隧道醫生“醫技”卓越

文/同濟大學 桑運龍

獲獎等級：特等獎

項目名稱：公路隧道病害快速精準感知與處治技術及裝備

截至2021年底，我國運營公路隧道23268座、總長24699公里，位居世界第一。但是隧道襯砌開裂、滲漏水、剝落等病害問題嚴重，安全隱患突出。針對隧道規模大、病害多、檢測任務重的現狀，傳統手段效率低、精度差，難以及時全面發現和準確評價病害。任隧道病害發展最終將導致隧道結構掉塊、失穩、突水等災變，威脅交通安全。病害快速檢測、精確診斷和精準處治已成為隧道結構運營安全面臨的首要難題和行業的迫切需求。

“公路隧道病害快速精準感知與處治技術及裝備”項目組綜合運用理論研究、數值模擬、物理試驗、裝備研發和現場測試等手段，歷經10余年攻關，構建了“全斷面快速檢測-服役性能精確診斷-病害精準處治”成套技術體系，積極響應了公路隧道“高效綠色科學養護”的行業需求，成為行業內有口皆碑的“隧道醫生”。

“醫術”精湛

←公路隧道病害快速精準感知與處治技術整體思路

隧道運營過程中，受環境、施工、設計等因素影響，結構會出現不同程度的變形、病害問題，導致其服役性能降低。覆蓋我國2200公里隧道的檢測結果顯示，平均每公里發育43處裂縫、17處滲漏水，輕微破損和中等及以上破損的隧道占比80%。病害已成為隧道服役性能衰退的“頭號元兇”，嚴重威脅結構及交通運行安全。加強隧道養護，及時發現病害、準確評價病害、分類處治病害，從根本上消除結構安全隱患，是維護交通安全和保障民生的重要手段。在隧道運營規模大、結構病害多、檢測任務重的背景下，隧道養護關鍵技術及裝備研發成為行業關注的重要問題，但也面臨著傳統檢測手段效率低、精度差；傳統定性、半定量評估方法難以準確把握病因和病情；病害分類處治缺乏理論支撐與技術等突出問題。

項目組立足“高效綠色科學養護”的行業需求，深入研究隧道結構病害快速檢測、精確診斷和精準處治等關鍵技術，成功研發了公路隧道病害快速精準感知與處治技術及裝備。

全斷面快速檢測裝備和病害自動識別系統 解決養護檢查難題

針對同類檢測技術在圖像采集、測量定位精度、病害識別結果等方面面臨的諸多問題。項目創新性地提出了“由表及里”的病害綜合、全面檢測思路，采用“一次性全斷面采集圖像+隧道內特征物校準定位+病害自動識別”的組合方案解決表觀病害快速檢測難題；采用“非接觸式”的方案解決淺層病害快速檢測難題；并采用三維數字化和高精度定位技術解決病害信息比對、可視化表達的問題；最后通過裝備、系統的研發，形成全斷面快速檢測技術，為病害診斷與處治提供全面支撐。

為破解隧道表觀病害快速檢測的難題，項目研制了適用于復雜隧道環境的高功率低熱阻紅外補光裝置，提出紅外補光的襯砌表觀病害全斷面快速采集技術和基于材質-照度-拍攝角度-距離等多因素自適應修正的病害特征智能識別方法，開發了病害自動識別系統，裂縫寬度識別能力由0.2毫米提升至0.1毫米，病害自動識別率大于95%；針對隧道結構保護層潛在剝落、鋼筋銹蝕等病害，提出基于紅外熱成像的非接觸快速檢測新思路，揭示了隧道結構淺層病害的熱傳導效應和脈沖激光激發表面波在混凝土中的傳播特征，創建了潛在剝落和鋼筋銹蝕狀態的紅外探測方法，以及襯砌裂縫深度非接觸激光超聲檢測方法；建立了隧道“受限空間內環向激光掃描-縱向編碼器測量-圖像特征校準”的融合定位模型，實現了環向毫米級、縱向厘米級定位；研制的高功率低熱阻紅外補光裝置、納秒級相機陣列同步控制系統、變形移動檢測系統，集成開發紅外光源成像的一次性全斷面檢測裝備，填補了一次性全斷面快速檢測的國際空白，實現80公里時速下隧道結構病害的高精度、無干擾快速檢測。

← 隧道全斷面快速檢測車

← 基于數字模型的隧道結構服役性能精確分析

← 多層次均勻化的電沉積修復多相復合材料細觀力學分析方法

隧道結構服役性能精確診斷方法及智能分析平臺 解決病情診斷難題

準確評價病害是掌握結構服役性能、合理處治病害的關鍵所在，具體包括病害成因分析、病害對隧道結構承載影響兩部分。為彌補當前國內分析工具匱乏，僅以服役性能定性評估為主的不足，項目組建立了“病害成因快速判別-病情精確評價”的技術體系。

為解決病害準確評價難題，項目結合海量現場檢測數據、物理試驗成果，揭示了隧道結構損傷演化機理與變形破壞特征，建立了基于結構變形與病害形態特征的裂縫成因快速判別方法，提出了結構病害發展演化的圖像實時監測技術，監測精度達1毫米；探明了裂縫對隧道結構剛度影響的規律，建立了裂縫單元彈簧剛度的計算模型，提出了裂縫、剝落等結構病害的有限元精細模擬方法，制定了“帶病”結構服役性能的多指標定量評價標準；提出了結構外力的動態增量混合優化反演方法和圍巖力學行為模擬的修正廣義三維H-B破壞準則，開發了自動判別隧道病害成因和精確診斷服役性能的智能分析平臺。

公路隧道病害精準處治關鍵技術 解決病害處治難題

準確診斷病情后“對病下藥”，是從根本上消除結構安全隱患、保障隧道健康服役和運營安全的重要手段。但是，當前加固時機、加固措施及設計參數多是依據經驗確定，缺乏適用于公路隧道加固結構的計算方法，同時也沒有輕微破損的微創修復技術。鑒于此，項目組提出了輕微破損、中等破損和嚴重破損結構分類精準處治的技術思路。

為攻克病害分類處治難題，項目通過大量試驗、數值仿真和現場測試等手段，揭示了公路隧道套拱、黏鋼等加固結構損傷演化機理和加固效果，提出了公路隧道不同服役狀態的合理加固措施與時機；建立了公路隧道加固結構的力學計算模型和承載力計算方法，成果已納入行業標準《公路隧道加固技術規范》（JTG/T 5440-2018）；針對輕微破損，建立了地下混凝土結構微損傷電沉積自修復的隨機細觀力學分析方法與多物理場仿真模型，揭示了結構微損傷電沉積自修復的微細觀物理力學機制及“工藝參數-沉積產物-修復效果”之間的量化關系，創建了地下混凝土結構的微損傷電沉積自修復技術。

實力強大

項目形成了隧道病害“快速檢測”“精確診斷”“精準處治”成套技術成果，通過室內外測試、第三方機構認證、大量工程實踐應用，檢測技術指標的可靠性與先進性、評價方法及平臺分析結論的有效性、加固處治的效果已得到充分的論證。

在項目研究團隊的不懈努力和持續攻關下，所有技術成果已順利實現轉化，轉化率達100%，不僅推出了公路隧道快速檢測車（TDV-H2000）、結構病害智能識別分析系統（2020SR1217800）、服役性能智能分析平臺（2019SR1450211）等產品，成果還被納入相關標準規范，如行業標準《公路隧道加固技術規范》（JTG/T 5440-2018）、產品標準《公路隧道檢測車》（T/CECS 10024-2019）、團體標準《公路隧道襯砌結構快速檢測規程》（T/CECS G：J61-01 2021）、《混凝土結構耐久性電化學技術規程》（T/CECS 565-2018）、《在役公路隧道長期監測技術指南》（T/CHTS10021-2020，）引領技術發展、推動標準化進程。

檢測方面，項目提出了全斷面檢測的新方案，相比現有技術檢測效率提高了1倍。病害自動化識別程度、識別精度和效率更高，裂縫寬度識別能力由0.2毫米提升至0.1毫米，首次滿足隧道結構耐久性指標檢測的要求。病害定位更精準，采用“全斷面一次性同步采集+融合定位校準模型”，規避了兩次或多次采集的錯位問題，縱向定位精度達厘米級，且洞內行駛次數少，可實現不可見光采集圖像，消除交通安全隱患，競爭力遠超同類技術。

診斷方面，項目構建了“病害跟蹤-病因快速分析-病情精確診斷”的技術體系，系統性更強；病害跟蹤方面，保證監測精度、效率的同時，有效控制了成本；病害影響診斷方面，開發了國內知名的“同濟曙光軟件”產品，打破了國外技術壟斷，國內商業用戶484家。

處治方面，項目形成了我國公路隧道的加固設計理論，納入國家行業標準，直接指導國內隧道工程的養護加固維修工作；創建了新型的裂縫微創修復技術，有效規避了常規方法修復效果差、鉆孔二次損傷的缺陷，競爭力強勁。

前景廣闊

項目研究成果已在貴州、江西、廣東、浙江、福建、甘肅、河北等地共計16省份獲得了大范圍推廣應用。截至2021年，項目成果已累計服務于單洞隧道3570座，單洞總長3963公里的檢查診斷工作，及時發現27.35萬處病害，其中19.049萬條裂縫、48146處滲漏水、34878處剝落，及時發現57座嚴重破損狀態的隧道并有效指導了加固設計工作，如隴首一、南石壁、小朋坡、槽箐頭等隧道；自主研發的同濟曙光巖土及地下工程設計與分析軟件及數字化養護管理系統，覆蓋國內超過70%的省級及以上公路隧道設計單位。成果應用以來，近3年新增產值2.7億元，節省成本2.6億元。

我國交通隧道規模不斷擴大，為實現科學養護，快速檢測和精細化診斷隧道結構服役狀態是必然趨勢，市場需求巨大。項目突破了快速檢測、“帶病”結構精細診斷和精準養護面臨的諸多瓶頸難題，形成了公路隧道結構病害快速精準感知與處治成套技術及裝備，競爭力強勁，不僅可以應用于公路、城市軌道交通領域，還可進一步推廣至鐵路隧道領域，應用前景良好。

上海同巖土木工程科技股份有限公司

上海同巖土木工程科技股份有限公司成立于2003年，是上海地下基礎設施安全檢測與養護裝備工程技術研究中心建設單位，同時，也是同濟大學土木信息技術教育部工程研究中心的建設單位、中國智慧基礎設施聯盟暨全球智慧基礎設施研究中心建設單位之一。

擁有CMMI3認證、ISO9001質量體系認證、知識產權體系認證、電子與智能化專業資質、甲級測繪資質、勘察資質。截至2021年12月，公司擁有知識產權150項；主參編行業標準、團體標準15項；旗下的“同濟曙光”系列產品已遍及全國，成為國內外知名的巖土及地下工程專業軟件品牌。

公司多次獲得國家、地方科技創新扶持基金，同時，獲評楊浦區科技小巨人企業、勞動關系和諧企業等稱號，先后獲得上海市技術發明獎一等獎、科學技術進步獎一等獎等榮譽。公司擁有教授級研發團隊，員工先后獲得“上海市人才”“上海市優秀技術帶頭人”等。

公司以基礎設施建設運營關鍵技術、數據采集裝備及平臺研發為核心，涉及公路工程信息化、軌道交通信息化、同濟曙光檢測車、核電安全、智慧城市、健康監測、同濟曙光軟件、工程咨詢八大主體業務。