隧道襯砌結構病害原因與養護智能決策系統分析

摘要：為有效解決運營階段高速公路隧道襯砌病害處置難、誘發原因不明的難題，分析了隧道結構病害產生的主要原因：隧道運營受地質等環境引起襯砌荷載-內力變化，伴隨材料長期損傷，導致襯砌承載能力弱化，提出了以多源異構數據融合的隧道精細化數字建模技術為基礎、以養護決策分析技術為核心的高速公路隧道養護智能決策系統，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構的設計優化具有重要指導意義。

關鍵詞：公路隧道 襯砌損傷 結構病害 智能決策 養護方案

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

隨著交通建設快速發展，高速公路山區隧道修建難度日益加大，公路隧道結構病害防治和隧道運營養護面臨嚴峻挑戰[1-3]。諸多專家學者在隧道大數據資產建設技術、隧道養護管理系統研發、隧道病害智能檢測技術、隧道病害診斷技術、隧道加固技術研究等方面取得了豐富成果[4-8]。但是，隧道檢測數據采集標準化程度有待提高，缺乏對結構病害產生因素的全面把握與系統分析，尤其是結合地質特征的結構病害分析鮮有研究，難以指導施工。本文依托公路隧道建設工程，分析隧道結構病害產生機理，開展基于多源數據融合分析的公路隧道結構養護智能決策分析，實現微—細—宏觀多層次掌握隧道的整體性能，快速指導隧道維護施工，提高隧道養護質量。

1 隧道襯砌病害分析[wl2]

受地質構造與水文地質環境影響，山區高速公路隧道數量龐大、結構形式多樣，導致公路隧道襯砌病害發生成因難以判別。此外，隧道自身結構材質和施工質量也是影響隧道襯砌病害的主要因素，常出現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，其襯砌表面與內部沿薄弱面常發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，襯砌結構承載能力亦隨之快速下降。

式（1）中 ：為應力，單位為kPa[wl5] ；為應變；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，混凝土開始出現微裂紋，損傷變量隨著應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定，上述過程的具體表達式如下所示。

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

由于公路隧道數量大，部分隧道建設較早且施工工藝相對落后，受地形構造、地下水分布的影響，圍巖荷載分布與設計初期可能有較大出入。在運營周期內，需要對襯砌結構內力重新計算。設隧道時刻結構穩定狀態為，隧道穩定狀態反映了結構抗力和荷載作用下隧道發生病害的概率。

式（3）中：為襯砌抗力穩定概率方程，通過室內試驗獲得；為襯砌受荷破壞概率方程，通過室內試驗獲得；為襯砌結構彎矩，單位為kN.m；為襯砌結構軸力，單位為kN；為襯砌結構剪力，單位為kN。

根據上述分析，當gt;0時，隧道襯砌未發生病害；反之，若襯砌結構內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生，導致病害產生。

高速公路交通流量大，公路隧道一旦發生安全事故，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，還會導致損失進一步擴大，嚴重威脅隧道結構安全和交通安全。因此，掌握隧道地質條件、分析襯砌結構性能對隧道的健康管理與安全養護十分重要。在襯砌結構處于低損傷階段進行處置最為有效，建立及時有效、科學合理的隧道襯砌結構病害發現和維修養護系統尤為迫切。

2 隧道襯砌養護智能決策系統開發

針對公路隧道現狀，需要查明地質條件、圍巖荷載與襯砌損傷。本文提出基于多源數據融合的精細建模與三維實景人工智能識別技術，構建隧道襯砌養護智能決策系統，處理流程如下。

2.1 數據收集與預處理

2.1.1 建立高速公路隧道數據庫

[A8] 借助地理信息技術，將隧道區域地質信息錄入數字庫。數據庫可以融合隧道定期檢查、應急檢查、專項檢查等隧道病害報告信息，現場人工檢測數據如公路隧道照片、視頻等信息也可以利用手機軟件實時導入數據庫系統。通過地理信息系統空間分析平臺，運用灰色關聯度與空間聚類方法，進行二次開發，進而建立隧道襯砌病害空間分布特征與地形地貌、地質構造等地理信息內在聯系。

2.1.2 構建精細化三維信息模型

為了更直觀的展現，數據庫搭載運用三維信息模型技術，實現三維可視化建模，建立每條隧道設計、施工、運營、養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據屬性加以優化，準確標識隧道病害在隧道襯砌結構的位置，全方位展示隧道襯砌結構與地層巖性、地質結構、斷層破碎帶、荷載分布變化等地質信息的空間位置關系，為病害成因分析提供清晰視角。

2.1.3 研發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、智能化檢測設備、地質雷達、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狀態的條件下，對公路隧道結構病害深層與表面信息進行數據采集，探明隧道襯砌結構深部破壞與表面開裂和變形等病害，判斷隧道襯砌結構病害特征。通過計算機視覺識別技術，對隧道襯砌內表面裂縫發育狀態進行周期巡檢，實現隧道多格式檢測數據上傳與隧道結構表觀病害的精準識別、定位，真實還原隧道技術狀況，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護

基于地質、施工、運營信息分析襯砌穩定狀態，重點分析病害襯砌的應力、變形，同時區分病害成因（施工缺陷、襯砌損傷、地質構造）。將病害分為受力狀態劣化、承載力降低的結構性病害與耐久性退化的非結構性病害，建立模糊評價模型，評估病害影響。依據病害類型和程度，制定養護對策，建立經濟效益模型，配置養護單價，考慮車流量、病害風險，計算養護指數，確定養護優先順序與費用分配。

3 山區高速隧道襯砌養護的工程應用

以山區高速隧道為例，因地質復雜，其常現襯砌開裂、滲水等病害。結合數據庫信息與三維重建技術，分析隧道襯砌狀態，發現多處潛藏病害。跟蹤統計病害，判別其發展趨勢，確定為非結構性耐久性退化病害，但風險嚴重。利用養護模型和測算，確定養護優先級，制定病害處治方案（如圖2所示），查明滲水原因并處置，立即修復裂縫。

通過對山區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保持穩定，取得了良好的工程效果。

4 結論

（1）隧道工程地質條件復雜，導致襯砌隨著運營時間的增加而漸進損傷，襯砌材料性質隨之發生弱化。襯砌結構內力大于襯砌材料損傷階段承載強度，是隧道結構病害產生的主要原因。

（2）應用三維信息模型與地理信息技術，將隧道襯砌病害、隧道地質資料與隧道結構結合，并且對檢測數據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，為實現病害特征的自動化識別與提取奠定基礎。

（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構性病害危害程度，為隧道養護決策提供基礎依據。同時，計算隧道養護指數，分配養護費用，為隧道襯砌制定最優養護決策方案，實現隧道養護智能決策。

參考文獻

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