隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害原因與養(yǎng)護智能決策系統(tǒng)分析

摘要：為有效解決運營階段高速公路隧道襯砌病害處置難、誘發(fā)原因不明的難題，分析了隧道結(jié)構(gòu)病害產(chǎn)生的主要原因：隧道運營受地質(zhì)等環(huán)境引起襯砌荷載-內(nèi)力變化，伴隨材料長期損傷，導(dǎo)致襯砌承載能力弱化，提出了以多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的隧道精細化數(shù)字建模技術(shù)為基礎(chǔ)、以養(yǎng)護決策分析技術(shù)為核心的高速公路隧道養(yǎng)護智能決策系統(tǒng)，對隧道每一處病害給出有效的處治方案。研究成果對公路隧道支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：公路隧道 襯砌損傷 結(jié)構(gòu)病害 智能決策 養(yǎng)護方案

Analysis of the Causes of Tunnel Lining Structure Diseases and Intelligent Decision-Making System for Maintenance

SHI De GE Houhai

Anhui Construction Engineering Water Resources Development Investment Group Co.， Ltd， Bengbu， Anhui Province， 233010 China

Abstract： In order to effectively solve the problem of difficult disposal and unknown causes of lining diseases in highway tunnels during operation， the main causes of tunnel structural diseases were analyzed： changes in lining load internal force caused by geological and other environmental factors during tunnel operation， accompanied by long-term material damage， resulting in weakened bearing capacity of the lining. A highway tunnel maintenance intelligent decision-making system based on multi-source heterogeneous data fusion tunnel refinement" digital modeling technology and maintenance decision analysis technology was proposed， which provides effective treatment solutions for each disease in the tunnel. The research results have important guiding significance to the design and optimization of highway tunnel support structure.

Key Words： Highway tunnel; Lining damage; Structure disease; Intelligent decision-making; Maintenance scheme

隨著交通建設(shè)快速發(fā)展，高速公路山區(qū)隧道修建難度日益加大，公路隧道結(jié)構(gòu)病害防治和隧道運營養(yǎng)護面臨嚴峻挑戰(zhàn)[1-3]。諸多專家學(xué)者在隧道大數(shù)據(jù)資產(chǎn)建設(shè)技術(shù)、隧道養(yǎng)護管理系統(tǒng)研發(fā)、隧道病害智能檢測技術(shù)、隧道病害診斷技術(shù)、隧道加固技術(shù)研究等方面取得了豐富成果[4-8]。但是，隧道檢測數(shù)據(jù)采集標準化程度有待提高，缺乏對結(jié)構(gòu)病害產(chǎn)生因素的全面把握與系統(tǒng)分析，尤其是結(jié)合地質(zhì)特征的結(jié)構(gòu)病害分析鮮有研究，難以指導(dǎo)施工。本文依托公路隧道建設(shè)工程，分析隧道結(jié)構(gòu)病害產(chǎn)生機理，開展基于多源數(shù)據(jù)融合分析的公路隧道結(jié)構(gòu)養(yǎng)護智能決策分析，實現(xiàn)微—細—宏觀多層次掌握隧道的整體性能，快速指導(dǎo)隧道維護施工，提高隧道養(yǎng)護質(zhì)量。

1 隧道襯砌病害分析[wl2]

受地質(zhì)構(gòu)造與水文地質(zhì)環(huán)境影響，山區(qū)高速公路隧道數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)形式多樣，導(dǎo)致公路隧道襯砌病害發(fā)生成因難以判別。此外，隧道自身結(jié)構(gòu)材質(zhì)和施工質(zhì)量也是影響隧道襯砌病害的主要因素，常出現(xiàn)襯砌背后空洞或厚度不足、襯砌裂縫、管片錯位、不均勻沉降、注漿不密實等病害，如圖1所示。

隧道長期運營，其襯砌表面與內(nèi)部沿薄弱面常發(fā)育有成組的微細觀裂隙，并且隨著時間推移，微細觀裂隙相互貫通，促成襯砌表面開裂、變形，襯砌結(jié)構(gòu)承載能力亦隨之快速下降。

式（1）中 ：為應(yīng)力，單位為kPa[wl5] ；為應(yīng)變；為損傷變量；為襯砌彈性模量，單位為GPa[wl6] 。

當襯砌處于低損傷階段時，混凝土開始出現(xiàn)微裂紋，損傷變量隨著應(yīng)變的增加而呈非線性增長。一旦巖體進入高損傷階段，損傷變量達到最大值并趨于穩(wěn)定，上述過程的具體表達式如下所示。

式（2）中：為峰值處應(yīng)變；為峰值后線性軟化階段系數(shù)；為最終穩(wěn)定應(yīng)變；為極限損傷因數(shù)。

由于公路隧道數(shù)量大，部分隧道建設(shè)較早且施工工藝相對落后，受地形構(gòu)造、地下水分布的影響，圍巖荷載分布與設(shè)計初期可能有較大出入。在運營周期內(nèi)，需要對襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新計算。設(shè)隧道時刻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)為，隧道穩(wěn)定狀態(tài)反映了結(jié)構(gòu)抗力和荷載作用下隧道發(fā)生病害的概率。

式（3）中：為襯砌抗力穩(wěn)定概率方程，通過室內(nèi)試驗獲得；為襯砌受荷破壞概率方程，通過室內(nèi)試驗獲得；為襯砌結(jié)構(gòu)彎矩，單位為kN.m；為襯砌結(jié)構(gòu)軸力，單位為kN；為襯砌結(jié)構(gòu)剪力，單位為kN。

根據(jù)上述分析，當gt;0時，隧道襯砌未發(fā)生病害；反之，若襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力超過襯砌材料損傷承載強度，則會使微裂紋擴展和貫通并伴隨新裂紋產(chǎn)生，導(dǎo)致病害產(chǎn)生。

高速公路交通流量大，公路隧道一旦發(fā)生安全事故，受視線、空間等因素限制，救援難度大，極易造成次生事故，不僅影響正常交通，還會導(dǎo)致?lián)p失進一步擴大，嚴重威脅隧道結(jié)構(gòu)安全和交通安全。因此，掌握隧道地質(zhì)條件、分析襯砌結(jié)構(gòu)性能對隧道的健康管理與安全養(yǎng)護十分重要。在襯砌結(jié)構(gòu)處于低損傷階段進行處置最為有效，建立及時有效、科學(xué)合理的隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害發(fā)現(xiàn)和維修養(yǎng)護系統(tǒng)尤為迫切。

2 隧道襯砌養(yǎng)護智能決策系統(tǒng)開發(fā)

針對公路隧道現(xiàn)狀，需要查明地質(zhì)條件、圍巖荷載與襯砌損傷。本文提出基于多源數(shù)據(jù)融合的精細建模與三維實景人工智能識別技術(shù)，構(gòu)建隧道襯砌養(yǎng)護智能決策系統(tǒng)，處理流程如下。

2.1 數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理

2.1.1 建立高速公路隧道數(shù)據(jù)庫

[A8] 借助地理信息技術(shù)，將隧道區(qū)域地質(zhì)信息錄入數(shù)字庫。數(shù)據(jù)庫可以融合隧道定期檢查、應(yīng)急檢查、專項檢查等隧道病害報告信息，現(xiàn)場人工檢測數(shù)據(jù)如公路隧道照片、視頻等信息也可以利用手機軟件實時導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。通過地理信息系統(tǒng)空間分析平臺，運用灰色關(guān)聯(lián)度與空間聚類方法，進行二次開發(fā)，進而建立隧道襯砌病害空間分布特征與地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等地理信息內(nèi)在聯(lián)系。

2.1.2 構(gòu)建精細化三維信息模型

為了更直觀的展現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫搭載運用三維信息模型技術(shù)，實現(xiàn)三維可視化建模，建立每條隧道設(shè)計、施工、運營、養(yǎng)護等各階段全壽命周期模型。同時剛，對高速公路隧道病害數(shù)據(jù)屬性加以優(yōu)化，準確標識隧道病害在隧道襯砌結(jié)構(gòu)的位置，全方位展示隧道襯砌結(jié)構(gòu)與地層巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、斷層破碎帶、荷載分布變化等地質(zhì)信息的空間位置關(guān)系，為病害成因分析提供清晰視角。

2.1.3 研發(fā)高速公路隧道標準化檢測方法

通過隧道綜合檢測車等自動化、智能化檢測設(shè)備、地質(zhì)雷達、激光掃描、攝影測量等手段，在工作效率滿足要求與分辨率達到最優(yōu)狀態(tài)的條件下，對公路隧道結(jié)構(gòu)病害深層與表面信息進行數(shù)據(jù)采集，探明隧道襯砌結(jié)構(gòu)深部破壞與表面開裂和變形等病害，判斷隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害特征。通過計算機視覺識別技術(shù)，對隧道襯砌內(nèi)表面裂縫發(fā)育狀態(tài)進行周期巡檢，實現(xiàn)隧道多格式檢測數(shù)據(jù)上傳與隧道結(jié)構(gòu)表觀病害的精準識別、定位，真實還原隧道技術(shù)狀況，宏觀查看病害分布。

2.1.4 公路隧道襯砌病害智能診斷與養(yǎng)護

基于地質(zhì)、施工、運營信息分析襯砌穩(wěn)定狀態(tài)，重點分析病害襯砌的應(yīng)力、變形，同時區(qū)分病害成因（施工缺陷、襯砌損傷、地質(zhì)構(gòu)造）。將病害分為受力狀態(tài)劣化、承載力降低的結(jié)構(gòu)性病害與耐久性退化的非結(jié)構(gòu)性病害，建立模糊評價模型，評估病害影響。依據(jù)病害類型和程度，制定養(yǎng)護對策，建立經(jīng)濟效益模型，配置養(yǎng)護單價，考慮車流量、病害風險，計算養(yǎng)護指數(shù)，確定養(yǎng)護優(yōu)先順序與費用分配。

3 山區(qū)高速隧道襯砌養(yǎng)護的工程應(yīng)用

以山區(qū)高速隧道為例，因地質(zhì)復(fù)雜，其?，F(xiàn)襯砌開裂、滲水等病害。結(jié)合數(shù)據(jù)庫信息與三維重建技術(shù)，分析隧道襯砌狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)多處潛藏病害。跟蹤統(tǒng)計病害，判別其發(fā)展趨勢，確定為非結(jié)構(gòu)性耐久性退化病害，但風險嚴重。利用養(yǎng)護模型和測算，確定養(yǎng)護優(yōu)先級，制定病害處治方案（如圖2所示），查明滲水原因并處置，立即修復(fù)裂縫。

通過對山區(qū)高速公路隧道襯砌裂縫處置，其襯砌完整性滿足交通運行安全生產(chǎn)要求，隧道襯砌裂縫控制效果十分顯著，并且能夠在較長的時間內(nèi)保持穩(wěn)定，取得了良好的工程效果。

4 結(jié)論

（1）隧道工程地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致襯砌隨著運營時間的增加而漸進損傷，襯砌材料性質(zhì)隨之發(fā)生弱化。襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力大于襯砌材料損傷階段承載強度，是隧道結(jié)構(gòu)病害產(chǎn)生的主要原因。

（2）應(yīng)用三維信息模型與地理信息技術(shù)，將隧道襯砌病害、隧道地質(zhì)資料與隧道結(jié)構(gòu)結(jié)合，并且對檢測數(shù)據(jù)采集進行標準化識別，從宏觀和細微層面上充分了解隧道的整體性能，為實現(xiàn)病害特征的自動化識別與提取奠定基礎(chǔ)。

（3）通過對隧道襯砌病害診斷，分析隧道襯砌病害成因并評估隧道結(jié)構(gòu)性病害危害程度，為隧道養(yǎng)護決策提供基礎(chǔ)依據(jù)。同時，計算隧道養(yǎng)護指數(shù)，分配養(yǎng)護費用，為隧道襯砌制定最優(yōu)養(yǎng)護決策方案，實現(xiàn)隧道養(yǎng)護智能決策。

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