張旭

摘要：盾構(gòu)隧道成型管片質(zhì)量，直接影響著隧道的耐久性和安全性，因此在施工時對其質(zhì)量的控制要求很高。本文對上軟下硬地層土壓平衡盾構(gòu)施工工程的管片滲漏水現(xiàn)象進(jìn)行判別，分析造成滲漏的原因，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施和堵漏措施，以確保盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：管片；滲漏水；預(yù)防措施；堵漏措施；注漿

0? ?引言

近年來，盾構(gòu)隧道管片、開裂滲漏水的案例時有發(fā)生。管片產(chǎn)生裂縫，管片的鋼筋就會暴露在空氣和水的環(huán)境中，進(jìn)而改變混凝土環(huán)境pH值，導(dǎo)致鋼筋生銹膨脹，從而影響隧道使用壽命，甚至威脅日后行車安全。成型管片滲漏水，會影響隧道內(nèi)的附屬結(jié)構(gòu)，增大隧道的維護(hù)成本，縮短隧道的使用年限[1-2]。

當(dāng)前，滲漏水的判別方法主要為人工目測與測量。對于日益增加的隧道維護(hù)工作來說，該方式人工成本高，效率低下，不能滿足要求。為了解決這一問題，通常需要采用圖像設(shè)別技術(shù)，對管片滲漏水進(jìn)行判別，然后根據(jù)別判別結(jié)果采取必要的處置措施[3]。本文以濟(jì)南R3線一期工程為背景，針對土壓平衡盾構(gòu)在上軟下硬地層條件下發(fā)生管片滲漏水原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防與堵漏措施。

1? ?工程概況

濟(jì)南R3線一期工程盾構(gòu)區(qū)間施工段包含兩個區(qū)間，分別為孟家莊站-龍奧站區(qū)間（以下簡稱孟-龍區(qū)間）、龍奧站-奧體中心西站區(qū)間（以下簡稱龍-奧區(qū)間）。孟-龍區(qū)間為單洞單線隧道，區(qū)間單線長度為1816m。龍-奧區(qū)間為單洞單線隧道，區(qū)間長度968m，掘進(jìn)間地層主要為中風(fēng)化石灰?guī)r，區(qū)間沿線地形為低山丘陵地貌，起伏較大，地勢南高北低。濟(jì)南R3線一期工程線路如圖1所示。

該工程采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，隧道管片外徑6.4m，內(nèi)徑5.8m，環(huán)寬1.2m、厚度30cm，線路最小轉(zhuǎn)彎半徑1000m，線路上方主要為市政道路及轉(zhuǎn)山山體。本工程在里程SK2+500～SK2+540范圍下穿大辛河，大辛河河道南北高差較大，呈臺階式，環(huán)境復(fù)雜。左線在里程XK2+280.199～XK2+394.123穿越上軟下硬地層，右線在里程SK2+280.330～SK2+460.000穿越上軟下硬地層，施工難度大。

2? ?基于機(jī)器視覺的管片滲漏水判別模型

2.1? ?灰度處理

為了對管片的滲漏水區(qū)域進(jìn)行識別，首先要對圖像進(jìn)行灰度識別。1931年CIE（國際照明技委會）規(guī)定，使用紅，綠，藍(lán)三種單色光作為三基色光，即RGB顏色表色系統(tǒng)。在彩色圖像中，圖像是由RGB三種顏色的單色光亮度表示的。其中，一個像素需要3個量來表示[4]。

如果每個量是8bits，則表示一個像素值需要24bits。這樣會占據(jù)較多的硬盤空間，同時對運(yùn)算能力有更高的要求，為此需要對輸入圖像進(jìn)行灰度處理。一般采用兩種方法，即R、G、B三色等權(quán)和不等權(quán)，本文采用等權(quán)策略。

2.2? ?高斯濾波

為了降低背景的雜物影響，使特征圖形更加明顯和規(guī)則，需要對圖像進(jìn)行濾波處理。目前主流的濾波方法有均值濾波、高斯濾波、中值濾波、雙邊濾波。由于目標(biāo)特征為管片上的深色區(qū)域，背景的雜物主要為電線、露出鋼筋以及燈帶條，需要抑制圖像輸入時隨機(jī)引入的噪聲，故使用高斯濾波最為合適[5]。

該濾波方法是一種線性的平滑濾波，廣泛應(yīng)用于圖像的消去噪聲過程，它利用一種加權(quán)模型對像素塊進(jìn)行平均化處理，處理效果為顏色過度更加柔和，圖像中的物體邊緣模糊化。

2.3? ?CNN機(jī)器視覺模型

CNN模型即卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，本質(zhì)上是通過示例，利用多層感知器學(xué)習(xí)構(gòu)建映射，CNN機(jī)器視覺模型如圖2所示。從數(shù)據(jù)輸入層輸入圖像數(shù)據(jù)后，經(jīng)由卷積計算層、激勵層、池化層及全連接層進(jìn)行分析，而后輸出圖像識別結(jié)果。將采集的圖片統(tǒng)一分辨率后，再將標(biāo)定滲漏水區(qū)域作為示例輸入。

3? ?基于機(jī)器視覺的管片滲漏水判別

3.1? ?圖片預(yù)處理

在管片拼裝完成后，隧道內(nèi)部通常采取條形燈帶與立式射燈照明。該照明方式會使隧道內(nèi)部呈現(xiàn)整體亮度低且不均勻的特點，為此需要對圖片進(jìn)行相應(yīng)預(yù)處理。一般需對圖片進(jìn)行灰度處理及高斯濾波，以使得輸入CNN模型的圖片歸一化。

3.2? ?管片滲漏水判斷

本文使用基于CNN的機(jī)器視覺方法，對管片進(jìn)行滲漏水檢測，使用的圖片采集于濟(jì)南R3線一期工程盾構(gòu)區(qū)間。首先將所有采集到的圖片裁切為1024px×1024px格式，然后使用MakeSense.ai工具將滲漏水區(qū)域標(biāo)定為“l(fā)eakage”，得到數(shù)據(jù)集。

基于Pytorch與Keras開源深度學(xué)習(xí)框架，將數(shù)據(jù)集以6：2：2的比例劃分為訓(xùn)練集，驗證集和測試集，使用CNN模型對訓(xùn)練集示例進(jìn)行學(xué)習(xí)。設(shè)置學(xué)習(xí)率為0.001，學(xué)習(xí)動量為0.85進(jìn)行學(xué)習(xí)，并使用驗證集進(jìn)行驗證結(jié)果[6-7]。管片滲漏水區(qū)域判別結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，滲漏水區(qū)域大部分被判別出來，但在接縫處兩邊，模型對滲漏水的連續(xù)識別容易中斷。實際工程中，滲漏水區(qū)域通常分布在接縫的一側(cè)，因此基于CNN的機(jī)器視覺方法對管片進(jìn)行滲漏水檢測是可行的。

4? ?隧道成型管片滲漏水的原因分析

4.1? ?管片自身原因分析

4.1.1? ?管片自身質(zhì)量缺陷

管片在制造過程中會因為混凝土質(zhì)量低，含有水珠，裂隙，氣泡等，因此水從管片裂隙處繞開密封墊，通過缺陷處滲漏。管片裂隙處滲漏水如圖4所示。

4.1.2? ?管片止水條未密封

管片在拼裝環(huán)節(jié)發(fā)生碰撞，可能會導(dǎo)致止水條損壞或掉落，導(dǎo)致管片密封層未閉合。

4.2? ?施工因素分析

盾構(gòu)在上軟下硬地層掘進(jìn)過程中，若出現(xiàn)推力大且不均、推進(jìn)速度慢、碴巖溫度高等現(xiàn)象，將對施工參數(shù)造成極大影響，導(dǎo)致管片滲漏水現(xiàn)象。具體如下：

管片注漿不飽滿，導(dǎo)致管片密封條貼合不密實而積水，致使密封墊壓實比較薄弱的地方發(fā)生滲漏水。盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制較差，造成管片拼裝精度降低，管片間產(chǎn)生錯位，不能提供密封所需的壓緊力，從而導(dǎo)致滲漏水。上軟下硬地層的掘進(jìn)過程中推力不平均分布，造成盾構(gòu)機(jī)作用于管片上的推力不平均，當(dāng)掘進(jìn)困難推力過大時，造成管片破裂，進(jìn)而導(dǎo)致滲漏水[8-9]。相鄰管片未壓緊導(dǎo)致漏水如圖5所示。

5? ?預(yù)防及堵漏措施

5.1? ?管片生產(chǎn)與拼裝

為了避免管片缺陷造成的滲漏水，需要對生產(chǎn)過程與驗收環(huán)節(jié)加強(qiáng)監(jiān)管。生產(chǎn)廠家需要配置專人對管片生產(chǎn)過程的缺陷進(jìn)行監(jiān)管，在出廠時再次對缺陷進(jìn)行檢驗，確保管片質(zhì)量。在運(yùn)輸過程中，需要注意吊裝與固定環(huán)節(jié)，防止破壞管片。

管片拼裝前要清除雜物與積水。管片拼裝時，要確保螺栓孔對齊，保證管片拼裝壓緊力。頂部管片安裝時，先將止水條潤滑后徑向插入，然后縱向推到位，最后讓頂部推進(jìn)液壓缸壓緊管片。在管片離開盾尾區(qū)域后需及時對螺栓復(fù)緊。

在掘進(jìn)路線確定后，應(yīng)根據(jù)線路情況對盾構(gòu)區(qū)間的管片形狀進(jìn)行設(shè)計，指導(dǎo)管片生產(chǎn)。對于曲線段的掘進(jìn)段，根據(jù)管片內(nèi)徑與外徑的差值選擇合適的轉(zhuǎn)彎環(huán)，為轉(zhuǎn)彎處的止水帶提供合適的壓緊力。

5.2? ?注漿液配置與施工參數(shù)控制

選用適當(dāng)?shù)臐{液，滿足填充流動性、初凝時間和強(qiáng)度要求。對于注漿配比，需要根據(jù)地質(zhì)與水文信息、隧道參數(shù)、地表沉降控制要求進(jìn)行調(diào)整，從而保證隧道管片與圍巖結(jié)合穩(wěn)固。

選用適當(dāng)?shù)淖{量與注漿速度，合理匹配掘進(jìn)速度等施工參數(shù)。確保管片注入口應(yīng)保持0.3～0.6MPa的壓力，同時參考覆蓋厚度與地下水壓進(jìn)行調(diào)整。若壓力過大則容易使管片破裂，造成漿液外溢。盡量在盾構(gòu)掘進(jìn)同時注漿，或在一環(huán)掘進(jìn)作業(yè)后立即注漿。

5.3? ?掘進(jìn)施工

若盾構(gòu)路線轉(zhuǎn)向曲度過大，引起盾尾與管片軌跡相交，將造成管片無法安裝，同時會使管片迎水面被盾殼擠壓，容易導(dǎo)致管片拼裝錯臺與破裂。因此盾構(gòu)施工時要控制盾構(gòu)姿態(tài)，保證運(yùn)動軌跡平滑[10-11]。

若盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)推力過大，會引起管片產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致管片滲漏水。為了避免此類情況發(fā)生，嚴(yán)禁糾偏量過大。在掘進(jìn)困難段時，可使用超挖刀進(jìn)行超挖作業(yè)。

6? ?結(jié)束語

成型管片滲漏水，會影響隧道內(nèi)的附屬結(jié)構(gòu)，增大隧道的維護(hù)成本，縮短隧道的使用年限。本文以濟(jì)南R3線一期工程為背景，使用基于機(jī)器視覺方法，對盾構(gòu)管片的滲漏水情況進(jìn)行了判別。然后針對上軟下硬地層土壓平衡盾構(gòu)管片滲漏水情況進(jìn)行分析，最終提出相應(yīng)的預(yù)防與堵漏措施，可為提高管片拼裝質(zhì)量、減少滲漏水缺陷提供一定的參考經(jīng)驗。

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