隧道醫(yī)生“醫(yī)技”卓越

文/同濟(jì)大學(xué) 桑運龍

獲獎等級：特等獎

項目名稱：公路隧道病害快速精準(zhǔn)感知與處治技術(shù)及裝備

截至2021年底，我國運營公路隧道23268座、總長24699公里，位居世界第一。但是隧道襯砌開裂、滲漏水、剝落等病害問題嚴(yán)重，安全隱患突出。針對隧道規(guī)模大、病害多、檢測任務(wù)重的現(xiàn)狀，傳統(tǒng)手段效率低、精度差，難以及時全面發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確評價病害。任隧道病害發(fā)展最終將導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)掉塊、失穩(wěn)、突水等災(zāi)變，威脅交通安全。病害快速檢測、精確診斷和精準(zhǔn)處治已成為隧道結(jié)構(gòu)運營安全面臨的首要難題和行業(yè)的迫切需求。

“公路隧道病害快速精準(zhǔn)感知與處治技術(shù)及裝備”項目組綜合運用理論研究、數(shù)值模擬、物理試驗、裝備研發(fā)和現(xiàn)場測試等手段，歷經(jīng)10余年攻關(guān)，構(gòu)建了“全斷面快速檢測-服役性能精確診斷-病害精準(zhǔn)處治”成套技術(shù)體系，積極響應(yīng)了公路隧道“高效綠色科學(xué)養(yǎng)護(hù)”的行業(yè)需求，成為行業(yè)內(nèi)有口皆碑的“隧道醫(yī)生”。

“醫(yī)術(shù)”精湛

←公路隧道病害快速精準(zhǔn)感知與處治技術(shù)整體思路

隧道運營過程中，受環(huán)境、施工、設(shè)計等因素影響，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不同程度的變形、病害問題，導(dǎo)致其服役性能降低。覆蓋我國2200公里隧道的檢測結(jié)果顯示，平均每公里發(fā)育43處裂縫、17處滲漏水，輕微破損和中等及以上破損的隧道占比80%。病害已成為隧道服役性能衰退的“頭號元兇”，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)及交通運行安全。加強(qiáng)隧道養(yǎng)護(hù)，及時發(fā)現(xiàn)病害、準(zhǔn)確評價病害、分類處治病害，從根本上消除結(jié)構(gòu)安全隱患，是維護(hù)交通安全和保障民生的重要手段。在隧道運營規(guī)模大、結(jié)構(gòu)病害多、檢測任務(wù)重的背景下，隧道養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)及裝備研發(fā)成為行業(yè)關(guān)注的重要問題，但也面臨著傳統(tǒng)檢測手段效率低、精度差；傳統(tǒng)定性、半定量評估方法難以準(zhǔn)確把握病因和病情；病害分類處治缺乏理論支撐與技術(shù)等突出問題。

項目組立足“高效綠色科學(xué)養(yǎng)護(hù)”的行業(yè)需求，深入研究隧道結(jié)構(gòu)病害快速檢測、精確診斷和精準(zhǔn)處治等關(guān)鍵技術(shù)，成功研發(fā)了公路隧道病害快速精準(zhǔn)感知與處治技術(shù)及裝備。

全斷面快速檢測裝備和病害自動識別系統(tǒng) 解決養(yǎng)護(hù)檢查難題

針對同類檢測技術(shù)在圖像采集、測量定位精度、病害識別結(jié)果等方面面臨的諸多問題。項目創(chuàng)新性地提出了“由表及里”的病害綜合、全面檢測思路，采用“一次性全斷面采集圖像+隧道內(nèi)特征物校準(zhǔn)定位+病害自動識別”的組合方案解決表觀病害快速檢測難題；采用“非接觸式”的方案解決淺層病害快速檢測難題；并采用三維數(shù)字化和高精度定位技術(shù)解決病害信息比對、可視化表達(dá)的問題；最后通過裝備、系統(tǒng)的研發(fā)，形成全斷面快速檢測技術(shù)，為病害診斷與處治提供全面支撐。

為破解隧道表觀病害快速檢測的難題，項目研制了適用于復(fù)雜隧道環(huán)境的高功率低熱阻紅外補(bǔ)光裝置，提出紅外補(bǔ)光的襯砌表觀病害全斷面快速采集技術(shù)和基于材質(zhì)-照度-拍攝角度-距離等多因素自適應(yīng)修正的病害特征智能識別方法，開發(fā)了病害自動識別系統(tǒng)，裂縫寬度識別能力由0.2毫米提升至0.1毫米，病害自動識別率大于95%；針對隧道結(jié)構(gòu)保護(hù)層潛在剝落、鋼筋銹蝕等病害，提出基于紅外熱成像的非接觸快速檢測新思路，揭示了隧道結(jié)構(gòu)淺層病害的熱傳導(dǎo)效應(yīng)和脈沖激光激發(fā)表面波在混凝土中的傳播特征，創(chuàng)建了潛在剝落和鋼筋銹蝕狀態(tài)的紅外探測方法，以及襯砌裂縫深度非接觸激光超聲檢測方法；建立了隧道“受限空間內(nèi)環(huán)向激光掃描-縱向編碼器測量-圖像特征校準(zhǔn)”的融合定位模型，實現(xiàn)了環(huán)向毫米級、縱向厘米級定位；研制的高功率低熱阻紅外補(bǔ)光裝置、納秒級相機(jī)陣列同步控制系統(tǒng)、變形移動檢測系統(tǒng)，集成開發(fā)紅外光源成像的一次性全斷面檢測裝備，填補(bǔ)了一次性全斷面快速檢測的國際空白，實現(xiàn)80公里時速下隧道結(jié)構(gòu)病害的高精度、無干擾快速檢測。

← 隧道全斷面快速檢測車

← 基于數(shù)字模型的隧道結(jié)構(gòu)服役性能精確分析

← 多層次均勻化的電沉積修復(fù)多相復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)分析方法

隧道結(jié)構(gòu)服役性能精確診斷方法及智能分析平臺 解決病情診斷難題

準(zhǔn)確評價病害是掌握結(jié)構(gòu)服役性能、合理處治病害的關(guān)鍵所在，具體包括病害成因分析、病害對隧道結(jié)構(gòu)承載影響兩部分。為彌補(bǔ)當(dāng)前國內(nèi)分析工具匱乏，僅以服役性能定性評估為主的不足，項目組建立了“病害成因快速判別-病情精確評價”的技術(shù)體系。

為解決病害準(zhǔn)確評價難題，項目結(jié)合海量現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)、物理試驗成果，揭示了隧道結(jié)構(gòu)損傷演化機(jī)理與變形破壞特征，建立了基于結(jié)構(gòu)變形與病害形態(tài)特征的裂縫成因快速判別方法，提出了結(jié)構(gòu)病害發(fā)展演化的圖像實時監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測精度達(dá)1毫米；探明了裂縫對隧道結(jié)構(gòu)剛度影響的規(guī)律，建立了裂縫單元彈簧剛度的計算模型，提出了裂縫、剝落等結(jié)構(gòu)病害的有限元精細(xì)模擬方法，制定了“帶病”結(jié)構(gòu)服役性能的多指標(biāo)定量評價標(biāo)準(zhǔn)；提出了結(jié)構(gòu)外力的動態(tài)增量混合優(yōu)化反演方法和圍巖力學(xué)行為模擬的修正廣義三維H-B破壞準(zhǔn)則，開發(fā)了自動判別隧道病害成因和精確診斷服役性能的智能分析平臺。

公路隧道病害精準(zhǔn)處治關(guān)鍵技術(shù) 解決病害處治難題

準(zhǔn)確診斷病情后“對病下藥”，是從根本上消除結(jié)構(gòu)安全隱患、保障隧道健康服役和運營安全的重要手段。但是，當(dāng)前加固時機(jī)、加固措施及設(shè)計參數(shù)多是依據(jù)經(jīng)驗確定，缺乏適用于公路隧道加固結(jié)構(gòu)的計算方法，同時也沒有輕微破損的微創(chuàng)修復(fù)技術(shù)。鑒于此，項目組提出了輕微破損、中等破損和嚴(yán)重破損結(jié)構(gòu)分類精準(zhǔn)處治的技術(shù)思路。

為攻克病害分類處治難題，項目通過大量試驗、數(shù)值仿真和現(xiàn)場測試等手段，揭示了公路隧道套拱、黏鋼等加固結(jié)構(gòu)損傷演化機(jī)理和加固效果，提出了公路隧道不同服役狀態(tài)的合理加固措施與時機(jī)；建立了公路隧道加固結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算模型和承載力計算方法，成果已納入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道加固技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5440-2018）；針對輕微破損，建立了地下混凝土結(jié)構(gòu)微損傷電沉積自修復(fù)的隨機(jī)細(xì)觀力學(xué)分析方法與多物理場仿真模型，揭示了結(jié)構(gòu)微損傷電沉積自修復(fù)的微細(xì)觀物理力學(xué)機(jī)制及“工藝參數(shù)-沉積產(chǎn)物-修復(fù)效果”之間的量化關(guān)系，創(chuàng)建了地下混凝土結(jié)構(gòu)的微損傷電沉積自修復(fù)技術(shù)。

實力強(qiáng)大

項目形成了隧道病害“快速檢測”“精確診斷”“精準(zhǔn)處治”成套技術(shù)成果，通過室內(nèi)外測試、第三方機(jī)構(gòu)認(rèn)證、大量工程實踐應(yīng)用，檢測技術(shù)指標(biāo)的可靠性與先進(jìn)性、評價方法及平臺分析結(jié)論的有效性、加固處治的效果已得到充分的論證。

在項目研究團(tuán)隊的不懈努力和持續(xù)攻關(guān)下，所有技術(shù)成果已順利實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化率達(dá)100%，不僅推出了公路隧道快速檢測車（TDV-H2000）、結(jié)構(gòu)病害智能識別分析系統(tǒng)（2020SR1217800）、服役性能智能分析平臺（2019SR1450211）等產(chǎn)品，成果還被納入相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道加固技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5440-2018）、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道檢測車》（T/CECS 10024-2019）、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)快速檢測規(guī)程》（T/CECS G：J61-01 2021）、《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性電化學(xué)技術(shù)規(guī)程》（T/CECS 565-2018）、《在役公路隧道長期監(jiān)測技術(shù)指南》（T/CHTS10021-2020，）引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展、推動標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。

檢測方面，項目提出了全斷面檢測的新方案，相比現(xiàn)有技術(shù)檢測效率提高了1倍。病害自動化識別程度、識別精度和效率更高，裂縫寬度識別能力由0.2毫米提升至0.1毫米，首次滿足隧道結(jié)構(gòu)耐久性指標(biāo)檢測的要求。病害定位更精準(zhǔn)，采用“全斷面一次性同步采集+融合定位校準(zhǔn)模型”，規(guī)避了兩次或多次采集的錯位問題，縱向定位精度達(dá)厘米級，且洞內(nèi)行駛次數(shù)少，可實現(xiàn)不可見光采集圖像，消除交通安全隱患，競爭力遠(yuǎn)超同類技術(shù)。

診斷方面，項目構(gòu)建了“病害跟蹤-病因快速分析-病情精確診斷”的技術(shù)體系，系統(tǒng)性更強(qiáng)；病害跟蹤方面，保證監(jiān)測精度、效率的同時，有效控制了成本；病害影響診斷方面，開發(fā)了國內(nèi)知名的“同濟(jì)曙光軟件”產(chǎn)品，打破了國外技術(shù)壟斷，國內(nèi)商業(yè)用戶484家。

處治方面，項目形成了我國公路隧道的加固設(shè)計理論，納入國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，直接指導(dǎo)國內(nèi)隧道工程的養(yǎng)護(hù)加固維修工作；創(chuàng)建了新型的裂縫微創(chuàng)修復(fù)技術(shù)，有效規(guī)避了常規(guī)方法修復(fù)效果差、鉆孔二次損傷的缺陷，競爭力強(qiáng)勁。

前景廣闊

項目研究成果已在貴州、江西、廣東、浙江、福建、甘肅、河北等地共計16省份獲得了大范圍推廣應(yīng)用。截至2021年，項目成果已累計服務(wù)于單洞隧道3570座，單洞總長3963公里的檢查診斷工作，及時發(fā)現(xiàn)27.35萬處病害，其中19.049萬條裂縫、48146處滲漏水、34878處剝落，及時發(fā)現(xiàn)57座嚴(yán)重破損狀態(tài)的隧道并有效指導(dǎo)了加固設(shè)計工作，如隴首一、南石壁、小朋坡、槽箐頭等隧道；自主研發(fā)的同濟(jì)曙光巖土及地下工程設(shè)計與分析軟件及數(shù)字化養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，覆蓋國內(nèi)超過70%的省級及以上公路隧道設(shè)計單位。成果應(yīng)用以來，近3年新增產(chǎn)值2.7億元，節(jié)省成本2.6億元。

我國交通隧道規(guī)模不斷擴(kuò)大，為實現(xiàn)科學(xué)養(yǎng)護(hù)，快速檢測和精細(xì)化診斷隧道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)是必然趨勢，市場需求巨大。項目突破了快速檢測、“帶病”結(jié)構(gòu)精細(xì)診斷和精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)面臨的諸多瓶頸難題，形成了公路隧道結(jié)構(gòu)病害快速精準(zhǔn)感知與處治成套技術(shù)及裝備，競爭力強(qiáng)勁，不僅可以應(yīng)用于公路、城市軌道交通領(lǐng)域，還可進(jìn)一步推廣至鐵路隧道領(lǐng)域，應(yīng)用前景良好。

上海同巖土木工程科技股份有限公司

上海同巖土木工程科技股份有限公司成立于2003年，是上海地下基礎(chǔ)設(shè)施安全檢測與養(yǎng)護(hù)裝備工程技術(shù)研究中心建設(shè)單位，同時，也是同濟(jì)大學(xué)土木信息技術(shù)教育部工程研究中心的建設(shè)單位、中國智慧基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)盟暨全球智慧基礎(chǔ)設(shè)施研究中心建設(shè)單位之一。

擁有CMMI3認(rèn)證、ISO9001質(zhì)量體系認(rèn)證、知識產(chǎn)權(quán)體系認(rèn)證、電子與智能化專業(yè)資質(zhì)、甲級測繪資質(zhì)、勘察資質(zhì)。截至2021年12月，公司擁有知識產(chǎn)權(quán)150項；主參編行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)15項；旗下的“同濟(jì)曙光”系列產(chǎn)品已遍及全國，成為國內(nèi)外知名的巖土及地下工程專業(yè)軟件品牌。

公司多次獲得國家、地方科技創(chuàng)新扶持基金，同時，獲評楊浦區(qū)科技小巨人企業(yè)、勞動關(guān)系和諧企業(yè)等稱號，先后獲得上海市技術(shù)發(fā)明獎一等獎、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎等榮譽(yù)。公司擁有教授級研發(fā)團(tuán)隊，員工先后獲得“上海市人才”“上海市優(yōu)秀技術(shù)帶頭人”等。

公司以基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)運營關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)據(jù)采集裝備及平臺研發(fā)為核心，涉及公路工程信息化、軌道交通信息化、同濟(jì)曙光檢測車、核電安全、智慧城市、健康監(jiān)測、同濟(jì)曙光軟件、工程咨詢八大主體業(yè)務(wù)。