紅外熱成像技術(shù)在盾構(gòu)隧道中的應(yīng)用

□□ 李文婷，王 英，梁本亮，查瓏瓏 (上海師范大學(xué)建筑工程學(xué)院，上海 201418)

引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市化水平迅速提高，城市規(guī)模正不斷擴(kuò)大。城市成為世界各國(guó)、各地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化發(fā)展中心。為了把城市建設(shè)成為環(huán)境優(yōu)美、交通快捷、生活便利的人類聚集地，人們不得不開發(fā)利用一切可以利用的有限空間，尤其是地下空間，以建設(shè)給水、排水、能源、交通等地下隧道。然而，隨著地下空間的開發(fā)利用，越來(lái)越多的地下結(jié)構(gòu)由于使用過程中的過量不均勻變形而導(dǎo)致的滲漏水病害，對(duì)地下結(jié)構(gòu)本身及其周圍環(huán)境的影響也愈加嚴(yán)重。

本文通過研究建立紅外熱成像技術(shù)圖像與隧道內(nèi)表面滲漏水類型的量化關(guān)系，將紅外熱成像技術(shù)創(chuàng)新性地應(yīng)用于地鐵隧道滲漏水病害的檢查、評(píng)估和維護(hù)過程，探索了高效的滲漏水檢查和質(zhì)量評(píng)定的新技術(shù)和方法，以期為軌道交通隧道結(jié)構(gòu)滲漏水病害的治理和結(jié)構(gòu)的安全鑒定提供依據(jù)。

1 紅外熱成像技術(shù)研究與實(shí)踐概況

1.1 研究概況

紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，作為一種非接觸、非破壞及直觀的檢測(cè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航天航空、機(jī)械、電力、醫(yī)療等領(lǐng)域，成為保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全運(yùn)行的重要手段。其基本原理是:探測(cè)目標(biāo)物體的紅外輻射，并通過光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理等手段，將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像。利用熱成像儀測(cè)定目標(biāo)本身與背景之間的紅外線差，便可以得到不同的紅外圖像。由熱紅外線形成的圖像稱為熱圖像，目標(biāo)的熱圖像與目標(biāo)的可見光圖像不同，它不是人眼所能看到的目標(biāo)可見光圖像，而是目標(biāo)表面溫度分布圖像。

1.2 實(shí)踐概況

上海市金山海水引水工程中的盾構(gòu)隧道，在地下動(dòng)水壓力的作用下，下臥土層的水土流入隧道，隧道隨之產(chǎn)生縱向沉降和彎曲，導(dǎo)致環(huán)向接縫進(jìn)一步張開和水土流失增加，最終導(dǎo)致破壞性縱向變形和破壞性橫向受力狀態(tài)，最大相對(duì)不均勻沉降達(dá)到18 cm，橫向直徑變化最大超過10 cm。

上海市地鐵1號(hào)線于1995年4月正式建成投入運(yùn)營(yíng)。經(jīng)過長(zhǎng)期的變形監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，隧道在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中產(chǎn)生的沉降及不均勻沉降相當(dāng)大，許多隧道段的沉降和不均勻沉降一直在發(fā)展，而且沒有收斂的趨勢(shì)。至2001年底，人民廣場(chǎng)站－新閘路站之間的區(qū)間隧道最大累計(jì)沉降量超過200 mm;黃陂南路站－人民廣場(chǎng)站之間的區(qū)間隧道差異沉降量近100 mm。過大的不均勻變形已導(dǎo)致隧道的接縫出現(xiàn)了越來(lái)越多的滲漏水病害，而滲漏水的發(fā)展又加大了隧道的沉降量。因此，盾構(gòu)隧道滲漏水病害不僅影響隧道的防水性能，而且其長(zhǎng)期發(fā)展有可能威脅到隧道結(jié)構(gòu)和地鐵運(yùn)營(yíng)的安全。

根據(jù)GB 50108—2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，盾構(gòu)隧道工程防水設(shè)計(jì)等級(jí)為2級(jí)。即其防水要求為:不允許漏水，結(jié)構(gòu)表面可有少量濕漬?？倽駶n面積不應(yīng)大于總防水面積的2/1000;任意100 m2防水面積上的濕漬不超過3處，單個(gè)濕漬最大面積≤0.2 m2;其中，隧道工程還要求平均滲漏水量≤0.05 L/(m2·d)，任意100 m2防水面積上的滲漏水量≤0.15 L/(m2·d)。由此可見，濕漬面積、濕漬數(shù)量和隧道的滲漏水量是衡量隧道滲漏水狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)要求的重要指標(biāo)。

在工程實(shí)踐中，滲漏水量的確定方法一般有以下3種:

(1)在有流動(dòng)水的隧道內(nèi)設(shè)集水井(多為最低處)，進(jìn)行積水量檢測(cè)。其計(jì)量方式是積水池中水位升高部分的水量，即漏水體積量。

(2)在有流動(dòng)水的隧道內(nèi)設(shè)貯水堰，進(jìn)行積水量檢測(cè)。

(3)濕漬與漏點(diǎn)的檢測(cè)與換算。

盡管滲漏水量實(shí)測(cè)方法對(duì)于評(píng)價(jià)運(yùn)營(yíng)隧道的滲漏水具有重要意義，但滲漏水量實(shí)測(cè)方法工作量大，不易操作。因此，對(duì)濕漬面積和濕漬數(shù)量的統(tǒng)計(jì)和分析，就成為當(dāng)前隧道滲漏水評(píng)估的最經(jīng)濟(jì)與高效的方法。但由于目前維保中心采用先現(xiàn)場(chǎng)拍照與描述，然后再分析統(tǒng)計(jì)滲漏水面積的人工操作模式，不能滿足上海425 km軌道交通的大量區(qū)間隧道的滲漏水評(píng)估要求。

目前，在隧道滲漏水病害檢查工作中，一般將滲漏水表象分為以下4種:

(1)濕漬。指隧道管片內(nèi)表面呈現(xiàn)明顯色澤變化的潮濕斑。

(2)滲水。指水滲入管片，導(dǎo)致管片內(nèi)表面水分浸潤(rùn)。

(3)滴漏。指水滲入管片，水量達(dá)到一定程度時(shí)，從上方滴落。

(4)漏泥沙。指因滲水通道擴(kuò)大或防水失效，滲水量增加，同時(shí)夾帶泥沙。

盾構(gòu)隧道在運(yùn)營(yíng)階段其滲漏水狀況的檢查、分類和分級(jí)，是滲漏水分層次、分次序進(jìn)行治理維護(hù)的前提和基礎(chǔ)。

2 隧道滲漏水紅外熱成像研究技術(shù)路線

將紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)階段盾構(gòu)隧道的滲漏水病害檢查，是一種高效的滲漏水檢查和質(zhì)量評(píng)定的新技術(shù)和方法。通過熱圖像的溫度分布確定滲水病害的類型和滲水面積，可以提高滲漏水檢查和質(zhì)量評(píng)定的質(zhì)量和速度，為運(yùn)營(yíng)隧道滲漏水病害治理計(jì)劃的制定提供依據(jù)，不僅對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)具有重要意義，而且對(duì)地鐵的安全運(yùn)營(yíng)同樣也具有重要意義。

依據(jù)研究方法和技術(shù)路線，將紅外熱成像技術(shù)創(chuàng)新性地應(yīng)用于地鐵隧道滲漏水病害的檢查、評(píng)估和維護(hù)過程在技術(shù)上是可行的。

對(duì)隧道結(jié)構(gòu)滲漏水病害的攝像、拍照與紅外熱成像，采取實(shí)驗(yàn)室模擬分析、理論分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。具體內(nèi)容如下:

(1)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面滲漏水?dāng)z像、拍照與紅外熱成像圖像的模擬對(duì)比試驗(yàn)研究。

(2)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面滲漏水紅外熱成像技術(shù)適用性及分辨率分析研究。

(3)建立隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面滲漏水紅外熱成像技術(shù)定量分析方法。

(4)建立隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面滲漏水紅外熱成像技術(shù)分類方法。

(5)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面滲漏水病害分級(jí)方法研究。

(6)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面滲漏水紅外熱成像技術(shù)實(shí)測(cè)研究。

需解決的幾個(gè)關(guān)鍵問題如下:

(1)建立紅外熱成像技術(shù)圖像與滲漏水病害的幾何關(guān)系。

(2)確定隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面滲漏水病害的量化技術(shù)。

(3)建立隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面滲漏水病害的拍攝位置、角度與距離對(duì)滲漏水量化的影響關(guān)系。

(4)建立基于紅外熱成像技術(shù)的隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面滲漏水病害風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法。

3 研究方法及試驗(yàn)方案

3.1 研究方法

通過地鐵隧道結(jié)構(gòu)的室內(nèi)模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論研究等方法，建立紅外熱成像技術(shù)圖像與滲漏水病害的幾何關(guān)系，確定隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面滲漏水病害的量化技術(shù)，并據(jù)此建立基于紅外熱成像技術(shù)的隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面滲漏水病害的檢查、評(píng)估方法。

對(duì)隧道結(jié)構(gòu)滲漏水病害的攝像、拍照與紅外熱成像，采取實(shí)驗(yàn)室模擬分析、理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。

(1)通過對(duì)隧道結(jié)構(gòu)滲漏水病害的空間特征與攝像、拍照和紅外熱成像圖像的對(duì)比分析，建立隧道結(jié)構(gòu)滲漏水病害紅外熱成像技術(shù)定量評(píng)定的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

(2)通過理論研究，確定紅外熱成像技術(shù)圖像定量分析隧道結(jié)構(gòu)滲漏水病害的理論模型。

(3)提出基于紅外熱成像技術(shù)圖像的隧道結(jié)構(gòu)滲漏水病害分級(jí)方法。

(4)通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，考察紅外熱成像技術(shù)圖像定量分析隧道結(jié)構(gòu)滲漏水病害的理論模型與分級(jí)方法的適用性。

3.2 試驗(yàn)方案

(1)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)隧道模型滲漏水病害的空間特征與攝像、拍照和紅外熱成像圖像的特征進(jìn)行分析，研究其分布規(guī)律。

(2)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)隧道模型的各種滲漏水病害類型的紅外熱成像圖像進(jìn)行對(duì)比分析，研究各自的分布規(guī)律和特征。

(3)在現(xiàn)場(chǎng)采集隧道結(jié)構(gòu)滲漏水病害的紅外熱成像圖像，分析其分布規(guī)律。

4 結(jié)語(yǔ)

通過研究建立紅外熱成像技術(shù)圖像與隧道內(nèi)表面滲漏水類型的量化關(guān)系，將紅外熱成像技術(shù)創(chuàng)新性地應(yīng)用于地鐵隧道滲漏水病害的檢查、評(píng)估和維護(hù)過程，對(duì)于軌道交通隧道結(jié)構(gòu)滲漏水病害的治理、結(jié)構(gòu)的安全和地鐵的正常運(yùn)營(yíng)均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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