服役期隧道結構安全控制技術研究綜述

黃 俊，張頂立，梁文灝，董飛，李奧，趙光，楊奎，牛曉凱

(1.蘇交科集團股份有限公司城市建設與軌道交通設計院,南京 210019; 2.江蘇省水下隧道綠色智慧技術工程研究中心,南京 210019; 3.自然資源部城市地下空間探測評價工程技術創(chuàng)新中心,南京 210016;4.北京交通大學城市地下工程教育部重點實驗室,北京 100044; 5.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055; 6.中國鐵建股份有限公司,北京 100855; 7.北京市政路橋科技發(fā)展有限公司,北京 100037)

引言

截至2022年年底,中國運營鐵路隧道達17 873座,長度達到21 978 km,投入運營高速鐵路隧道4 178座,總長7 032 km[1];城市軌道交通運營線路總長10 287.45 km,其中以隧道形式敷設的地下線路長7 129.96 km[2];公路隧道24 850座,長度為26 784.3 km[3]。

受工程環(huán)境、施工質量與運營荷載等因素的影響,隧道滲漏水、混凝土開裂、結構變形超限等病害極為常見,隧道結構“帶病”服役的情況較為普遍。北京、上海、南京等城市相繼報道過城市軌道交通、過江隧道等由于病害惡化而導致的停運事件,產(chǎn)生了極為不利的社會影響。

與建設期相比,隧道等基礎設施的運營與維護是其全壽命周期內工作的重點?？焖?、精準、全面地感知病害,準確判斷隧道服役狀態(tài),防患于未然,保障結構安全與線路的正常通行,成為隧道全壽命周期所面臨的重大難題之一。

本文以服役期隧道為對象,從典型病害類型、病害機理、病害感知、病害整治等方面進行分析與總結,以期為隧道的安全運營提供參考與借鑒。

1 服役期隧道結構典型病害

1.1 隧道水害

滲漏水在隧道服役期內較為普遍,業(yè)內歷來有“十隧九漏”的認知。滲漏水的出現(xiàn)與地層水源、驅動力和滲漏通道有關,其中滲漏水通道包含透水地層與結構通道(如變形縫、接縫、裂縫以及混凝土材料的自防水性能等)。實踐經(jīng)驗表明:隧道結構“三縫”是滲漏水病害的多發(fā)位置;預制襯砌接縫、工作井、管片螺栓孔、二次注漿孔是盾構隧道中滲漏水的多發(fā)區(qū)域[4]。

特定條件下,隧道滲漏水還會誘發(fā)包括凍害、底板反水以及翻漿冒泥在內的衍生病害(圖1)。其中,凍害主要是由于低溫所造成的滲漏水結冰,常見于高寒低溫地區(qū);底板反水主要是由于地下水從底板涌出,造成瀝青鋪裝層與混凝土底板之間的竄流與路面出水;翻漿冒泥則是在底板反水的基礎上,受車輛動荷載(高頻振動或沖擊荷載)影響下的泥沙帶出,常見于軌道交通隧道,也有出現(xiàn)在公路隧道的情況。

圖1 服役期隧道不同水害類別Fig.1 Different water hazard categories of tunnels in service

從現(xiàn)場調研的結果看,隧道滲漏水的分布與結構的復雜程度有一定關系。以江蘇省某地下互通立交隧道為例,在工程周邊地層條件與地下水條件基本相同的前提下,滲漏點多出現(xiàn)在匝道交匯點、上下層隧道交疊段、小轉彎半徑區(qū)段以及埋深最大位置附近的變形縫及鄰近區(qū)域(圖2)。

圖2 某地下互通立交隧道滲漏水位置分布Fig.2 Distribution of leakage location in an underground interchange tunnel

從表觀形態(tài)上看,可將隧道滲漏水分為面狀滲濕、點狀滲漏、線狀滲漏和面狀滲漏。

1.2 結構變形超限

接縫與變形縫是隧道的薄弱環(huán)節(jié),也是滲漏水與錯臺等常見病害多發(fā)的位置。盾構隧道由管片經(jīng)螺栓拼裝而成,內部存在大量接縫,屬于柔性結構。盾構隧道結構的整體變形在細觀層面上表現(xiàn)為管片接縫的錯臺與張開(圖3)。

圖3 盾構隧道管片接縫變形Fig.3 Deformation of segment joint of shield tunnel

受拼裝精度與地層條件的影響,盾構隧道管片接縫錯臺與張開現(xiàn)象較為普遍。現(xiàn)場調研結果表明,區(qū)間隧道全長范圍內均出現(xiàn)了不同程度的管片錯臺,部分位置錯臺量超過限值[5-6]。對于礦山法隧道、明挖隧道、沉管隧道等設置變形縫的結構,變形縫的錯臺也是屢見不鮮(圖4)。

圖4 某綜合管廊變形縫錯臺Fig.4 Joint dislocation of comprehensive pipe gallery

軟弱地層、地下水、臨近施工擾動等條件下,盾構隧道斷面的橢圓化變形與縱向不均勻沉降是服役期內的常見問題。如北京地鐵15號線某盾構區(qū)間隧道在臨近橋梁改造施工完成后,隧道橢圓度超限率最高達到了39.22%[7]?？v向不均勻沉降方面,上海地鐵1號線已經(jīng)出現(xiàn)了2處較為明顯的沉降槽[8];處于長江漫灘地層中的南京地鐵2號線亦出現(xiàn)了沿隧道縱向的不均勻沉降問題[9]。

對于軌道交通隧道,縱向不均勻沉降通常會導致整體式道床的剝離脫空(圖5),即隧道縱向不均勻沉降出現(xiàn)后,道床與隧道結構無法協(xié)調變形而導致的病害。

圖5 整體式道床剝離脫空Fig.5 Stripping and void of monolithic track bed

1.3 混凝土構件裂損

襯砌混凝土結構裂損與圍巖壓力、施工擾動、工程質量、運營荷載、材料劣化等因素有關。如圖6所示,根據(jù)襯砌裂縫與隧道縱向的相互關系可分為:環(huán)向裂縫、縱向裂縫、斜向裂縫以及網(wǎng)狀裂縫。此外,襯砌混凝土的破損與掉塊也是隧道病害的常見類型。

圖6 隧道襯砌混凝土裂損[10]Fig.6 Concrete cracking of tunnel lining

除襯砌結構外,大直徑盾構隧道內用于實現(xiàn)車輛通行與消防排煙等既定設計功能的煙道板、中隔墻、口型件、牛腿、結構柱以及軌道交通隧道道床、疏散平臺等內部結構的開裂情況如圖7所示[11]。目前,對于隧道內部結構裂損的研究,尚不多見。

圖7 大直徑盾構隧道內部結構裂損情況Fig.7 Internal structure cracks of large-diameter shield tunnel

除前述常見典型病害外,特定環(huán)境中的混凝土腐蝕劣化與碳化、襯砌表面結晶等亦會對隧道結構安全造成不良影響。

2 服役期隧道典型病害成因與機理

服役期隧道典型病害的成因包括內因與外因兩個方面。其中,外因主要包括氣候條件、水文地質條件、運營環(huán)境以及偶然因素(地震、爆炸、碰撞等);內因主要包括設計、施工和養(yǎng)護等工程因素。

2.1 隧道水害

外因方面:豐富的地表降水為地層中的潛水、暗河等提供了充足的水源補給;巖溶、破碎圍巖、巖體裂隙、砂性地層等形成了儲水構造與滲流通道;低洼匯水區(qū)域等不利外界條件為服役期隧道結構滲漏水病害的出現(xiàn)埋下了巨大的隱患。若隧道處于低溫高寒地區(qū),在極寒氣候下會引發(fā)隧道滲漏水結冰,形成凍害。

設計方面:主要指工程的實際受力條件與設計工況不符,以及缺乏對隧道滲漏水病害認知而導致的在防排水體系方面的設計缺陷或不足。文獻[12]的研究結果顯示,運營10年以上隧道的嚴重漏水與防水設計缺陷有關。對于高寒地區(qū)防凍措施設計不到位而導致的排水管路冰凍堵塞引起的滲漏,亦可歸于此類。

施工方面:主要與防水卷材粘接不密實、排水管路不通暢、“三縫”施工不滿足要求有關。此外,由于施工不滿足要求而引起的襯砌結構開裂亦是隧道出現(xiàn)滲漏水的重要原因之一。

養(yǎng)護方面:主要指服役期內對隧道結構的養(yǎng)護不到位而導致的襯砌結構開裂、排水管路堵塞等問題。

隧道結構的修建改變了地層中原有的水力聯(lián)系和通道,在相當長的一段時間內將使地下水滲流路徑重新調整。隧道滲漏水的機理可用正常工作狀態(tài)、高水壓工作狀態(tài)和低水壓工作狀態(tài)3種情況加以闡述[13]。

正常工作狀態(tài):隧道修建完成后,在一定范圍內阻斷了地下水原有的滲流通道,地下水向隧道周圍匯集。隧道防水體系與外部注漿圈阻止了地下水向隧道周圍的無限補給,加之注漿減小了圍巖的滲透系數(shù),大大減少了地下水向隧道的補給量。同時,隧道建成初期,其防排水體系較為完善,隧道的排水能力大于地下水的補給能力。當?shù)叵滤a給能力和排水能力處于動態(tài)平衡時,隧道處于正常工作狀態(tài)。

高水壓工作狀態(tài):隧道建成一段時間后,地下水滲流路徑調整完畢。雨季過后隧道局部地區(qū)地下水位上升,在隧道設計排水能力一定的前提下,襯砌背后地下水無法及時排出,造成襯砌背后水壓力上升,即隧道處于高水壓狀態(tài)。當水壓升高到一定程度后,地下水突破隧道結構防水的薄弱環(huán)節(jié),從諸如隧道三縫、螺栓孔、二次注漿孔、拱頂?shù)任恢猛蝗胨淼?發(fā)生滲漏水病害。

低水壓工作狀態(tài):隧道滲漏水的本質是在高水壓工作狀態(tài)下的一種減壓消能現(xiàn)象,在一定程度上使得結構受力向更為有利的方向發(fā)展。當?shù)叵滤a給能力和隧道排水能力基本持平,兩者達到一個新的平衡。隧址區(qū)降雨結束,地下水補給能力減弱,隧道結構滲漏水病害減輕。

2.2 結構變形超限

混凝土構件在承擔外力后必然會出現(xiàn)變形,襯砌變形超限主要受結構自身特點、地層條件的影響,主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

結構自身特點:接縫與變形縫阻斷了襯砌結構的連續(xù)性,是隧道的薄弱環(huán)節(jié)。相較于復合式襯砌隧道、明挖隧道、沉管隧道,盾構隧道具有更多的管片接縫,其抵抗變形的能力也更差。斷面收斂與縱向不均勻沉降超限的問題更多出現(xiàn)在盾構隧道,其他類型的隧道則主要是變形縫兩側的不均勻沉降與管節(jié)的相對轉動。

水文地質條件:區(qū)域整體的地層沉降、軟弱地層、縱向不均勻地層、粉土與粉細砂層等不良地質條件在軌道交通振動荷載作用下的沉降作用是前文所述的上海、南京等軟土地區(qū)地鐵隧道沉降的根本原因。高地應力也是隧道斷面收斂變形的重要原因之一。

運營環(huán)境:主要指運營荷載與周邊環(huán)境,如前述的軌道交通振動荷載以及隧道周邊的施工活動所導致的結構變形。

2.3 混凝土構件裂損

混凝土構件裂損與隧道結構變形、受力密不可分,結構的變形與裂損也是隧道在外部環(huán)境變化條件下自身結構體系的調整與適應。

根據(jù)構件應力狀態(tài),將裂縫分為Ⅰ型裂縫(張開型)、Ⅱ型裂縫(滑開型)、Ⅲ型裂縫(撕開型)的基本型。隧道混凝土構件的裂損與其受力密不可分,通常是正應力和剪應力的組合,其裂縫類型是前述3種基本型的疊加組合。

依據(jù)混凝土斷裂力學理論,當混凝土裂縫尖端應力強度因子K大于材料的斷裂韌度Kc時,裂縫開始擴展[14]?；炷亮芽p尖端存在微裂縫區(qū),斷裂過程伴隨著裂縫的亞臨界擴展,兩者被合稱為斷裂過程區(qū)(Fracture Progress Zone, FPZ),是裂縫擴展的先導。從宏觀尺度上看,混凝土骨料、硬化水泥漿、空穴等隨機分布于裂縫擴展的尖端,裂縫總是向著能量耗散最小的方向擴展延伸。

實踐經(jīng)驗表明,服役期隧道結構病害從來都不是單一類型。通過文獻調研和分析,不同類型病害之間關系密切,病害1是病害2的因,而病害2在特定情況下又對病害1起到了加劇作用,同時引發(fā)病害3。圖8為服役期隧道結構典型病害間的相互關系。

3 服役期隧道結構安全狀態(tài)感知

3.1 典型病害感知

3.1.1 基于深度學習的隧道病害感知

隨著人工智能技術的快速發(fā)展,基于深度學習的病害感知逐漸成為獲取隧道運營狀態(tài)的重要手段之一。深度學習是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡,通過模仿人腦在訓練過程中從數(shù)據(jù)中學習特征信息,在自適應構建的基礎上進行預測或分類[15]。

(1)數(shù)據(jù)集構建

數(shù)據(jù)信息是服役期隧道病害智能識別的基礎?；炷亮褤p、滲漏水等表觀病害,可采用高清數(shù)字圖像、激光點云圖像等構建數(shù)據(jù)集(圖9)。

圖9 隧道病害智能感知數(shù)據(jù)集類型Fig.9 Types of intelligent perception dataset

通常采用裁剪、翻轉、亮度與對比度調整、模糊處理、植入噪聲、隨機擦除、縮放等手段對數(shù)據(jù)集進行增強,以此增加深度學習模型訓練的精度。LabelImg、LabelMe、EISeg、label-image-CARS等是人工標注病害的常用工具。目前已有學者結合圖像特征提取和深度學習,實現(xiàn)了隧道裂縫樣本的自動標注與識別,極大地降低了人工標注的工作量[16]。此外,需對不同設備、不同條件、不同時間拍攝的圖片進行拼接,用于滿足后期的識別需求。

三維激光掃描通過動態(tài)或靜態(tài)形式以數(shù)以億計的包含測點的三維坐標、RGB、入射角、強度等關鍵信息的激光點,真實還原隧道內的三維空間形態(tài)。根據(jù)點云反射率生成隧道襯砌正射影像圖,借助深度挖掘可準確識別隧道的病害信息。此外,亦可將點云數(shù)據(jù)轉化為灰度圖,采用與前述數(shù)字圖像相同的方法做進一步的病害識別。為解決單獨采用數(shù)字圖像或激光點云手段所帶來的問題,已有文獻公開報道了基于多源數(shù)據(jù)融合,準確識別病害類型與位置信息[17-18]。

隱蔽病害方面,基于探地雷達圖像,采用深度學習構建神經(jīng)網(wǎng)絡進行自動識別,進而獲得隧道襯砌內部病害的類型、位置和輪廓(圖10)。英國將μ子成像技術應用于巴爾格雷隧道襯砌背后的缺陷探測,但其對于缺陷的識別方法尚未見深度報道[19]。

圖10 隧道襯砌內部病害識別效果[20]Fig.10 Identification effect of internal defects in tunnel

(2)神經(jīng)網(wǎng)絡構建、訓練與調優(yōu)

神經(jīng)網(wǎng)絡模型由輸入層、隱藏層(中間層)和輸出層構成,圖11中圓圈表示神經(jīng)元的內部加權求和與激活函數(shù)(表1)。預測結果通常是一個概率向量,其維度與所有可能的結果數(shù)量相同。

表1 常見激活函數(shù)Tab.1 Common activation function

圖11 神經(jīng)網(wǎng)絡結構Fig.11 Neural network structure diagram

通常情況下,所設計的輸入層與輸出層的節(jié)點數(shù)是固定的,隱藏層可以自由設定。隨著隱藏層層數(shù)的增加,模型具有了更為深入的表示特征和更強的函數(shù)模擬能力,每一層對于前一層的抽象表示更為深入。模型層數(shù)越多,整個網(wǎng)絡的參數(shù)就越多,在參數(shù)數(shù)量一定的情況下,更深的網(wǎng)絡往往具有更好的識別效果。

以隧道表觀病害識別為例,常用的算法可分為:圖像分類算法、目標檢測算法和語義分割算法3類(表2)[21]。過小的樣本訓練數(shù)量會導致欠擬合的問題,當神經(jīng)網(wǎng)絡的學習能力高于樣本的復雜程度時又會引起過擬合的問題。泛化技術是解決參數(shù)增加而產(chǎn)生過擬合現(xiàn)象的關鍵手段,目前較為常用的是Dropout技術和數(shù)據(jù)擴容(Data-Augmentation)技術。當檢測目標發(fā)生變化時,需要對現(xiàn)有的網(wǎng)絡模型進行調優(yōu)。

表2 表觀病害圖像識別常用算法Tab.2 Common algorithms for image recognition of apparent defects

(3)識別精度評價

對于圖像識別精度的評價,可采用精確率(Precision Rate,P)、召回率(Recall Rate,R)、平均精度均值(mean Precision Rate,mPA)、F1值[36]。其中,精確率(查準率)表示識別結果正確的占比,即

(1)

召回率(查全率)表示識別結果為正確的數(shù)量與該類別病害的真實數(shù)量之間的比值,即

(2)

F1值用于評價精確率與召回率,即精確率與召回率的調和均值

(3)

用AP表示每種病害類別的平均精確率,即

(4)

那么,表示針對所有類別病害識別的平均準確率mPA即可用下式表示

(5)

式中,TP表示真實情況為真,識別結果亦為真的樣本數(shù)量;FP表示真實情況為假,識別結果為真的樣本數(shù)量;FN表示真實情況為真,識別結果為假的樣本數(shù)量;n表示隧道中病害的類別數(shù)量?？捎脜?shù)量(Params)、浮點運算量(Flops)、權重文件大小對識別程序進行模型規(guī)模的評價;采用檢測幀率(FPS)對模型效率進行評價。

受隧道內附屬設施、光線、拍攝角度等的干擾,依靠高清數(shù)字照片作為單一的信息輸入來源,無疑會增加病害識別的難度;神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化對于識別精度的提升效果也極為有限。此時應考慮集成高清相機、三維激光掃描儀、紅外相機等設備,發(fā)揮各自優(yōu)勢,通過神經(jīng)網(wǎng)絡模型匹配,提升病害的識別效率與精度。此外,高性能計算機、圖形加速卡(GPU)以及更為優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡模型,可極大地提升隧道病害的識別效果。根據(jù)行業(yè)發(fā)展趨勢,依托于量子計算、云計算的人工智能將會是服役期內隧道結構病害感知的發(fā)展方向。

實際應用中通常將病害信息采集設備搭載于機動車輛、軌道檢測車、機器人等移動平臺,以提高病害檢測的自動化程度與檢測效率,信息處理可于移動端或后臺進行(圖12)。圖12(d)所示的小型智能化監(jiān)測機器人是隧道內狹小空間實時監(jiān)測的有效解決方案。

圖12 隧道病害檢測裝備Fig.12 Tunnel defects detection equipment

3.1.2 結構變形感知

宏觀層面,隧道結構變形包括縱向不均勻沉降和橫斷面收斂變形兩個方面。從細觀層面上看,隧道結構的變形主要表現(xiàn)為變形縫或管片接縫的張開與錯臺,以及襯砌混凝土材料的應變。

(1)隧道沉降

利用全站儀對隧道結構的沉降與斷面收斂監(jiān)測已有多年的歷史,相關的工程經(jīng)驗也極為豐富[37]。近年來,基于自動化監(jiān)測手段的隧道沉降監(jiān)測發(fā)展極為迅猛。

劉恒材采用光纖傳感技術對南京地鐵2號線集慶門大街站—云錦路站區(qū)間開展沉降監(jiān)測[38]。方案中將分布式應變感測光纜沿隧道縱向布設,在隧道管片上按照“Z”字形布設,光纜固定在每個管片的圓環(huán)之上(圖13)。通過平面幾何關系將管片豎向沉降轉換為光纜的軸向拉伸變形,進而換算成管片間的沉降變形。

圖13 基于分布式應變感測光纜的隧道沉降監(jiān)測Fig.13 Tunnel settlement monitoring based on distributed strain sensing optical cable

張方文構建基于激光準直技術和嵌入式技術的“雙回路”光電自校準地鐵隧道沉降監(jiān)測系統(tǒng)[39]。系統(tǒng)采用節(jié)點組網(wǎng)方式,主要由全站儀、ARM開發(fā)板、傾角傳感器、點激光器、靶標、4G通信模塊、云服務器與客戶端組成(圖14)。

圖14 隧道沉降監(jiān)測的光電自校準系統(tǒng)Fig.14 Photoelectric self-calibration system for tunnel settlement monitoring

健康監(jiān)測系統(tǒng)中常采用沿隧道縱向布設的靜力水準儀,以儀器間的相對高程變化表征隧道的縱向沉降(圖15)。常用的類型包括連通管式、振弦式、電容感應式、差動變壓器式、磁致式及光電式等。

圖15 靜力水準傳感器Fig.15 Static level sensor

(2)隧道斷面收斂

如圖16所示,部分規(guī)范中推薦采用基線法對隧道斷面收斂量的測量,通常有一條水平基線、兩條水平基線、三條基線和多條基線的方法。可采用鋼尺收斂計或激光測距儀完成基于基線的隧道斷面收斂檢測。

圖16 隧道斷面收斂檢測方法Fig.16 Convergence detection method of tunnel section

此外,可采用激光斷面儀進行隧道斷面收斂檢測。其基本原理是沿隧道縱向按一定間距(距離、角度)逐個斷面測量儀器旋轉中心與隧道襯砌交點之間的矢徑與起始方向之間的夾角,矢徑末端的連線即為隧道實際內輪廓線。相較于基線法,此種方法無疑具有更高的檢測效率和精確度(圖17)。

圖17 珠海某大直徑海底盾構隧道及斷面掃描結果Fig.17 Scanning results of a large diameter submarine shield tunnel in Zhuhai

如圖17(b)所示,由于內部構件、裝飾板及防火板等的遮擋,采用激光斷面儀并無法獲取完整的斷面形狀,在一定程度上限制了其應用范圍。此時,可考慮采用如圖18所示的陣列式位移計進行隧道斷面收斂的自動化監(jiān)測。其原理在于通過微機電系統(tǒng)測量重力加速度在不同軸向上的數(shù)據(jù),據(jù)此反算對應軸力與中立方向的角度,基于角度變化計算對應長度桿的位移量,進而擬合隧道斷面的收斂變形。

圖18 陣列式位移計測量隧道斷面收斂Fig.18 Convergence of tunnel section measured by array displacement meter

(3)變形縫/管片接縫的張開與錯臺

規(guī)范中推薦采用直尺和塞尺分別開展隧道變形縫/管片接縫變形量的測量。該方法依賴于人工的手段,對于定點的專項檢測可作為備選的測量手段之一。對于需要連續(xù)監(jiān)測的盾構管片接縫或隧道變形縫而言,可采用位移計或測縫計進行自動化監(jiān)測(圖19)。從測量原理上可分為振弦類和光纖類,通常情況下輔以支架實現(xiàn)接縫錯臺或張開量監(jiān)測。此外,亦可采用光纖傳感技術實現(xiàn)對管片接縫張開和錯臺監(jiān)測。

圖19 盾構隧道管片接縫變形量監(jiān)測Fig.19 Deformation monitoring of segment joint of shield tunnel

(4)混凝土應變

如圖20所示,可采用應變計對隧道襯砌混凝土應變進行監(jiān)測,常用的有埋入式、無應力式和表面應變計;從工作原理上可分為差動電阻式、振弦式、差動電感式、差動電容式和電阻應變片式等。

圖20 混凝土應變應變計Fig.20 Concrete strain gauge

(5)整體式道床脫空

地鐵盾構隧道變形引發(fā)的整體式道床與管片之間的局部剝離稱之為“脫空”,常規(guī)的檢測手段有:超聲波法、地質雷達法、沖擊回波法等。此外,也有不少新方法用于道床脫空的檢測,如魏綱等提出了針對道床脫空前后車軌敏感信號開展希爾伯特-黃變換(HHT),基于變換譜信息識別道床脫空長度和范圍的新方法(圖21)[40]。

圖21 道床脫空狀態(tài)下轉向架豎向加速度HHT譜Fig.21 HHT spectrum of vertical acceleration of bogie under the condition of track bed detachment

陳鵬濤設計了一種剝離測縫計(圖22),結合電阻式表面應變計、CCD工業(yè)相機,開展道床剝離量、輪軌垂向力以及管片沉降監(jiān)測,實現(xiàn)了盾構隧道的管片-整體式道床剝離病害動態(tài)監(jiān)測[41]。

圖22 剝離測縫計Fig.22 Stripping seam gauge

3.2 隧道結構健康監(jiān)測系統(tǒng)

隧道結構健康監(jiān)測系統(tǒng)是全面掌握服役期隧道結構安全狀態(tài)的重要手段之一。如圖23所示,服役期隧道結構健康系統(tǒng)通常包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲與管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與預警子系統(tǒng)和用戶界面子系統(tǒng)。

表3所示為國內隧道健康監(jiān)測的典型案例。可以看到,隧道薄弱位置的變形縫與管片接縫是監(jiān)測的重點區(qū)域;反映結構受力與正常使用功能的混凝土應變(裂縫)、鋼筋受力、橫斷收斂與不均勻沉降是健康監(jiān)測系統(tǒng)中出現(xiàn)頻率較高的監(jiān)測項,監(jiān)測項和監(jiān)測斷面的設置方案與投資預算息息相關。根據(jù)傳感器的敷設方式,可將其分為預埋式和表貼式。條件具備的情況下,應在隧道施工階段同步建立隧道健康監(jiān)測系統(tǒng),將傳感器埋置于隧道構件之中,提高健康監(jiān)測系統(tǒng)的有效性、連續(xù)性與實施效果。

表3 國內隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)典型案例Tab.3 Typical cases of domestic tunnel health monitoring system

目前常規(guī)的隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)基于數(shù)量龐大的傳感器、工控機、傳輸光纜等硬件設施,對供電和通訊等的要求較高,成本投入巨大。以南京定淮門長江隧道為例,其健康監(jiān)測系統(tǒng)先后經(jīng)過3批次的實施和完善,共計布設傳感器2 019支,投資逾3 000余萬元。數(shù)量巨大的硬件設施,在運營過程中不可避免地會出現(xiàn)各種各樣的故障,在一定程度上影響著系統(tǒng)對于隧道安全狀態(tài)的評價效果。以南京應天大街長江隧道為例,其第一代健康監(jiān)測系統(tǒng)在運行10年后,出現(xiàn)傳感器失效、解調儀損壞、LAN口接觸不良以及線路傳輸故障等問題[42]。為保證隧道的運營安全,于2020年進行隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的升級改造,采用“區(qū)段+斷面”的形式建立傳感器子系統(tǒng),獲得良好的監(jiān)測效果[43]。

針對當前服役期隧道結構健康監(jiān)測系統(tǒng)所暴露出來的諸多缺陷,筆者團隊已開始探索隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)的輕量化解決方案。所謂“隧道輕量化健康監(jiān)測系統(tǒng)”是指在不降低監(jiān)測有效性的前提下,以更為優(yōu)化的系統(tǒng)架構、更為合理的監(jiān)測斷面、更具代表性的監(jiān)測項目、更高效的傳感器布置方案、更少的前期投資與后期養(yǎng)護成本為基本特征的新一代健康監(jiān)測系統(tǒng),遠期可結合新型傳感器研發(fā)實現(xiàn)系統(tǒng)的迭代和升級。

3.3 隧道結構安全評價

部分規(guī)范對于隧道結構服役性能的評價推薦采用單指標評價法或綜合評價法。單指標評價將最嚴重的病害作為評價依據(jù);綜合評價法考慮分項權重、病害程度與發(fā)展趨勢,以及對行車和結構安全的影響。單指標評價較綜合評價結果嚴重時,以單指標評價結果為準。

與規(guī)范中的綜合評價法相似,基于層次分析法(AHP)或網(wǎng)絡層次分析法(ANP)建立隧道安全評價指標體系,獲得指標權重后,結合模糊數(shù)學理論[5]、可拓學理論[44]以及灰色關聯(lián)方法[45]是服役期隧道結構安全狀態(tài)評價的有效手段。

除前述方法外,王景鑫[46]提出了隧道結構安全評價的閾值區(qū)間法,其基本思想是以影響隧道結構安全的評價指標為基礎,建立隧道結構安全閾值函數(shù)T=f(x1,x2,…,xn),其中的自變量為評價指標的現(xiàn)場實測值,函數(shù)T的取值介于0～1之間,且結果越靠近0表示越不利。

貝葉斯網(wǎng)絡法結合結構風險識別和風險概率分析,建立隧道風險評估模型,以分析運營隧道結構風險的發(fā)生概率以及各風險因子對風險事件的控制程度[47]。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡是以神經(jīng)元為基本單元組成的數(shù)學模型,通過提供病害分級及結構安全分級的訓練集,幫助神經(jīng)網(wǎng)絡模型調整其中各個神經(jīng)元的連接權值,從而使學習后的人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型在接收到新的輸入時,可以給出合理的輸出。常用的網(wǎng)絡模型包括:自適應神經(jīng)-模糊推理系統(tǒng)[48]、GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型[49]等。

基于環(huán)境因素(地質條件、內外部荷載變化、周邊工程活動)、施工質量等工程數(shù)據(jù)建立模型,采用機器學習算法,通過大量的隧道結構特征數(shù)據(jù)構建訓練集合獲得病害與其影響因素之間的復雜非線性關系,依托建模條件實現(xiàn)對隧道結構的病害、安全狀態(tài)的定量評價[50]。

針對襯砌裂縫對隧道結構安全狀態(tài)影響的評價,余順等基于斷裂力學理論,采用裂縫尖端穩(wěn)定系數(shù)作為判定隧道襯砌結構安全的參數(shù)[51]。薛曉輝等基于可拓學理論,建立物元與可靠性等級間的關聯(lián)性,對帶裂縫隧道襯砌的可靠性進行安全評價[52]。

此外,還有采用聚類分析[53]、變權理論[54]、Vine Copula理論[55]、云模型[56]等進行服役期隧道結構安全狀態(tài)評價的方法見諸報道。亦有學者采用數(shù)值模擬仿真軟件,基于實際工程的地質條件、結構參數(shù)、外部荷載等建立等仿真模型,獲得隧道結構的應力、變形等定量數(shù)據(jù),進而評價隧道結構的安全狀態(tài)[57]。

規(guī)范中的方法重點考慮通用性和便捷性,直接給出各項的權重以及評價值,但是對于具體工程的適用程度有限。實際應用中,針對重大工程依托服役期隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)構建評價體系,在權重分析的基礎上,結合相關安全理論進行評價,其中如何客觀評價分項指標的權重,是評價準確性的關鍵。此外,目前規(guī)范中給出的評價指標限值,在未獲得隧道初始狀態(tài)的前提下,無法作為健康監(jiān)測系統(tǒng)預警、報警的依據(jù)?；谪惾~斯網(wǎng)絡、機器學習、斷裂力學、聚類分析等復雜理論的數(shù)十種方法,都是關于隧道安全狀態(tài)評價的有益探索?？傮w上看,理論依據(jù)較為復雜,未來應以工程應用作為主要研究方向。

4 隧道服役期結構病害整治技術

4.1 混凝土結構開裂

隧道結構裂縫的整治,需綜合考慮裂縫的狀態(tài)。穩(wěn)定裂縫可直接進行修補;對于非穩(wěn)定裂縫,在對結構補強加固后進行修補;對于存在滲水的裂縫,應結合堵漏綜合治理。常用的裂縫修補方法有:表面處理法、填充法、灌漿法[58]。

(1)表面處理法

主要包括噴漿、涂抹和貼補。表面噴漿適用于表面細微裂縫;表面涂抹處理方式主要針對漿液很難注入的細長裂縫,可選用的材料有水泥砂漿或環(huán)氧厚漿;裂縫發(fā)育且伴有積漏水的位置可采用表面貼補。

(2)填充法

主要適用于裂縫寬度超過0.3 mm的情況,把修補材料直接填充到裂縫中。當現(xiàn)場條件不允許灌漿或灌漿無法達到預定效果,小規(guī)模裂縫可采用U形或V形槽法進行處理(圖24)。根據(jù)現(xiàn)場條件,可選用不同的材料加以填充。

圖24 U形和V形槽法Fig.24 U-shaped and V-shaped groove method

(3)灌漿法

灌漿法除起到修補裂縫、防滲止水的作用外,在一定程度上還具有加固結構體的效果,主要應用在深層裂縫和貫通裂縫的治理。目前主要有水泥灌漿法(裂縫寬度大于2.0 mm)和化學灌漿法兩種(裂縫寬度介于0.5～2.0 mm)。此外,還有利用微生物誘導碳酸鈣沉積原理而衍生的微生物灌漿修補裂縫的方法[59]。

除前述方法外,徐靖威等[60]還提出采用鋼板-短錨結構修補張開型裂縫的方法。對于隧道襯砌開裂較為嚴重,混凝土有掉塊風險的情況,考慮到其對行車安全的影響,目前常采用鋼板套襯施作[61]、高分子材料涂裝[62-63]、碳纖維筋加固[64]等手段。此外,對于開裂極為嚴重,影響隧道結構安全的情況,可采用拆除置換工藝,替換襯砌裂損病害嚴重的襯砌結構,以保持結構的承載力和運營安全[65-68]。

此外,亦可從材料本身出發(fā),采用自修復混凝土實現(xiàn)隧道混凝土結構細微裂縫的自我修復[69]。但受制于技術水平、行業(yè)發(fā)展、實施效果及實施成本等因素,目前的應用范圍極為有限,可以作為未來發(fā)展的方向之一。

4.2 滲漏水

(1)整治工藝

滲漏發(fā)生的要素包括水源、驅動力及滲漏通道。由于前兩者較難針對,目前滲漏水治理主要技術思路是堵塞滲漏通道,即通過工藝與材料的結合,擠出結構裂隙和孔隙中的水,恢復缺陷混凝土的密實度和結構整體性。而堵塞滲漏通道的主要方法有注漿止水、設置防水層等,需要根據(jù)隧道結構類型與病害產(chǎn)生部位的不同,有針對性地采取處治措施(表4、表5)。

表4 現(xiàn)澆混凝土結構隧道滲漏整治工藝Tab.4 Treatment technology of seepage in cast-in-situ tunnel

表5 預制管片隧道滲漏整治工藝Tab.5 Treatment technology of seepage in precast-pipe tunnel

對于隧道襯砌背后存在水源的情況,通常采用隧道背后注漿的手段將圍巖中的地下水擠出。通過設置觀察孔、內窺鏡檢查、注水檢查等手段檢查注漿效果,配合變形縫改造與防水層再造等手段,提升隧道滲漏水整治效果。

(2)整治材料

隧道滲漏水處治材料主要包括建設過程中常用的嵌縫材料、止水帶以及堵水過程中采用的注漿漿液(表6)。

表6 常用滲漏水處治材料基本性質Tab.6 Basic properties of commonly used water seepage treatment materials

注漿漿液一般由主劑、溶劑(水或其他溶劑)及外加劑混合而成,主劑化學成分可以分為無機材料、有機高分子材料和改性無機材料。無機材料主要是傳統(tǒng)的水泥漿、水玻璃、黏土、等黏土、水泥-水玻璃雙漿液等;有機高分子材料主要有丙烯酰胺類、環(huán)氧樹脂類、聚氨酯類、脲醛樹脂、陰離子乳化瀝青(圖25)等。

圖25 陰離子乳化瀝青Fig.25 Anionic emulsified asphalt

目前也出現(xiàn)多種新型的滲漏水整治措施。馮勇等[70]提出采用“埋管引排+電防滲”的綜合處治方案,其基本原理如圖26所示。滲漏水引排封堵完成后,在襯砌表面分別構建由鈦合金金屬絲和銅棒組成的正負極系統(tǒng),在低壓正負脈沖電流作用下將水電離,混凝土內水分子向負極不斷流動,從而使混凝土襯砌保持干燥。

圖26 電防滲技術處治隧道滲漏水方案(單位:cm)Fig.26 Electric anti-seepage technology for tunnel leakage (unit: cm)

翁楊等[71]提出利用虹吸排水原理解決富水區(qū)隧道的滲漏水問題(圖27),其基本原理是由隧道圍巖內下傾鉆孔形成的孔內儲水管和隧道豎向外儲水管組成連通器,利用兩者之間的虹吸效應,使圍巖裂隙水進入隧道排水溝。

圖27 隧道虹吸排水示意Fig.27 Diagram of tunnel siphon drainage

對于由于隧道排水管結晶堵塞引起的滲漏水問題,以消除結晶體,疏通管道的手段為主。目前可采用的手段包括:物理阻垢、化學阻垢、生物阻垢以及優(yōu)化工程設計等[72]。葉飛等[73]提出通過優(yōu)化噴射混凝土配合比降低鈣離子流失量,來達到預防排水系統(tǒng)結晶堵塞的目的;詹樹高等[74]提出結合超聲波和有機酸治理結晶堵塞的方案;蔣雅君等[75]基于3種結晶溶解試驗,驗證以檸檬酸和草酸為主要成分的清洗劑,在初始飽和溶液條件下,結合高壓循環(huán)清洗工藝具有較好的除垢效果。

對于高寒地區(qū)隧道由于滲漏水引發(fā)的凍害整治,主要以預防為主,可采用增設保溫層、延長埋深水溝、增加豎向盲溝等措施加以預防和處治[76-77]。關喜彬[78]提出一種新型隧道側吹式空氣幕保溫系統(tǒng),用于預防隧道凍害。

4.3 隧道結構變形

隧道結構變形的治理分為外治和內治,外部治理包括上部卸載、洞外側微擾動注漿;內部治理則以隧內壁后微擾動注漿、結構補強加固為主。

(1)隧道上部卸載

此種方案主要針對隧道上方由于堆載引起的結構變形與受力改變。基本方案是在隧道上方,通過土方挖運等減小上部荷載,減小結構內力,使結構實際受力與設計工況更為接近[79]。

(2)洞外微擾動注漿

如圖28所示,隧道外微擾動注漿[80]是通過隧道兩側外部地面鉆孔注漿,對隧道外兩側土體進行充填,提高周圍土體的強度和剛度,改善隧道的橢圓度,從而實現(xiàn)對管片收斂變形的控制。

圖28 隧道地面微擾動注漿示意(單位:m)Fig.28 Tunnel ground micro-disturbance grouting (unit: m)

(3)隧道內壁后微擾動注漿

如圖29所示,隧道內壁后微擾動注漿[81]是利用管片兩側腰部原有注漿孔,對兩側土體進行分層壓密注漿,充填外部土體空隙改善其力學性能,在注漿充填擠壓和外部土體壓力共同作用下控制管片收斂變形。

(4)隧道補強加固

通過在隧道拱頂、側墻等內側受拉區(qū)域粘貼復合材料,通過發(fā)揮粘貼材料的抗壓強度抵御整體變形。其作用機理在于復合材料與襯砌結構有效粘接后,形成疊合襯砌結構,改善隧道的受力狀態(tài),從而有效抑制斷面收斂[82-85]。常用的復合材料類型主要有:碳纖維、芳綸纖維(圖30)、纖維增強復合材料(FRP)等。

圖30 內貼芳綸布加固Fig.30 Reinforcement with aramid cloth inside

鋼環(huán)加固在已有圓形管片結構內弧面加裝一層鋼板(圖31),通過化學錨栓和環(huán)氧漿液將原有管片和新加裝的鋼板連接起來,形成新的受力體,在提高整體承載力的同時確保新組合結構的防水和耐久性滿足設計要求[86-87]。其中,鋼板可根據(jù)現(xiàn)場條件及安裝要求分成多塊,塊與塊之間通過焊接形成整體。

圖31 鋼環(huán)加固Fig.31 Steel ring reinforcement

裝配式復合型材是一種由纖維布經(jīng)熱加工工藝,并與鋼管復合成型的加固構件,鋼管內可采用灌漿料灌注,以增強構件的加固性能[88]。圖32中單個腔體的數(shù)量和尺寸可根據(jù)現(xiàn)場情況予以適當調整。

圖32 裝配式復合型材結構Fig.32 Prefabricated composite structure

對于此種結構,亦有學者將其稱之為“復合腔體”,對于所使用的管材、灌漿料、纖維布以及尺寸,目前存在多種形式。業(yè)內學者對此種結構的力學性能開展了包括室內試驗、理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場驗證等多種手段的研究[89-91]。復合型材針對盾構隧道結構的加固,已成功應用于北京地鐵某區(qū)間隧道,實施效果良好(圖33)。

圖33 裝配式復合型材工程應用Fig.33 Engineering application of prefabricated composite

(5)整體式道床脫空

對于整體式道床脫空的整治,要結合實際情況而定,通常情況下有前置處理、注漿、錨固、道床換做4種方法[92]。

當?shù)来才c隧道襯砌結構之間含水量較大且水壓較高時,應首先在道床上鉆取泄壓孔,待水壓穩(wěn)定后進行后續(xù)處治。當?shù)来裁摽樟坑绊懥熊囓壍榔巾樁葧r,需首先對道床進行頂升,使軌道標高恢復至設計值[93]。

如圖34所示,對于道床與襯砌之間形成的縫隙,通常采用注漿的方法加以充填,可供選擇的漿液類型包括:普通水泥砂漿、聚氨酯材料、聚合物水泥砂漿以及樹脂材料等。對于不良地質區(qū)域的道床脫空,單純采用注漿手段填充道床與襯砌之間的縫隙無法徹底解決脫空的問題;此時應先對不良地質進行加固,之后采用錨固手段將道床與隧道連接成一個整體,通常情況下錨固體需打穿道床與隧道結構,錨入地層之中。當?shù)来裁摽詹『O為嚴重時,可將原道床鑿除后重新澆筑。

圖34 整體式道床脫空整治方案Fig.34 Rectification plan for void of monolithic track bed

總體上看,注漿是隧道病害整治的重要手段之一,廣泛地應用于結構裂縫修補、滲漏水封堵、隧道結構變形控制等情況;根據(jù)所注漿液的主要成分,可分為:有機注漿料、無機注漿料、復合注漿料和微生物注漿料。隧道病害整治的新技術、新工藝、新方法、新裝備層出不窮,也極大提升了行業(yè)的技術水平。受限于實施成本和效果,新技術的推廣應用具有一定的難度。目前關于隧道病害整治效果的后評估體系尚未建立,需開展深入研究。

5 結語

(1)服役期隧道結構典型病害類型主要包括:水害類、混凝土結構裂損、結構變形超限,隧道病害的成因與周邊環(huán)境、結構自身特點相關。不同病害之間相互影響、關系密切,在特定情況下互為因果。

(2)基于深度學習理論的智能識別是當前隧道病害感知的重要手段。將智能識別設備搭載于移動平臺可極大提升服役期隧道病害的檢測效率。小型化智能監(jiān)測機器人是解決隧道內狹小空間病害監(jiān)測的有效手段。從深度神經(jīng)網(wǎng)絡的發(fā)展歷程來看,依托云計算、量子計算的人工智能將是服役期內隧道結構病害狀態(tài)感知的發(fā)展方向。

(3)健康監(jiān)測系統(tǒng)是目前獲取服役期隧道結構安全狀態(tài)的重要手段之一,較多應用于重大風險工程,在一定程度上保障了隧道的正常運行。目前業(yè)內已開始探索輕量化監(jiān)測技術,以期達到不降低健康監(jiān)測系統(tǒng)有效性的前提下,降低隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)投資與后期養(yǎng)護成本的目標。

(4)隧道結構安全評價理論包括模糊數(shù)學理論、可拓學理論、灰色關聯(lián)理論、閾值區(qū)間法、貝葉斯網(wǎng)絡法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、機器學習、聚類分析、變權理論、Vine Copula理論、云模型等,未來應將相關理論的工程應用作為主要研究方向之一。

(5)病害整治是保障服役期隧道結構安全與正常運營的關鍵舉措,除常規(guī)整治措施外,越來越多新技術的應用,極大促進了行業(yè)的進步。注漿是隧道病害整治的重要手段之一,目前尚未建立隧道病害整治的后評價體系。從調研結果看,關于病害整治效果的后評估尚需開展深入研究。