黃 俊，張頂立，梁文灝，董飛，李?yuàn)W，趙光，楊奎，牛曉凱

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司城市建設(shè)與軌道交通設(shè)計(jì)院,南京 210019; 2.江蘇省水下隧道綠色智慧技術(shù)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(jià)工程技術(shù)創(chuàng)新中心,南京 210016;4.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044; 5.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)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(yùn)營鐵路隧道達(dá)17 873座,長度達(dá)到21 978 km,投入運(yùn)營高速鐵路隧道4 178座,總長7 032 km[1];城市軌道交通運(yùn)營線路總長10 287.45 km,其中以隧道形式敷設(shè)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(zhì)量與運(yùn)營荷載等因素的影響,隧道滲漏水、混凝土開裂、結(jié)構(gòu)變形超限等病害極為常見,隧道結(jié)構(gòu)“帶病”服役的情況較為普遍。北京、上海、南京等城市相繼報(bào)道過城市軌道交通、過江隧道等由于病害惡化而導(dǎo)致的停運(yùn)事件,產(chǎn)生了極為不利的社會(huì)影響。

與建設(shè)期相比,隧道等基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營與維護(hù)是其全壽命周期內(nèi)工作的重點(diǎn)?？焖?、精準(zhǔn)、全面地感知病害,準(zhǔn)確判斷隧道服役狀態(tài),防患于未然,保障結(jié)構(gòu)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(jī)理、病害感知、病害整治等方面進(jìn)行分析與總結(jié),以期為隧道的安全運(yùn)營提供參考與借鑒。

1 服役期隧道結(jié)構(gòu)典型病害

1.1 隧道水害

滲漏水在隧道服役期內(nèi)較為普遍,業(yè)內(nèi)歷來有“十隧九漏”的認(rèn)知。滲漏水的出現(xiàn)與地層水源、驅(qū)動(dòng)力和滲漏通道有關(guān),其中滲漏水通道包含透水地層與結(jié)構(gòu)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明:隧道結(jié)構(gòu)“三縫”是滲漏水病害的多發(fā)位置;預(yù)制襯砌接縫、工作井、管片螺栓孔、二次注漿孔是盾構(gòu)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(huì)誘發(fā)包括凍害、底板反水以及翻漿冒泥在內(nèi)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(jié)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(chǔ)上,受車輛動(dòng)荷載(高頻振動(dòng)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(diào)研的結(jié)果看,隧道滲漏水的分布與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度有一定關(guān)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(diǎn)多出現(xiàn)在匝道交匯點(diǎn)、上下層隧道交疊段、小轉(zhuǎn)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(diǎn)狀滲漏、線狀滲漏和面狀滲漏。

1.2 結(jié)構(gòu)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(cuò)臺等常見病害多發(fā)的位置。盾構(gòu)隧道由管片經(jīng)螺栓拼裝而成,內(nèi)部存在大量接縫,屬于柔性結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的整體變形在細(xì)觀層面上表現(xiàn)為管片接縫的錯(cuò)臺與張開(圖3)。

圖3 盾構(gòu)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(gòu)隧道管片接縫錯(cuò)臺與張開現(xiàn)象較為普遍。現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果表明,區(qū)間隧道全長范圍內(nèi)均出現(xiàn)了不同程度的管片錯(cuò)臺,部分位置錯(cuò)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(shè)置變形縫的結(jié)構(gòu),變形縫的錯(cuò)臺也是屢見不鮮(圖4)。

圖4 某綜合管廊變形縫錯(cuò)臺Fig.4 Joint dislocation of comprehensive pipe gallery

軟弱地層、地下水、臨近施工擾動(dòng)等條件下,盾構(gòu)隧道斷面的橢圓化變形與縱向不均勻沉降是服役期內(nèi)的常見問題。如北京地鐵15號線某盾構(gòu)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(dá)到了39.22%[7]。縱向不均勻沉降方面,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(huì)導(dǎo)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(jié)構(gòu)無法協(xié)調(diào)變形而導(dǎo)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(gòu)件裂損

襯砌混凝土結(jié)構(gòu)裂損與圍巖壓力、施工擾動(dòng)、工程質(zhì)量、運(yùn)營荷載、材料劣化等因素有關(guān)。如圖6所示,根據(jù)襯砌裂縫與隧道縱向的相互關(guān)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(jié)構(gòu)外,大直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)用于實(shí)現(xiàn)車輛通行與消防排煙等既定設(shè)計(jì)功能的煙道板、中隔墻、口型件、牛腿、結(jié)構(gòu)柱以及軌道交通隧道道床、疏散平臺等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的開裂情況如圖7所示[11]。目前,對于隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)裂損的研究,尚不多見。

圖7 大直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)晶等亦會(huì)對隧道結(jié)構(gòu)安全造成不良影響。

2 服役期隧道典型病害成因與機(jī)理

服役期隧道典型病害的成因包括內(nèi)因與外因兩個(gè)方面。其中,外因主要包括氣候條件、水文地質(zhì)條件、運(yùn)營環(huán)境以及偶然因素(地震、爆炸、碰撞等);內(nèi)因主要包括設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)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(bǔ)給;巖溶、破碎圍巖、巖體裂隙、砂性地層等形成了儲(chǔ)水構(gòu)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(jié)構(gòu)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(huì)引發(fā)隧道滲漏水結(jié)冰,形成凍害。

設(shè)計(jì)方面:主要指工程的實(shí)際受力條件與設(shè)計(jì)工況不符,以及缺乏對隧道滲漏水病害認(rèn)知而導(dǎo)致的在防排水體系方面的設(shè)計(jì)缺陷或不足。文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)果顯示,運(yùn)營10年以上隧道的嚴(yán)重漏水與防水設(shè)計(jì)缺陷有關(guān)。對于高寒地區(qū)防凍措施設(shè)計(jì)不到位而導(dǎo)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(shí)、排水管路不通暢、“三縫”施工不滿足要求有關(guān)。此外,由于施工不滿足要求而引起的襯砌結(jié)構(gòu)開裂亦是隧道出現(xiàn)滲漏水的重要原因之一。

養(yǎng)護(hù)方面:主要指服役期內(nèi)對隧道結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)不到位而導(dǎo)致的襯砌結(jié)構(gòu)開裂、排水管路堵塞等問題。

隧道結(jié)構(gòu)的修建改變了地層中原有的水力聯(lián)系和通道,在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)將使地下水滲流路徑重新調(diào)整。隧道滲漏水的機(jī)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(nèi)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(bǔ)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(bǔ)給量。同時(shí),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(bǔ)給能力。當(dāng)?shù)叵滤a(bǔ)給能力和排水能力處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí),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(shí)間后,地下水滲流路徑調(diào)整完畢。雨季過后隧道局部地區(qū)地下水位上升,在隧道設(shè)計(jì)排水能力一定的前提下,襯砌背后地下水無法及時(shí)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(dāng)水壓升高到一定程度后,地下水突破隧道結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)受力向更為有利的方向發(fā)展。當(dāng)?shù)叵滤a(bǔ)給能力和隧道排水能力基本持平,兩者達(dá)到一個(gè)新的平衡。隧址區(qū)降雨結(jié)束,地下水補(bǔ)給能力減弱,隧道結(jié)構(gòu)滲漏水病害減輕。

2.2 結(jié)構(gòu)變形超限

混凝土構(gòu)件在承擔(dān)外力后必然會(huì)出現(xiàn)變形,襯砌變形超限主要受結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)、地層條件的影響,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn):接縫與變形縫阻斷了襯砌結(jié)構(gòu)的連續(xù)性,是隧道的薄弱環(huán)節(jié)。相較于復(fù)合式襯砌隧道、明挖隧道、沉管隧道,盾構(gòu)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(gòu)隧道,其他類型的隧道則主要是變形縫兩側(cè)的不均勻沉降與管節(jié)的相對轉(zhuǎn)動(dòng)。

水文地質(zhì)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(xì)砂層等不良地質(zhì)條件在軌道交通振動(dòng)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(yīng)力也是隧道斷面收斂變形的重要原因之一。

運(yùn)營環(huán)境:主要指運(yùn)營荷載與周邊環(huán)境,如前述的軌道交通振動(dòng)荷載以及隧道周邊的施工活動(dòng)所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形。

2.3 混凝土構(gòu)件裂損

混凝土構(gòu)件裂損與隧道結(jié)構(gòu)變形、受力密不可分,結(jié)構(gòu)的變形與裂損也是隧道在外部環(huán)境變化條件下自身結(jié)構(gòu)體系的調(diào)整與適應(yīng)。

根據(jù)構(gòu)件應(yīng)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(gòu)件的裂損與其受力密不可分,通常是正應(yīng)力和剪應(yīng)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(xué)理論,當(dāng)混凝土裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K大于材料的斷裂韌度Kc時(shí),裂縫開始擴(kuò)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(kuò)展,兩者被合稱為斷裂過程區(qū)(Fracture Progress Zone, FPZ),是裂縫擴(kuò)展的先導(dǎo)。從宏觀尺度上看,混凝土骨料、硬化水泥漿、空穴等隨機(jī)分布于裂縫擴(kuò)展的尖端,裂縫總是向著能量耗散最小的方向擴(kuò)展延伸。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,服役期隧道結(jié)構(gòu)病害從來都不是單一類型。通過文獻(xiàn)調(diào)研和分析,不同類型病害之間關(guān)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(shí)引發(fā)病害3。圖8為服役期隧道結(jié)構(gòu)典型病害間的相互關(guān)系。

3 服役期隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)感知

3.1 典型病害感知

3.1.1 基于深度學(xué)習(xí)的隧道病害感知

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展,基于深度學(xué)習(xí)的病害感知逐漸成為獲取隧道運(yùn)營狀態(tài)的重要手段之一。深度學(xué)習(xí)是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),通過模仿人腦在訓(xùn)練過程中從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)特征信息,在自適應(yīng)構(gòu)建的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測或分類[15]。

(1)數(shù)據(jù)集構(gòu)建

數(shù)據(jù)信息是服役期隧道病害智能識別的基礎(chǔ)?；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(diǎn)云圖像等構(gòu)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(zhuǎn)、亮度與對比度調(diào)整、模糊處理、植入噪聲、隨機(jī)擦除、縮放等手段對數(shù)據(jù)集進(jìn)行增強(qiáng),以此增加深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練的精度。LabelImg、LabelMe、EISeg、label-image-CARS等是人工標(biāo)注病害的常用工具。目前已有學(xué)者結(jié)合圖像特征提取和深度學(xué)習(xí),實(shí)現(xiàn)了隧道裂縫樣本的自動(dòng)標(biāo)注與識別,極大地降低了人工標(biāo)注的工作量[16]。此外,需對不同設(shè)備、不同條件、不同時(shí)間拍攝的圖片進(jìn)行拼接,用于滿足后期的識別需求。

三維激光掃描通過動(dòng)態(tài)或靜態(tài)形式以數(shù)以億計(jì)的包含測點(diǎn)的三維坐標(biāo)、RGB、入射角、強(qiáng)度等關(guān)鍵信息的激光點(diǎn),真實(shí)還原隧道內(nèi)的三維空間形態(tài)。根據(jù)點(diǎn)云反射率生成隧道襯砌正射影像圖,借助深度挖掘可準(zhǔn)確識別隧道的病害信息。此外,亦可將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為灰度圖,采用與前述數(shù)字圖像相同的方法做進(jìn)一步的病害識別。為解決單獨(dú)采用數(shù)字圖像或激光點(diǎn)云手段所帶來的問題,已有文獻(xiàn)公開報(bào)道了基于多源數(shù)據(jù)融合,準(zhǔn)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(dá)圖像,采用深度學(xué)習(xí)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)識別,進(jìn)而獲得隧道襯砌內(nèi)部病害的類型、位置和輪廓(圖10)。英國將μ子成像技術(shù)應(yīng)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(bào)道[19]。

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

(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、訓(xùn)練與調(diào)優(yōu)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型由輸入層、隱藏層(中間層)和輸出層構(gòu)成,圖11中圓圈表示神經(jīng)元的內(nèi)部加權(quán)求和與激活函數(shù)(表1)。預(yù)測結(jié)果通常是一個(gè)概率向量,其維度與所有可能的結(jié)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(luò)結(jié)構(gòu)Fig.11 Neural network structure diagram

通常情況下,所設(shè)計(jì)的輸入層與輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)是固定的,隱藏層可以自由設(shè)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(qiáng)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(gè)網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(biāo)檢測算法和語義分割算法3類(表2)[21]。過小的樣本訓(xùn)練數(shù)量會(huì)導(dǎo)致欠擬合的問題,當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力高于樣本的復(fù)雜程度時(shí)又會(huì)引起過擬合的問題。泛化技術(shù)是解決參數(shù)增加而產(chǎn)生過擬合現(xiàn)象的關(guān)鍵手段,目前較為常用的是Dropout技術(shù)和數(shù)據(jù)擴(kuò)容(Data-Augmentation)技術(shù)。當(dāng)檢測目標(biāo)發(fā)生變化時(shí),需要對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行調(diào)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(jià)

對于圖像識別精度的評價(jià),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(zhǔn)率)表示識別結(jié)果正確的占比,即

(1)

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

(2)

F1值用于評價(jià)精確率與召回率,即精確率與召回率的調(diào)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(zhǔn)確率mPA即可用下式表示

(5)

式中,TP表示真實(shí)情況為真,識別結(jié)果亦為真的樣本數(shù)量;FP表示真實(shí)情況為假,識別結(jié)果為真的樣本數(shù)量;FN表示真實(shí)情況為真,識別結(jié)果為假的樣本數(shù)量;n表示隧道中病害的類別數(shù)量。可用參數(shù)量(Params)、浮點(diǎn)運(yùn)算量(Flops)、權(quán)重文件大小對識別程序進(jìn)行模型規(guī)模的評價(jià);采用檢測幀率(FPS)對模型效率進(jìn)行評價(jià)。

受隧道內(nèi)附屬設(shè)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(huì)增加病害識別的難度;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化對于識別精度的提升效果也極為有限。此時(shí)應(yīng)考慮集成高清相機(jī)、三維激光掃描儀、紅外相機(jī)等設(shè)備,發(fā)揮各自優(yōu)勢,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型匹配,提升病害的識別效率與精度。此外,高性能計(jì)算機(jī)、圖形加速卡(GPU)以及更為優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jì)算、云計(jì)算的人工智能將會(huì)是服役期內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)病害感知的發(fā)展方向。

實(shí)際應(yīng)用中通常將病害信息采集設(shè)備搭載于機(jī)動(dòng)車輛、軌道檢測車、機(jī)器人等移動(dòng)平臺,以提高病害檢測的自動(dòng)化程度與檢測效率,信息處理可于移動(dòng)端或后臺進(jìn)行(圖12)。圖12(d)所示的小型智能化監(jiān)測機(jī)器人是隧道內(nèi)狹小空間實(shí)時(shí)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(jié)構(gòu)變形感知

宏觀層面,隧道結(jié)構(gòu)變形包括縱向不均勻沉降和橫斷面收斂變形兩個(gè)方面。從細(xì)觀層面上看,隧道結(jié)構(gòu)的變形主要表現(xiàn)為變形縫或管片接縫的張開與錯(cuò)臺,以及襯砌混凝土材料的應(yīng)變。

(1)隧道沉降

利用全站儀對隧道結(jié)構(gòu)的沉降與斷面收斂監(jiān)測已有多年的歷史,相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)也極為豐富[37]。近年來,基于自動(dòng)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(shù)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(yīng)變感測光纜沿隧道縱向布設(shè),在隧道管片上按照“Z”字形布設(shè),光纜固定在每個(gè)管片的圓環(huán)之上(圖13)。通過平面幾何關(guān)系將管片豎向沉降轉(zhuǎn)換為光纜的軸向拉伸變形,進(jìn)而換算成管片間的沉降變形。

圖13 基于分布式應(yīng)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(gòu)建基于激光準(zhǔn)直技術(shù)和嵌入式技術(shù)的“雙回路”光電自校準(zhǔn)地鐵隧道沉降監(jiān)測系統(tǒng)[39]。系統(tǒng)采用節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)方式,主要由全站儀、ARM開發(fā)板、傾角傳感器、點(diǎn)激光器、靶標(biāo)、4G通信模塊、云服務(wù)器與客戶端組成(圖14)。

圖14 隧道沉降監(jiān)測的光電自校準(zhǔn)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(shè)的靜力水準(zhǔn)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(yīng)式、差動(dòng)變壓器式、磁致式及光電式等。

圖15 靜力水準(zhǔn)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?？刹捎娩摮呤諗坑?jì)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(jìn)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(gè)斷面測量儀器旋轉(zhuǎn)中心與隧道襯砌交點(diǎn)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(shí)際內(nèi)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(gòu)隧道及斷面掃描結(jié)果Fig.17 Scanning results of a large diameter submarine shield tunnel in Zhuhai

如圖17(b)所示,由于內(nèi)部構(gòu)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(yīng)用范圍。此時(shí),可考慮采用如圖18所示的陣列式位移計(jì)進(jìn)行隧道斷面收斂的自動(dòng)化監(jiān)測。其原理在于通過微機(jī)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(yīng)軸力與中立方向的角度,基于角度變化計(jì)算對應(yīng)長度桿的位移量,進(jìn)而擬合隧道斷面的收斂變形。

圖18 陣列式位移計(jì)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(cuò)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(diǎn)的專項(xiàng)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(gòu)管片接縫或隧道變形縫而言,可采用位移計(jì)或測縫計(jì)進(jìn)行自動(dòng)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(shí)現(xiàn)接縫錯(cuò)臺或張開量監(jiān)測。此外,亦可采用光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對管片接縫張開和錯(cuò)臺監(jiān)測。

圖19 盾構(gòu)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(yīng)變

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

圖20 混凝土應(yīng)變應(yīng)變計(jì)Fig.20 Concrete strain gauge

(5)整體式道床脫空

地鐵盾構(gòu)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(zhì)雷達(dá)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)了一種剝離測縫計(jì)(圖22),結(jié)合電阻式表面應(yīng)變計(jì)、CCD工業(yè)相機(jī),開展道床剝離量、輪軌垂向力以及管片沉降監(jiān)測,實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)隧道的管片-整體式道床剝離病害動(dòng)態(tài)監(jiān)測[41]。

圖22 剝離測縫計(jì)Fig.22 Stripping seam gauge

3.2 隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是全面掌握服役期隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的重要手段之一。如圖23所示,服役期隧道結(jié)構(gòu)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(chǔ)與管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與預(yù)警子系統(tǒng)和用戶界面子系統(tǒng)。

表3所示為國內(nèi)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(diǎn)區(qū)域;反映結(jié)構(gòu)受力與正常使用功能的混凝土應(yīng)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(xiàng),監(jiān)測項(xiàng)和監(jiān)測斷面的設(shè)置方案與投資預(yù)算息息相關(guān)。根據(jù)傳感器的敷設(shè)方式,可將其分為預(yù)埋式和表貼式。條件具備的情況下,應(yīng)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(gòu)件之中,提高健康監(jiān)測系統(tǒng)的有效性、連續(xù)性與實(shí)施效果。

表3 國內(nèi)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(jī)、傳輸光纜等硬件設(shè)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(shí)施和完善,共計(jì)布設(shè)傳感器2 019支,投資逾3 000余萬元。數(shù)量巨大的硬件設(shè)施,在運(yùn)營過程中不可避免地會(huì)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(jià)效果。以南京應(yīng)天大街長江隧道為例,其第一代健康監(jiān)測系統(tǒng)在運(yùn)行10年后,出現(xiàn)傳感器失效、解調(diào)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(yùn)營安全,于2020年進(jìn)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(dāng)前服役期隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)所暴露出來的諸多缺陷,筆者團(tuán)隊(duì)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(gòu)、更為合理的監(jiān)測斷面、更具代表性的監(jiān)測項(xiàng)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(hù)成本為基本特征的新一代健康監(jiān)測系統(tǒng),遠(yuǎn)期可結(jié)合新型傳感器研發(fā)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的迭代和升級。

3.3 隧道結(jié)構(gòu)安全評價(jià)

部分規(guī)范對于隧道結(jié)構(gòu)服役性能的評價(jià)推薦采用單指標(biāo)評價(jià)法或綜合評價(jià)法。單指標(biāo)評價(jià)將最嚴(yán)重的病害作為評價(jià)依據(jù);綜合評價(jià)法考慮分項(xiàng)權(quán)重、病害程度與發(fā)展趨勢,以及對行車和結(jié)構(gòu)安全的影響。單指標(biāo)評價(jià)較綜合評價(jià)結(jié)果嚴(yán)重時(shí),以單指標(biāo)評價(jià)結(jié)果為準(zhǔn)。

與規(guī)范中的綜合評價(jià)法相似,基于層次分析法(AHP)或網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)建立隧道安全評價(jià)指標(biāo)體系,獲得指標(biāo)權(quán)重后,結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論[5]、可拓學(xué)理論[44]以及灰色關(guān)聯(lián)方法[45]是服役期隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評價(jià)的有效手段。

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

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法結(jié)合結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)識別和風(fēng)險(xiǎn)概率分析,建立隧道風(fēng)險(xiǎn)評估模型,以分析運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率以及各風(fēng)險(xiǎn)因子對風(fēng)險(xiǎn)事件的控制程度[47]。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是以神經(jīng)元為基本單元組成的數(shù)學(xué)模型,通過提供病害分級及結(jié)構(gòu)安全分級的訓(xùn)練集,幫助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型調(diào)整其中各個(gè)神經(jīng)元的連接權(quán)值,從而使學(xué)習(xí)后的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在接收到新的輸入時(shí),可以給出合理的輸出。常用的網(wǎng)絡(luò)模型包括:自適應(yīng)神經(jīng)-模糊推理系統(tǒng)[48]、GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[49]等。

基于環(huán)境因素(地質(zhì)條件、內(nèi)外部荷載變化、周邊工程活動(dòng))、施工質(zhì)量等工程數(shù)據(jù)建立模型,采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法,通過大量的隧道結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)構(gòu)建訓(xùn)練集合獲得病害與其影響因素之間的復(fù)雜非線性關(guān)系,依托建模條件實(shí)現(xiàn)對隧道結(jié)構(gòu)的病害、安全狀態(tài)的定量評價(jià)[50]。

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

此外,還有采用聚類分析[53]、變權(quán)理論[54]、Vine Copula理論[55]、云模型[56]等進(jìn)行服役期隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評價(jià)的方法見諸報(bào)道。亦有學(xué)者采用數(shù)值模擬仿真軟件,基于實(shí)際工程的地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)、外部荷載等建立等仿真模型,獲得隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形等定量數(shù)據(jù),進(jìn)而評價(jià)隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)[57]。

規(guī)范中的方法重點(diǎn)考慮通用性和便捷性,直接給出各項(xiàng)的權(quán)重以及評價(jià)值,但是對于具體工程的適用程度有限。實(shí)際應(yīng)用中,針對重大工程依托服役期隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建評價(jià)體系,在權(quán)重分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合相關(guān)安全理論進(jìn)行評價(jià),其中如何客觀評價(jià)分項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重,是評價(jià)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。此外,目前規(guī)范中給出的評價(jià)指標(biāo)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(yù)警、報(bào)警的依據(jù)。基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)、斷裂力學(xué)、聚類分析等復(fù)雜理論的數(shù)十種方法,都是關(guān)于隧道安全狀態(tài)評價(jià)的有益探索?？傮w上看,理論依據(jù)較為復(fù)雜,未來應(yīng)以工程應(yīng)用作為主要研究方向。

4 隧道服役期結(jié)構(gòu)病害整治技術(shù)

4.1 混凝土結(jié)構(gòu)開裂

隧道結(jié)構(gòu)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(jìn)行修補(bǔ);對于非穩(wěn)定裂縫,在對結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固后進(jìn)行修補(bǔ);對于存在滲水的裂縫,應(yīng)結(jié)合堵漏綜合治理。常用的裂縫修補(bǔ)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(bǔ)。表面噴漿適用于表面細(xì)微裂縫;表面涂抹處理方式主要針對漿液很難注入的細(xì)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(bǔ)。

(2)填充法

主要適用于裂縫寬度超過0.3 mm的情況,把修補(bǔ)材料直接填充到裂縫中。當(dāng)現(xiàn)場條件不允許灌漿或灌漿無法達(dá)到預(yù)定效果,小規(guī)模裂縫可采用U形或V形槽法進(jìn)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(bǔ)裂縫、防滲止水的作用外,在一定程度上還具有加固結(jié)構(gòu)體的效果,主要應(yīng)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(xué)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(dǎo)碳酸鈣沉積原理而衍生的微生物灌漿修補(bǔ)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(jié)構(gòu)修補(bǔ)張開型裂縫的方法。對于隧道襯砌開裂較為嚴(yán)重,混凝土有掉塊風(fēng)險(xiǎn)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(yán)重,影響隧道結(jié)構(gòu)安全的情況,可采用拆除置換工藝,替換襯砌裂損病害嚴(yán)重的襯砌結(jié)構(gòu),以保持結(jié)構(gòu)的承載力和運(yùn)營安全[65-68]。

此外,亦可從材料本身出發(fā),采用自修復(fù)混凝土實(shí)現(xiàn)隧道混凝土結(jié)構(gòu)細(xì)微裂縫的自我修復(fù)[69]。但受制于技術(shù)水平、行業(yè)發(fā)展、實(shí)施效果及實(shí)施成本等因素,目前的應(yīng)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(qū)動(dòng)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(shù)思路是堵塞滲漏通道,即通過工藝與材料的結(jié)合,擠出結(jié)構(gòu)裂隙和孔隙中的水,恢復(fù)缺陷混凝土的密實(shí)度和結(jié)構(gòu)整體性。而堵塞滲漏通道的主要方法有注漿止水、設(shè)置防水層等,需要根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)隧道滲漏整治工藝Tab.4 Treatment technology of seepage in cast-in-situ tunnel

表5 預(yù)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?dāng)D出。通過設(shè)置觀察孔、內(nèi)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(shè)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(zhì)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(xué)成分可以分為無機(jī)材料、有機(jī)高分子材料和改性無機(jī)材料。無機(jī)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(jī)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(gòu)建由鈦合金金屬絲和銅棒組成的正負(fù)極系統(tǒng),在低壓正負(fù)脈沖電流作用下將水電離,混凝土內(nèi)水分子向負(fù)極不斷流動(dòng),從而使混凝土襯砌保持干燥。

圖26 電防滲技術(shù)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(nèi)下傾鉆孔形成的孔內(nèi)儲(chǔ)水管和隧道豎向外儲(chǔ)水管組成連通器,利用兩者之間的虹吸效應(yīng),使圍巖裂隙水進(jìn)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(jié)晶堵塞引起的滲漏水問題,以消除結(jié)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(xué)阻垢、生物阻垢以及優(yōu)化工程設(shè)計(jì)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(dá)到預(yù)防排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞的目的;詹樹高等[74]提出結(jié)合超聲波和有機(jī)酸治理結(jié)晶堵塞的方案;蔣雅君等[75]基于3種結(jié)晶溶解試驗(yàn),驗(yàn)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(jié)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(yù)防為主,可采用增設(shè)保溫層、延長埋深水溝、增加豎向盲溝等措施加以預(yù)防和處治[76-77]。關(guān)喜彬[78]提出一種新型隧道側(cè)吹式空氣幕保溫系統(tǒng),用于預(yù)防隧道凍害。

4.3 隧道結(jié)構(gòu)變形

隧道結(jié)構(gòu)變形的治理分為外治和內(nèi)治,外部治理包括上部卸載、洞外側(cè)微擾動(dòng)注漿;內(nèi)部治理則以隧內(nèi)壁后微擾動(dòng)注漿、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)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(jié)構(gòu)變形與受力改變?；痉桨甘窃谒淼郎戏?通過土方挖運(yùn)等減小上部荷載,減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力,使結(jié)構(gòu)實(shí)際受力與設(shè)計(jì)工況更為接近[79]。

(2)洞外微擾動(dòng)注漿

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

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

(3)隧道內(nèi)壁后微擾動(dòng)注漿

如圖29所示,隧道內(nèi)壁后微擾動(dòng)注漿[81]是利用管片兩側(cè)腰部原有注漿孔,對兩側(cè)土體進(jìn)行分層壓密注漿,充填外部土體空隙改善其力學(xué)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(bǔ)強(qiáng)加固

通過在隧道拱頂、側(cè)墻等內(nèi)側(cè)受拉區(qū)域粘貼復(fù)合材料,通過發(fā)揮粘貼材料的抗壓強(qiáng)度抵御整體變形。其作用機(jī)理在于復(fù)合材料與襯砌結(jié)構(gòu)有效粘接后,形成疊合襯砌結(jié)構(gòu),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(fù)合材料類型主要有:碳纖維、芳綸纖維(圖30)、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)等。

圖30 內(nèi)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(jié)構(gòu)內(nèi)弧面加裝一層鋼板(圖31),通過化學(xué)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(shí)確保新組合結(jié)構(gòu)的防水和耐久性滿足設(shè)計(jì)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(fù)合型材是一種由纖維布經(jīng)熱加工工藝,并與鋼管復(fù)合成型的加固構(gòu)件,鋼管內(nèi)可采用灌漿料灌注,以增強(qiáng)構(gòu)件的加固性能[88]。圖32中單個(gè)腔體的數(shù)量和尺寸可根據(jù)現(xiàn)場情況予以適當(dāng)調(diào)整。

圖32 裝配式復(fù)合型材結(jié)構(gòu)Fig.32 Prefabricated composite structure

對于此種結(jié)構(gòu),亦有學(xué)者將其稱之為“復(fù)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(nèi)學(xué)者對此種結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能開展了包括室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場驗(yàn)證等多種手段的研究[89-91]。復(fù)合型材針對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的加固,已成功應(yīng)用于北京地鐵某區(qū)間隧道,實(shí)施效果良好(圖33)。

圖33 裝配式復(fù)合型材工程應(yīng)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(jié)合實(shí)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(dāng)?shù)来才c隧道襯砌結(jié)構(gòu)之間含水量較大且水壓較高時(shí),應(yīng)首先在道床上鉆取泄壓孔,待水壓穩(wěn)定后進(jìn)行后續(xù)處治。當(dāng)?shù)来裁摽樟坑绊懥熊囓壍榔巾樁葧r(shí),需首先對道床進(jìn)行頂升,使軌道標(biāo)高恢復(fù)至設(shè)計(jì)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(zhì)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(shí)應(yīng)先對不良地質(zhì)進(jìn)行加固,之后采用錨固手段將道床與隧道連接成一個(gè)整體,通常情況下錨固體需打穿道床與隧道結(jié)構(gòu),錨入地層之中。當(dāng)?shù)来裁摽詹『O為嚴(yán)重時(shí),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(yīng)用于結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)、滲漏水封堵、隧道結(jié)構(gòu)變形控制等情況;根據(jù)所注漿液的主要成分,可分為:有機(jī)注漿料、無機(jī)注漿料、復(fù)合注漿料和微生物注漿料。隧道病害整治的新技術(shù)、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(shù)水平。受限于實(shí)施成本和效果,新技術(shù)的推廣應(yīng)用具有一定的難度。目前關(guān)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(jié)語

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

(2)基于深度學(xué)習(xí)理論的智能識別是當(dāng)前隧道病害感知的重要手段。將智能識別設(shè)備搭載于移動(dòng)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(jī)器人是解決隧道內(nèi)狹小空間病害監(jiān)測的有效手段。從深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程來看,依托云計(jì)算、量子計(jì)算的人工智能將是服役期內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的重要手段之一,較多應(yīng)用于重大風(fēng)險(xiǎn)工程,在一定程度上保障了隧道的正常運(yùn)行。目前業(yè)內(nèi)已開始探索輕量化監(jiān)測技術(shù),以期達(dá)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(hù)成本的目標(biāo)。

(4)隧道結(jié)構(gòu)安全評價(jià)理論包括模糊數(shù)學(xué)理論、可拓學(xué)理論、灰色關(guān)聯(lián)理論、閾值區(qū)間法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)、聚類分析、變權(quán)理論、Vine Copula理論、云模型等,未來應(yīng)將相關(guān)理論的工程應(yīng)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(jié)構(gòu)安全與正常運(yùn)營的關(guān)鍵舉措,除常規(guī)整治措施外,越來越多新技術(shù)的應(yīng)用,極大促進(jìn)了行業(yè)的進(jìn)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(jià)體系。從調(diào)研結(jié)果看,關(guān)于病害整治效果的后評估尚需開展深入研究。