1、74 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊2022 年“华夏建设科学技术奖”获奖项目（一等奖）城市水下隧道结构安全及健康诊断技术研究黄俊1 沈阳2 赵光1 房倩3 孔恒4 江啸5 牛晓凯6 张巍7 张忠宇1 黄大维8 王大润9 陈喜坤1 杨奎1 董飞1 李奥1(1.苏交科集团股份有限公司，南京 2 1 1 0 1 9;2.南京市交通建设投资控股（集团）有限责任公司，南京 2 1 0 0 0 8;3.北京交通大学，北京 1 0 0 0 9 1;4.北京市政建设集团有限责任公司，北京 1 0 0 0 3 2;5.江苏方洋物流有限公司，连云港 2 2 2 0 0 0
2、;6.北京市市政工程研究院，北京 1 0 0 0 3 7;7.南京大学 南京 2 1 0 0 0 8;8.华东交通大学，南昌 3 3 0 0 1 3；9.国铁新材(北京)科技有限公司，北京 100071)摘要 为了保障水下隧道服役期结构安全控制，提出了服役期性能主动控制的理念，围绕是否需要控制和如何控制两个关键问题，采用离心试验，模型试验，多场、多体、多尺度协同仿真，数字图像相关（DIC）测试技术，大数据、人工智能，云-边-端协同计算等多种新型研究手段，揭示了水下隧道服役期结构性能演化机理，创建了水下隧道服役期结构性能评估方法，研发了水下隧道服役期结构性能主动控制技术。实现了水下隧道服役期结构
3、性能分析的科学化、性能评估的标准化以及性能控制的精准化，建立了水下隧道服役期结构安全控制关键技术体系。关键词 水下隧道；结构安全；智能感知；安全评价；性能提升Research on Structural Safety and Health Diagnosis Technology of Urban Underwater TunnelHuang Jun1,Shen Yang2,Zhao Guang1,Fang Qian3,Kong Heng4,Jiang Xiao5,Niu Xiaokai6,Zhang Wei7,Zhang Zhongyu1,Huang Dawei8,Wang Darun9,C
4、hen Xikun1,Yang Kun1,Dong Fei1,Li Ao1(1JSTI Group，Nanjing 210019；2.Nanjing Communications Group，Nanjing 2210008；3.Beijing Jiao tong University，Beijing 100091；4.Beijing Municipal Construction Group Co.,Ltd，Beijing 100032；5.Jiangsu Fangyang Logistics Co.,Ltd，Lianyungang 222000；6.Beijing Municipal Engi
5、neering Research Institute，Beijing 100037；7.Nanjing University，Nanjing 210008；8.East China Jiaotong University，Nanchang 330013；9.China Railway New Materials(Beijing)Technology Co.,Ltd；Beijing 100071)Abstract:In order to ensure the safety control of underwater tunnel structures during their service l
6、ife,the concept of active control of service life performance was proposed.Centered on two key issues:whether control is needed and how to control it,various new research methods were adopted,including centrifugal testing,model testing,multi field,multi body,and multi-scale collaborative simulation,
7、digital image correlation(DIC)testing technology,big data,artificial intelligence,cloud edge collaborative computing,and so on,Revealed the evolution mechanism of structural performance during the service period of underwater tunnels,created an evaluation method for structural performance during the
8、 service period of underwater tunnels,and developed active control technology for structural performance during the service period of underwater tunnels.The scientific analysis of structural performance during the service period of underwater tunnels,standardization of performance evaluation,and pre
9、cision of performance control have been achieved,and a key technical system for structural safety control during the service period of underwater tunnels has been establishedKeywords:underwater tunnel;structural safety;intelligent perception;safety evaluation;performance improvement城市水下隧道是重要的地下生命线工程
10、之一，近年来，因其在生态保护、资源占用、航运影响、防洪防汛DOI:10.16116/ki.jskj.2023.11.016等方面的显著优势得到大力发展。截至2020年底，全国共修建水下隧道约245条，其中70%的隧道采用盾建设科技 75一 等 奖揭示了河床液化的数学本质为非线性互补问题，提出了基于孔隙通道扩张机制的液化非达西理论，建立了波浪-河水-河床-隧道相互作用多尺度分析数值模型（见图1），提出的新模型具有算法稳定、严格消除砂土拉应力、无需额外渗流参数三大优势。采用提出的模型分析了波浪作用下河床液化的范围以及波浪对水下隧道服役期变形受力特性、抗浮稳定性和防水性能的影响（见图2），建模分析了
11、水底隧道服役期河床自然冲刷（人工疏浚）和回淤（回填）对结构稳定性的影响（，揭示了不同地质条件下，疏浚深度、疏浚工序以及回淤厚度等因素对水下隧道结构纵向变形、受力的影响（见图3），建立了疏浚深度与结构变形和受力的非线性关系，确定了水下隧道的临界疏浚深度和地质信息关联的水下隧道服役期性能感知的重点部位。（2）水下隧道服役期动力荷载时空演化特性。研发了多体动力学（MBS）和有限元（FEM）协同仿真技术，可以考虑车体、转向架和轮对的多自由度特性以及轮轨接触特性，分析了水下隧道由于河床冲刷造成的不平顺对行驶安全的影响（见图4），提出了水下隧道沉降的临界波长和幅值（见图5）揭示了列车动荷载作用下基底高周疲
12、劳特性，确定了隧道结构动力响应分区，明确了盾构隧道在列车动载作用下监测的重点位置。采用数字图像相关（DIC）测试技术以及有限元动力仿真技术，揭示了水下隧道服役期汽车行驶诱发的动力荷载时空演化规律，提出了考虑时间效应的动力荷载多因素计算方法，明确了汽车动载对水下隧道结构影 图1 波浪-河床-隧道相互作用模型 图2 模型分析结果 图3 隧道纵向拱顶沉降 图4 疏浚引发盾构内列车动力响应 图5 盾构沉降阈值 图6 混凝土管片性能加速劣化试验构法修建。由于现行结构设计方法缺少对结构在服役期荷载、抗力的时空演化规律和劣化传递特性的考虑，随着服役年限增加，水下隧道结构性能逐渐下降，养护费用逐年上升。欧洲和
13、日本等国家的研究成果表明隧道等基础设施的运维成本是其建设成本的23倍左右，美国相关部门更认为这个比例会高达5倍左右。据日本国土交通省预计，按目前的发展趋势，至2025年日本基础设施的维护费用将占其投入的76%，远大于其建设期费用。水下隧道结构服役期性能的降低是一个不可逆的过程，一旦发生灾害事故，必将带来极大的社会恐慌和不可估量的经济损失。因此，对服役期水下隧道结构性能的科学评价，及早发现结构病害，并采取针对性的整治措施，可以有效降低运维成本，具有极高的经济、社会效益。项目团队在住房和城乡建设部课题（2018-K4-019）支撑下，围绕水下隧道服役期结构性能演化机理、结构性能评估方法和结构性能控
14、制技术三个方面开展研究形成的系列创新成果如下：1 水下隧道服役期结构性能演化机理针对长江下游江阔浪大、河床回淤严重、通航标准高的特点，对水下隧道冲刷、回淤和水位变化影响下的静力、动力响应进行了系统研究，从材料、构件和结构三个层面揭示了水下隧道服役期结构性能演化机理，为结构性能感知和评估奠定了基础。（1）水下隧道服役期围岩荷载时空演化特性。76 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊响较小，可不作为监测重点。（3）水下隧道服役期结构性能渐进演化规律。开展了混凝土材料加速碳化试验，揭示了混凝土材料碳化后的宏细观物理力学性能演化规律。开展了钢筋加速锈蚀试验，揭示了钢筋
15、锈蚀对材料力学性能的影响规律。开展了混凝土管片在加载、碳化联合作用下对管片混凝土抗氯离子侵入性的试验（见图6），揭示了服役期管片在微环境联合作用下的性能演化规律（见图7）。采用离心试验和精细化数值模拟（见图8）揭示了在盾构管片环缝具有张开、错台、组合变形三种模式，提出了河床冲刷（回淤）影响下服役期管片环缝、纵缝的变形的演化过程（见图9），建立了螺栓拉应力、接缝变形与管片椭圆度之间的关系，提出了相应的盾构管片性能控制指标和标准。2 水下隧道服役期结构性能评估方法针对水下隧道服役期性能难以准确评估的难题，提出了水下隧道服役期结构性能多源感知和多元分析方法，研发了受限空间内盾构管片性能智能感知机器人
16、，创建了水下隧道服役期结构性能智能评估体系，编制了我国首部水下隧道健康监测技术规程，为盾构隧道服役期结构性能分级主动管控奠定了基础。（1）水下隧道服役期结构性能多源感知方法。建立了水下隧道结构性能多尺度精细化数值仿真模型，明确了管片结构的薄弱环节和性能表征性部位（见图10）。基于可感知性能指标劣化的概率、危害程度和处理的紧急程度三个维度，建立了水下隧道服役期监测、检测的三级指标体系，成果已纳入我国第一部水下隧道健康监测规程水下隧道健康监测技术规程(DB32T 4243-2022)，实现了水下隧道服役期性能感知的标准化。研发了盾构服役期性能多源异构参数智能感知机器人，采用高清相机、线激光位移传感器、热成像传感器和声发射系统四种传感器对管片信息进行采集与融合，实现了水下隧道服役期变形、开裂等指标四维自动化感知，接缝变形测量精度超过 0.1mm，病害特征有效识别率大于90%。构建了面向水下盾构运营场景的云-边-端协同平台，通过边缘侧数据的个性化处理和云端数据的统计化处理，实现了数据分割、异常值处理、数据降噪和数据编译的智能化。（2）水下隧道服役期结构性能多元分析方法。建立了基于监测、检测数据
