城市轨道交通地下结构性能演化与感控基础理论综述

朱合华，王曙光，彭立敏，黄宏伟，朱宏平，吴 波，白廷辉

(1．同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 211800；3. 中南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410083；4.华中科技大学 土木与水利工程学院，湖北 武汉 430074；5.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 511442；6.上海申通地铁集团，上海 201102)

城市轨道交通对缓解交通压力、便捷市民出行、改善城市结构、提升城市整体形象和竞争力具有重要意义[1]。近年来，我国大量城市的轨道交通已建成并投入使用，至2020年底，我国大陆地区共有45座城市开通城市轨道，运营里程7 969.7公里，运营车站达4 681座[2]。轨道交通已成为城市交通的主动脉，其结构健康服役的重要性日渐突出。一方面，在内外因素的共同作用下，城市轨道交通地下结构受力状态会发生变化，性能逐步退化；另一方面，我国轨道交通建设速度迅猛，结构施工质量难免存在一定程度的缺陷，且结构损坏后不易或不可更换，给轨道交通地下结构健康服役状态的判断和预知控制带来了极大困难[3-5]。具体而言，城市轨道交通地下结构在服役过程中长期处于复杂的物理-化学-力学条件下,各种内外环境均会对其材料性能和全寿命产生重要的影响，导致地下结构性能演化机制难清[3]；同时，城市轨道交通地下结构为超长线状地下结构,在服役过程中受各种因素的影响而逐渐出现病害，其结构性能随之不断劣化，健康状态极其难知[4]；而且，城市轨道交通地下结构常处于地下水赋存环境中，导致传统方法难以有效修复或者加固损伤的地下结构，使得地下结构损坏后极其难修[5]。

为了解决地下结构性能演化机制难清、健康状态难知以及地下结构损坏极其难修等工程科学难题，2011年，“城市轨道交通地下结构性能演化与感控基础理论”获国家“973计划”立项。项目由同济大学、华中科技大学、中南大学、华南理工大学、南京工业大学和上海申通地铁集团有限公司共同承担，共设置动态服役环境中地下结构材料全寿命期性能演化机制、地下结构性能与环境耦合作用机制、超长线状地下结构状态智慧感知理论与方法、动态时空环境效应下的地下结构健康诊断与服役性能预知理论、地下水环境下的结构智能自修复与加固理论、地下结构健康服役的数字化保障与控制体系6个课题，同济大学朱合华为项目首席科学家，南京工业大学刘伟庆、中南大学彭立敏、同济大学黄宏伟、华中科技大学朱宏平、华南理工大学吴波、同济大学朱合华和上海申通集团白廷辉分别为第1—6课题负责人。经过5年多共同努力，项目团队揭示了动态时空环境效应下的地下结构性能演化机制，发展了超长线状地下结构状态智慧感知与评估理论，并建立了地下水环境下的结构自修复机制与自适应控制理论，在地下结构全寿命期性能演化多尺度模型与预测方法、超长线状地下结构的智慧感知与损伤识别方法、地下结构管片的混凝土自修复与加固方法以及地下结构健康服役的数字化保障与控制体系4个方面取得代表性成果。

1 地下结构全寿命期性能演化多尺度模型与预测方法

1.1 地下结构材料多尺度本构和性能劣化模型

混凝土材料微观结构在空间上具有明显跨尺度属性，在时间上具有显著演化发展特征，既有研究主要集中在微观材料组分随时间的变化及其体积分数对宏观材料性能的影响，对微观组分(如细砂、骨料)粒径、形状和空间位置的随机分布考虑不足。Zhang等[6]和Guan等[7]考虑骨料的形状、粒径分布和空间分布的随机性，能高效考虑界面区的影响；尺度跨越具有双向性，既可以分析微观结构特征对宏观性能的影响，又可以描述微观结构对宏观荷载的响应，从微观、细观、宏观层次探究了城市轨道交通地下结构材料性能形成机制和复杂环境下服役性能的劣化机制(图1)，并基于均匀化理论建立了分析混凝土早期性能的多尺度模型[7]。

图1 地下结构材料多尺度本构模型[6-7]

图2 混凝土三维孔隙实时模型[8]

图3 侵蚀过程的产物填充孔隙[8]

1.2 隧道管片、接缝性能演化计算模型

针对地下结构的现状，既有研究考虑因素单一，缺乏对多因素耦合作用机制及其对结构性能影响的研究，与地下结构所处实际环境联系不够紧密，相关模型难以直接用于地下结构工程实际。Lei等[12-13]发明了能真实模拟侵蚀环境、动静荷载、边界状态的隧道衬砌结构性能试验装置与方法，揭示了在结构荷载、材料损伤、环境变异和基底状态等因素作用下隧道结构耐久或疲劳损伤性能演化机制，构建了侵蚀环境-动静荷载-边界状态耦合条件下隧道衬砌结构全寿命服役性能分析理论框架和计算方法，为多因素耦合下结构全寿命期性能分析提供解决方案。

针对管片接缝，既有研究没有把接头在服役周期内的性能劣化与抗渗能力结合，没有考虑接缝接触压力和接触状态等多因素的耦合作用。Shi等[14-15]结合考虑管片接缝的接触应力和变形状态，发明了盾构管片接头抗渗性能试验装置与方法，揭示了在考虑橡胶密封垫老化及接头张开错台变形特征下的盾构隧道管片接头抗渗性能演化机制，提出了接缝防水材料的时变本构模型及接缝应力-耦合渗流分析模型，建立了盾构隧道接缝防水性能的优化控制设计方法。

1.3 隧道结构损伤缺陷计算分析理论与方法

针对隧道结构的损伤缺陷计算，既有无网格类方法的形函数计算需要大量的矩阵相乘、求逆等运算，计算代价大、公式复杂；插值函数一般为有理函数，不是多项式，数值积分困难；插值点的影响域选择具有一定随意性，无严谨的取值规则；位移边界直接施加困难，极大地制约了无网格方法的进一步应用与发展。Cai等[16-17]、Wu等[18]和Zhuang等[19]针对多种综合因素共同作用下，隧道结构损伤缺陷等承载力及安全评估的工程和科学难题，创新发展了新的独立覆盖无网格分析理论方法(ICMM)，在独立的结点影响域上定义无网格插值函数，保留了无网格方法所有的动网格模拟优点，插值函数为一般多项式，计算公式简单、计算时间短、容易实施精确积分、容易施加位移边界条件，较好地克服了现有无网格方法在断裂分析方面存在的困难(图4和5)。开发了相应的盾构隧道分析软件系统，为地下结构服役性能的健康评估提供理论和软件支撑[16-19]。

图4 隧道结构损伤缺陷计算理论[16-17]

图5 ICMM分析软件计算结果[16-17]

2 超长线状地下结构的智慧感知与损伤识别方法

2.1 地下结构静态参量无线感知与整体模量动力感知方法

国内外较少有关于地下结构综合无线感知的研究，在变形传感方面剑桥大学仅有无线感知结构倾斜的研究[20]，缺少针对地下结构的多参量无线感知，此外超长线状地下结构纵向沉降与横向收敛关系的机制不清[11]。针对超长线状地下结构服役环境，提出盾构隧道结构横向变形模式[21-22]，建立倾角与隧道收敛间的定量关系[23]；提出了基于三维空间的盾构隧道纵向变形模式分析方法，得到盾构隧道纵向变形模式[10]；建立纵向变形、隧道横断面收敛与结构内力关系理论模型[11]，通过横断面倾角变化感知隧道力学状态。在大量现场数据基础上，得到渗漏水、裂缝的分布特点和规律，建立基于泊松过程的渗漏水随机模型[24]，采用扩展有限元揭示了不同位置裂缝的发展规律[25]，为渗漏水和裂缝感知提供了依据。建立基于鲁棒性的感知节点布置优化策略[26]，解决自动化监测的高成本困境。

针对拼装式盾构隧道结构，利用基于振动的结构健康监测(SHM)方法，在振动响应模拟方面提出了2.5维算法高效模拟方法[27]。但隧道埋置于土体中的拼装结构，因土体的耦合和约束作用引起响应特征变化[28]，故既有研究无法感知土体耦合下的结构性能；商用无线振动传感器频响范围低，难以实现土体和地下结构共同监测[29]。Feng等[30]和Zhou等[31]建立了基于传播模态截止频率、扭转波速及传递函数的结构性能参数感知方法，弥补了盾构隧道考虑地层的整体弹性模量感知中的不足。

2.2 地下结构感知单元体研发与超长线状结构WSN低功耗异构网络

目前，德国BeanAir、美国MircoStrain等公司开发的无线振动传感器频率低于300 Hz[29]；加拿大Measurand公司利用倾角传感器制作出的SAA(Shape Accel Array)产品，可以用于测量隧道收敛、地层水平位移以及路基沉降[32]。但原有无线传感器存在分辨率低、地下空间适应性差、价格昂贵等问题，地下结构状态参数感知缺乏系统完善的无线感知方法[4]。项目组研究人员自主研发了无线MEMS倾角传感器[33]、纵向不均匀沉降传感器[34]、无线渗漏水传感器[24]、无线接缝传感器[35]、无线振动加速度传感器[29]和压电智能传感器[36]，实现了静动性能参量感知体的国产化[37]，研发的倾角传感器对比美国crossbow产品分辨率提高10倍，成本降低一半以上，具备更为出色的电气性能兼容性(图6(a))[4]，在此基础上，经过更新换代，形成的微型高精度无线MEMS倾角传感器(图6(b))，尺寸为52 mm×50 mm×40 mm，远小于市面上常见的国际一流标准型产品(图6(c)),尺寸为60 mm×60 mm×45 mm[33]。

图6 MEMS倾角传感器[4，33]

具备感知、数据处理和通信功能的微小传感器功能正在增强，促进了基于大量传感器节点相互协作的WSN的实现。在网络集成中，智能化、小型化、低成本及低功耗已成为研究的趋势。但对于超长线状无线传感器网络，缺乏数据智能处理和低成本路由方面的理论研究，在适时监测的超量数据的传输上容易丢包，且在现场应用中存在传感器功耗大、使用寿命短等不足[38]。He等[38]和Li等[39]针对以上问题，建立了超长线状地下结构低功耗、自组网智慧感知网络技术(图7)，解决了地下环境下不能智慧感知及高能耗问题；LoRaWAN和ZigBee等无线通信技术也逐渐被应用于复杂的隧道环境[40]。为了适应隧道信号传输环境，新型的网络路由算法RHCRP能优化网络簇头的选择进而优化传感器布设方案[41]。He 等[42-43]建立了超长线状地下结构时空压缩和恢复算法，解决了地下环境下数据不能快速、准确传输的问题。目前，用于结构健康监测的WSN技术信号通常在空气中传输，然而地下结构健康监测亟需引入埋入式传感器感知结构状态，埋入式传感器的无线信号需要穿透土层和钢筋混凝土等复杂介质，信号损耗明显增大。Huang等[44]建立了无线信号穿越土层损耗与传感器的天线场区特性、电磁波频率、土壤种类和含水量的定量关系。

2.3 基于分布识别的损伤定位与基于子结构的损伤识别方法

地下结构存在线状长、病害种类繁多、岩土赋存条件复杂等问题，现有模型包含大量单元和参数，现场监测产生海量监测信号，导致数据分析的维度灾难，从而使结构损伤识别的效率低。Wang 等[45]和罗辉等[46]基于互信息理论对超长线状地下结构进行分区(图8)，保证了识别的精度，减小了数据的冗余量，建立基于分布式识别策略的惟响应损伤定位方法(损伤定位)，结合小波包能量谱，解决了损伤精确定位差的问题。

图7 超长线状环境中传感网模型[39]

图8 基于互信息理论的子区间划分方法[46]

地下结构存在超长距离、土结构交互作用和边界条件模糊等问题，Lu等[47]和Gu等[48]的模型节点单元多、系统矩阵尺寸大、计算效率低。他们的模型中未知参数多，优化迭代难以收敛，优化参数精度欠佳。Weng 等[49-50]和Zhu等[51-53]基于子结构有限元模型修正的损伤识别方法，解决了整体地下结构多尺度识别的问题，在精度相同的条件下，子结构修正效率提高90%。同时，结合层次分析方法等，构建了完善的健康评价指标体系和健康评估方法；建立了城市轨道交通地下结构体系性能退化可靠度分析模型，为地下结构可靠度分析和性能退化分析提供了新的途径。

3 地下结构管片的混凝土自修复与加固方法

3.1 自修复混凝土的细观力学模型

针对地下水环境下的结构混凝土的修复，目前常用的方法有微胶囊自修复、电化学沉积自修复等多种方法[54]。围绕修复问题，建立了自修复混凝土的细观力学模型。

3.1.1 微胶囊自修复混凝土的细观力学模型

目前，国内外关于混凝土的微胶囊自修复研究主要局限于试验研究[54]，而在其力学模型、修复介质迁移规律、评价方法以及影响因素等方面的研究成果相对较少。Zhu等[55-56]针对这一理论空白，建立了微胶囊自修复混凝土的细观力学模型和概率修复模型，相应的参数分析结果可以为优化设计提供指导。Zhu等[55]提出的拉/压荷载下微胶囊自修复混凝土的细观力学计算模型如图9所示，根据这一模型，可从细观机制上解释及预测不同直径微胶囊自修复混凝土在受压荷载作用下的本构关系。

图9 拉/压荷载下微胶囊自修复混凝土的细观力学计算模型[56]

同时，Zhu等[56]还建立了微胶囊自修复混凝土的三维修复概率细观力学模型，用该模型计算的结果与蒙特卡罗法的计算结果吻合很好(图10)。由图10可知：在微胶囊掺量(Vf)一定的情况下，单个微胶囊的修复程度(h)越高，整体的修复概率(P)反而越低[57]。

图10 修复程度和体积分数的影响[57]

3.1.2 电化学沉积修复饱和/非饱和混凝土的细观力学模型

在电化学沉积修复领域，国内外既有研究缺乏修复混凝土的力学模型[57]， Zhu等[58]和Yan等[59]建立了电化学沉积修复饱和/非饱和混凝土的细观力学模型，如图11所示，揭示了电沉积产物、饱水程度和混凝土孔隙结构对修复效果的影响规律，发现随着沉积物性能和饱和度的提升，修复后混凝土具有更好的性能；Chen等[60-61]进一步基于所提电化学沉积修复混凝土的确定性细观力学模型，结合材料微细观结构的随机描述，通过随机模拟可获取修复后材料宏观性能的概率特征，形成了电化学沉积修复混凝土的随机细观力学框架。

图11 电化学沉积修复饱和/非饱和混凝土的细观模型[58-59]

3.2 地下结构管片的短期主动加固和长期被动加固方法

在地下管片结构加固方面的研究中，为改善地下管片结构的当前损伤状态，Wu等[62]提出了SMA螺栓短期主动加固的方法，对内置式形状记忆合金(SMA)螺栓进行有效加热(图12)，使接头张开量和挠度分别减小了30%～60%和20%～40%，混凝土受压区边缘应变降低了90%，钢螺栓应变降低了70%，这一方法既改善了当前状态，也为后续长期被动加固创造有利条件。

图12 内置式SMA螺栓的加热方法[62]

在管片的钢板加固方面，之前的工作多采用传统钢板加固，为了提高加固效果，Luo等[63]提出了管片结构的型钢加固方法。在用钢量相同时，所提型钢加固方法具有更优的加固效果。

管片结构的加固还面临着耐久性的问题，在此之前，芳纶纤维布(AFRP)加固混凝土部件的耐久性能几乎未见文献报道。Wu等[64]和Zhang等[65]研究发现AFRP加固混凝土部件总体上具有良好的耐氯盐和硫酸盐性能，初步消除了工程界的疑虑。

3.3 火灾高温后管片接头的耐水性能

火灾严重威胁地下结构加固体系安全，因此，对火灾高温过后地下结构管片的性能研究很有必要。针对缝隙对热量传递的影响不明确和高温后接头密封垫的耐水性能不清楚等问题，Yan等[66-67]和Wu等[68]研究了管片接头的高温后耐水性能。研究揭示了缝隙对混凝土部件温度分布的影响，发现缝隙面上温度偏低，倾斜缝隙面上的温度分布相对于垂直缝隙面上的温度分布略微偏高。这说明缝隙具有延缓外界热量向构件内部传递的效应。经过1～2 h的标准火灾作用处理后，接头密封垫的温度分别为30～60 和60～90 ℃，接头密封垫的耐水性能变化有限，但密封垫卸载时应予以特别关注[66-68]。

4 地下结构健康服役的数字化保障与控制体系

4.1 盾构隧道服役性能指标(TSI)计算方法的提出

在地下结构健康服役性能的研究领域中，为改变以人工经验为主的性能状态评估方法， 朱合华等[69]和Li等[70]提出了盾构隧道服役性能指标(TSI)计算方法，由维护养护构件的确定、结构性能要求的确定、结构状态评估、结构性能预测、优化决策和维护养护操作六部分组成，该方法为盾构隧道结构性能控制提供了理论依据。

在该计算方法中，将盾构隧道划分成4个时期：少年期(0～6 a)、壮年期(7～30 a)、中年期(31～70 a)、老年期(71～100 a)；建立统计模型MIMIC，并对影响因素进行评估，不同时期TSI影响因素不同，根据TSI统计方法得到不同的性能退化曲线[70]。

本项目中，采用不同的方法对隧道性能进行了评估，验证了评估结果的正确性；考虑了不同评估指标之间的相关性，建立了评估指标与隧道服役性能之间的定量关系。而所提出的TSI确定方法被国家《城市轨道交通隧道结构养护技术规范》所采纳。

4.2 智慧基础设施系统(iS3)平台的研发

朱合华等[71]提出了智慧基础设施服务系统(Infrastructure Smart Service System,iS3)，实现数据采集、处理、表达、分析的一体化智慧决策服务。该平台提供了从数字化对象到数字化工程的完整解决方案：单个数字化对象→数字化对象组→专业领域→数字化工程。平台框架由主程序、核心库、数据文件、扩展模块、工具库、Python扩展插件以及Python脚本库构成。这一智慧基础设施系统平台的建立，变被动获取结构健康状态为主动控制服役性能，实现了城市轨道交通地下结构健康服役的数字化保障和控制。

4.3 成果应用

依托自主研发的地下结构健康服役的数字化保障与控制的计算方法和平台，项目组集成主要研究成果应用在了工程实践中——上海地铁12号线天潼路—国际客运中心站。该工程临近12号线天潼路—国际客运中心站上行区间，与地铁线路平行长度约100 m(84环)，上行线里程为SK22+473.443—SK23+924.353(单线长1 450.910 m)，区间隧道内径为5.5 m，外径为6.2 m，上下行线均为1 208环(含联络通道特殊管片)。

应用于该工程的系统基于.NET开发，封装ArcGIS Runtime SDK for .NET，提供从数字化对象到数字化工程的完整解决方案[72]，如图13所示。这一系统实现了以2D地理底图、平面图、剖面图和3D视图、数据视图等多种方式对盾构隧道全寿命数据进行数字化管理[72]，如图14所示。

图13 示范工程系统的架构层次[72]

图14 多方式的数字化管理系统[72]

5 结语

针对地下结构性能演化机制难清、健康状态难知以及地下结构损坏极其难修等工程科学难题，“城市轨道交通地下结构性能演化与感控基础理论”项目组成员开展了系统研究，取得了丰硕的成果，为轨道交通地下结构长寿命健康服役提供了理论和技术保障。笔者回顾了项目实施以来所取得的主要进展。

1)针对地下结构性能演化机制难清的科学问题，提出和建立了地下结构材料的多尺度本构模型和劣化模型，包括：考虑侵蚀影响的三维孔隙拓扑结构时变模型、建设期地下结构材料的双向多尺度本构模型和固-液-气多相边界条件下地下结构材料性能演化模型；综合考虑盾构管片结构的赋存环境，建立了盾构隧道结构性能演化计算模型、管片接缝的防水材料时变本构模型和应力-渗流耦合分析模型；针对隧道结构承载力及安全评估的难题，提出和发展了适合于损伤缺陷隧道结构的独立覆盖无网格ICMM计算分析理论与方法；在此基础上，建立了地下结构全寿命周期性能演化分析方法并编制了软件，以服务于多因素耦合作用下盾构隧道全寿命周期的性能演化机制研究和寿命预测分析。

2)针对地下结构健康状态难知的科学问题，提出和建立了超长线状地下结构性态多参数静、动态感知理论及方法，解决了超长线状地下结构静、动态参量无线感知难题；建立了超长线状结构时空压缩和恢复算法，解决了长距离、封闭空间的大容量数据传输及多层异构网络稳定性难题；提出和建立了基于局部-整体策略的地下结构损伤识别方法和模糊综合评估方法，构建了完善的健康评价指标体系和健康评估方法；建立了城市轨道交通地下结构体系性能退化可靠度分析模型，为地下结构可靠度分析和性能退化分析提供了新的途径。

3)针对地下结构损坏极其难修的科学问题，建立了微胶囊自修复混凝土破裂机制、拉/压本构关系、三维修复概率和电化学沉积修复饱和/非饱和混凝土的细观力学模型,提出了矿物自修复混凝土的预测模型和愈合效果的评价方法；发明了管片接缝的形状记忆合金(SMA)螺栓短期主动加固方法，明显改善接缝力学状态；提出了管片结构的型钢加固方法，用钢量相同时加固效果明显优于传统钢板加固；针对极端情况(火灾后)的管片结构，揭示了接缝密封垫的耐水性能，提出了采用槽钢部件或钢管混凝土部件的修复加固方法，验证了其良好的修复加固效果。

4)针对地下结构性能演化与感控基础理论集成应用。提出了盾构隧道服役性能指标(TSI)计算方法，研发了智慧基础设施系统(iS3)平台，以此为基础，集成项目研究成果，在上海地铁12号线天潼路—国际客运中心站进行示范应用，推动了创新成果切实落地，实现了 “从工程中来，到工程中去” 的科学创新研究。

致谢

为纪念南京工业大学刘伟庆教授，特以国家“973计划”项目“城市轨道交通地下结构性能演化与感控基础理论”课题负责人的名义，撰写此文。在此特别感谢参与此项目的所有研究人员，同时感谢同济大学陈庆副教授协助完成了本文的初稿。