隧道檢測與健康狀況評價(jià)研究綜述

昝文博，趙春晨，王 寧，楊 謙

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000； 2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引 言

截至2018年底，中國已建成的公路、鐵路隧道共計(jì)35 883座，總長度為38 463 km，并且仍在以每年上千座、上千公里的速度迅猛增加，未來綜合交通運(yùn)輸規(guī)劃的隧道工程規(guī)模更大[1-2]。隧道屬于半隱蔽性工程，隨著運(yùn)營時(shí)間的增長，受地質(zhì)條件變化或襯砌材料性能劣化、設(shè)計(jì)施工缺陷、養(yǎng)護(hù)維修不及時(shí)或不到位等多種因素的綜合影響，許多隧道出現(xiàn)了襯砌裂損、滲漏水等病害，降低了使用性能和運(yùn)營安全性[3]。因此，必須采取日常檢查、定期檢測或?qū)ｍ?xiàng)評估等方法，及時(shí)掌握隧道技術(shù)狀況，從而為隧道結(jié)構(gòu)安全評估、健康狀況評價(jià)以及制定維修加固措施提供合理可靠的依據(jù)。

圖2 提取病害

近年來，隧道病害快速檢測技術(shù)得到了長足的發(fā)展，出現(xiàn)了多種適用于不同類型病害檢測的儀器設(shè)備[4-6]。諸如數(shù)字圖像、探地雷達(dá)、微震監(jiān)測技術(shù)等發(fā)展較快，在結(jié)構(gòu)病害檢測方面均有應(yīng)用；斷裂力學(xué)、分形理論、層次分析法等新理論、新方法在隧道健康分析診斷領(lǐng)域都有嘗試，但目前尚未進(jìn)入規(guī)模化、系統(tǒng)化的正式推廣應(yīng)用階段。鑒于此，本文針對隧道病害檢測及健康狀況評價(jià)方面的最新研究進(jìn)展和應(yīng)用情況，重點(diǎn)論述隧道襯砌表觀病害、結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷、滲漏水檢測的新方法以及斷裂力學(xué)、分形理論、層次分析法等在隧道健康評價(jià)中的應(yīng)用情況，最后指出隧道病害檢測設(shè)備及結(jié)構(gòu)健康評價(jià)技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 隧道檢測技術(shù)

1.1 襯砌表觀病害

大量隧道統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：襯砌開裂是最普遍的隧道工程病害，也是影響隧道安全的重要因素，因此必須密切關(guān)注裂縫的發(fā)展規(guī)律[7]。同濟(jì)大學(xué)黃宏偉教授等人[8]采用局部網(wǎng)格特征法提取裂縫參數(shù)，重點(diǎn)步驟如下。

(1)設(shè)計(jì)十字形模板，確定潛在的裂縫種子點(diǎn)。

(2)連接離散裂縫種子，形成完整的連續(xù)裂縫。

(3)根據(jù)裂縫起、終點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算得到裂縫的長度和走向。

圖1 黃塢壟隧道襯砌裂縫識別結(jié)果

日本保全工學(xué)研究所提出采用紅外線與可視圖像相結(jié)合的方法快速檢測混凝土表面破損剝落、裂縫以及內(nèi)部空洞病害，并開發(fā)了配套的后處理軟件。軟件的功能主要包括：圖像變形矯正、自動拼接以及自動提取裂縫、空洞、破損，如圖2所示。該方法可提取的最小裂縫寬度大約為1 pixel的20%，當(dāng)采用1 200萬像素的相機(jī)拍攝4 000 mm長、3 000 mm寬的對象物體時(shí)，可以提取0.2 mm以上寬度的裂縫；只需要使用1臺相機(jī)，占用空間小、移動方便，同時(shí)輸出結(jié)果可以和Excel及CAD軟件交互；檢查速度大約為600 m·d-1，工作效率得到顯著提升。

1.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷

隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷屬于隱蔽性病害，必須采用專業(yè)的儀器設(shè)備檢查[9]。目前，工程上采用地質(zhì)雷達(dá)(GPR)對隧道錨噴支護(hù)及襯砌結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測已經(jīng)比較成熟，但是依然通過手持天線或液壓支撐天線，靠近隧道襯砌表面進(jìn)行檢測，工作效率較低。

為了快速檢測電氣化鐵路全天候正常運(yùn)行狀況下的隧道病害，西南交通大學(xué)昝月穩(wěn)教授團(tuán)隊(duì)[10]研制了一種車載遠(yuǎn)程探地雷達(dá)檢測系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)由6個(gè)通道組成，可對全斷面進(jìn)行檢測，空氣耦合天線與襯砌表面的距離為0.93～2.25 m，每個(gè)通道的掃描速率為976 次·s-1，當(dāng)采樣點(diǎn)間隔為5 cm時(shí)，最大測試速度可達(dá)175 km·h-1。

圖3 車載探地雷達(dá)檢測系統(tǒng)

圖4 車載探地雷達(dá)應(yīng)用于實(shí)際工程

車載探地雷達(dá)檢測系統(tǒng)在寶中線、寧西線、西康線和襄渝線等電氣化鐵路的隧道中進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了大量的實(shí)測資料，如圖4所示。圖4(a)是針對寶中鐵路嚴(yán)家山隧道運(yùn)營后襯砌出現(xiàn)嚴(yán)重縱橫向裂縫、局部發(fā)生嚴(yán)重掉塊段的襯砌掃描圖，可以看出隧道襯砌斷開凸出，有明顯的月牙形反射。查閱相關(guān)資料后發(fā)現(xiàn)，該段在施工期間曾出現(xiàn)過大變形，工務(wù)部門于2003～2005年采取了錨噴壓漿與鋼拱架聯(lián)合加固，通過雷達(dá)掃描圖可以確定鋼拱架加固地段長度及鋼拱架安裝間距等。圖4(b)和圖4(c)分別是大坪隧道和清涼山隧道嚴(yán)重病害地段采用鑿槽嵌入型鋼拱架處治后的雷達(dá)掃描圖，根據(jù)雷達(dá)圖像確定的病害段長度、鋼拱架間距與設(shè)計(jì)參數(shù)完全一致，圍巖的深部變形輪廓呈彎曲狀，有助于分析隧道病害的成因。圖4(d)是觀音峽隧道嚴(yán)重滲漏水地段的雷達(dá)掃描圖，襯砌表層呈現(xiàn)明顯的反射現(xiàn)象。從以上案例可以看出，利用車載探地雷達(dá)技術(shù)可以方便地識別出襯砌結(jié)構(gòu)變形、支護(hù)系統(tǒng)以及滲漏水缺陷等。

微震監(jiān)測技術(shù)作為一種新型的地下工程動力監(jiān)測方法，最早應(yīng)用于南非金礦開采誘發(fā)的地震監(jiān)測。全數(shù)字微震監(jiān)測技術(shù)的出現(xiàn)，使其逐漸發(fā)展，并應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)損傷評估等[11]。高陽等人[12]采用原位微震監(jiān)測技術(shù)對日本某隧道典型損傷斷面襯砌微震特性進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯河捎赟1斷面拱頂部位同時(shí)存在裂縫和空洞，實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)化相對振動強(qiáng)度NRPSD值全部小于0；S1和S2斷面邊墻部位均存在不同程度的開裂現(xiàn)象，NRPSD值大于或小于0的情況均存在；S2斷面拱頂部位無損傷，其NRPSD值幾乎為0。由此可見，空洞部位的NRPSD值比只開裂部位小得多。因此，通過測試襯砌微震特性NRPSD值實(shí)現(xiàn)襯砌背后空洞的探測和分析是可行的。

圖5 現(xiàn)場微震實(shí)測結(jié)果

由于現(xiàn)場試驗(yàn)成本較高，且試驗(yàn)條件限制較多，而數(shù)值方法以快速、經(jīng)濟(jì)、高效的特點(diǎn)，正好彌補(bǔ)不足。高陽等人通過基本假設(shè)將隧道工程簡化為平面應(yīng)變問題，采用離散元軟件UDEC建立了相應(yīng)的數(shù)值模型，具體計(jì)算工況如表1所示。

圖6是襯砌背后空洞位置、扇形角、深度以及襯砌混凝土材料強(qiáng)度等級變化時(shí)襯砌NRPSD值的變化曲線。圖6(a)是θ為0°、30°、60°三種情況下襯砌斷面NRPSD值的分布曲線，可以看出：空洞正上方襯砌表面的NRPSD值最小，且均為負(fù)值，分別為-4.840、-6.174、-5.450。圖6(b)是γ從10°到60°變化過程中襯砌斷面NRPSD值的變化，可以看出：隨著扇形角的增大，空洞中心對應(yīng)襯砌表面的NRPSD值不斷減小，扇形角等于10°時(shí)，襯砌表面NRPSD值幾乎為0，說明這種微小的空洞很難被探測到；相反，當(dāng)扇形角大于30°時(shí)，NRPSD值迅速減小，使用微震探測空洞的效果較好。圖6(c)是h為0.2、0.4、0.5、0.6 m四種情況下襯砌斷面NRPSD值的變化曲線，可以看出：襯砌表面NRPSD值隨著空洞深度的減小而減小，尤其當(dāng)空洞深度為0.20 m時(shí)，空洞中心位置對應(yīng)襯砌表面的NRPSD值達(dá)到最小，為-6.400。圖6(d)是襯砌混凝土分別為C20、C30和C50時(shí)襯砌斷面的NRPSD值，可以看出：襯砌表面的NRPSD值隨著混凝土強(qiáng)度標(biāo)號的降低(彈性模量減小)而減小，表明探測低標(biāo)號混凝土襯砌空洞的效果更好。

表1 數(shù)值計(jì)算工況

注：θ為襯砌背后空洞中心與隧道中心線的夾角；γ為空洞扇形角；h為空洞深度。

圖6 NRPSD值隨各因素的變化

1.3 滲漏水病害

目前，滲漏水已成為威脅隧道運(yùn)營安全與耐久性的第一大頑疾[13-14]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，施工縫、變形縫滲漏水約占隧道總體滲漏水的60%以上，個(gè)別工程甚至出現(xiàn)無縫不漏的現(xiàn)象。

同濟(jì)大學(xué)劉學(xué)增等人[15]通過灰度變換、最大方差法閾值分割、形態(tài)學(xué)區(qū)域修正、室內(nèi)外試驗(yàn)標(biāo)定、數(shù)字圖像處理(去噪、銳化、分割、修正)等步驟計(jì)算得出滲漏水面積，詳細(xì)流程如圖7所示。依托VB及MATLAB軟件開發(fā)了隧道襯砌滲漏水病害數(shù)字識別系統(tǒng)，具體內(nèi)容如下。

圖7 襯砌滲漏水圖像處理流程

(1)通過多次線性變換，將灰色區(qū)域縮減到最小，從而近似實(shí)現(xiàn)二值分割。

(2)病害區(qū)域顏色深于正常襯砌，逐步將病害區(qū)域向黑色壓縮，將背景區(qū)域向白色壓縮，優(yōu)化分割的效果。

(3)綜合運(yùn)用開運(yùn)算(先腐蝕后膨脹)和閉運(yùn)算(先膨脹后腐蝕)去除比結(jié)構(gòu)元素小的圖像細(xì)節(jié)，同時(shí)保證不產(chǎn)生全局幾何失真，將兩者組合起來平滑圖像。

針對隧道襯砌病害圖像的特點(diǎn)，尋找通用性強(qiáng)、精確度高的病害識別及面積測量算法進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，研究標(biāo)定參數(shù)，建立圖像面積與實(shí)際面積之間的換算關(guān)系。

以上海地鐵隧道工程為例，選取3張?jiān)谝r砌病害調(diào)查工作中拍攝的典型滲漏水照片，驗(yàn)證開發(fā)的數(shù)字識別系統(tǒng)檢測滲漏水面積的效果，數(shù)字圖像處理效果及室內(nèi)標(biāo)定參數(shù)分別如圖8和表2所示?？梢钥闯觯簩?shí)際測量的病害面積絕對誤差均小于0.1 m2，完全可以滿足滲漏水病害等級評價(jià)精度要求。但是當(dāng)照片中存在滲漏水反光時(shí)，閾值分割效果不理想、錯(cuò)誤分割部分無法通過形態(tài)學(xué)算法修正等也會導(dǎo)致誤差增大，因此拍攝病害照片時(shí)應(yīng)注意光源設(shè)置，避免水漬反光。

圖8 襯砌滲漏水圖像處理效果

表2 圖像處理試驗(yàn)結(jié)果

注：S/P=0.060 4d2+0.015 6d+0.005 3(室內(nèi)試驗(yàn)標(biāo)定參數(shù))。

2 隧道健康評價(jià)方法

隨著運(yùn)營年限的增加，隧道襯砌會出現(xiàn)不同程度的開裂、腐蝕和滲漏水等病害，從而降低其完整性，增加坍塌風(fēng)險(xiǎn)。一般情況下，老化隧道的襯砌穩(wěn)定性評價(jià)大多依賴現(xiàn)場檢測人員的經(jīng)驗(yàn)判斷。為了解決這個(gè)問題，日本隧道專家提出了隧道襯砌裂縫指數(shù)TCI的概念，旨在定量評估隧道襯砌裂縫的嚴(yán)重性。襯砌裂縫指數(shù)的計(jì)算公式為

(1)

式中：I為襯砌裂縫指數(shù)TCI的值；A為隧道襯砌面積，n為裂縫數(shù)；t和l分別為第k條裂縫的寬度和長度，α和β分別為裂縫寬度和長度的加權(quán)系數(shù)。

由于隧道襯砌裂縫的分布十分復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法很難精確描述和計(jì)算，襯砌裂縫指數(shù)TCI不能反映裂縫交叉和分布密度的影響。Wu等人[16]引入分形理論，建立隧道襯砌裂縫的分形維數(shù)，表征混凝土中的裂縫擴(kuò)展。這是一種新的襯砌穩(wěn)定性健康評價(jià)方法。襯砌裂縫分形維數(shù)的計(jì)算過程為

(2)

式中：D為襯砌裂縫分形維數(shù)；N(ε)是覆蓋襯砌表面所需邊長為ε的立方體數(shù)量；ε為單位立方體邊長。

根據(jù)日本HIDAKE隧道襯砌開裂情況調(diào)查結(jié)果，計(jì)算得到的65個(gè)斷面襯砌裂縫指數(shù)和分形維數(shù)如表3所示。結(jié)果表明：大多數(shù)情況下，2種指標(biāo)得到的結(jié)果基本一致，具有一定的相關(guān)性。然而，對于有些開裂情況較復(fù)雜的斷面，2個(gè)指標(biāo)的判定結(jié)果并不一致，例如16#斷面只有幾條小裂縫，沒有寬裂縫，計(jì)算的襯砌裂縫指數(shù)非常小，但是這些裂縫幾乎已經(jīng)連接貫通，從襯砌結(jié)構(gòu)整體來看，安全風(fēng)險(xiǎn)明顯被低估了。當(dāng)裂縫連接在一起時(shí)，計(jì)算得到的分形維數(shù)明顯較大，說明分形維數(shù)更能客觀反映隧道襯砌的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)；類似的現(xiàn)象還出現(xiàn)在36#和63#斷面。此外，分形維數(shù)分析還表明，裂縫寬度的影響大于裂縫密度，裂縫的交叉會增加襯砌坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

表3 日本HIDAKE隧道65個(gè)斷面襯砌裂縫指數(shù)和分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果

重慶交通大學(xué)李明等人[17]針對隧道襯砌厚度和襯砌背后空洞大小開展了一系列室內(nèi)相似模型試驗(yàn)，分析了圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞規(guī)律。從完整襯砌結(jié)構(gòu)的位移變形和內(nèi)力分布來看，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成拱頂下沉、仰拱向上隆起的壓入式扁平體，拱肩附近受到較大的接觸壓力作用，致使隧道結(jié)構(gòu)首先從這些部位出現(xiàn)近似對稱的壓潰裂紋，拱頂出現(xiàn)平行于隧道軸線的貫穿裂紋。

襯砌厚度減薄后，襯砌特征點(diǎn)的接觸應(yīng)力如表4所示?？梢钥闯觯弘S著拱頂襯砌厚度變薄，結(jié)構(gòu)承載力呈非線性下降；以完整襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)支護(hù)襯砌厚度為標(biāo)準(zhǔn)值的3/4時(shí)，承載力為標(biāo)準(zhǔn)襯砌厚度的83%；當(dāng)支護(hù)襯砌厚度為標(biāo)準(zhǔn)值的1/2時(shí)，承載力為標(biāo)準(zhǔn)襯砌厚度的24%；當(dāng)支護(hù)襯砌厚度為標(biāo)準(zhǔn)值的1/4時(shí)，承載力為標(biāo)準(zhǔn)襯砌厚度的20%。襯砌特征點(diǎn)接觸應(yīng)力呈現(xiàn)類似的規(guī)律。因此，襯砌厚度變薄后的承載能力下降大致可以劃分為緩慢退化、快速退化和退化完成3個(gè)階段。

表4 襯砌厚度變薄后的襯砌特征點(diǎn)接觸應(yīng)力

同樣，以完整狀態(tài)襯砌的承載能力為標(biāo)準(zhǔn)，隨著拱頂襯砌背后空洞深度的增加,襯砌結(jié)構(gòu)承載能力下降過程可以劃分為緩慢退化、快速退化和退化完成階段，分別對應(yīng)隧道的亞健康、病變和病危3個(gè)健康階段，如表5所示。

表5 襯砌健康狀態(tài)試驗(yàn)判據(jù)

長安大學(xué)王亞瓊等人[18]在充分考慮影響隧道結(jié)構(gòu)健康狀況的內(nèi)外因素的基礎(chǔ)上，建立了隧道結(jié)構(gòu)健康診斷指標(biāo)體系，如表6所示。在廣西某高速公路隧道20 m病害區(qū)段襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：采用層次分析法和熵值理論計(jì)算專家權(quán)重的主客觀結(jié)合分析方法能夠有效提高評價(jià)結(jié)果的可靠性，得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符，可用于隧道結(jié)構(gòu)健康診斷。

此外，王亞瓊等人[19]還將斷裂力學(xué)理論用于素混凝土襯砌裂縫穩(wěn)定性評價(jià)，建立了隧道襯砌裂縫穩(wěn)定性系數(shù)，并依托寧波桑洲嶺公路隧道實(shí)測襯砌開裂狀態(tài)，建立了多種工況下的數(shù)值計(jì)算模型，采用ANSYS軟件斷裂模塊計(jì)算襯砌裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子，并據(jù)此判定襯砌裂縫的穩(wěn)定性。工程實(shí)例應(yīng)用表明：通過裂縫穩(wěn)定性系數(shù)評判在役公路隧道素混凝土襯砌裂縫穩(wěn)定性是可行的，但是實(shí)際隧道襯砌多為配筋結(jié)構(gòu)，且受力形式復(fù)雜多變，多種病害相互交叉，應(yīng)考慮圍巖壓力變化以及多種病害組合條件下的襯砌裂縫穩(wěn)定性評價(jià)。

表6 隧道結(jié)構(gòu)健康診斷指標(biāo)體系

3 結(jié) 語

隧道檢測與健康評價(jià)已成為多學(xué)科理論、技術(shù)相互結(jié)合的交叉研究領(lǐng)域。本文通過對隧道檢測與健康評價(jià)新技術(shù)和新方法的論述與分析，總結(jié)了這方面的最新研究成果及應(yīng)用進(jìn)展。主要結(jié)論如下。

(1)基于圖像處理的襯砌表觀開裂、滲漏水等病害自動識別方法能夠較客觀、可靠地反映隧道襯砌裂損的實(shí)際狀況，但是對于圖像質(zhì)量、拍攝環(huán)境等要求較高。

(2)車載探地雷達(dá)、微震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部變形或損傷探測，各有優(yōu)缺點(diǎn)；自動化、智能化、集成化、非接觸式快速無損檢測以及BIM等信息化技術(shù)手段在隧道養(yǎng)護(hù)管理方面的應(yīng)用，將成為未來行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向。

(3)采用分形維數(shù)、相似模型試驗(yàn)、斷裂力學(xué)等方法評價(jià)襯砌結(jié)構(gòu)某個(gè)方面的穩(wěn)定性是可行的，但是實(shí)際隧道病害形式復(fù)雜多變，應(yīng)考慮多種因素綜合影響下的襯砌穩(wěn)定性評價(jià)。