳遞的效應(yīng)。經(jīng)過1～2 h的標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用處理后，接頭密封墊的溫度分別為30～60 和60～90 ℃，接頭密封墊的耐水性能變化有限，但密封墊卸載時(shí)應(yīng)予以特別關(guān)注[66-68]。

4 地下結(jié)構(gòu)健康服役的數(shù)字化保障與控制體系

4.1 盾構(gòu)隧道服役性能指標(biāo)(TSI)計(jì)算方法的提出

在地下結(jié)構(gòu)健康服役性能的研究領(lǐng)域中，為改變以人工經(jīng)驗(yàn)為主的性能狀態(tài)評估方法， 朱合華等[69]和Li等[70]提出了盾構(gòu)隧道服役性能指標(biāo)(TSI)計(jì)算方法，由維護(hù)養(yǎng)護(hù)構(gòu)件的確定、結(jié)構(gòu)性能要求的確定、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估、結(jié)構(gòu)性能預(yù)測、優(yōu)化決策和維護(hù)養(yǎng)護(hù)操作六部分組成，該方法為盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)性能控制提供了理論依據(jù)。

在該計(jì)算方法中，將盾構(gòu)隧道劃分成4個(gè)時(shí)期：少年期(0～6 a)、壯年期(7～30 a)、中年期(31～70 a)、老年期(71～100 a)；建立統(tǒng)計(jì)模型MIMIC，并對影響因素進(jìn)行評估，不同時(shí)期TSI影響因素不同，根據(jù)TSI統(tǒng)計(jì)方法得到不同的性能退化曲線[70]。

本項(xiàng)目中，采用不同的方法對隧道性能進(jìn)行了評估，驗(yàn)證了評估結(jié)果的正確性；考慮了不同評估指標(biāo)之間的相關(guān)性，建立了評估指標(biāo)與隧道服役性能之間的定量關(guān)系。而所提出的TSI確定方法被國家《城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》所采納。

4.2 智慧基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)(iS3)平臺的研發(fā)

朱合華等[71]提出了智慧基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)系統(tǒng)(Infrastructure Smart Service System,iS3)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、表達(dá)、分析的一體化智慧決策服務(wù)。該平臺提供了從數(shù)字化對象到數(shù)字化工程的完整解決方案：單個(gè)數(shù)字化對象→數(shù)字化對象組→專業(yè)領(lǐng)域→數(shù)字化工程。平臺框架由主程序、核心庫、數(shù)據(jù)文件、擴(kuò)展模塊、工具庫、Python擴(kuò)展插件以及Python腳本庫構(gòu)成。這一智慧基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)平臺的建立，變被動獲取結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)為主動控制服役性能，實(shí)現(xiàn)了城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役的數(shù)字化保障和控制。

4.3 成果應(yīng)用

依托自主研發(fā)的地下結(jié)構(gòu)健康服役的數(shù)字化保障與控制的計(jì)算方法和平臺，項(xiàng)目組集成主要研究成果應(yīng)用在了工程實(shí)踐中——上海地鐵12號線天潼路—國際客運(yùn)中心站。該工程臨近12號線天潼路—國際客運(yùn)中心站上行區(qū)間，與地鐵線路平行長度約100 m(84環(huán))，上行線里程為SK22+473.443—SK23+924.353(單線長1 450.910 m)，區(qū)間隧道內(nèi)徑為5.5 m，外徑為6.2 m，上下行線均為1 208環(huán)(含聯(lián)絡(luò)通道特殊管片)。

應(yīng)用于該工程的系統(tǒng)基于.NET開發(fā)，封裝ArcGIS Runtime SDK for .NET，提供從數(shù)字化對象到數(shù)字化工程的完整解決方案[72]，如圖13所示。這一系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以2D地理底圖、平面圖、剖面圖和3D視圖、數(shù)據(jù)視圖等多種方式對盾構(gòu)隧道全壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化管理[72]，如圖14所示。

圖13 示范工程系統(tǒng)的架構(gòu)層次[72]

圖14 多方式的數(shù)字化管理系統(tǒng)[72]

5 結(jié)語

針對地下結(jié)構(gòu)性能演化機(jī)制難清、健康狀態(tài)難知以及地下結(jié)構(gòu)損壞極其難修等工程科學(xué)難題，“城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能演化與感控基礎(chǔ)理論”項(xiàng)目組成員開展了系統(tǒng)研究，取得了豐碩的成果，為軌道交通地下結(jié)構(gòu)長壽命健康服役提供了理論和技術(shù)保障。筆者回顧了項(xiàng)目實(shí)施以來所取得的主要進(jìn)展。

1)針對地下結(jié)構(gòu)性能演化機(jī)制難清的科學(xué)問題，提出和建立了地下結(jié)構(gòu)材料的多尺度本構(gòu)模型和劣化模型，包括：考慮侵蝕影響的三維孔隙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)變模型、建設(shè)期地下結(jié)構(gòu)材料的雙向多尺度本構(gòu)模型和固-液-氣多相邊界條件下地下結(jié)構(gòu)材料性能演化模型；綜合考慮盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的賦存環(huán)境，建立了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)性能演化計(jì)算模型、管片接縫的防水材料時(shí)變本構(gòu)模型和應(yīng)力-滲流耦合分析模型；針對隧道結(jié)構(gòu)承載力及安全評估的難題，提出和發(fā)展了適合于損傷缺陷隧道結(jié)構(gòu)的獨(dú)立覆蓋無網(wǎng)格ICMM計(jì)算分析理論與方法；在此基礎(chǔ)上，建立了地下結(jié)構(gòu)全壽命周期性能演化分析方法并編制了軟件，以服務(wù)于多因素耦合作用下盾構(gòu)隧道全壽命周期的性能演化機(jī)制研究和壽命預(yù)測分析。

2)針對地下結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)難知的科學(xué)問題，提出和建立了超長線狀地下結(jié)構(gòu)性態(tài)多參數(shù)靜、動態(tài)感知理論及方法，解決了超長線狀地下結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)參量無線感知難題；建立了超長線狀結(jié)構(gòu)時(shí)空壓縮和恢復(fù)算法，解決了長距離、封閉空間的大容量數(shù)據(jù)傳輸及多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性難題；提出和建立了基于局部-整體策略的地下結(jié)構(gòu)損傷識別方法和模糊綜合評估方法，構(gòu)建了完善的健康評價(jià)指標(biāo)體系和健康評估方法；建立了城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)體系性能退化可靠度分析模型，為地下結(jié)構(gòu)可靠度分析和性能退化分析提供了新的途徑。

3)針對地下結(jié)構(gòu)損壞極其難修的科學(xué)問題，建立了微膠囊自修復(fù)混凝土破裂機(jī)制、拉/壓本構(gòu)關(guān)系、三維修復(fù)概率和電化學(xué)沉積修復(fù)飽和/非飽和混凝土的細(xì)觀力學(xué)模型,提出了礦物自修復(fù)混凝土的預(yù)測模型和愈合效果的評價(jià)方法；發(fā)明了管片接縫的形狀記憶合金(SMA)螺栓短期主動加固方法，明顯改善接縫力學(xué)狀態(tài)；提出了管片結(jié)構(gòu)的型鋼加固方法，用鋼量相同時(shí)加固效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋼板加固；針對極端情況(火災(zāi)后)的管片結(jié)構(gòu)，揭示了接縫密封墊的耐水性能，提出了采用槽鋼部件或鋼管混凝土部件的修復(fù)加固方法，驗(yàn)證了其良好的修復(fù)加固效果。

4)針對地下結(jié)構(gòu)性能演化與感控基礎(chǔ)理論集成應(yīng)用。提出了盾構(gòu)隧道服役性能指標(biāo)(TSI)計(jì)算方法，研發(fā)了智慧基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)(iS3)平臺，以此為基礎(chǔ)，集成項(xiàng)目研究成果，在上海地鐵12號線天潼路—國際客運(yùn)中心站進(jìn)行示范應(yīng)用，推動了創(chuàng)新成果切實(shí)落地，實(shí)現(xiàn)了 “從工程中來，到工程中去” 的科學(xué)創(chuàng)新研究。

致謝

為紀(jì)念南京工業(yè)大學(xué)劉偉慶教授，特以國家“973計(jì)劃”項(xiàng)目“城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能演化與感控基礎(chǔ)理論”課題負(fù)責(zé)人的名義，撰寫此文。在此特別感謝參與此項(xiàng)目的所有研究人員，同時(shí)感謝同濟(jì)大學(xué)陳慶副教授協(xié)助完成了本文的初稿。