日本铁路隧道病害和运维管理现状及对我国隧道运维技术发展的建议

王剑宏， 解全一， 刘 健， 小泉淳

(山东大学齐鲁交通学院， 山东 济南 250002)

0 引言

日本的铁路始于1872年新桥-横滨路段的开通，目前铁路总里程已超过25 000 km，其中隧道长3 968 km。日本最早的铁路隧道已经服役超过100年，如东海道线的清水谷户隧道建于1887年，至今仍处于健康服役状态(见图1)，然而，也有很多隧道发生了剥落掉块、开裂、渗漏水、变形等病害，严重影响了隧道的正常运行[1]。

图1 清水谷户隧道

一方面，日本曾长时期忽视对铁路隧道的养护，而采取"事后处治"运营维护(运维)模式，自1954年建立设施养护档案以后才开始实施养护管理，1956年发布的《土木结构养护心得(案)》为最初的行业标准，1974年发布的《土木结构更换指南》为铁路运维的正式标准，明确了"检查、诊断、措施与记录"的基本运维体系，提出了初期的 "预防型"运维模式，经多年逐步完善并形成了现在的铁路运维标准。进入21世纪以来，随着隧道老龄化问题日渐凸显，发生了多起衬砌掉块事故以及抗震性能不足等问题。为此，日本在2007年对铁路运维标准进行了改版，采用了基于结构设施性能的运维体系，细化了病害预测模型及综合了安全性、使用性与可修复性的结构性能评价方法[2]。

另一方面，日本在近20年内社会面临老龄少子化、运维现场技术人员不足等问题。2012年笹子隧道的顶板塌落事件引起了日本政府对基础设施运维的高度重视，并将2013年设为日本的"运维元年"，启动了"延长基础设施寿命的行动计划"[3]，并在国家科研项目"战略性创新计划(SIP)"(2014-2018年)中投入约150亿日元用于基础设施维护、更新、管理技术研究，通过"政府+产学研"合作方式，有效利用信息通信(ICT)、物联网(IOT)以及人工智能(AI)等前沿技术，推动设施运维技术的自动化与高端化发展[4]。

鉴于我国的隧道建设及运营管理情况[5-7]，本文在调研分析日本铁路隧道的病害情况、运维体系以及技术发展的基础上，探讨今后隧道设施运维体系与技术的发展方向，并建议重点研发一体化、自动化设备，快速维修加固工法以及智慧运维管理系统，以实现我国隧道设施的全生命周期成本(LCC: Life Cycle Cost)最低与健康服役寿命最长的目标。

1 日本的铁路隧道及病害

1.1 铁路隧道建设情况

日本的铁路隧道设施大多建造于二战以前以及战后的经济高速发展期。据日本《铁路统计年报》[8]，至2017年铁路隧道数量为4 924座，总长约3 968 km。其中，由日本铁路管理的部分约为2 462 km，民营与公营铁路约为1 506 km。日本铁路隧道建设情况如图2所示。

(a) 隧道数量与建设时期

(b) 隧道年龄

日本的铁路发展已有100余年。由图2可知，建设高峰期为1912-1942年与1956-1974年，隧道的平均年龄为68年，年龄超过50年的隧道占比高达70%。民营铁路自2012年以来增加了52座，而JR东日本铁路仅增加1座。北海道等地由于人口减少，铁路无法维持运营而被迫停运近10 km。东京地铁自1927年开通了第1条银座线，此后近50年内先后建成并开通了日比谷线、东西线、丸之内线、千代田线以及有乐町线； 但在1975-2000年的25年间，只开通了大江户线、半藏门线、南北线以及有乐町线的部分新线，地铁建设速度缓慢，每年增长5～8 km；2000年以后地铁发展基本停止，仅于2008年开通了1条18 km的地铁13号线(也称副都心线)。目前东京的地铁总长为304 km。JR东日本铁路隧道的施工方法以矿山法居多，占87%,明挖法占7%，盾构法占6%；东京地铁采用明挖法施工的隧道占65%，采用盾构法施工的隧道占35%。日本铁路隧道施工方法见图3。

(a) JR东日本铁路

(b) 东京地铁

1.2 隧道性能要求

为有效保障铁路运营安全，日本的铁路运维规范[9]明确规定了隧道设施的性能及具体要求。隧道性能一般包括安全性、使用性、可修复性(韧性)，具体要求如表1所示。

由表1可知： 隧道安全性能的要求事项最多，包括隧道结构安全与行车安全； 使用性能要求保障隧道内的设备能正常运行，表面污垢不能影响检查等； 修复性能要求隧道结构具有良好的韧性，在突发灾害时不会发生隧道倒塌等。

1.3 隧道病害类型与原因

隧道作为被围岩约束的圆弧形封闭结构，一般具有良好的安全性与稳定性，然而，当隧道遭受围岩偏压、地震等突发灾害、环境侵蚀以及材料自身劣化时，则会发生降低隧道性能的病害。隧道病害主要包括混凝土开裂、渗漏水、剥落掉块、冻害、钢筋锈蚀、材料劣化以及过大变形等。

表1 隧道性能及要求

按照施工方法和结构形式，对日本铁路隧道的病害进行分类，并分析其原因，结果如图4所示[9]。由图4(a)可知： 日本铁路隧道最常见的病害是剥落掉块、开裂和接缝张口、材料劣化和材质不良以及渗漏水；从隧道类型来看，发生病害最多的是素混凝土矿山法隧道，其次是砖石衬砌矿山法隧道、明挖法隧道。由图4(b)可知，隧道病害产生的原因以设计、施工为主，占40%，环境和材料劣化原因分别占27%和23%，而只有10%的病害是由外力变化引起的。

针对铁路隧道最大的病害--剥落掉块，日本国土交通省[10]调查了2012年1月1日至2014年9月30日期间发生的61次剥落掉块事件，发现其中水泥砂浆掉块最多。表2为剥落掉块分类及病害原因。

由表2可知： 结构主体混凝土发生剥落掉块10次，表面装饰水泥砂浆发生剥落掉块20次，表面维修水泥砂浆发生剥落掉块31次，这与矿山法隧道采用表面抹灰装饰及后来的水泥砂浆维修有关； 55.7%的剥落掉块是由渗漏水及冻融等环境引起的，3.3%的剥落掉块是由外力变化引起的，9.8%的剥落掉块与设计、施工有关，还有31.2%的剥落掉块原因不明，可能与材料劣化等有关。此外，通过分析隧道建设时期，发现剥落掉块与隧道年龄之间并没有必然关系。根据隧道病害类型及形成原因，可采取断面修复法、排水或封堵法、内衬加固法以及金属网粘贴法[9]等处治措施。

(a) 病害类型

(b) 病害原因

表2 剥落掉块分类及病害原因

2 铁路隧道维护管理

2.1 运维体系[9]

隧道设施的安全运行需要定期检查、健康诊断、维修加固等养护管理工作。1974年以前，日本铁路运维采取"事后处治"，随着老龄隧道的增多，养护费用逐年增加，以延长寿命为目标的"预防型"运维便成为基本体系，所有隧道的运营维护都必须遵照《铁路结构等养护管理标准》。铁路设施养护管理标准流程如图5所示。

图5 铁路设施养护管理标准流程

2.1.1 隧道检查

铁路隧道检查基本体系如图6所示，分为初始检查、定期检查、专项检查和应急检查，其中定期检查分为常规检查和特别检查。

图6 铁路隧道检查基本体系

初始检查是对新建、改建隧道所实施的检查,记录隧道初始状态作为运营管理的初始资料。定期检查需要全面把握隧道的健康状态，以判断是否需要专项检查，常规检查每2年1次，特别检查原则上对于新干线每10年1次，其他铁路不超过每20年1次。专项检查是针对健康度为A的设施实施的更加详细的调查，通常用于推断病害成因、精细判定健康度及决定维修加固措施。应急检查是在地震、大雨雪等引起的洪水、火灾等突发性灾害后所实施的隧道性能调查。此外，当隧道受邻近施工、地面施工等外界影响可能引发隧道病害时，也需要应急检查。

2.1.2 健康诊断

隧道健康诊断可采用定量分析法或半定量分析法，评定方法有单项评价法与综合评价法。定量分析法是利用劣化预测公式或数值分析的计算结果来判定健康等级，而半定量分析法是根据检查结果判断病害演变阶段(潜伏期、发展期、加速期及劣化期)，进而判定健康度。

根据裂缝、渗漏水、材料劣化、钢筋锈蚀、道床病害等多项评价结果，采用最严重等级作为隧道健康度的方法为单项评价法，而通过综合各项评定结果来确定隧道健康度的方法为综合评价法。一般情况下，对于重要的隧道设施还需要采用数值分析的方法，通过建立病害损伤模型，定量分析结构性能，评定健康度。表3为铁路隧道健康度分级与处治。

表3 铁路隧道健康度分级与处治

由表3可知，健康度根据隧道损伤、病害及危险程度来评定。

2.1.3 措施对策

对于健康度为A级的隧道，必须综合考虑隧道结构性能及对列车运行安全的影响，采取监视调查、维修加固、运行限制与更新改建等措施，具体可根据病害情况采取其中1种或多种措施。

维修加固可恢复与提高隧道的耐久性和承载力，具体方法包括防止材料劣化的表面处理法、处理剥落的断面修复法、防渗漏水的排水或止水法、防冻融的隔热保温法及抗外力的内衬加固法等。由于隧道外有围岩土体、内有轨道设备，维修加固作业困难，因此在工法选择上需充分考虑施工对象、作业时间及空间等要素。

2.1.4 记录存档

隧道的性能评价、病因分析、养护方案制定都离不开结构、材料、病害及其演变信息，因此，除了收集设计施工资料外，还必须及时记录每次隧道检查、诊断评价结果以及所采取的处治措施，并整理成档案长期保管。隧道建设资料包括勘察设计资料、地质调查结果、施工记录、邻近施工情况、降雨和气温等周边环境信息。运维记录需要描述衬砌状况以及有无病害、病害演变、措施效果等。对于裂缝、变形等需要记录测量时间、地点，并整理成图表。如今，为了提高记录的精确性，便于长期保管，大多管理单位都建立了运维管理信息数据库，可实现线上查询、现场记录及健康度判定等。

2.2 新技术发展应用及存在的问题

在基础设施运维方面，日本政府[3-4]提出了以下战略技术发展方向： 1)延长设施寿命的运维计划的制定方法； 2)应用ICT技术构建基础设施自动检查诊断系统； 3)维修加固的新材料和新工艺； 4)基础设施的综合管理系统。其中，结构加固工艺、碳纤维应用、资产管理方法以及自动化检测技术等都已在实际运维中得到应用。

2.2.1 自动检测技术的发展应用

近20年来，日本发展了多种可替代人工目测与锤击听音检查的自动检查设备和管理系统[11-14]。例如： JR东日本铁路[13]1999年采用第1台移动式激光检查设备--隧道衬砌表面摄像车(TuLIS: Tunnel Lining Scanning Car)(见图7(a))； 2004年采用隧道衬砌检测车(CLIC： Concrete Lining Inspection Car)(见图7(b))。TuLIS是通过高感光传感器检测隧道壁面上反射的微弱激光并转化成256色数字图像，沿隧道方向连续叠加组合形成清晰的隧道内表面图像(见图8)。JR东日本铁路于2020年1月在新干线隧道采用第4代新型TuLIS，可同时获取隧道表面精度为1 mm的2D画像和3D形状数据，并通过激光反射拍摄，大大提高了衬砌表面凹凸及裂缝画像的清晰度。此外，检测速度也由原来的8.5 km/h提高到了20 km/h。CLIC是利用电磁雷达通过16个发射天线与16个接收天线组合成256种电磁波对混凝土内部进行三维探测，可以3.5 km/h的速度精确检查衬砌内部的空洞、剥落等病害。

在信息数据管理方面，JR东日本铁路于2008年采用土木隧道管理系统(MARS： Maintenance Assistant system for Railway Structures)，实现了检查结果(包括病害照片和图纸)、设计、施工、维修加固措施等资料的数据化。同时，该系统还具有制定检查、运维计划的功能。但考虑到现场的复杂性，隧道检查仍以专职技术人员检查为主，2014年JR东日本铁路还规定隧道检查队伍必须由隧道结构专家带队，作为辅助检查，每5年利用TuLIS与CLIC进行检测，并将衬砌混凝土表面和内部状况的检查结果上传到"MARS"，实现信息数据的一体化管理。

(a) 衬砌表面摄像车(TuLIS)

(b) 衬砌检测车(CLIC)

图8 衬砌表面激光扫描图像 (单位： mm)

2.2.2 智能化技术的发展应用

2016年，日本在"未来科学技术发展规划"中提出未来社会的新模式Society 5.0： 通过发展IOT及AI技术，以融合网络虚拟空间和现实物理空间。IOT技术在应变测量、病害监测等方面，AI技术在大数据、图像分析、病害识别以及性能预测等方面得到了发展应用。其中，裂缝识别采用AI技术已经处于实用阶段，FUJIFILM公司于2018年开始提供线上服务。此外，还有利用AI技术分析敲音数据来诊断混凝土空鼓[15]。然而，大多数AI技术的应用还处于研究初期阶段，2019年JSCE与SIP共同发布的《基础设施运维管理中的AI技术应用调查报告》[16]明确指出，目前的AI技术只是运维的一种辅助手段，真正满足工程应用还需要解决以下问题： 1)怎样在设施维护管理中正确应用AI技术解决实际问题； 2)如何利用具体实例展示AI技术在运维中的应用方法； 3)如何解决AI技术中的大量不确定要素和数据不足等诸多问题。总之，对于AI技术工程应用，从实际工程角度构建AI算法模型尤为重要。此外，在数据不足的情况下，如何解释结果的正确性及合理性也是AI技术应用面临的一大问题。今后，随着IOT及AI技术的发展，期待能解决以上应用难题，推动运维体系由"预防型"向更合理的"预测型"转型，实现低成本高效运维。

2.2.3 隧道运维中存在的问题

隧道维护管理应根据使用功能及结构类型进行统一检查，同类隧道的建设及养护信息的共享有助于性能评价、健康诊断、病因推断及措施制定。但目前隧道运维中存在以下问题[17]： 1)由于各管理单位条件的差异，导致相同条件下同类隧道的运维无法统一； 2)虽然自动化检测技术很多，但因成本过高或未达到标准要求，只能作为辅助检查手段服务于部分隧道； 3)运维技术的提升需要大量的隧道病害、破坏等数据积累，但很多信息因保密无法实现资源共享； 4)运维技术人员、隧道专业人才不足及人才老龄化严重等。这些问题不仅阻碍了运维技术的高质量发展，也影响了整个运维成本和质量。

3 我国隧道运维技术的发展建议

截至2019年年底，我国投入运营的铁路隧道总长已超过18 041 km，公路隧道总长18 966.6 km，运营轨道交通总长6 736.2 km，其中地铁总长5 180.6 km[18-19]。为保障隧道的安全运营，亟需研发相关运维技术，建立以全生命周期成本与性能为控制指标的"预测型"运维体系。考虑到基础设施规模大、涉及问题复杂，需要通过多学科融合交叉，与建管部门联合组建产学研团队开展系统性的运维体系及相关技术研究。

3.1 发展一体化运维技术

3.1.1 多功能一体化检测

近些年，国内外开展了很多隧道自动化检测技术研究，主要是利用数码摄像、激光扫描、红外线等非接触式无损检测技术，实现隧道裂缝、漏水、剥落掉块等病害的无损自动检测[6-7，11-14，17]，但是各检测技术单独应用往往导致成本过高，亟需组合各种技术形成一体化检测技术。例如，可通过组合图像识别裂缝技术和基于光学模块激光扫描仪检测裂缝大小来形成高效的一体化裂缝检测技术。此外，随着数字图像、激光击振等无损检测技术的成熟，以及高精度AI技术的发展，期待研制多功能一体化的检测系统，实现全自动高精度检查，以提高效率，节省运维成本。

3.1.2 检查、诊断及维修一体化

受铁路运行时间与隧道空间制约，亟需研发集病害检查、性能诊断与现场维修于一体的检修技术设备。一体化的检修设备研究在国外已有开展， 例如日本RIKEN与多家单位共同研发了利用激光扫描检测外观、激光打击检查内部缺陷以及激光切割处治剥落混凝土的一体化隧道检修系统[20](见图9)。该系统的激光扫描仪基于时间延迟积分原理，通过在行驶中投射条形激光和采集反射光进行测量，在时速为30 km/h的条件下分辨率可达200 μm。激光打击检查设备是通过干涉原理来增强激光能量实现"激光打击"，其打击速度可比传统的手动锤击快20倍。现场维修是利用高强激光切除裂损剥落的水泥或混凝土块，实现对剥落掉块的处治。

图9 检测诊断与整治一体化装置[17]

3.1.3 信息数据的一体化管理

设计施工及运维信息的数据化、一体化管理系统对于隧道的信息存储及数据获取尤为重要。以往隧道的信息数据多以纸质资料的形式保存，首先需要读取图纸信息并进行数据转化，其次收集并传送现场检测、监测数据，实现数据信息一体化，最终由控制中心统一管理。建立多端共享的一体化信息管理系统也是实现智慧运维的必要条件。因此，应对每座隧道建立数据信息档案，包括隧道的设计施工资料以及养护与维修记录等数据，实现整个线路信息数据的一体化管理。

3.2 研发快速维修加固技术

维修加固措施对于保障铁路隧道正常运行、延长隧道寿命尤为重要，因此，亟需研发基于隧道结构及病害类型的、快速可靠的维修加固技术。

针对隧道主要病害，通过借鉴日本最新的维修加固新工艺及新材料[21]，可开展如表4所示的快速可靠的维修加固技术研究。对于通常发生在施工缝、接缝及开裂部位的渗漏水病害，在建设阶段可采用改性沥青或橡胶止水带、遇水膨胀橡胶条等密封材料进行防水，在运营阶段可采用嵌填或压注水泥砂浆或环氧树脂粘合剂进行防水。封堵止水材料有水泥基浆液和化学浆液，其中环氧树脂类、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺类等化学浆液因具有良好的填充性和抗渗性以及胶凝时间易控制等优点被较多采用。

表4 快速可靠的维修加固技术

对于衬砌剥落，可采用网锚喷或素喷加固等措施。若病害严重影响隧道安全，可根据拱顶与拱腰裂缝宽度、错台量、裂纹交织、拱顶压碎、衬砌脱落以及结构变形等情况，选择锚喷网支护、钢衬支护、加筑套拱内衬、预制管片等方法进行内部加固，也可通过注浆改良围岩为隧道提供稳定的外部支持。图10示出日本隧道工程加固实例[22-23]。

(a) 山岭隧道的修补法--钢板内衬[19]

(b) 盾构隧道加固法--钢制梯形管片[20]

隧道结构加固设计一般采用极限状态设计法，通过分析既有结构的受力状态可大大提高加固设计的合理性。此外，隧道维修加固技术的研发，需要综合考虑隧道空间、隧道性能要求、列车运行等条件以及加固后的隧道寿命、全生命周期成本，重点研发快速可靠的新工艺以及新型高效补强材料，如修补混凝土表面的高耐久性涂料、复合碳纤维布与粘贴胶以及可自修复的功能性材料等。

3.3 开发智慧运维管理系统

未来，隧道运维将会成为我国隧道工程必不可少的工作，亟需开发智慧运维管理系统进行隧道建设与运维数据信息的管理、性能与成本的评价预测以及养护方案的优化等。运维管理系统必须具有以下主要功能： 1)根据隧道性能要求建立详细的管理指标； 2)制定可靠的"预测型"运维管理体系； 3)确立有效的病害检查手段与实施时期； 4)反演病害成因、评价性能及成本； 5)制定合理的维修加固措施。

日本学者多年来一直致力于研发智慧运维系统[13，23-24]，如JR东日本铁路的"MARS"，首都高速的"i-Dreams"系统等。图11为"预测型"运维管理系统概念图[25-27]。通过该系统可实现设计、施工、运营养护信息的收集和全生命周期成本及性能的预测，并可基于隧道性能合理与全生命周期成本最低原则优化养护方案。其中，多维智能模型是利用GIS、BIM和三维激光扫描等技术构筑地层与隧道的三维模型，必要时可自动生成有限元模型进行结构性能同步分析评价。考虑到隧道设施的安全与运维经济性，基于结构病害-性能退化-结构破坏机制进行隧道结构性能评价，然后评价预测全生命成本进行养护方案优化，并通过智慧运维管理平台指导隧道养护。由于铁路隧道的设计安全系数较大，隧道也多采用耐久性较好的混凝土材料，大多数隧道在长期服役中仅有局部区段发生病害。因此，调查分析隧道的主要病害位置及特征，明确养护管理的重点，是实现运维的经济合理性、降低设施养护成本的有效方法。

图11 智慧运维管理系统概念图

Fig. 11 Concept drawing of intelligent operation maintenance management system

4 结语

本文系统调研了日本铁路及轨道交通隧道的建设及运营维护现状，分析隧道检查、诊断、维修加固及记录等方面的问题，并结合我国基础设施建设速度快、规模大的特点，探讨了我国未来隧道运维技术的研究发展方向。

日本铁路隧道老龄化严重，2017年隧道的平均年龄为68年。日本铁路隧道病害主要有剥落掉块、开裂、劣化、渗漏水等，其中约40%的病害与设计施工有关，27%的病害与环境有关、23%的病害与材料有关。鉴于日本的经验，我国的隧道建设应该在设计水平和施工质量上加以提高，以避免大规模隧道病害的发生。日本铁路隧道的运维采用 "预防型"体系，检测技术也从传统的人工目测、锤击听音与纸面记录向自动化、高速化、数值化和智能化方向发展，但仍以具有隧道结构专业知识和经验的专家技术人员为核心，说明运维的本质是隧道结构问题。

考虑到我国隧道数量多、规模大，基于多年运维方面的研究，建议构建以全生命周期成本与性能为控制指标的"预测型"运维新体系，发展一体化运维技术设备、快速维修加固技术以及多功能智慧运维管理系统，构建与我国隧道大国相适应的低成本及高效实用的运维管理系统。