城市軌道交通地下結構性能演化與感控基礎理論綜述

朱合華，王曙光，彭立敏，黃宏偉，朱宏平，吳 波，白廷輝

(1．同濟大學 土木工程學院，上海 200092；2.南京工業大學 土木工程學院，江蘇 南京 211800；3. 中南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410083；4.華中科技大學 土木與水利工程學院，湖北 武漢 430074；5.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 511442；6.上海申通地鐵集團，上海 201102)

城市軌道交通對緩解交通壓力、便捷市民出行、改善城市結構、提升城市整體形象和競爭力具有重要意義[1]。近年來，我國大量城市的軌道交通已建成并投入使用，至2020年底，我國大陸地區共有45座城市開通城市軌道，運營里程7 969.7公里，運營車站達4 681座[2]。軌道交通已成為城市交通的主動脈，其結構健康服役的重要性日漸突出。一方面，在內外因素的共同作用下，城市軌道交通地下結構受力狀態會發生變化，性能逐步退化；另一方面，我國軌道交通建設速度迅猛，結構施工質量難免存在一定程度的缺陷，且結構損壞后不易或不可更換，給軌道交通地下結構健康服役狀態的判斷和預知控制帶來了極大困難[3-5]。具體而言，城市軌道交通地下結構在服役過程中長期處于復雜的物理-化學-力學條件下,各種內外環境均會對其材料性能和全壽命產生重要的影響，導致地下結構性能演化機制難清[3]；同時，城市軌道交通地下結構為超長線狀地下結構,在服役過程中受各種因素的影響而逐漸出現病害，其結構性能隨之不斷劣化，健康狀態極其難知[4]；而且，城市軌道交通地下結構常處于地下水賦存環境中，導致傳統方法難以有效修復或者加固損傷的地下結構，使得地下結構損壞后極其難修[5]。

為了解決地下結構性能演化機制難清、健康狀態難知以及地下結構損壞極其難修等工程科學難題，2011年，“城市軌道交通地下結構性能演化與感控基礎理論”獲國家“973計劃”立項。項目由同濟大學、華中科技大學、中南大學、華南理工大學、南京工業大學和上海申通地鐵集團有限公司共同承擔，共設置動態服役環境中地下結構材料全壽命期性能演化機制、地下結構性能與環境耦合作用機制、超長線狀地下結構狀態智慧感知理論與方法、動態時空環境效應下的地下結構健康診斷與服役性能預知理論、地下水環境下的結構智能自修復與加固理論、地下結構健康服役的數字化保障與控制體系6個課題，同濟大學朱合華為項目首席科學家，南京工業大學劉偉慶、中南大學彭立敏、同濟大學黃宏偉、華中科技大學朱宏平、華南理工大學吳波、同濟大學朱合華和上海申通集團白廷輝分別為第1—6課題負責人。經過5年多共同努力，項目團隊揭示了動態時空環境效應下的地下結構性能演化機制，發展了超長線狀地下結構狀態智慧感知與評估理論，并建立了地下水環境下的結構自修復機制與自適應控制理論，在地下結構全壽命期性能演化多尺度模型與預測方法、超長線狀地下結構的智慧感知與損傷識別方法、地下結構管片的混凝土自修復與加固方法以及地下結構健康服役的數字化保障與控制體系4個方面取得代表性成果。

1 地下結構全壽命期性能演化多尺度模型與預測方法

1.1 地下結構材料多尺度本構和性能劣化模型

混凝土材料微觀結構在空間上具有明顯跨尺度屬性，在時間上具有顯著演化發展特征，既有研究主要集中在微觀材料組分隨時間的變化及其體積分數對宏觀材料性能的影響，對微觀組分(如細砂、骨料)粒徑、形狀和空間位置的隨機分布考慮不足。Zhang等[6]和Guan等[7]考慮骨料的形狀、粒徑分布和空間分布的隨機性，能高效考慮界面區的影響；尺度跨越具有雙向性，既可以分析微觀結構特征對宏觀性能的影響，又可以描述微觀結構對宏觀荷載的響應，從微觀、細觀、宏觀層次探究了城市軌道交通地下結構材料性能形成機制和復雜環境下服役性能的劣化機制(圖1)，并基于均勻化理論建立了分析混凝土早期性能的多尺度模型[7]。

圖1 地下結構材料多尺度本構模型[6-7]

圖2 混凝土三維孔隙實時模型[8]

圖3 侵蝕過程的產物填充孔隙[8]

1.2 隧道管片、接縫性能演化計算模型

針對地下結構的現狀，既有研究考慮因素單一，缺乏對多因素耦合作用機制及其對結構性能影響的研究，與地下結構所處實際環境聯系不夠緊密，相關模型難以直接用于地下結構工程實際。Lei等[12-13]發明了能真實模擬侵蝕環境、動靜荷載、邊界狀態的隧道襯砌結構性能試驗裝置與方法，揭示了在結構荷載、材料損傷、環境變異和基底狀態等因素作用下隧道結構耐久或疲勞損傷性能演化機制，構建了侵蝕環境-動靜荷載-邊界狀態耦合條件下隧道襯砌結構全壽命服役性能分析理論框架和計算方法，為多因素耦合下結構全壽命期性能分析提供解決方案。

針對管片接縫，既有研究沒有把接頭在服役周期內的性能劣化與抗滲能力結合，沒有考慮接縫接觸壓力和接觸狀態等多因素的耦合作用。Shi等[14-15]結合考慮管片接縫的接觸應力和變形狀態，發明了盾構管片接頭抗滲性能試驗裝置與方法，揭示了在考慮橡膠密封墊老化及接頭張開錯臺變形特征下的盾構隧道管片接頭抗滲性能演化機制，提出了接縫防水材料的時變本構模型及接縫應力-耦合滲流分析模型，建立了盾構隧道接縫防水性能的優化控制設計方法。

1.3 隧道結構損傷缺陷計算分析理論與方法

針對隧道結構的損傷缺陷計算，既有無網格類方法的形函數計算需要大量的矩陣相乘、求逆等運算，計算代價大、公式復雜；插值函數一般為有理函數，不是多項式，數值積分困難；插值點的影響域選擇具有一定隨意性，無嚴謹的取值規則；位移邊界直接施加困難，極大地制約了無網格方法的進一步應用與發展。Cai等[16-17]、Wu等[18]和Zhuang等[19]針對多種綜合因素共同作用下，隧道結構損傷缺陷等承載力及安全評估的工程和科學難題，創新發展了新的獨立覆蓋無網格分析理論方法(ICMM)，在獨立的結點影響域上定義無網格插值函數，保留了無網格方法所有的動網格模擬優點，插值函數為一般多項式，計算公式簡單、計算時間短、容易實施精確積分、容易施加位移邊界條件，較好地克服了現有無網格方法在斷裂分析方面存在的困難(圖4和5)。開發了相應的盾構隧道分析軟件系統，為地下結構服役性能的健康評估提供理論和軟件支撐[16-19]。

圖4 隧道結構損傷缺陷計算理論[16-17]

圖5 ICMM分析軟件計算結果[16-17]

2 超長線狀地下結構的智慧感知與損傷識別方法

2.1 地下結構靜態參量無線感知與整體模量動力感知方法

國內外較少有關于地下結構綜合無線感知的研究，在變形傳感方面劍橋大學僅有無線感知結構傾斜的研究[20]，缺少針對地下結構的多參量無線感知，此外超長線狀地下結構縱向沉降與橫向收斂關系的機制不清[11]。針對超長線狀地下結構服役環境，提出盾構隧道結構橫向變形模式[21-22]，建立傾角與隧道收斂間的定量關系[23]；提出了基于三維空間的盾構隧道縱向變形模式分析方法，得到盾構隧道縱向變形模式[10]；建立縱向變形、隧道橫斷面收斂與結構內力關系理論模型[11]，通過橫斷面傾角變化感知隧道力學狀態。在大量現場數據基礎上，得到滲漏水、裂縫的分布特點和規律，建立基于泊松過程的滲漏水隨機模型[24]，采用擴展有限元揭示了不同位置裂縫的發展規律[25]，為滲漏水和裂縫感知提供了依據。建立基于魯棒性的感知節點布置優化策略[26]，解決自動化監測的高成本困境。

針對拼裝式盾構隧道結構，利用基于振動的結構健康監測(SHM)方法，在振動響應模擬方面提出了2.5維算法高效模擬方法[27]。但隧道埋置于土體中的拼裝結構，因土體的耦合和約束作用引起響應特征變化[28]，故既有研究無法感知土體耦合下的結構性能；商用無線振動傳感器頻響范圍低，難以實現土體和地下結構共同監測[29]。Feng等[30]和Zhou等[31]建立了基于傳播模態截止頻率、扭轉波速及傳遞函數的結構性能參數感知方法，彌補了盾構隧道考慮地層的整體彈性模量感知中的不足。

2.2 地下結構感知單元體研發與超長線狀結構WSN低功耗異構網絡

目前，德國BeanAir、美國MircoStrain等公司開發的無線振動傳感器頻率低于300 Hz[29]；加拿大Measurand公司利用傾角傳感器制作出的SAA(Shape Accel Array)產品，可以用于測量隧道收斂、地層水平位移以及路基沉降[32]。但原有無線傳感器存在分辨率低、地下空間適應性差、價格昂貴等問題，地下結構狀態參數感知缺乏系統完善的無線感知方法[4]。項目組研究人員自主研發了無線MEMS傾角傳感器[33]、縱向不均勻沉降傳感器[34]、無線滲漏水傳感器[24]、無線接縫傳感器[35]、無線振動加速度傳感器[29]和壓電智能傳感器[36]，實現了靜動性能參量感知體的國產化[37]，研發的傾角傳感器對比美國crossbow產品分辨率提高10倍，成本降低一半以上，具備更為出色的電氣性能兼容性(圖6(a))[4]，在此基礎上，經過更新換代，形成的微型高精度無線MEMS傾角傳感器(圖6(b))，尺寸為52 mm×50 mm×40 mm，遠小于市面上常見的國際一流標準型產品(圖6(c)),尺寸為60 mm×60 mm×45 mm[33]。

圖6 MEMS傾角傳感器[4，33]

具備感知、數據處理和通信功能的微小傳感器功能正在增強，促進了基于大量傳感器節點相互協作的WSN的實現。在網絡集成中，智能化、小型化、低成本及低功耗已成為研究的趨勢。但對于超長線狀無線傳感器網絡，缺乏數據智能處理和低成本路由方面的理論研究，在適時監測的超量數據的傳輸上容易丟包，且在現場應用中存在傳感器功耗大、使用壽命短等不足[38]。He等[38]和Li等[39]針對以上問題，建立了超長線狀地下結構低功耗、自組網智慧感知網絡技術(圖7)，解決了地下環境下不能智慧感知及高能耗問題；LoRaWAN和ZigBee等無線通信技術也逐漸被應用于復雜的隧道環境[40]。為了適應隧道信號傳輸環境，新型的網絡路由算法RHCRP能優化網絡簇頭的選擇進而優化傳感器布設方案[41]。He 等[42-43]建立了超長線狀地下結構時空壓縮和恢復算法，解決了地下環境下數據不能快速、準確傳輸的問題。目前，用于結構健康監測的WSN技術信號通常在空氣中傳輸，然而地下結構健康監測亟需引入埋入式傳感器感知結構狀態，埋入式傳感器的無線信號需要穿透土層和鋼筋混凝土等復雜介質，信號損耗明顯增大。Huang等[44]建立了無線信號穿越土層損耗與傳感器的天線場區特性、電磁波頻率、土壤種類和含水量的定量關系。

2.3 基于分布識別的損傷定位與基于子結構的損傷識別方法

地下結構存在線狀長、病害種類繁多、巖土賦存條件復雜等問題，現有模型包含大量單元和參數，現場監測產生海量監測信號，導致數據分析的維度災難，從而使結構損傷識別的效率低。Wang 等[45]和羅輝等[46]基于互信息理論對超長線狀地下結構進行分區(圖8)，保證了識別的精度，減小了數據的冗余量，建立基于分布式識別策略的惟響應損傷定位方法(損傷定位)，結合小波包能量譜，解決了損傷精確定位差的問題。

圖7 超長線狀環境中傳感網模型[39]

圖8 基于互信息理論的子區間劃分方法[46]

地下結構存在超長距離、土結構交互作用和邊界條件模糊等問題，Lu等[47]和Gu等[48]的模型節點單元多、系統矩陣尺寸大、計算效率低。他們的模型中未知參數多，優化迭代難以收斂，優化參數精度欠佳。Weng 等[49-50]和Zhu等[51-53]基于子結構有限元模型修正的損傷識別方法，解決了整體地下結構多尺度識別的問題，在精度相同的條件下，子結構修正效率提高90%。同時，結合層次分析方法等，構建了完善的健康評價指標體系和健康評估方法；建立了城市軌道交通地下結構體系性能退化可靠度分析模型，為地下結構可靠度分析和性能退化分析提供了新的途徑。

3 地下結構管片的混凝土自修復與加固方法

3.1 自修復混凝土的細觀力學模型

針對地下水環境下的結構混凝土的修復，目前常用的方法有微膠囊自修復、電化學沉積自修復等多種方法[54]。圍繞修復問題，建立了自修復混凝土的細觀力學模型。

3.1.1 微膠囊自修復混凝土的細觀力學模型

目前，國內外關于混凝土的微膠囊自修復研究主要局限于試驗研究[54]，而在其力學模型、修復介質遷移規律、評價方法以及影響因素等方面的研究成果相對較少。Zhu等[55-56]針對這一理論空白，建立了微膠囊自修復混凝土的細觀力學模型和概率修復模型，相應的參數分析結果可以為優化設計提供指導。Zhu等[55]提出的拉/壓荷載下微膠囊自修復混凝土的細觀力學計算模型如圖9所示，根據這一模型，可從細觀機制上解釋及預測不同直徑微膠囊自修復混凝土在受壓荷載作用下的本構關系。

圖9 拉/壓荷載下微膠囊自修復混凝土的細觀力學計算模型[56]

同時，Zhu等[56]還建立了微膠囊自修復混凝土的三維修復概率細觀力學模型，用該模型計算的結果與蒙特卡羅法的計算結果吻合很好(圖10)。由圖10可知：在微膠囊摻量(Vf)一定的情況下，單個微膠囊的修復程度(h)越高，整體的修復概率(P)反而越低[57]。

圖10 修復程度和體積分數的影響[57]

3.1.2 電化學沉積修復飽和/非飽和混凝土的細觀力學模型

在電化學沉積修復領域，國內外既有研究缺乏修復混凝土的力學模型[57]， Zhu等[58]和Yan等[59]建立了電化學沉積修復飽和/非飽和混凝土的細觀力學模型，如圖11所示，揭示了電沉積產物、飽水程度和混凝土孔隙結構對修復效果的影響規律，發現隨著沉積物性能和飽和度的提升，修復后混凝土具有更好的性能；Chen等[60-61]進一步基于所提電化學沉積修復混凝土的確定性細觀力學模型，結合材料微細觀結構的隨機描述，通過隨機模擬可獲取修復后材料宏觀性能的概率特征，形成了電化學沉積修復混凝土的隨機細觀力學框架。

圖11 電化學沉積修復飽和/非飽和混凝土的細觀模型[58-59]

3.2 地下結構管片的短期主動加固和長期被動加固方法

在地下管片結構加固方面的研究中，為改善地下管片結構的當前損傷狀態，Wu等[62]提出了SMA螺栓短期主動加固的方法，對內置式形狀記憶合金(SMA)螺栓進行有效加熱(圖12)，使接頭張開量和撓度分別減小了30%～60%和20%～40%，混凝土受壓區邊緣應變降低了90%，鋼螺栓應變降低了70%，這一方法既改善了當前狀態，也為后續長期被動加固創造有利條件。

圖12 內置式SMA螺栓的加熱方法[62]

在管片的鋼板加固方面，之前的工作多采用傳統鋼板加固，為了提高加固效果，Luo等[63]提出了管片結構的型鋼加固方法。在用鋼量相同時，所提型鋼加固方法具有更優的加固效果。

管片結構的加固還面臨著耐久性的問題，在此之前，芳綸纖維布(AFRP)加固混凝土部件的耐久性能幾乎未見文獻報道。Wu等[64]和Zhang等[65]研究發現AFRP加固混凝土部件總體上具有良好的耐氯鹽和硫酸鹽性能，初步消除了工程界的疑慮。

3.3 火災高溫后管片接頭的耐水性能

火災嚴重威脅地下結構加固體系安全，因此，對火災高溫過后地下結構管片的性能研究很有必要。針對縫隙對熱量傳遞的影響不明確和高溫后接頭密封墊的耐水性能不清楚等問題，Yan等[66-67]和Wu等[68]研究了管片接頭的高溫后耐水性能。研究揭示了縫隙對混凝土部件溫度分布的影響，發現縫隙面上溫度偏低，傾斜縫隙面上的溫度分布相對于垂直縫隙面上的溫度分布略微偏高。這說明縫隙具有延緩外界熱量向構件內部傳遞的效應。經過1～2 h的標準火災作用處理后，接頭密封墊的溫度分別為30～60 和60～90 ℃，接頭密封墊的耐水性能變化有限，但密封墊卸載時應予以特別關注[66-68]。

4 地下結構健康服役的數字化保障與控制體系

4.1 盾構隧道服役性能指標(TSI)計算方法的提出

在地下結構健康服役性能的研究領域中，為改變以人工經驗為主的性能狀態評估方法， 朱合華等[69]和Li等[70]提出了盾構隧道服役性能指標(TSI)計算方法，由維護養護構件的確定、結構性能要求的確定、結構狀態評估、結構性能預測、優化決策和維護養護操作六部分組成，該方法為盾構隧道結構性能控制提供了理論依據。

在該計算方法中，將盾構隧道劃分成4個時期：少年期(0～6 a)、壯年期(7～30 a)、中年期(31～70 a)、老年期(71～100 a)；建立統計模型MIMIC，并對影響因素進行評估，不同時期TSI影響因素不同，根據TSI統計方法得到不同的性能退化曲線[70]。

本項目中，采用不同的方法對隧道性能進行了評估，驗證了評估結果的正確性；考慮了不同評估指標之間的相關性，建立了評估指標與隧道服役性能之間的定量關系。而所提出的TSI確定方法被國家《城市軌道交通隧道結構養護技術規范》所采納。

4.2 智慧基礎設施系統(iS3)平臺的研發

朱合華等[71]提出了智慧基礎設施服務系統(Infrastructure Smart Service System,iS3)，實現數據采集、處理、表達、分析的一體化智慧決策服務。該平臺提供了從數字化對象到數字化工程的完整解決方案：單個數字化對象→數字化對象組→專業領域→數字化工程。平臺框架由主程序、核心庫、數據文件、擴展模塊、工具庫、Python擴展插件以及Python腳本庫構成。這一智慧基礎設施系統平臺的建立，變被動獲取結構健康狀態為主動控制服役性能，實現了城市軌道交通地下結構健康服役的數字化保障和控制。

4.3 成果應用

依托自主研發的地下結構健康服役的數字化保障與控制的計算方法和平臺，項目組集成主要研究成果應用在了工程實踐中——上海地鐵12號線天潼路—國際客運中心站。該工程臨近12號線天潼路—國際客運中心站上行區間，與地鐵線路平行長度約100 m(84環)，上行線里程為SK22+473.443—SK23+924.353(單線長1 450.910 m)，區間隧道內徑為5.5 m，外徑為6.2 m，上下行線均為1 208環(含聯絡通道特殊管片)。

應用于該工程的系統基于.NET開發，封裝ArcGIS Runtime SDK for .NET，提供從數字化對象到數字化工程的完整解決方案[72]，如圖13所示。這一系統實現了以2D地理底圖、平面圖、剖面圖和3D視圖、數據視圖等多種方式對盾構隧道全壽命數據進行數字化管理[72]，如圖14所示。

圖13 示范工程系統的架構層次[72]

圖14 多方式的數字化管理系統[72]

5 結語

針對地下結構性能演化機制難清、健康狀態難知以及地下結構損壞極其難修等工程科學難題，“城市軌道交通地下結構性能演化與感控基礎理論”項目組成員開展了系統研究，取得了豐碩的成果，為軌道交通地下結構長壽命健康服役提供了理論和技術保障。筆者回顧了項目實施以來所取得的主要進展。

1)針對地下結構性能演化機制難清的科學問題，提出和建立了地下結構材料的多尺度本構模型和劣化模型，包括：考慮侵蝕影響的三維孔隙拓撲結構時變模型、建設期地下結構材料的雙向多尺度本構模型和固-液-氣多相邊界條件下地下結構材料性能演化模型；綜合考慮盾構管片結構的賦存環境，建立了盾構隧道結構性能演化計算模型、管片接縫的防水材料時變本構模型和應力-滲流耦合分析模型；針對隧道結構承載力及安全評估的難題，提出和發展了適合于損傷缺陷隧道結構的獨立覆蓋無網格ICMM計算分析理論與方法；在此基礎上，建立了地下結構全壽命周期性能演化分析方法并編制了軟件，以服務于多因素耦合作用下盾構隧道全壽命周期的性能演化機制研究和壽命預測分析。

2)針對地下結構健康狀態難知的科學問題，提出和建立了超長線狀地下結構性態多參數靜、動態感知理論及方法，解決了超長線狀地下結構靜、動態參量無線感知難題；建立了超長線狀結構時空壓縮和恢復算法，解決了長距離、封閉空間的大容量數據傳輸及多層異構網絡穩定性難題；提出和建立了基于局部-整體策略的地下結構損傷識別方法和模糊綜合評估方法，構建了完善的健康評價指標體系和健康評估方法；建立了城市軌道交通地下結構體系性能退化可靠度分析模型，為地下結構可靠度分析和性能退化分析提供了新的途徑。

3)針對地下結構損壞極其難修的科學問題，建立了微膠囊自修復混凝土破裂機制、拉/壓本構關系、三維修復概率和電化學沉積修復飽和/非飽和混凝土的細觀力學模型,提出了礦物自修復混凝土的預測模型和愈合效果的評價方法；發明了管片接縫的形狀記憶合金(SMA)螺栓短期主動加固方法，明顯改善接縫力學狀態；提出了管片結構的型鋼加固方法，用鋼量相同時加固效果明顯優于傳統鋼板加固；針對極端情況(火災后)的管片結構，揭示了接縫密封墊的耐水性能，提出了采用槽鋼部件或鋼管混凝土部件的修復加固方法，驗證了其良好的修復加固效果。

4)針對地下結構性能演化與感控基礎理論集成應用。提出了盾構隧道服役性能指標(TSI)計算方法，研發了智慧基礎設施系統(iS3)平臺，以此為基礎，集成項目研究成果，在上海地鐵12號線天潼路—國際客運中心站進行示范應用，推動了創新成果切實落地，實現了 “從工程中來，到工程中去” 的科學創新研究。

致謝

為紀念南京工業大學劉偉慶教授，特以國家“973計劃”項目“城市軌道交通地下結構性能演化與感控基礎理論”課題負責人的名義，撰寫此文。在此特別感謝參與此項目的所有研究人員，同時感謝同濟大學陳慶副教授協助完成了本文的初稿。