上軟下硬地層盾構管片滲漏水的判別及預防

張旭

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

關鍵詞：管片；滲漏水；預防措施；堵漏措施；注漿

0? ?引言

近年來，盾構隧道管片、開裂滲漏水的案例時有發生。管片產生裂縫，管片的鋼筋就會暴露在空氣和水的環境中，進而改變混凝土環境pH值，導致鋼筋生銹膨脹，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，會影響隧道內的附屬結構，增大隧道的維護成本，縮短隧道的使用年限[1-2]。

當前，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別技術，對管片滲漏水進行判別，然后根據別判別結果采取必要的處置措施[3]。本文以濟南R3線一期工程為背景，針對土壓平衡盾構在上軟下硬地層條件下發生管片滲漏水原因進行分析，并提出相應的預防與堵漏措施。

1? ?工程概況

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

該工程采用復合式土壓平衡盾構機進行施工，隧道管片外徑6.4m，內徑5.8m，環寬1.2m、厚度30cm，線路最小轉彎半徑1000m，線路上方主要為市政道路及轉山山體。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，環境復雜。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域進行識別，首先要對圖像進行灰度識別。1931年CIE（國際照明技委會）規定，使用紅，綠，藍三種單色光作為三基色光，即RGB顏色表色系統。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。這樣會占據較多的硬盤空間，同時對運算能力有更高的要求，為此需要對輸入圖像進行灰度處理。一般采用兩種方法，即R、G、B三色等權和不等權，本文采用等權策略。

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則，需要對圖像進行濾波處理。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。由于目標特征為管片上的深色區域，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，廣泛應用于圖像的消去噪聲過程，它利用一種加權模型對像素塊進行平均化處理，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機器視覺模型

CNN模型即卷積神經網絡模型，本質上是通過示例，利用多層感知器學習構建映射，CNN機器視覺模型如圖2所示。從數據輸入層輸入圖像數據后，經由卷積計算層、激勵層、池化層及全連接層進行分析，而后輸出圖像識別結果。將采集的圖片統一分辨率后，再將標定滲漏水區域作為示例輸入。

3? ?基于機器視覺的管片滲漏水判別

3.1? ?圖片預處理

在管片拼裝完成后，隧道內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部呈現整體亮度低且不均勻的特點，為此需要對圖片進行相應預處理。一般需對圖片進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的機器視覺方法，對管片進行滲漏水檢測，使用的圖片采集于濟南R3線一期工程盾構區間。首先將所有采集到的圖片裁切為1024px×1024px格式，然后使用MakeSense.ai工具將滲漏水區域標定為“leakage”，得到數據集。

基于Pytorch與Keras開源深度學習框架，將數據集以6：2：2的比例劃分為訓練集，驗證集和測試集，使用CNN模型對訓練集示例進行學習。設置學習率為0.001，學習動量為0.85進行學習，并使用驗證集進行驗證結果[6-7]。管片滲漏水區域判別結果如圖3所示。

從圖3可以看出，滲漏水區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識別容易中斷。實際工程中，滲漏水區域通常分布在接縫的一側，因此基于CNN的機器視覺方法對管片進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? ?管片自身質量缺陷

管片在制造過程中會因為混凝土質量低，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

管片在拼裝環節發生碰撞，可能會導致止水條損壞或掉落，導致管片密封層未閉合。

4.2? ?施工因素分析

盾構在上軟下硬地層掘進過程中，若出現推力大且不均、推進速度慢、碴巖溫度高等現象，將對施工參數造成極大影響，導致管片滲漏水現象。具體如下：

管片注漿不飽滿，導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生滲漏水。盾構掘進姿態控制較差，造成管片拼裝精度降低，管片間產生錯位，不能提供密封所需的壓緊力，從而導致滲漏水。上軟下硬地層的掘進過程中推力不平均分布，造成盾構機作用于管片上的推力不平均，當掘進困難推力過大時，造成管片破裂，進而導致滲漏水[8-9]。相鄰管片未壓緊導致漏水如圖5所示。

5? ?預防及堵漏措施

5.1? ?管片生產與拼裝

為了避免管片缺陷造成的滲漏水，需要對生產過程與驗收環節加強監管。生產廠家需要配置專人對管片生產過程的缺陷進行監管，在出廠時再次對缺陷進行檢驗，確保管片質量。在運輸過程中，需要注意吊裝與固定環節，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，最后讓頂部推進液壓缸壓緊管片。在管片離開盾尾區域后需及時對螺栓復緊。

在掘進路線確定后，應根據線路情況對盾構區間的管片形狀進行設計，指導管片生產。對于曲線段的掘進段，根據管片內徑與外徑的差值選擇合適的轉彎環，為轉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控制

選用適當的漿液，滿足填充流動性、初凝時間和強度要求。對于注漿配比，需要根據地質與水文信息、隧道參數、地表沉降控制要求進行調整，從而保證隧道管片與圍巖結合穩固。

選用適當的注漿量與注漿速度，合理匹配掘進速度等施工參數。確保管片注入口應保持0.3～0.6MPa的壓力，同時參考覆蓋厚度與地下水壓進行調整。若壓力過大則容易使管片破裂，造成漿液外溢。盡量在盾構掘進同時注漿，或在一環掘進作業后立即注漿。

5.3? ?掘進施工

若盾構路線轉向曲度過大，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，容易導致管片拼裝錯臺與破裂。因此盾構施工時要控制盾構姿態，保證運動軌跡平滑[10-11]。

若盾構機掘進推力過大，會引起管片產生裂隙，導致管片滲漏水。為了避免此類情況發生，嚴禁糾偏量過大。在掘進困難段時，可使用超挖刀進行超挖作業。

6? ?結束語

成型管片滲漏水，會影響隧道內的附屬結構，增大隧道的維護成本，縮短隧道的使用年限。本文以濟南R3線一期工程為背景，使用基于機器視覺方法，對盾構管片的滲漏水情況進行了判別。然后針對上軟下硬地層土壓平衡盾構管片滲漏水情況進行分析，最終提出相應的預防與堵漏措施，可為提高管片拼裝質量、減少滲漏水缺陷提供一定的參考經驗。

參考文獻

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[11] 李俊良.地鐵盾構隧道滲漏水病害點云自動識別研究[D].北京：北京交通大學，2021.