红外热成像技术在盾构隧道中的应用

□□ 李文婷，王 英，梁本亮，查珑珑 (上海师范大学建筑工程学院，上海 201418)

引言

随着世界经济的不断发展，城市化水平迅速提高，城市规模正不断扩大。城市成为世界各国、各地区的政治、经济、文化发展中心。为了把城市建设成为环境优美、交通快捷、生活便利的人类聚集地，人们不得不开发利用一切可以利用的有限空间，尤其是地下空间，以建设给水、排水、能源、交通等地下隧道。然而，随着地下空间的开发利用，越来越多的地下结构由于使用过程中的过量不均匀变形而导致的渗漏水病害，对地下结构本身及其周围环境的影响也愈加严重。

本文通过研究建立红外热成像技术图像与隧道内表面渗漏水类型的量化关系，将红外热成像技术创新性地应用于地铁隧道渗漏水病害的检查、评估和维护过程，探索了高效的渗漏水检查和质量评定的新技术和方法，以期为轨道交通隧道结构渗漏水病害的治理和结构的安全鉴定提供依据。

1 红外热成像技术研究与实践概况

1.1 研究概况

红外热成像无损检测技术是近年来发展起来的新型无损检测技术，作为一种非接触、非破坏及直观的检测技术，广泛应用于航天航空、机械、电力、医疗等领域，成为保证产品质量和安全运行的重要手段。其基本原理是:探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像。利用热成像仪测定目标本身与背景之间的红外线差，便可以得到不同的红外图像。由热红外线形成的图像称为热图像，目标的热图像与目标的可见光图像不同，它不是人眼所能看到的目标可见光图像，而是目标表面温度分布图像。

1.2 实践概况

上海市金山海水引水工程中的盾构隧道，在地下动水压力的作用下，下卧土层的水土流入隧道，隧道随之产生纵向沉降和弯曲，导致环向接缝进一步张开和水土流失增加，最终导致破坏性纵向变形和破坏性横向受力状态，最大相对不均匀沉降达到18 cm，横向直径变化最大超过10 cm。

上海市地铁1号线于1995年4月正式建成投入运营。经过长期的变形监测发现，隧道在长期运营中产生的沉降及不均匀沉降相当大，许多隧道段的沉降和不均匀沉降一直在发展，而且没有收敛的趋势。至2001年底，人民广场站－新闸路站之间的区间隧道最大累计沉降量超过200 mm;黄陂南路站－人民广场站之间的区间隧道差异沉降量近100 mm。过大的不均匀变形已导致隧道的接缝出现了越来越多的渗漏水病害，而渗漏水的发展又加大了隧道的沉降量。因此，盾构隧道渗漏水病害不仅影响隧道的防水性能，而且其长期发展有可能威胁到隧道结构和地铁运营的安全。

根据GB 50108—2008《地下工程防水技术规范》的规定，盾构隧道工程防水设计等级为2级。即其防水要求为:不允许漏水，结构表面可有少量湿渍。总湿渍面积不应大于总防水面积的2/1000;任意100 m2防水面积上的湿渍不超过3处，单个湿渍最大面积≤0.2 m2;其中，隧道工程还要求平均渗漏水量≤0.05 L/(m2·d)，任意100 m2防水面积上的渗漏水量≤0.15 L/(m2·d)。由此可见，湿渍面积、湿渍数量和隧道的渗漏水量是衡量隧道渗漏水状态是否满足设计要求的重要指标。

在工程实践中，渗漏水量的确定方法一般有以下3种:

(1)在有流动水的隧道内设集水井(多为最低处)，进行积水量检测。其计量方式是积水池中水位升高部分的水量，即漏水体积量。

(2)在有流动水的隧道内设贮水堰，进行积水量检测。

(3)湿渍与漏点的检测与换算。

尽管渗漏水量实测方法对于评价运营隧道的渗漏水具有重要意义，但渗漏水量实测方法工作量大，不易操作。因此，对湿渍面积和湿渍数量的统计和分析，就成为当前隧道渗漏水评估的最经济与高效的方法。但由于目前维保中心采用先现场拍照与描述，然后再分析统计渗漏水面积的人工操作模式，不能满足上海425 km轨道交通的大量区间隧道的渗漏水评估要求。

目前，在隧道渗漏水病害检查工作中，一般将渗漏水表象分为以下4种:

(1)湿渍。指隧道管片内表面呈现明显色泽变化的潮湿斑。

(2)渗水。指水渗入管片，导致管片内表面水分浸润。

(3)滴漏。指水渗入管片，水量达到一定程度时，从上方滴落。

(4)漏泥沙。指因渗水通道扩大或防水失效，渗水量增加，同时夹带泥沙。

盾构隧道在运营阶段其渗漏水状况的检查、分类和分级，是渗漏水分层次、分次序进行治理维护的前提和基础。

2 隧道渗漏水红外热成像研究技术路线

将红外热成像技术应用于运营阶段盾构隧道的渗漏水病害检查，是一种高效的渗漏水检查和质量评定的新技术和方法。通过热图像的温度分布确定渗水病害的类型和渗水面积，可以提高渗漏水检查和质量评定的质量和速度，为运营隧道渗漏水病害治理计划的制定提供依据，不仅对隧道结构的运营维护具有重要意义，而且对地铁的安全运营同样也具有重要意义。

依据研究方法和技术路线，将红外热成像技术创新性地应用于地铁隧道渗漏水病害的检查、评估和维护过程在技术上是可行的。

对隧道结构渗漏水病害的摄像、拍照与红外热成像，采取实验室模拟分析、理论分析及现场实测分析相结合的方法进行研究。具体内容如下:

(1)隧道结构内表面渗漏水摄像、拍照与红外热成像图像的模拟对比试验研究。

(2)隧道结构内表面渗漏水红外热成像技术适用性及分辨率分析研究。

(3)建立隧道结构内表面渗漏水红外热成像技术定量分析方法。

(4)建立隧道结构内表面渗漏水红外热成像技术分类方法。

(5)隧道结构内表面渗漏水病害分级方法研究。

(6)隧道结构内表面渗漏水红外热成像技术实测研究。

需解决的几个关键问题如下:

(1)建立红外热成像技术图像与渗漏水病害的几何关系。

(2)确定隧道结构内表面渗漏水病害的量化技术。

(3)建立隧道结构内表面渗漏水病害的拍摄位置、角度与距离对渗漏水量化的影响关系。

(4)建立基于红外热成像技术的隧道结构内表面渗漏水病害风险分级方法。

3 研究方法及试验方案

3.1 研究方法

通过地铁隧道结构的室内模拟试验、现场实测和理论研究等方法，建立红外热成像技术图像与渗漏水病害的几何关系，确定隧道结构内表面渗漏水病害的量化技术，并据此建立基于红外热成像技术的隧道结构内表面渗漏水病害的检查、评估方法。

对隧道结构渗漏水病害的摄像、拍照与红外热成像，采取实验室模拟分析、理论分析与现场实测分析相结合的方法进行研究。

(1)通过对隧道结构渗漏水病害的空间特征与摄像、拍照和红外热成像图像的对比分析，建立隧道结构渗漏水病害红外热成像技术定量评定的试验模型。

(2)通过理论研究，确定红外热成像技术图像定量分析隧道结构渗漏水病害的理论模型。

(3)提出基于红外热成像技术图像的隧道结构渗漏水病害分级方法。

(4)通过现场实测，考察红外热成像技术图像定量分析隧道结构渗漏水病害的理论模型与分级方法的适用性。

3.2 试验方案

(1)在实验室对隧道模型渗漏水病害的空间特征与摄像、拍照和红外热成像图像的特征进行分析，研究其分布规律。

(2)在实验室对隧道模型的各种渗漏水病害类型的红外热成像图像进行对比分析，研究各自的分布规律和特征。

(3)在现场采集隧道结构渗漏水病害的红外热成像图像，分析其分布规律。

4 结语

通过研究建立红外热成像技术图像与隧道内表面渗漏水类型的量化关系，将红外热成像技术创新性地应用于地铁隧道渗漏水病害的检查、评估和维护过程，对于轨道交通隧道结构渗漏水病害的治理、结构的安全和地铁的正常运营均具有重要的现实意义。

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