谢雄耀:隧道工程的诊断师

2012年11月29日，由国际隧道协会评选的2012年度国际隧道奖颁奖典礼在加拿大多伦多喜来登中心大酒店举行。这次典礼上，国际隧道协会前主席Martin Knights宣布上海长江隧道工程荣获2012年度国际隧道大奖（超过10亿美元级），这是我国工程项目首获此项大奖。

上海长江隧道工程位于上海长江口，是长25.5K m上海长江隧桥工程的隧道工程，起于上海市浦东新区五号沟，下穿长江南岔，抵于上海长兴岛，隧道主体8.95Km， 包括1.5Km长的明挖暗埋段与7.45K m盾构段。盾构段采用15.43m直径盾构机一次掘进完成，不设中间风井，隧道纵坡呈“W”型穿越长江，江中最大埋深达到55米。沿线穿越砂质粉土、淤泥质粘土等多种不良地层。隧道采用双管分离布置，中间每隔800m设联络通道。单管隧道结构断面采用三层五间设计，最上层为烟道，设烟道板与中间三车道高速公路行车空间隔开，行车道板下层采用口字件隔成三个通道，分别为逃生救援通道、公用管线通道以及远期预留的上海轨道交通19号线通道。在施工期间，上海长江隧道创造了两项世界纪录：第一是单月掘进556m，第二是单日掘进24m。自2009年10月通车以来，目前已有单日超过30，000辆车辆通过该隧道。

国际隧道大奖评审组推荐意见是：该工程建设团队开创了未来城市地下工程施工项目的全球标准，必将成为未来同等规模隧道工程典范。

值得一提的是，作为产学研合作项目的杰作，同济大学是该项目科研主体单位，而谢雄耀教授和他所主持的研究成果在此过程中做出了杰出的贡献。

仁心仁术 祛病于无形

谢雄耀的研究方向是“隧道与地下工程防灾检测理论与技术”，通俗地说，就是运用一套高科技的极具创新性的理论和方法对隧道工程中可能发生的隐患进行探测，为城市轨道交通工程、跨江海通道工程等交通基础设施的监测与建养提供技术支撑。

“就像医生治病一样，我们的工作就是早发现，早治疗。”谢雄耀用这个很形象的比喻告诉我们。在我国经济建设迅速发展，城市发展不断跨越的今天，这项工作无疑极具现实意义和经济价值。

自上世纪80年代中期起，随着我国城市化进程的推进，各大城市中心空间拥挤、交通堵塞、环境恶化等问题日益突出，逐渐成为城市发展的“瓶颈”。大力发展城市地下空间和轨道交通系统是我国解决“城市病”的最有效途径。近年来，我国的城市轨道交通建设获得了快速发展。以上海为例，上海地铁建设始于1990年初，但其发展极其迅速。从1995年上海地铁一号线全线建成通车到2011年，上海地铁运营线路总长度已经达到425公里，车站282座，客流约占全市公共交通出行总量的35%。2012年，上海市新建10个地铁项目（含既有线延长线），新建线路全长389公里，地铁运营线路达到13条、运营总长度超过500公里，形成上海地铁基本网络。到2020年上海将建成970公里的城市轨道交通网络。数据表明，截至2010年年底，我国拥有地铁运营线路42条，运营线路总长度达到1217公里。同时，目前我国获批建设地铁的城市有28个，按照规划，到2015年我国将建成地铁93条，总里程达2700公里。而这一数字到2020年将是173条，总里程达6200公里。

然而，在飞速发展的背后，是另一个不容忽视的现实情况：由于我国城市轨道交通建设历史较短，人们对工程结构健康服役问题的严重性重视程度不够。尤其是城市轨道交通结构，其所处的环境较为敏感，列车运行密度极高，使用条件苛刻，并且结构构件连接处及其构件自身会在施工缺陷、材料劣化等因素长期作用下出现薄弱环节，一旦结构损坏不易或根本不可更换，这便对城市轨道交通结构健康服役提出了极高的要求。目前，投入运营后的城市轨道交通结构健康服役问题已开始显露。

目前，我们对于结构健康性能的监测主要是采用传统的人工监测方法以及有线传感器来实现，但人工方法主要依靠人的经验，不同的人进行监测差异很大，存在很大不确定性，难以主动、实时、可靠地感知结构性能。利用传统的有线监测方式，则需要负担昂贵的电缆费用，且在结构上布设电缆繁琐困难，安装维护费用高，甚至在某些情况下无法实现布线，且传回大量监测数据也给数据处理带来困难，对其广泛应用造成极大的限制。因此，找到一种更加经济、高效和准确的检测方法无疑具有极重大的现实意义。

2009年12月22日，一号线因盾构隧道结构的碳纤维修补材料意外脱落造成电线短路，诱发两车碰撞事故，事故导致一号线全线瘫痪长达4小时以上，16万人滞留，数百万人出行受阻。对于轨道交通来说，如果能够及时探测何时、何处会损坏，无疑将极大减少此类事故的发生。

作为同济大学土木工程学院任职教授、博士生导师，地下系副系主任，谢雄耀便是那个解决了这一重大问题的人，是那个将顽疾化解于无形之中的人。

翻开谢雄耀的简历：吉林大学（原长春地质学院）应用地球物理系本科，同济大学海洋地质与地球物理系硕士，同济大学地下建筑与工程系博士，法国里尔科技大学土木工程系博士后，美国西北大学土木与环境工程系访问学者，正如其名字一般，他的学习经历堪称光彩耀人。

如果仔细观察，我们不难发现，他每个阶段的学习研究内容都具有高度的相似相容性，这种一脉相承的坚守和执著，可能正是他能够在所处领域取得突出成果的原因之一。而另一个极为重要的原因，则是他的兴趣。

早在本科期间，谢雄耀看到了中央电视台探索发现的一期节目，节目中提到的运用电磁波对地底空洞进行探测的技术引起了他极大的好奇心和浓厚的兴趣，于是他毫不犹疑地将其列为了自己研究生期间的研究方向，之后，他在这条学术道路上一步步坚守到了现在，取得了突出的成果和辉煌的成就。

多年来，他主持及参与了《盾构隧道壁后注浆层电磁特性与探地雷达检测理论研究》、《长大隧道工程风险评价与安全预警技术研究》、《超长线状地下结构状态智慧感知理论》等六项部级项目，（包括”973”、“863”、国家自然基金”等项目），《软土地层超深埋盾构法公路隧道设计施工技术》、《城市道路盾构隧道工程建设与运营期结构安全关键技术研究》、《超大型水底公路盾构隧道全面快速检测及预警技术集成》等4个上海市项目。获得了包括教育部科技进步奖一等奖2项，上海市科技进步奖一等奖1项、二等奖1项、三等奖3项在内的多项大奖，授权相关领域发明专利7项，在国内外核心刊物50余篇，其中SCI、EI收录论文31篇，专著2本。

作为同济大学地下系的副主任，围绕隧道与地下工程防灾检测理论与技术研究方向，培养了2位教授，1位副教授，1位讲师及40名左右研究生的研究团队。正由于谢雄耀老师在其领域所取得的突出成绩，他在多个重要学术机构中担任要职：2007年起任中国岩石力学与工程学会青年工作委员会秘书长（国家二级学会）；2009年起任中国土木工程学会工程风险与保险分会理事，2012年，作为第十四届国际探地雷达大会的会议主席，谢雄耀被选为国际IEEE-GRSS 探地雷达咨询委员会核心成员。他同时是国际期刊《Journal of Geophysics and Engineering》的客座编辑，国内国际多个期刊审稿人。

学以致用 造福于当下

世界最大盾构机生产商海瑞克（Herrenknecht）曾对谢雄耀教授发表的论文成果有过如此评价：“我们很有兴趣地阅读了2007年发表在地球物理与工程国际期刊《上海地铁探地雷达壁后注浆检测识别方法》的论文，作为世界最大的盾构机生产商，我们认为论文提供的检测方法对于我们非常有帮助。”

盾构法，是利用盾构机具在地面以下暗挖隧道的一种施工方法。由于其具有快速、安全、减少地面沉降等优点，盾构法施工技术在城市轨道交通系统的建设中具有很大的优势。在我国，盾构法隧道最早出现在软土地层的上海地区，但随着盾构法施工技术和盾构机具设备的不断发展，以砂卵层为主的成都、北京等地，以及软弱地层与岩层（风化岩层）交变的南京、广州等地也较多地采用盾构法施工。可以说盾构法隧道已经成为我国城市轨道交通系统建设的主要结构形式之一，越来越多的城市使用盾构法修筑地铁工事。

然而随着大量盾构隧道的建成及投入运营，受施工条件、施工质量、地质条件、保护区施工以及其他因素等影响，盾构隧道出现了一些程度上的诸如结构渗漏水、结构裂缝及损坏、隧道纵向沉降等的结构病害，如何控制日益增多的隧道病害并采取相应的措施确保运营安全已引起设计及运营管理部门的极大关注。

在盾构隧道的病害中，结构渗漏水是最普遍病害类型之一。由于地质条件、施工水平等因素，有些盾构隧道在施工结束后就出现严重的渗漏水现象。渗漏水有时也伴随着漏泥漏砂，引起隧道外部地层的流失，造成隧道结构受力的不均衡，加剧了隧道结构的沉降和变形，影响到隧道的正常运营环境。研究表明，均匀密实的壁后注浆层，作为盾构隧道的第一道防水战线，可以阻止地下水对隧道衬砌结构的侵蚀和渗透，大大减少盾构隧道的渗漏水病害。同时，壁后注浆层一方面填充了隧道衬砌结构与地层的施工间隙，减少地面沉降；另一方面，在隧道稳定初期，注浆层在地层压力的挤压下，完整密实地包围了整个隧道衬砌结构，有助于加强隧道衬砌结构的整体受力性能，同时也能使地层和衬砌结构整体协调受力。

因此，在盾构隧道施工结束后或者在其运营中，若能及时对隧道壁后注浆质量进行探测，对注浆层不均匀、不密实，注浆层背后空洞的地段及时给予二次注浆，则可以有效减小地面的长期沉降和隧道结构的渗漏水病害。近年来，探地雷达技术以其快速、无损、高精度的优势，越来越多地应用到盾构隧道壁后注浆层的结构探测中。

但是对雷达探测数据的分析和处理，还存在较多的不足，缺乏深入的数据挖掘与分析，降低了探测结果的可信度。现场的雷达探测方式对数据质量有较大的影响，也会影响到雷达探测数据的处理和识别方式。通过应用探地雷达技术对整条盾构隧道的壁后注浆层探测，分析总结雷达探测方式对雷达记录数据的影响，以及对相应数据的处理方法，可以使探地雷达技术能在隧道结构探测中得到更有效的应用。而这便是谢雄耀教授所解决的问题，也是海瑞克公司所提到的那篇论文。

目前，谢雄耀的研究成果已获得了业界的广泛关注，并成功应用于国内最长水底隧道――狮子洋隧道，国内最大直径的盾构隧道――上海长江隧道以及国内最大的地铁网络――上海地铁隧道等国内外知名的工程之中。

学以致用，进而造福人类，这无疑是对谢雄耀这位科学家的极大褒赞和崇高评价。

着眼未来 防患于未然

美国土木工程协会（ASCE）曾经有个著名的五倍定律：一项工程若维护不及时，将导致服役期土木结构维护费是建造费的5倍级数增长。

另一方面，据有关规划显示，到2015年，我国25个城市将有87条轨道线路，营运里程将超过2500公里，总投资约1万亿元。按照五倍定律，如果能够及时感知并维护可能出现的问题，便可以节省上万亿的费用。

作为城市的交通命脉和城市重大地下工程，在100年的设计寿命期内，其结构的健康服役对于城市正常运转至关重要，越来越受到社会的广泛关注！轨道交通发展从建设为主向“建养”并重转变已成为全球范围内一个广泛接受的共识。

谢雄耀，又一次将目光投向这一问题。他发现，目前国内针对超长线状地下结构状态智慧的感知研究极少，且感知手段适用性差、布设依据缺乏，评估理论有待完善。寻求一种系统性的城市地铁隧道结构性能感知方法，对隧道的运行情况进行有效的检测和险情预报，便是他的目的。这一项目被命名为“城市轨道交通地下结构状态智慧感知理论与方法”，这是一套面向未来，造福大众的理论和方法。依托已开展的国家973课题，谢雄耀已建立起了很好的研究团队。我们有理由相信，在谢雄耀及其集体团队的努力下，未来人类的城市生活将更加安全，美好。