劉曉偉

摘 要：鐵路事業(yè)發(fā)展的過程中，既有的鐵路隧道也越來越多，但是既有鐵路隧道會受到很多因素的影響，出現(xiàn)各種病害，例如腐蝕、滲漏水、錯臺、開裂、襯砌結構變形等。針對這種情況，必須制定科學的既有鐵路隧道襯砌裂損維修決策。本文簡要探討了既有鐵路隧道襯砌開裂的基本形態(tài)和造成襯砌開裂的主要原因，以此為基礎立足于多層次灰色綜合評判法、專家評判法、可辨識矩陣啟發(fā)式簡約算法等多種算法，建立既有鐵路隧道襯砌列索維修方案決策模型，供相關人員參考借鑒。

關鍵詞：決策；既有鐵路隧道；襯砌裂損

中圖分類號： U457 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）16-82-2

0 引言

近年來，我國的鐵路事業(yè)得到了飛速的發(fā)展，增加了鐵路隧道的通車里程，不斷提高鐵路的運營速度。但是單線運載能力的提高和鐵路提速會受到既有鐵路隧道病害的制約，而最常見的既有鐵路隧道病害就是襯砌裂損，襯砌裂損又會導致隧道的其他病害，例如滲漏、開裂、腐蝕、結構變形等，從而使鐵路隧道的使用壽命縮短，結構的安全儲備降低。這就需要制定科學的維修方案，對既有鐵路隧道的襯砌裂縫進行維修，在制定方案時應該了解襯砌開裂的具體原因，并通過建立模型的方式來保障維修方案的科學性。

1 既有鐵路隧道襯砌裂損的形態(tài)和原因

1.1 既有鐵路隧道襯砌裂損的形態(tài)

通過調查發(fā)現(xiàn)，隧道襯砌裂損在我國既有鐵路隧道中非常普遍。本文以裂縫走向為依據(jù)，將由鐵路隧道襯砌裂損的形態(tài)分為3種，分別為環(huán)向裂縫、斜向裂縫和縱向裂縫。①環(huán)向裂縫。造成環(huán)向裂縫的主要原因是沉降縫處理不當、圍巖的地層變化和縱向布局與荷載環(huán)向裂縫一般發(fā)生在完整巖石與不良地質地帶，或者洞口的交界處。②斜向裂縫?？v向受力與混凝土襯砌的環(huán)向應力又會共同造成一種拉應力，從而產(chǎn)生斜向裂縫。斜向裂縫與隧道縱軸之間的夾角約為45度，具有較大的危害。③縱向裂縫?？v向裂縫是既有鐵路隧道襯砌裂損中危害性最大的一種裂縫，裂縫走向平行于隧道軸線，如果不對縱向裂縫進行處理，可能會造成邊墻坍塌、邊墻斷裂和隧道掉拱[1]。

1.2 造成既有鐵路隧道襯砌裂損的主要原因

1.2.1 地質環(huán)境原因

鐵路隧道所處的地形和地質環(huán)境往往比較復雜，斷面的里程不同，隧道所處的上覆蓋層情況和圍巖等級也有所不同，可能會造成襯砌的不均勻受力，從而形成縱向沉降差。與此同時，既有鐵路的隧道中也存在著不對稱的地質和地形條件，例如斷層、節(jié)理、偏壓等，容易產(chǎn)生結構性裂縫。特別是在地質突變段、滑坡段、洞口段表現(xiàn)得更為突出。襯砌裂縫也會受到地下水環(huán)境的影響，不良的地下水環(huán)境可能會催生各種裂縫。

1.2.2 設計原因

當前的很多具有鐵路隧道使用的年限較長，在設計時受到各種勘測設計條件的限制，未能進行科學的設計。加之隧道所處的水文地質條件和山體工程條件，具有一定的多變性，在設計時往往沒有收集完整的地質資料，從而造成了圍巖的實際荷載和襯砌結構不符、襯砌類型選擇不當、圍巖級別劃分不準的問題，容易造成襯砌的裂損。同時對于一些斷層破碎帶、偏壓地段也沒有進行科學的設計，由于承載力不足或受力不均，這些地段的襯砌也可能出現(xiàn)不同程度的裂損[2]。

1.2.3 施工原因

既有鐵路隧道的施工過程中要面臨很多難以預料的突發(fā)狀況，處理不當也可能造成隧道的襯砌裂損。例如管理不當、沒有選擇合適的施工方法、技術條件有限等，無法對施工質量進行有效的控制，可能會出現(xiàn)襯砌的強度不足、厚度不足、壓力增大、圍巖松動等問題?；蛘咴谑┕r沒有完全、及時的回填塌方和超挖的地段，或者沒有密實的回填襯砌的背后。與此同時，如果混凝土的質量存在問題也可能造成襯砌裂損，例如沒有嚴格地控制原料中的截骨料含量，造成了截骨料反應的膨脹效應。

1.2.4 運維原因

既有鐵路隧道需要長期、科學的運維管理，如果運營和維護不當，就可能導致一些微小裂縫發(fā)展成為襯砌裂損。如果在維護的過程中沒有及時的發(fā)現(xiàn)和處理襯砌的裂損病害，或者沒有查明病害的原因，沒有使用合理的手段來對其進行處理，都會造成涌水裂縫、滲漏水、貫通性裂縫等嚴重的裂損。

1.2.5 其他原因

一些不可預知的因素也會造成，只有鐵路隧道的襯砌裂縫，例如火車脫軌而造成隧洞內(nèi)發(fā)生火災或者地震等。同時混凝土襯砌還會受到隧道進出口地段的凍融循環(huán)和溫度應力的影響。

2 既有鐵路隧道襯砌裂損維修決策的制定

通過上文分析，可以發(fā)現(xiàn)造成既有鐵路隧道襯砌裂損的原因比較復雜，針對不同原因造成的襯砌裂損，應該選擇不同的維修方案。除此之外維修方案的選擇還會受到施工難易程度、自然環(huán)境和投資成本的影響。由于既有鐵路隧道，襯砌維修方案所獲得的指標數(shù)據(jù)所含的信息量較少，而且具有模糊性和離散性，為了保障自有鐵路隧道襯砌裂縫維修方案的科學性，本文運用了灰色理論、粗糙集等理論，來對不確定性復雜系統(tǒng)進行處理，并引入了專家評判定權法，盡可能地提高評價結果的準確性和真實性。

2.1 指標體系的建立

由于既有鐵路隧道襯砌維修決策所涉及的領域較多，因此以指標屬性為依據(jù)對其進行分類，將其分為三個層次，第一層為總目標層（U）， 第二層為子目標層，包括質量保證（U4）、施工文明程度（U3）、施工方便程度（U2）、施工經(jīng)濟性（U1）；第三層為指標層，包括延長的使用年數(shù)（U41）、工作安全程度（U34）、噪聲與環(huán)境污染（U33）、列車對人的影響（U32） 、次級災害的可能性（U31）、設備要求（U24）、列車運營的影響 （U23）、工期（U22）、技術要求（U21）、成本（U11）。

2.2 建立指標權重

本文的知識表達系統(tǒng)為s=（ U，A，V，f），為了得到離散值，可以使用等頻率區(qū)間法，對指標進行離散，將其離散為優(yōu)、良、一般、差4個值，用4、3、2、1來表示。

以離散值為依據(jù)，對各自目標知識表達系統(tǒng)的可辨識矩陣進行計算。根據(jù)相關研究可以發(fā)現(xiàn)，隨著指標出現(xiàn)的頻率增大，指標的潛在區(qū)分能力也在不斷增大。在計算頻率時應該使用加權計算，以指標出現(xiàn)的分辨矩陣的長度為依據(jù)，來確定加權的大小，并計算分辨矩陣的重要度w（a）。

計算出各子目標下的指標之后，應該對其重要度進行歸一，將指標的權重向量計算出來。以此為基礎，還要對既有鐵路隧道襯砌裂縫維修方案中的子目標權向重進行計算，引入專家判斷法。

2.3 對決策進行排序

2.3.1 對灰類進行確定評價

灰數(shù)的白化值可以使用離散值，通過對灰類的白化權函數(shù)、等級數(shù)、灰數(shù)進行確定來對灰類進行評價。評價灰類共有4個，分別為差、一般、良、優(yōu)，分別用4、3、2、1來表示。

2.3.2 對矩陣和灰類評價權向量進行計算

各個指標的評價權都包括4個回灰類，綜合評價灰類的灰色評價權向量，從而將評價灰類的灰色評價權矩陣建立起來。最后要綜合評價第s個受評方案的UI，并計算其綜合評價結果，并對綜合評價值進行計算。

2.4 模型的實際應用

以我段張集線舊堡隧道為例，該隧道為雙線電氣化重載鐵路，全長9585米，該鐵路隧道受到隧道內(nèi)山體滲水的影響，其隧道圍巖出現(xiàn)了比較嚴重的裂隙病害，在調查中發(fā)現(xiàn)該隧道內(nèi)多處出現(xiàn)掉塊裂損情況，部分襯砌的邊墻拱部也出現(xiàn)了嚴重裂損，隧道內(nèi)漏水嚴重，2014年與2015年經(jīng)過工程整治后該隧道狀態(tài)大為改觀。根據(jù)分析，造成襯砌裂損的主要原因是滲漏水和偏壓。針對這一情況共制定了4個維修方案，方案一為注漿維修，方案二為排水管+掛網(wǎng)，方案三是注漿+掛網(wǎng)，方案四是注漿+錨桿。立足于實際情況，并結合專家分析，用頻率區(qū)間法對指標層進行離散化，對重要度進行計算，然后將指標層的權重計算出來，從而對4個方案的綜合評價值進行計算，根據(jù)計算結果選擇了方案四。

3 結語

既有鐵路隧道的使用年限較長，受到各種因素的影響可能會出現(xiàn)襯砌裂損的情況，必須對其進行維修。本文使用了多種數(shù)學方法，結合定性和定量，盡可能地提高汽油鐵路隧道襯砌裂損維修決策的科學性，該計算方法所得的結果符合實際情況，值得同類工程參考借鑒。

參 考 文 獻

[1] 顏練剛.隧道襯砌裂損與防治對策分析[J].科技創(chuàng)新與應用，2013（13）.

[2] 裴濤濤，陳禮偉，史憲明，師亞龍.既有鐵路隧道襯砌裂損整治措施研究[J].鐵道建筑，2013（04）.