隧道结构健康评价及可视化研究与应用

佐文博　安硕硕　周腾

摘  要：随着国民经济的发展，地铁也日益成为人们出行的交通工具，而隧道是第题的重要基础设施。隧道结构的健康状况对地铁的行车安全有着巨大的影响作用。本文以“徐州地铁1号线隧道结构健康评价”为研究背景，对徐州地铁一号线隧道结构健康进行可视化研究，并对隧道结构健康评价这一重大课题进行探索。

关键词：隧道;可视化;健康评价

徐州地铁一号线全长23.10公里，是徐州的主干线路，沿路经过徐州市中心彭城广场、红色建筑淮塔等重要地标，其重要性不言而喻。这就对隧道结构的健康状态提出更严苛的要求，以确保徐州地铁安全、健康并且稳定地。本文运用可视化系统对隧道结构健康评价可视化系统进行研究分析和探索。

1 隧道结构健康评价和可视化

1.1 隧道结构健康评价

隧道结构安全健康评价是通过运用隧道结构工程的理论和方法，对隧道结构工程可能出现的问题和风险进行预判和预警。科学地模拟每种危害出现的可能性大小，最终形成预警等级图。在施工前，根据事故和问题发生频率的大小，制定相应的对策。

在隧道结构安全健康评价中，指标的选定也成了重要的一环，指标的选定直接影响健康评定的好坏以及结果是否具有说服力。

1.2 可视化

可视化是利用计算机图形学等技术，将一些無法通过人直接观察得到的知识、信息或者数据转化成图形、视频或者VR等格式在屏幕或者一定的空间中反映出来的技术。可视化最初来源于计算机技术，随后经过发展应用于建筑学、智能建造学等学科中。

1.3 健康评价和可视化结合

隧道结构安全健康评价和可视化相结合，可以充分利用各学科的优势。从建设工程前期到建设工程完成，很好的规避了诸多问题的产生，大大提高了项目的经济效益和安全效益。

2 指标选定

徐州地区山地较多，土质细软，这就给徐州地铁的建设带来了极大的困难。并且徐州地铁一号线经过徐州市中心，徐州市中心建筑众多。因此，如何更好地保证徐州市地铁一号线建设地的地面不发生沉降也成了徐州市地铁一号线的难题。这些困难的出现，也给后期对于隧道结构健康评价提出了更高的要求。

2.1 隧道结构外在的安全评价指标

隧道结构外在的安全评价指标主要有：隧道内部结构出现剥落和破损、隧道出现渗漏水的现象、隧道排布的管线出现或大或小的变形、隧道结构因为衬砌出现问题而出现空洞现象或者出现裂缝和损坏现象。

2.2隧道结构内在安全评价指标

隧道结构内在的安全评价指标主要分为两大类。第一大类是隧道结构的耐久性指标，在隧道结构里主要有隧道结构的混凝土保护层的厚度、混凝土的砂石比例、隧道结构工程所用的材料、钢筋在隧道结构生命周期内以及锈蚀的程度、隧道结构工程的链接螺栓的螺纹大小指标、材料的锈蚀度的大小以及渗漏水发生时对钢筋混凝土的锈蚀程度的影响。第二大类是隧道结构工程的安全性指标，在隧道结构健康评价中主要有钢筋混凝土的强度，螺栓的强度以及钢筋和螺栓在锈蚀过程中所发生的强度变化对隧道结构的影响。

3 选取指标的原则

选取指标时要遵循系统性原则，定量为主、定性为辅的原则，指标之间的独立性的原则以及科学性和可靠性的原则。

系统性原则：系统性原则最早来源于管理学，是指在管理过程中，事件的发生往往是多种因素相结合而产生的结果，而不是单一因素单独作用产生的。通过这一原则来判定病害发生的原因，分析出各种原因的影响大小。

定量为主、定性为辅：定量和定性是两种不同的概念，各自有优缺点。定性是指从理论上高度抽象的分析出病害发生的规律，定量多采用数学和统计学相关理论，从量化的角度更直观的分析出事物之间的规律。

科学性和可靠性原则：科学性和可靠性是分析事件发生准确性的前提和根本。一旦隧道结构分析模型离开了科学性和可靠性，事件的评判便变得毫无意义。

4 分析方法

隧道结构健康评价的分析方法主要包括：数值分析法和理论计算法。可以将这些方法与动态化相结合，以更直观地反映问题所在，提高经济效益和安全效益。

数值分析法：以往学者通过对隧道结构构建出三维的计算模型对可能出现的病害进行模拟，分析不同情形下隧道结构的受力状况，得出病害出现的可能性大小和病害出现的时间。

理论计算法：以徐州地铁一号线盾构隧道为例，根据理论得出推到的公式和模型，据此来计算裂缝的形态和扩张的大小状况，通过对裂缝参数的分析，得出隧道结构管片开裂的真实原因。

将隧道结构健康安全评价中的数值分析法和理论分析法与动态化地三维分析相结合，这中结合方式，直接将安全评价由二维向三维推进。三维动态化分析，可对地铁建设的全生命周期进行模拟和后续程序的预测。

5 展望

本文以徐州市地铁一号线为例，科学地分析了如何完成隧道结构健康评价的选取的具体指标、指标选取的原则、结果的分析方法，有利于提升隧道结构健康安全系统的科学性和规范性，使之有了更多的理论指导。

随着隧道安全评价方法的理论和可视化技术的不断进步，可对隧道从设计初期开始一直到隧道投入的全阶段进行实时定期和长期相结合的检测和模拟，以预防问题的发生。这也很好地做到了问题预警，并可及时地通知业主和管理者，专家组可对可能出现的问题进行商量和讨论，以最大化避免问题的发生。同时，采用系统性原则、定量为主定型为辅原则以及科学性和可靠性等原则选取参数进行分析，必要情况下可对用材以及建筑结构施工的方式进行修改。同时引入可视化，这就让变得更直观、更高效。对隧道结构进行就健康评价是隧道建设和过程中不可缺少的一环。加强隧道安全健康评价和可视化相结合的研究对于城市轨道交通的发展有很大的促进作用，这也是满足人们社会公共需要的必要表现。

参考文献

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作者简介：

佐文博（2001—），男，汉族，江苏徐州人，徐州工程学院本科在读，研究方向工程管理。

课题项目：隧道结构健康评价可视化系统研究与应用