公路隧道健康诊断的应用技术研究项目及成果简介

西部交通建设科技项目（2003-318-490-18）公路隧道健康诊断的应用技术研究项目及成果简介主持单位：中交第一公路勘察设计研究院参加单位：同济大学贵州省交通规划勘察设计研究院云南省公路规划勘察设计院贵州省高速公路开发总公司二零零六年八月隧道激光断面仪超声波检测仪（U-Sonic）地质雷达系统控制单元800MHz屏蔽天线项目及成果简介《公路隧道健康诊断的应用技术研究》项目由中交第一公路勘察设计研究院、同济大学、贵州省交通规划勘察设计研究院、云南省公路规划勘察设计院、贵州高速公路开发总公司组成的联合体共同承担。自2003年5月至2006年4月，该项目在充分发挥西部不同地区几家设计单位在不同地质条件下隧道设计和建设积累的丰富经验的优势的同时，利用同济大学雄厚的科研实力和良好的实验条件，依托建设管理单位及时提供信息和工程实例，历时3年，分工协作、对公路隧道健康诊断工作中的若干技术难题进行了联合攻关研究。期间各设计、科研与建设管理单位的优势和特长得到了充分的发挥，攻克了公路隧道健康诊断工作中的若干技术难题，保证了该项目的顺利进行与圆满完成。1研究背景近年来，随着我国交通基础设施建设规模的逐步扩大，高速公路建设迅猛发展，尤其是随着西部大开发战略的实施，在西部高原山区修建大量的高速公路，为改善线型、降低纵坡、提高行车速度，公路隧道修建的数量也日益增多，隧道总里程占高速公路总里程的比例也相当大，如云南元磨高速公路有隧道22座，隧道约占总里程的20%，贵州崇遵高速公路共有隧道17座，隧道约占总里程的18%。但是，目前，我国已建的各种公路、铁路、水底和地铁隧道不同程度地出现衬砌裂缝、变形以及渗漏水等病害。根据对5000座铁路隧道调查的统计资料，有占总数1/3的隧道存在着衬砌结构裂缝和渗漏水等病害。据对公路隧道的初步调查，占相当比例的隧道在峻工和运行后即有裂缝和渗漏水现象产生，有的隧道甚至在施工过程中即产生衬砌开裂、山体整体滑动等病害。由于衬砌结构裂缝产生后，侵蚀性地下水渗漏等因素的影响，将会导致隧-1-道衬砌钢筋锈蚀及结构混凝土腐蚀等多种耐久性不足的病害产生。严重影响了隧道的使用性能，未达隧道结构设计基准期就急需大修，既浪费了大量资金，又影响隧道的正常使用。隧道病害严重威胁隧道内行车的安全，缩短公路隧道的维护周期和使用寿命。对隧道病害不进行及时处治，会对衬砌结构造成进一步损坏，甚至使隧道破坏。隧道局部产生的破坏会造成整段高速公路不能使用，导致巨大的经济损失和不良的社会影响。隧道工程的发展大致可以分为三个时期，即：大规模新建时期，新建和维修改造并重时期，对隧道的现代化改造和维修加固为重点的时期。虽然，我国公路隧道建设正处在大规模新建时期，但公路隧道建设与房屋建筑相比，在勘测、设计和施工等方面有较多的不确定性和不成熟性，致使许多隧道在刚竣工和开始运行就出现病害，需要维修改造。因此，随着大规模隧道新建时期的开始，新建和维修并重的第二发展时期将接踵而至。由于隧道修建在地下岩土介质中，属于半隐蔽工程，其健康诊断和维修加固远比地面结构困难。因此，通过对公路隧道病害的种类进行全面的调查，研究各种隧道病害产生的原因和规律，以便在新建隧道的设计和施工中吸取经验教训采取预防措施，避免类似的导致病害原因的产生，这将大大地有利于提高公路隧道的设计水平和建设质量。另一方面，隧道在长期的自然环境和使用环境的双重作用下，其功能将逐渐减弱，如能够科学地评估这种损伤的规律和程度，及时采取有效措施，可以延缓隧道病害的进程，达到延长隧道使用寿命的目的，并可取得巨大经济效益和社会效益。中交第一公路勘察设计研究院和同济大学、贵州省交通规划勘察设计研究院、云南省公路规划勘察设计院、贵州高速公路开发总公司联合对公路隧道健康诊断的应用技术进行研究，以期达到如下总体目标：针-2-对我国西部地区公路的自然条件、运营条件及现有公路隧道的运营现状，通过分析评价现有运营的公路隧道主体土建工程的病害，建立了公路病害数据管理系统，提出了公路隧道健康诊断的评定基准和公路隧道健康状态的综合评价方法，建立了隧道健康诊断的结构计算模型，开发了相应的评价和计算分析软件，并编制公路隧道健康诊断的应用技术指南，大大提高了公路隧道健康诊断的技术水平。从而可以通过科学的健康诊断结果，及时采取必要的维护措施，以延缓或减轻公路隧道病害的发生、延长公路隧道使用寿命。2国内外研究现状建筑结构的安全和可靠性鉴定，国家及有关部门已经颁布有相关的规范与标准，使建筑结构的安全性和可靠性鉴定有了科学的程序和公认的检测手段。这些鉴定标准都是在对建筑结构安全和可靠性评估方法、结构和结构材料的检测技术、结构的设计计算分析模型进行全面深入的研究基础上制定的。隧道结构与建筑结构在材料、功能、力学性能和设计方法上有一定的共同点，因此，建筑结构安全和可靠性鉴定的程序、检测方法、评估方法、分析计算的基本原理可部分地供隧道健康诊断借鉴。但与建筑结构相比，隧道结构有如下特殊性：①隧道结构上的荷载是结构与物理力学性质复杂的围岩共同作用的结果，还没有精确计算的方法；②隧道属于半隐蔽工程，只有一个面暴露在外，其破损状态难以探测，且要以无损探测为主；③整个隧道建造于有一定水压的地下水环境中，水是隧道劣化和损伤的主因之一。隧道结构的这些特点，也是隧道健康诊断的难点和需要研究的重点。（1）隧道病害调查和检测技术现状在现阶段，当隧道出现病害时，主要依赖于有经验的技术人员通过-3-调查、现场目测检查，并按原设计程序进行校核，再凭经验制定整治方案进行整治。这种传统经验方法过多地依赖个人经验，缺乏一套科学的评估程序和现代测试技术，导致健康诊断结果具有很大的随机性和主观性。用这种传统经验方法对隧道病害进行调查和整治，不仅有隧道自身产生病害的情况，也有对隧道在遭受地震、火灾、交通事故后的调查和整治。这些调查资料和整治实例为公路隧道健康诊断技术研究提供了宝贵的第一手资料。隧道工程只有内表面暴露在外，在隧道内表面上的检测可以采用与建筑结构相同的检测方法和技术，但对于衬砌内部缺陷、渗漏点，二衬与初衬之间的密贴程度和回填情况、衬砌中锚杆、拱架等等情况，围岩的工程类别、围岩中的破碎带、溶洞、曾有的坍塌冒顶情况、隧道衬砌上的空洞与局部受载等，则要借助于高频地质雷达、超声波仪、表面波仪、红外探测仪进行探测。高频地质雷达是探测隧道衬砌中缺陷和围岩与衬砌的状况较好方法，据研究已可以探测混凝土覆盖20cm厚时，10cm见方的缺陷，但对宽度3mm以下的干裂缝的探测较为困难。而通过对地质雷达图像的各种数据处理技术和智能识别技术的开发，其探测的适用性和探测精度也能进一步提高。同时运用各种类型的波动（超声波、表面波）探测、红外探测等手段，有助于更精确地探测衬砌中的各种缺陷，作为地质雷达探测的补充。为了探测到各种影响隧道健康的缺陷，对隧道的检测技术还需作进一步的研究。裂缝是隧道破损的直接表现形式，也是水渗漏的通道，隧道衬砌比梁、柱、板和墙的裂缝的成因和形态复杂，对隧道衬砌裂缝的形态和成因已有现场调查和分析的报道，还需进行系统的研究以掌握其规律性。对隧道洞身和洞口边坡的滑坡、冰冻等产生的隧道病害也有研究报道，但对隧道病害的种类、产生的原因和规律还缺乏全面而系统的研究。-4-（2）隧道实际状态的计算模型隧道健康诊断与隧道设计有着共同的理论基础。隧道结构设计是在隧道建造前利用已积累的大量统计数据以及施工监控反馈信息，对隧道结构进行安全性分析，使所建造的隧道能满足预定的使用要求；隧道健康诊断是在隧道建成并投入使用后，根据对隧道结构上的作用、衬砌结构抗力及其相互关系的实际调查，评估隧道实际的安全性。可见，两者的区别主要在于数据的来源上。由于岩体介质力学性质的复杂性以及围岩与衬砌的相互作用，隧道的设计与施工有赖于施工监测信息的反馈。考虑隧道施工过程的理论和技术已研究得比较多，并有相应的软件可供计算分析之用。但隧道建成和投入使用后，作用在隧道上的荷载、衬砌结构的抗力与衬砌结构、围岩性质、施工工艺和质量密切相关，很难进行调查和测定，这是隧道诊断最大的难点。所以，一方面需研究已建隧道在这种情况下进行健康诊断的技术和方法，另一方面，需研究为便于监控隧道长期安全性并实时掌握隧道健康状态，在隧道设计和施工时在隧道内部合理地布置长期监测元件的方法、技术和布置原则。隧道设计计算是在围岩与衬砌密贴的理想情况下进行的，但在实际情况下，由于回填不充分，在围岩与衬砌之间常存在空洞、局部受载等对衬砌不利的先天因素，以及衬砌受内部和外部因素引起的裂缝、变形等对衬砌不利的后天因素。在这些不利因素条件下，隧道衬砌分析计算模型的研究还没有人进行。（3）隧道健康状态诊断方法建筑结构的安全性和可靠性的鉴定可采用层次分析法和模糊综合评判相结合的方法。台湾学者已将上述方法应用于铁路隧道健全度的判定，并建立了铁路隧道病害诊断专家系统，该专家系统的缺陷是只进行现象-5-推理，缺乏力学计算，而且该专家系统只是隧道健康度的最后评判方法，并不包含隧道健康诊断的整个过程和检测技术。日本也已开发出隧道检查和诊断专家系统（TIMES-1），该系统包括四种设备，主要设备是用于找出隧道内表面变形或开裂可能的原因，同样包括一些用于评价隧道的坚固性的设备，显示需要进一步检查的项目和为用户提供有关隧道维修技术条件有用的信息。综上所述，公路隧道健康诊断在国内外还没有开展全面而系统的研究工作，有限的研究工作着重于对隧道局部病害的现象描述和分析，没有一套完善的公路隧道健康诊断的调查程序、检测技术、分析计算模型和评判方法的系统理论和方法。但近几年来关于隧道病害调查和整治方面的报道也正好反映了系统开展这方面研究并制定相应规范的重要性和紧迫性。3主要研究内容项目针对目前公路隧道运行和养护中发现的问题，在对国内外大量有关隧道病害资料分析的基础上，通过室内试验、理论分析、数值模拟以及现场调查和检测等手段，分为检测方法和现场调查、隧道病害成因分析及健康管理系统开发、隧道健康诊断结构计算模型、隧道洞门病害和边仰坡稳定性、公路隧道健康状态综合诊断方法以及病害隧道处治对策和预防措施等六个专题组开展了研究工作，主要研究内容包括如下：（1）检测方法和现场调查研究收集了现有的用于检测隧道混凝土衬砌结构强度和缺陷的各种仪器和方法，以及可能用于检测隧道衬砌的检测混凝土结构强度和缺陷的各种仪器和方法，在分析了它们的功能、适用条件、探测范围和精度的基础上，在实验室内浇注了两种不同衬砌结构形式的隧道衬砌模型，每个模型中都包含各种不同隧道衬砌病害，重点研究了用超声波仪和地质雷-6-达探测隧道衬砌强度、厚度和各种缺陷的技术和方法。针对公路隧道只有一个面上可以进行检测的特点，研究了在一个面上检测结构混凝土强度的平测法回弹－超声波综合法，形成了以回弹法、回弹－超声波综合法为主，辅以适当的取芯试压作为验证的隧道衬砌强度检测方法，发明了能在单个面上简捷确定裂缝方向和长度的裂缝检测新方法。根据隧道衬砌病害的数值模拟图像和实际病害检测图像，开发了隧道衬砌病害地质雷达检测数据库。研究制订了能全面反映隧道健康状态的隧道病害现场调查方法，形成系统科学的隧道健康诊断的调查、检测的技术和方法，编制相应的应用技术指南和合理的隧道现场调查和检测方案以及实施程序。（2）公路隧道病害调查和隧道健康管理系统开发根据公路隧道的特点，结合隧道现场调查和检测的内容，对隧道病害种类、成因以及形成特征和规律进行了系统的分析和研究。在此理论基础上开发和建立了公路隧隧道健康管理系统。该系统的核心思想是用数字化的手段处理公路隧道养护和维修，以及公路隧道病害处理的问题。它使公路隧道病害相关信息在隧道健康诊断过程中得到最大限度地利用，其主要是由公路隧道病害相关信息的标准化数据、基于网路的操作平台和公路隧道评判分析系统组成。公路隧道健康管理系统将隧道病害定量化的相关信息通过统一的标准储存在数据存储介质中。隧道管养部门、检测部门、科研单位等具体部门可以通过网络技术实现隧道病害信息的快速、便捷、多样化查询，也可以通过现有的分析方法和手段利用公路隧道健康管理系统这个平台对