隧道检测与健康状况评价研究综述

昝文博，赵春晨，王 宁，杨 谦

(1.陕西工业职业技术学院 土木工程学院，陕西 咸阳 712000； 2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

截至2018年底，中国已建成的公路、铁路隧道共计35 883座，总长度为38 463 km，并且仍在以每年上千座、上千公里的速度迅猛增加，未来综合交通运输规划的隧道工程规模更大[1-2]。隧道属于半隐蔽性工程，随着运营时间的增长，受地质条件变化或衬砌材料性能劣化、设计施工缺陷、养护维修不及时或不到位等多种因素的综合影响，许多隧道出现了衬砌裂损、渗漏水等病害，降低了使用性能和运营安全性[3]。因此，必须采取日常检查、定期检测或专项评估等方法，及时掌握隧道技术状况，从而为隧道结构安全评估、健康状况评价以及制定维修加固措施提供合理可靠的依据。

图2 提取病害

近年来，隧道病害快速检测技术得到了长足的发展，出现了多种适用于不同类型病害检测的仪器设备[4-6]。诸如数字图像、探地雷达、微震监测技术等发展较快，在结构病害检测方面均有应用；断裂力学、分形理论、层次分析法等新理论、新方法在隧道健康分析诊断领域都有尝试，但目前尚未进入规模化、系统化的正式推广应用阶段。鉴于此，本文针对隧道病害检测及健康状况评价方面的最新研究进展和应用情况，重点论述隧道衬砌表观病害、结构内部缺陷、渗漏水检测的新方法以及断裂力学、分形理论、层次分析法等在隧道健康评价中的应用情况，最后指出隧道病害检测设备及结构健康评价技术的发展趋势。

1 隧道检测技术

1.1 衬砌表观病害

大量隧道统计数据表明：衬砌开裂是最普遍的隧道工程病害，也是影响隧道安全的重要因素，因此必须密切关注裂缝的发展规律[7]。同济大学黄宏伟教授等人[8]采用局部网格特征法提取裂缝参数，重点步骤如下。

(1)设计十字形模板，确定潜在的裂缝种子点。

(2)连接离散裂缝种子，形成完整的连续裂缝。

(3)根据裂缝起、终点坐标，计算得到裂缝的长度和走向。

图1 黄坞垄隧道衬砌裂缝识别结果

日本保全工学研究所提出采用红外线与可视图像相结合的方法快速检测混凝土表面破损剥落、裂缝以及内部空洞病害，并开发了配套的后处理软件。软件的功能主要包括：图像变形矫正、自动拼接以及自动提取裂缝、空洞、破损，如图2所示。该方法可提取的最小裂缝宽度大约为1 pixel的20%，当采用1 200万像素的相机拍摄4 000 mm长、3 000 mm宽的对象物体时，可以提取0.2 mm以上宽度的裂缝；只需要使用1台相机，占用空间小、移动方便，同时输出结果可以和Excel及CAD软件交互；检查速度大约为600 m·d-1，工作效率得到显著提升。

1.2 结构内部缺陷

隧道结构内部缺陷属于隐蔽性病害，必须采用专业的仪器设备检查[9]。目前，工程上采用地质雷达(GPR)对隧道锚喷支护及衬砌结构或构件的相关参数指标进行检测已经比较成熟，但是依然通过手持天线或液压支撑天线，靠近隧道衬砌表面进行检测，工作效率较低。

为了快速检测电气化铁路全天候正常运行状况下的隧道病害，西南交通大学昝月稳教授团队[10]研制了一种车载远程探地雷达检测系统，如图3所示。该系统由6个通道组成，可对全断面进行检测，空气耦合天线与衬砌表面的距离为0.93～2.25 m，每个通道的扫描速率为976 次·s-1，当采样点间隔为5 cm时，最大测试速度可达175 km·h-1。

图3 车载探地雷达检测系统

图4 车载探地雷达应用于实际工程

车载探地雷达检测系统在宝中线、宁西线、西康线和襄渝线等电气化铁路的隧道中进行了现场试验，取得了大量的实测资料，如图4所示。图4(a)是针对宝中铁路严家山隧道运营后衬砌出现严重纵横向裂缝、局部发生严重掉块段的衬砌扫描图，可以看出隧道衬砌断开凸出，有明显的月牙形反射。查阅相关资料后发现，该段在施工期间曾出现过大变形，工务部门于2003～2005年采取了锚喷压浆与钢拱架联合加固，通过雷达扫描图可以确定钢拱架加固地段长度及钢拱架安装间距等。图4(b)和图4(c)分别是大坪隧道和清凉山隧道严重病害地段采用凿槽嵌入型钢拱架处治后的雷达扫描图，根据雷达图像确定的病害段长度、钢拱架间距与设计参数完全一致，围岩的深部变形轮廓呈弯曲状，有助于分析隧道病害的成因。图4(d)是观音峡隧道严重渗漏水地段的雷达扫描图，衬砌表层呈现明显的反射现象。从以上案例可以看出，利用车载探地雷达技术可以方便地识别出衬砌结构变形、支护系统以及渗漏水缺陷等。

微震监测技术作为一种新型的地下工程动力监测方法，最早应用于南非金矿开采诱发的地震监测。全数字微震监测技术的出现，使其逐渐发展，并应用于基础设施结构损伤评估等[11]。高阳等人[12]采用原位微震监测技术对日本某隧道典型损伤断面衬砌微震特性进行了现场实测，试验结果如图5所示。可以看出：由于S1断面拱顶部位同时存在裂缝和空洞，实测标准化相对振动强度NRPSD值全部小于0；S1和S2断面边墙部位均存在不同程度的开裂现象，NRPSD值大于或小于0的情况均存在；S2断面拱顶部位无损伤，其NRPSD值几乎为0。由此可见，空洞部位的NRPSD值比只开裂部位小得多。因此，通过测试衬砌微震特性NRPSD值实现衬砌背后空洞的探测和分析是可行的。

图5 现场微震实测结果

由于现场试验成本较高，且试验条件限制较多，而数值方法以快速、经济、高效的特点，正好弥补不足。高阳等人通过基本假设将隧道工程简化为平面应变问题，采用离散元软件UDEC建立了相应的数值模型，具体计算工况如表1所示。

图6是衬砌背后空洞位置、扇形角、深度以及衬砌混凝土材料强度等级变化时衬砌NRPSD值的变化曲线。图6(a)是θ为0°、30°、60°三种情况下衬砌断面NRPSD值的分布曲线，可以看出：空洞正上方衬砌表面的NRPSD值最小，且均为负值，分别为-4.840、-6.174、-5.450。图6(b)是γ从10°到60°变化过程中衬砌断面NRPSD值的变化，可以看出：随着扇形角的增大，空洞中心对应衬砌表面的NRPSD值不断减小，扇形角等于10°时，衬砌表面NRPSD值几乎为0，说明这种微小的空洞很难被探测到；相反，当扇形角大于30°时，NRPSD值迅速减小，使用微震探测空洞的效果较好。图6(c)是h为0.2、0.4、0.5、0.6 m四种情况下衬砌断面NRPSD值的变化曲线，可以看出：衬砌表面NRPSD值随着空洞深度的减小而减小，尤其当空洞深度为0.20 m时，空洞中心位置对应衬砌表面的NRPSD值达到最小，为-6.400。图6(d)是衬砌混凝土分别为C20、C30和C50时衬砌断面的NRPSD值，可以看出：衬砌表面的NRPSD值随着混凝土强度标号的降低(弹性模量减小)而减小，表明探测低标号混凝土衬砌空洞的效果更好。

表1 数值计算工况

注：θ为衬砌背后空洞中心与隧道中心线的夹角；γ为空洞扇形角；h为空洞深度。

图6 NRPSD值随各因素的变化

1.3 渗漏水病害

目前，渗漏水已成为威胁隧道运营安全与耐久性的第一大顽疾[13-14]。统计数据表明，施工缝、变形缝渗漏水约占隧道总体渗漏水的60%以上，个别工程甚至出现无缝不漏的现象。

同济大学刘学增等人[15]通过灰度变换、最大方差法阈值分割、形态学区域修正、室内外试验标定、数字图像处理(去噪、锐化、分割、修正)等步骤计算得出渗漏水面积，详细流程如图7所示。依托VB及MATLAB软件开发了隧道衬砌渗漏水病害数字识别系统，具体内容如下。

图7 衬砌渗漏水图像处理流程

(1)通过多次线性变换，将灰色区域缩减到最小，从而近似实现二值分割。

(2)病害区域颜色深于正常衬砌，逐步将病害区域向黑色压缩，将背景区域向白色压缩，优化分割的效果。

(3)综合运用开运算(先腐蚀后膨胀)和闭运算(先膨胀后腐蚀)去除比结构元素小的图像细节，同时保证不产生全局几何失真，将两者组合起来平滑图像。

针对隧道衬砌病害图像的特点，寻找通用性强、精确度高的病害识别及面积测量算法进行室内试验，研究标定参数，建立图像面积与实际面积之间的换算关系。

以上海地铁隧道工程为例，选取3张在衬砌病害调查工作中拍摄的典型渗漏水照片，验证开发的数字识别系统检测渗漏水面积的效果，数字图像处理效果及室内标定参数分别如图8和表2所示。可以看出：实际测量的病害面积绝对误差均小于0.1 m2，完全可以满足渗漏水病害等级评价精度要求。但是当照片中存在渗漏水反光时，阈值分割效果不理想、错误分割部分无法通过形态学算法修正等也会导致误差增大，因此拍摄病害照片时应注意光源设置，避免水渍反光。

图8 衬砌渗漏水图像处理效果

表2 图像处理试验结果

注：S/P=0.060 4d2+0.015 6d+0.005 3(室内试验标定参数)。

2 隧道健康评价方法

随着运营年限的增加，隧道衬砌会出现不同程度的开裂、腐蚀和渗漏水等病害，从而降低其完整性，增加坍塌风险。一般情况下，老化隧道的衬砌稳定性评价大多依赖现场检测人员的经验判断。为了解决这个问题，日本隧道专家提出了隧道衬砌裂缝指数TCI的概念，旨在定量评估隧道衬砌裂缝的严重性。衬砌裂缝指数的计算公式为

(1)

式中：I为衬砌裂缝指数TCI的值；A为隧道衬砌面积，n为裂缝数；t和l分别为第k条裂缝的宽度和长度，α和β分别为裂缝宽度和长度的加权系数。

由于隧道衬砌裂缝的分布十分复杂，采用传统的数学方法很难精确描述和计算，衬砌裂缝指数TCI不能反映裂缝交叉和分布密度的影响。Wu等人[16]引入分形理论，建立隧道衬砌裂缝的分形维数，表征混凝土中的裂缝扩展。这是一种新的衬砌稳定性健康评价方法。衬砌裂缝分形维数的计算过程为

(2)

式中：D为衬砌裂缝分形维数；N(ε)是覆盖衬砌表面所需边长为ε的立方体数量；ε为单位立方体边长。

根据日本HIDAKE隧道衬砌开裂情况调查结果，计算得到的65个断面衬砌裂缝指数和分形维数如表3所示。结果表明：大多数情况下，2种指标得到的结果基本一致，具有一定的相关性。然而，对于有些开裂情况较复杂的断面，2个指标的判定结果并不一致，例如16#断面只有几条小裂缝，没有宽裂缝，计算的衬砌裂缝指数非常小，但是这些裂缝几乎已经连接贯通，从衬砌结构整体来看，安全风险明显被低估了。当裂缝连接在一起时，计算得到的分形维数明显较大，说明分形维数更能客观反映隧道衬砌的实际风险；类似的现象还出现在36#和63#断面。此外，分形维数分析还表明，裂缝宽度的影响大于裂缝密度，裂缝的交叉会增加衬砌坍塌的风险。

表3 日本HIDAKE隧道65个断面衬砌裂缝指数和分形维数计算结果

重庆交通大学李明等人[17]针对隧道衬砌厚度和衬砌背后空洞大小开展了一系列室内相似模型试验，分析了围岩与支护结构的破坏规律。从完整衬砌结构的位移变形和内力分布来看，支护结构内部形成拱顶下沉、仰拱向上隆起的压入式扁平体，拱肩附近受到较大的接触压力作用，致使隧道结构首先从这些部位出现近似对称的压溃裂纹，拱顶出现平行于隧道轴线的贯穿裂纹。

衬砌厚度减薄后，衬砌特征点的接触应力如表4所示。可以看出：随着拱顶衬砌厚度变薄，结构承载力呈非线性下降；以完整衬砌支护结构为标准，当支护衬砌厚度为标准值的3/4时，承载力为标准衬砌厚度的83%；当支护衬砌厚度为标准值的1/2时，承载力为标准衬砌厚度的24%；当支护衬砌厚度为标准值的1/4时，承载力为标准衬砌厚度的20%。衬砌特征点接触应力呈现类似的规律。因此，衬砌厚度变薄后的承载能力下降大致可以划分为缓慢退化、快速退化和退化完成3个阶段。

表4 衬砌厚度变薄后的衬砌特征点接触应力

同样，以完整状态衬砌的承载能力为标准，随着拱顶衬砌背后空洞深度的增加,衬砌结构承载能力下降过程可以划分为缓慢退化、快速退化和退化完成阶段，分别对应隧道的亚健康、病变和病危3个健康阶段，如表5所示。

表5 衬砌健康状态试验判据

长安大学王亚琼等人[18]在充分考虑影响隧道结构健康状况的内外因素的基础上，建立了隧道结构健康诊断指标体系，如表6所示。在广西某高速公路隧道20 m病害区段衬砌结构进行了验证，结果表明：采用层次分析法和熵值理论计算专家权重的主客观结合分析方法能够有效提高评价结果的可靠性，得到的计算结果与实际情况相符，可用于隧道结构健康诊断。

此外，王亚琼等人[19]还将断裂力学理论用于素混凝土衬砌裂缝稳定性评价，建立了隧道衬砌裂缝稳定性系数，并依托宁波桑洲岭公路隧道实测衬砌开裂状态，建立了多种工况下的数值计算模型，采用ANSYS软件断裂模块计算衬砌裂缝尖端应力强度因子，并据此判定衬砌裂缝的稳定性。工程实例应用表明：通过裂缝稳定性系数评判在役公路隧道素混凝土衬砌裂缝稳定性是可行的，但是实际隧道衬砌多为配筋结构，且受力形式复杂多变，多种病害相互交叉，应考虑围岩压力变化以及多种病害组合条件下的衬砌裂缝稳定性评价。

表6 隧道结构健康诊断指标体系

3 结 语

隧道检测与健康评价已成为多学科理论、技术相互结合的交叉研究领域。本文通过对隧道检测与健康评价新技术和新方法的论述与分析，总结了这方面的最新研究成果及应用进展。主要结论如下。

(1)基于图像处理的衬砌表观开裂、渗漏水等病害自动识别方法能够较客观、可靠地反映隧道衬砌裂损的实际状况，但是对于图像质量、拍摄环境等要求较高。

(2)车载探地雷达、微震监测技术应用于隧道围岩和衬砌结构内部变形或损伤探测，各有优缺点；自动化、智能化、集成化、非接触式快速无损检测以及BIM等信息化技术手段在隧道养护管理方面的应用，将成为未来行业发展的重点方向。

(3)采用分形维数、相似模型试验、断裂力学等方法评价衬砌结构某个方面的稳定性是可行的，但是实际隧道病害形式复杂多变，应考虑多种因素综合影响下的衬砌稳定性评价。