余建星，晉文超，杜尊峰，周寶勇

(天津大學(xué)港口與海洋工程教育部、天津市重點實驗室，天津 300072)

引灤入津輸水工程是為解決天津市工農(nóng)業(yè)用水及民用水而修建的跨流域大型調(diào)水工程，而引灤隧洞又是整個輸水過程中的關(guān)鍵工程，它的安全運行對正常輸水產(chǎn)生直接影響．目前，基于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性理論在隧洞工程領(lǐng)域應(yīng)用不久，許多問題的研究還不是很成熟，國內(nèi)外現(xiàn)行的隧洞結(jié)構(gòu)可靠性鑒定標準分為兩大類，但都沒有與設(shè)計標準相協(xié)調(diào)，相關(guān)內(nèi)容大部分是針對隧洞建設(shè)過程問題的分析，缺少在役隧洞安全壽命的相關(guān)預(yù)測方法[1-2]．由于引灤入津輸水隧洞已運行多年，多處洞段結(jié)構(gòu)腐蝕破壞、襯砌劣化嚴重，必須對運行階段隧洞的剩余安全壽命和風險控制技術(shù)進行全面的研究．

對運行階段的隧洞進行壽命評估與風險控制，必須充分考慮到隧洞運行期間的環(huán)境荷載和承載結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，利用合理的物理模型來模擬隧洞的受力狀態(tài)和動態(tài)損傷，根據(jù)隧洞的安全監(jiān)測信息與數(shù)據(jù)，對隧洞的動態(tài)可靠性和剩余安全壽命進行全面的評估．運用引灤入津隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)，對襯砌的混凝土強度和鋼筋強度進行了檢測，以數(shù)理統(tǒng)計學(xué)方法分析了其概率分布特征，在充分考慮山巖壓力和外部荷載的作用后，利用ANSYS 有限元計算軟件進行了數(shù)值模擬計算，通過三維模擬計算獲取結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)，結(jié)合前面的強度檢測結(jié)果，建立結(jié)構(gòu)某一時刻的功能函數(shù)，綜合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)非線性動態(tài)可靠性原理和定量安全評估方法[3-4]，實現(xiàn)對隧洞結(jié)構(gòu)的安全壽命評估與風險控制功能．

1 隧洞結(jié)構(gòu)超聲回彈綜合檢測方法

隧洞結(jié)構(gòu)病害的發(fā)展是一個動態(tài)過程，如果能在病害惡化之前發(fā)現(xiàn)并及時采取整治措施，則可大大提高運行隧洞的安全性．采用儀器設(shè)備對隧洞工程混凝土及鋼筋質(zhì)量進行無損檢測，通過科學(xué)的檢測方法，利用定量化的指標來評價隧洞的實際狀況是十分必要的．研究采用超聲回彈綜合無損檢測方法，對隧洞混凝土襯砌結(jié)構(gòu)進行了強度檢測．

1.1 超聲回彈綜合強度檢測方法

鉆取隧洞襯砌結(jié)構(gòu)芯樣，實測混凝土的抗壓強度是最直觀、最準確的強度檢測方法，但只能做到點的檢測，不能對檢測洞段混凝土進行面的檢測，因此也就不能全面地反映混凝土的強度、質(zhì)量和分布情況．

研究通過現(xiàn)場取芯檢測，建立無損檢測專用測強曲線，運用超聲回彈綜合法全面反映混凝土的質(zhì)量．超聲回彈綜合法是同時利用超聲法和回彈法對混凝土進行檢測的方法，可以利用超聲波速與回彈位2 個參數(shù)檢測混凝土強度，彌補了單一方法在較高強度區(qū)或在較低強度區(qū)各自的不足，做到方法互補[5].通過現(xiàn)場試驗，建立超聲波脈沖速度-回彈值-強度相關(guān)關(guān)系，提高了混凝土強度檢測的精度和可靠性．

1.2 超聲回彈綜合法專用測強曲線

檢測采用低頻超聲波檢測儀和標準動能為9.8 J的回彈儀，在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件混凝土同一測區(qū)分別測量聲時(t)及回彈值(R)，利用建立的測強公式，推算該測區(qū)的混凝土強度值(cuf)，適用的混凝土深度為50～70,cm，適合引灤隧洞混凝土襯砌結(jié)構(gòu)．本次安全監(jiān)測中涉及5 個重點洞段，共鉆取混凝土芯樣5個．考慮到回彈儀的檢測深度及襯砌的設(shè)計厚度為60,cm，取芯樣的前5 個標準試件強度的平均值作為該芯樣的強度，與回彈值建立相關(guān)關(guān)系如圖1 所示．

圖1 芯樣強度與回彈值關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curve between the strength of core Fig.1 samples and rebound value

芯樣的抗壓強度 fcu與回彈值R關(guān)系曲線擬合回歸關(guān)系式為

曲線相關(guān)系數(shù)r= 0.874．

回彈法同其他的無損檢驗方法如拔出法、射釘法等一樣，對于內(nèi)外均值的混凝土強度檢測比較適合，但不能準確反映混凝土的內(nèi)部缺陷，尤其是對內(nèi)部缺陷嚴重、強度較低的混凝土．在這種情況下就應(yīng)輔以超聲法進行綜合測試．檢測5 個重點隧洞洞段的混凝土芯樣10 個，其芯樣的強度與表面超聲波速之間的擬合曲線如圖2 所示．

圖2 芯樣強度與表面超聲波速關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve between the strength of core Fig.2 譽samples and surface wave velocity

芯樣的抗壓強度 fcu與表面超聲波速v關(guān)系曲線擬合回歸關(guān)系式為

曲線相關(guān)系數(shù)r= 0.924．

1.3 襯砌強度無損全斷面檢測結(jié)果

重點針對5 個洞段，通過混凝土無破損現(xiàn)場檢測，在不破壞混凝土強度與襯砌結(jié)構(gòu)整體性的情況下，運用2 種測強方法綜合檢測，得到5 個重點洞段襯砌強度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1．

表1 各檢測洞段鋼筋混凝土襯砌的物理特性Tab.1 Physical properties of reinforced concrete lining of each checking and measuring section

2 三維有限元數(shù)值模擬與計算

巖土分析與一般的結(jié)構(gòu)分析有較大差異[6-8]．一般的結(jié)構(gòu)分析注重荷載的不確定性，在分析時會加載各種荷載，然后對分析結(jié)果進行各種組合，最后取各種組合中最不利的結(jié)果進行設(shè)計．巖土分析注重的是外部巖土和結(jié)構(gòu)自身材料的不確定性，所以巖土的物理特性顯得格外重要[7]．在巖土分析中應(yīng)盡量使用實體單元模擬圍巖的狀態(tài)，真實地模擬巖土的非線性特點、地基應(yīng)力狀態(tài)與隧洞運行時的外部荷載、自身狀態(tài)．

運用有限元軟件ANSYS，綜合隧洞安全監(jiān)測系統(tǒng)獲取的混凝土襯砌物理特性，在考慮周圍巖土自身的強度與變形特性的基礎(chǔ)上，通過建立有限元模型，計算隧洞結(jié)構(gòu)隨工況不同，結(jié)構(gòu)在斷面處的位移、應(yīng)力和彎矩值如表2 所示，為建立系統(tǒng)可靠性計算功能函數(shù)提供了準確的數(shù)據(jù)參考，隧洞結(jié)構(gòu)的三維有限元模型與邊界條件的選取如圖3 和圖4 所示．通過三維數(shù)值模擬計算得出不同洞段的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值，即獲取了下一步可靠性分析的荷載效應(yīng)值．

圖3 隧洞有限元計算模型Fig.3 Finite element numerical model of tunnel

圖4 隧洞有限元模型邊界條件Fig.4 Boundary condition of tunnel finite element model

表2 隧洞結(jié)構(gòu)數(shù)值計算力學(xué)指標Tab.2 Numerical computational mechanics index of tunnel structure

3 隧洞結(jié)構(gòu)非線性動態(tài)可靠性計算與安全壽命評估

3.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)非線性可靠性分析方法

在自然環(huán)境、使用環(huán)境和內(nèi)部因素的作用下，隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進入老化期，其性能的劣化會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗力不斷下降，隨時間歷程發(fā)生衰減，從而使結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)、規(guī)定的條件下完成預(yù)定功能的能力降低，即結(jié)構(gòu)的可靠性下降[9-11]．

設(shè)隧洞結(jié)構(gòu)的永久荷載效應(yīng)為Sp，可變荷載效應(yīng)為S(t)，則在某一基本組合下結(jié)構(gòu)某一時刻的功能函數(shù)[4，12]為

將設(shè)計基準期T分為m個相等的時段，可變荷載隨機過程S(t)離散為m個隨機變量極大值S i，抗力隨機過程R(t)也離散為m個隨機變量R(ti)或Ri，R i的大小取第i個時段抗力的中值．這樣結(jié)構(gòu)的失效概率[12]為

引入新的隨機變量S′ ，其概率分布函數(shù)為FS′(S′)，概率密度函數(shù)為fS′(S′)，令S′=·為FS ′(·)的反函數(shù)，為R1,R2,…,Rm的聯(lián)合概率密度函數(shù)，fSp(Sp)為S p的概率密度函數(shù)．則式(4)可變換為

由此可見，在引入隨機變量S′后，將高維積分問題，轉(zhuǎn)化為以式(5)為功能函數(shù)的常規(guī)可靠性問題．在結(jié)構(gòu)可靠性分析中，一般認為最大可變荷載效應(yīng)Sct服從極值I 型分布，令

將式(6)用極值I 型的概率分布函數(shù)表示

由此解得

令S′取為m個時段中S i的最大值S ct，將式(8)代入式(5)即得S ct服從極值I 型分布時，考慮結(jié)構(gòu)抗力隨時間變化的結(jié)構(gòu)非線性動態(tài)可靠性的功能函數(shù)

此時稱R為結(jié)構(gòu)的等效抗力，它綜合反映了設(shè)計基準期內(nèi)結(jié)構(gòu)抗力的變化歷程．

綜合三維有限元計算獲取結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)，運用結(jié)構(gòu)非線性動態(tài)可靠性理論建立隧洞的功能函數(shù)，對于可靠性計算可以通過將同一洞段上若干個斷面單元串聯(lián)起來，并假定各元件破壞相互獨立，即把隧洞同一洞段上的各個驗算斷面視為串聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，對隧洞結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行非線性動態(tài)可靠性計算．

3.2 隧洞結(jié)構(gòu)基于可靠性的安全壽命評估

作為可靠性的度量，可靠指標是描述結(jié)構(gòu)整體特性的指標[3-4]．以可靠性失效準則得到的評定結(jié)果，能夠全面科學(xué)地反映耐久性損傷對結(jié)構(gòu)的影響，而且與現(xiàn)行的《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》(GB 50153—92)相協(xié)調(diào)，便于應(yīng)用．一般地，對于引灤入津在役隧洞結(jié)構(gòu)來說，按照正截面強度可靠指標滿足《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》中對二級脆性破壞結(jié)構(gòu)的可靠指標的要求(3.7β＞ )，當隧洞結(jié)構(gòu)不滿足條件時，即認定結(jié)構(gòu)失效[3-4]．

對引灤輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)剩余安全壽命的評估流程如圖5 所示．

3.3 隧洞結(jié)構(gòu)動態(tài)可靠性與安全壽命計算結(jié)果

對于隧洞結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程經(jīng)驗，其斷面是由正截面強度極限狀態(tài)所控制．在考慮襯砌混凝土和鋼筋抗力隨時間衰減的因素，通過對隧洞5 個重點洞段進行的正截面強度承載力可靠性計算，得出不滿足要求的洞段，并評估得出隧洞結(jié)構(gòu)的剩余安全壽命．

通過結(jié)構(gòu)非線性動態(tài)可靠性的計算，可以得到隧洞驗算洞段在正截面強度承載力極限狀態(tài)下的可靠指標，如表3 所示．

圖5 隧洞剩余安全壽命評估流程Fig.5 Assessment flow chart of tunnel remaining safety life

表3 隧洞結(jié)構(gòu)正截面強度可靠指標Tab.3 Normal section surface strength reliable index of tunnel structure

通過表3 可以得出，對于引灤入津在役隧洞結(jié)構(gòu)，按照正截面強度可靠指標滿足《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》中對二級脆性破壞結(jié)構(gòu)的可靠指標要求(3.7β＞ )，有2 個洞段7＋182 和7＋952 強度與可靠度不滿足要求，需要進行整體加厚或補強處理．

其余3 個洞段(3＋010，10＋584，10＋812 洞段)，經(jīng)計算表明，滿足隧洞結(jié)構(gòu)強度與可靠度要求．

對考慮抗力時程效應(yīng)的可靠性計算與安全壽命評估，采用一次二階矩驗算點法，以每隔1 年為時間間隔，可以得到3 個高于二級脆性破壞結(jié)構(gòu)可靠指標標準的洞段(3＋010，10＋584，10＋812)在設(shè)計使用壽命期限內(nèi)可靠指標的變化如圖6 所示．

圖6 考慮抗力時程效應(yīng)的隧洞結(jié)構(gòu)正截面強度可靠指標變化曲線Fig.6 Curves of normal section surface strength reliable index of tunnel structure considering resistance capability time-effects

由圖6 可知，若考慮襯砌結(jié)構(gòu)混凝土和鋼筋抗力隨時間衰減，則可靠指標隨時間的增長逐漸下降，且在繼續(xù)使用25 年后急劇下降，這與所取的混凝土和鋼筋抗力衰減模型呈指數(shù)變化有關(guān)．如果當隧洞結(jié)構(gòu)的可靠指標下降到某一可接受的最低值(二級脆性破壞結(jié)構(gòu)的可靠指標 3.7β＞ )時，結(jié)構(gòu)就已經(jīng)達到其使用壽命．則根據(jù)圖6，以上3 個洞段隧洞結(jié)構(gòu)相應(yīng)的剩余安全壽命為42 年．

4 隧洞結(jié)構(gòu)安全維護與風險控制技術(shù)

隧洞結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的定量安全評估與風險控制技術(shù)，對于準確分析和解決隧洞工程系統(tǒng)運行及管理中的安全問題，建立動態(tài)的風險評估決策體系，有著極為重要的作用[3，13]．首先，針對隧洞結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，結(jié)合發(fā)生的事故，對結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀進行動態(tài)可靠性分析和安全壽命評估．在此基礎(chǔ)上，利用主成分分析法量化風險事件的發(fā)生概率及損失程度后果．之后，確定風險接受準則，對已量化的風險事件進行排序、整合，并結(jié)合專家意見給出結(jié)構(gòu)的安全維護和保障措施．

管理部門制定隧洞結(jié)構(gòu)的規(guī)劃評價機制和風險控制措施：首先，檢查系統(tǒng)內(nèi)是否存在危險的、不可接受的風險事件，如存在這樣的事件，應(yīng)采取必要技術(shù)措施，降低其風險程度；其次，檢查系統(tǒng)內(nèi)是否存在嚴重的、有條件接受的風險事件，對這樣的事件，在條件許可的情況下，也應(yīng)采取措施降低其風險程度．對于準備采取的措施，要用決策分析法進行經(jīng)濟技術(shù)分析，以確定操作的效益是否大于風險[3]．對系統(tǒng)內(nèi)存在的所有可接受的風險事件，提出風險可拓預(yù)警模型，建立動態(tài)的安全評估決策體系，達到風險控制的目的．

通過對主要的、不可接受的事件，編制控制措施，制定風險控制表，最終推薦不滿足要求的隧洞結(jié)構(gòu)風險控制措施為錨噴加固．按照實際測得的直墻半圓拱形隧洞襯砌斷面的外截圓半徑r0(r0＝167,mm)作為近似圓洞的開挖半徑進行深埋洞段圍巖塑性圈半徑的計算，設(shè)側(cè)壓力系數(shù)為1，由修正的芬納公式為

式中：0p為圍巖應(yīng)力；1p為襯砌內(nèi)壓；c為巖土凝聚力；?為內(nèi)摩擦角．計算得出塑性圈深入圍巖的深度，參照《錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范》(GBJ 86-85)的有關(guān)規(guī)定，結(jié)合引灤隧洞的跨徑及圍巖的實際情況，錨桿長度為取 2.5～3.0,m，錨桿材料為Ⅱ級鋼筋，直徑22,mm．錨固劑的選擇，考慮到有滲水壓力，為了保證有效錨固力，采用新型卷式錨固劑，遇水后向四周膨脹，既封堵滲水，又能與圍巖緊密黏結(jié)在一起，錨桿的設(shè)計錨固力為8,t，錨桿的布置如圖7 所示．經(jīng)驗算，加固后的結(jié)構(gòu)可靠指標滿足要求．

圖7 錨桿布置示意(單位：厘米)Fig. 7 Anchor arranger plan(unit：cm)

5 結(jié) 論

(1) 基于隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)，建立了適用于隧洞工程的超聲回彈綜合法專用測強曲線，提高了混凝土襯砌推定強度的精度和可靠性，滿足工程實際要求．

(2) 針對隧洞結(jié)構(gòu)安全評估中缺乏整體性動態(tài)評價，建立三維有限元模型，提出了基于系統(tǒng)非線性動態(tài)可靠性原理的隧洞結(jié)構(gòu)安全評價模型，在充分考慮抗力隨時間衰減的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對隧洞結(jié)構(gòu)安全壽命評估的目標．

(3) 將風險評估與控制理論應(yīng)用于隧洞結(jié)構(gòu)的安全維護過程，從而制定合理的隧洞結(jié)構(gòu)維護整治方案．

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