劉開之，崔景川，劉夏臨，蔡厚強(qiáng)

1.中國交建總承包經(jīng)營分公司，北京 100032

2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056

城市隧道交通是城市發(fā)展的關(guān)鍵。20世紀(jì)以來，我國的城市化進(jìn)程迅猛發(fā)展，城市規(guī)模急劇擴(kuò)大，城市交通需求激增。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國的城市隧道存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣、設(shè)施超標(biāo)老化、運(yùn)營環(huán)境復(fù)雜、管理水平欠缺等特點(diǎn)，使得我國的既有城市隧道運(yùn)維安全問題突出。隧道結(jié)構(gòu)是典型的線狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別更是面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

在日常運(yùn)營過程中，由于反復(fù)交通荷載以及環(huán)境荷載的共同作用，隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生災(zāi)害損傷是不可避免的。大量的研究表明，襯砌裂縫、剝落、滲漏水、空洞、結(jié)構(gòu)暗病等病害損傷不僅會(huì)嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)的性能和壽命，還會(huì)直接威脅隧道交通的安全運(yùn)行。因此，城市隧道的安全評估、災(zāi)害損傷識(shí)別、管養(yǎng)一體化是當(dāng)前乃至今后迫切需要解決的主要問題之一。

基于以上背景，文章通過廣泛的國內(nèi)外調(diào)研，對當(dāng)前國內(nèi)外結(jié)構(gòu)損傷方法進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納和梳理，為城市隧道損傷識(shí)別提供基準(zhǔn)參考，同時(shí)為城市隧道損傷識(shí)別方法的革新提供有益的依據(jù)。

1 城市隧道損傷類別

城市隧道在漫長的服役期內(nèi)，受建設(shè)期施工質(zhì)量、運(yùn)維期環(huán)境等影響出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)損傷，如剝落掉塊、開裂、接縫張開、材料劣化、滲漏水、嚴(yán)重變形、襯砌凍害、洞口病害、腐蝕、侵蝕、土砂流入等。尤其是特種襯砌類型，經(jīng)常會(huì)發(fā)生襯砌背后空洞、襯砌裂縫、注漿不密實(shí)、襯砌厚度不足等病害；而盾構(gòu)管片襯砌結(jié)構(gòu)則易發(fā)生管片錯(cuò)位、不均勻沉降、襯砌裂縫、襯砌劣質(zhì)老化等病害。除此之外，運(yùn)營期的城市隧道受滲漏水、管片材料劣化及循環(huán)動(dòng)荷載等因素的影響，隧道底部容易產(chǎn)生脫空病害。因此，有必要對城市隧道開展系統(tǒng)而有針對性的損傷識(shí)別研究，在運(yùn)營期為其安全評估提供基礎(chǔ)性資料，同時(shí)在災(zāi)害發(fā)生時(shí)，及時(shí)為災(zāi)害處置方案提供技術(shù)支持。

2 既有城市隧道損傷識(shí)別技術(shù)

近年來，城市隧道失事時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了人們對隧道安全性和耐久性的信任，易引起公眾恐慌，造成惡劣的社會(huì)影響。通常，隧道安全評估由安全檢查員和（或）結(jié)構(gòu)工程師手動(dòng)執(zhí)行，人工目視檢查是最快捷也是最常用的方法，然而對于隱蔽性和不確定性的災(zāi)害損傷，比如襯砌背后空洞、注漿不密實(shí)、襯砌厚度不足、盾構(gòu)管片螺栓屈服、接縫張開、襯砌劣質(zhì)老化等，人工目視檢查具有先天的不足和缺陷，無法達(dá)到預(yù)期的服務(wù)要求，因此需借助專業(yè)的損傷識(shí)別技術(shù)進(jìn)行安全評估。到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者常用的城市隧道結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)可以大致可以歸納為如下幾類。

2.1 基于損傷指標(biāo)變化的損傷識(shí)別技術(shù)

通常，把反應(yīng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能變化的指標(biāo)稱為結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)[1]。在實(shí)際隧道工程中，經(jīng)常采用的損傷指標(biāo)有固有頻率[2]、模態(tài)[3]、曲率、柔度矩陣[4]、頻響函數(shù)[5]等，這種損傷識(shí)別技術(shù)在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

2.2 基于模型修正的損傷識(shí)別技術(shù)

在損傷識(shí)別的過程中，根據(jù)動(dòng)力特性的試驗(yàn)結(jié)果修正識(shí)別模型的技術(shù)被稱為基于模型修正的損傷識(shí)別技術(shù)[6]。Berman等[7]提出模型修正法的一般形式，探討擾動(dòng)矩陣的最小值問題，并利用采集到的模態(tài)數(shù)據(jù)來修正模型。Fritzen等[8]基于靈敏度特性對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了相應(yīng)的修正，以此為基準(zhǔn)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別研究。

2.3 基于時(shí)間序列分析的損傷識(shí)別技術(shù)

基于隨機(jī)過程和數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)方法是基于時(shí)間序列分析的損傷識(shí)別技術(shù)的核心，是基于局部時(shí)間域上的特性或在一段時(shí)間域上結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)特征的統(tǒng)計(jì)特性來識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷。張凱瑋等[9]應(yīng)用盾構(gòu)隧道縮尺模型來驗(yàn)證ARMA模型殘差損傷指標(biāo)的損傷識(shí)別正確性和有效性。

2.4 基于靈敏度的損傷識(shí)別技術(shù)

基于靈敏度的損傷識(shí)別技術(shù)是將實(shí)時(shí)采集的特征數(shù)據(jù)作為指標(biāo)，對結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別模型進(jìn)行修正，以最大限度地使修正后的結(jié)構(gòu)模型與相關(guān)試驗(yàn)的動(dòng)力特性結(jié)果一致。龔球等[10]提出基于動(dòng)力特性靈敏度解析代數(shù)算法的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，推導(dǎo)靈敏度解析式，并應(yīng)用數(shù)值仿真驗(yàn)證其有效性。周玉鋒等[11]基于靈敏度分析，對地下結(jié)構(gòu)簡化模型進(jìn)行了系統(tǒng)的損傷識(shí)別方法研究?；陟`敏度的損傷識(shí)別技術(shù)輸入?yún)?shù)較少，只計(jì)算一階靈敏度，應(yīng)用較為廣泛。

2.5 基于智能算法的損傷識(shí)別技術(shù)

近幾十年，基于智能算法的損傷識(shí)別方法越來越多，借助人工智能強(qiáng)大的深度學(xué)習(xí)算法，對結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別開創(chuàng)了新的研究。丁政豪等[12]通過改進(jìn)現(xiàn)有蜂群算法，提出了新的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，并進(jìn)行了相關(guān)的驗(yàn)證。周梓檀等[13]基于模擬退火機(jī)制的蜂群算法，對結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法進(jìn)行了詳細(xì)研究。黃宏偉等[14]針對城市盾構(gòu)隧道的滲漏水問題進(jìn)行了深入研究，基于計(jì)算機(jī)視覺對滲漏水病害進(jìn)行了快速精準(zhǔn)的識(shí)別診斷，并提出了相應(yīng)的算法。

2.6 健康監(jiān)測技術(shù)

健康監(jiān)測作為一種長期的手段，是城市隧道損傷識(shí)別技術(shù)的重要補(bǔ)充。謝雄耀等[15]對甬江沉管隧道進(jìn)行了長期的沉降監(jiān)測研究，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)值分析計(jì)算，得到了一些有益的結(jié)論。

3 城市隧道損傷識(shí)別存在的問題及下一步的研究重點(diǎn)

由于城市隧道的復(fù)雜性，隧道損傷識(shí)別研究還處于初級階段，很多方法是借鑒其他領(lǐng)域的成熟方法，適用于城市隧道損傷識(shí)別的研究方法、識(shí)別程序等各方面尚未成熟，還存在諸多缺陷與不足。城市隧道損傷識(shí)別研究中尚存在以下問題需要進(jìn)一步研究：

（1）傳統(tǒng)單一的無損識(shí)別技術(shù)大多不能對整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，即需要提前知道損傷發(fā)生的大致區(qū)域，這些方法的另一個(gè)問題是成本高、耗時(shí)長，因此應(yīng)重點(diǎn)研究針對整體結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別方法；

（2）聚焦新型城市隧道損傷識(shí)別方法研究，借助人工智能技術(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)、云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)形成城市隧道損傷智能識(shí)別技術(shù)；

（3）高寒、高海拔地區(qū)運(yùn)營的城市隧道襯砌結(jié)構(gòu)凍害問題日益突出，因此在隧道襯砌及保溫層施工和運(yùn)行過程中，溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測成為關(guān)鍵問題。

4 結(jié)束語

目前，我國依然處在隧道建設(shè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，經(jīng)過多年的快速發(fā)展，將有大量的城市隧道進(jìn)入安全運(yùn)維的關(guān)鍵時(shí)期，在漫長的服役期內(nèi)，復(fù)雜的運(yùn)維環(huán)境將不可避免地導(dǎo)致城市隧道結(jié)構(gòu)的各種損傷，嚴(yán)重威脅城市隧道的運(yùn)維安全和使用壽命?；诖?，文章分析了國內(nèi)外隧道的損傷類別，系統(tǒng)調(diào)研了現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)。

通過綜合分析可知，健康監(jiān)測作為一種長期的有效的損傷識(shí)別手段，應(yīng)用較為廣泛，基于指標(biāo)或模型修正的損傷識(shí)別方法大多依靠反演等技術(shù)手段，以結(jié)構(gòu)相應(yīng)誤差最小為相應(yīng)目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)指標(biāo)特征值的輸出?；谥悄芩惴ǖ鹊男滦蛽p傷識(shí)別方法是今后的一大趨勢，能以既有損傷的識(shí)別為樣本進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行后續(xù)損傷的識(shí)別，識(shí)別準(zhǔn)確率較高。同時(shí)，文章分析了城市隧道損傷識(shí)別領(lǐng)域存在的問題及下一步的研究重點(diǎn)，為今后城市隧道運(yùn)維的損傷識(shí)別提供了一定的基礎(chǔ)經(jīng)驗(yàn)，在具體的應(yīng)用層面，城市隧道的損傷識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域還有諸多關(guān)鍵技術(shù)問題尚需進(jìn)一步研究和解決。