凌 騏 李召陽 張志超

(1.南瑞集團(tuán)公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211003; 2.山東興水水利科技產(chǎn)業(yè)有限公司，山東 濟(jì)南 250013)

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·橋梁·隧道·

綜合評估方法在隧道混凝土襯砌監(jiān)測中的應(yīng)用

凌 騏1李召陽1張志超2

(1.南瑞集團(tuán)公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211003; 2.山東興水水利科技產(chǎn)業(yè)有限公司，山東 濟(jì)南 250013)

介紹了隧道襯砌綜合安全評估方法的原理及評判準(zhǔn)則，闡述了綜合安全評估方法在某隧道混凝土襯砌監(jiān)測工程中的應(yīng)用，并給出了隧道襯砌結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)的處置策略，以確保隧道的安全運(yùn)行。

隧道，安全評估，混凝土襯砌，監(jiān)測

隧道的安全運(yùn)行對國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)與人民的日常生活有著舉足輕重、不可替代的重要影響。通過采用科學(xué)、可靠的技術(shù)手段對存在安全隱患威脅的隧道進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測與安全評估、為運(yùn)行管理單位提供科學(xué)、快捷的技術(shù)支撐，對確保隧道的安全運(yùn)行、保障人民的生命及財產(chǎn)安全具有重大意義。無論是公路、鐵路還是其他土木工程中的隧道結(jié)構(gòu)，在設(shè)計中混凝土襯砌都是作為實(shí)用高效的荷載支承措施而被選用，對于襯砌混凝土的工作狀態(tài)安全評估方法研究也處于不斷探索的過程。例如范振華、王勇等人[1,2]采用層次分析法和模糊評價理論對公路隧道襯砌質(zhì)量安全評估指標(biāo)體系進(jìn)行了初步研究，胡適金等[3]利用有限元分析軟件對襯砌套拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真計算。在工程實(shí)踐中，受施工工法、地質(zhì)環(huán)境及荷載條件的復(fù)雜性和不確定性等多重因素影響，通過理論分析或數(shù)值仿真方法無法對襯砌結(jié)構(gòu)的邊界條件、初始條件及材料參數(shù)進(jìn)行很好的模擬，從而導(dǎo)致分析結(jié)論與實(shí)際情況存在較大出入。而通過隧道襯砌結(jié)構(gòu)中預(yù)先安裝的應(yīng)變計、測縫計等監(jiān)測儀器獲取原型監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對其變化特征加以綜合分析，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)安全性態(tài)進(jìn)行更可靠的實(shí)時評估。

1 隧道襯砌綜合安全評估方法原理

1.1 基本原理

依據(jù)評估對象的具體結(jié)構(gòu)特征和監(jiān)測布置情況，確定需要納入評估范圍的監(jiān)測部位及相應(yīng)測點(diǎn)。選用合適的判斷準(zhǔn)則，準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行監(jiān)測量單點(diǎn)異常、隧道局部異常及其程度、隧道整體異常及其主要異常部位和程度的分析判別；其次對判別為異常的情形進(jìn)行成因分析，弄清異常發(fā)生的原因；最后根據(jù)判別結(jié)果及其異常原因，發(fā)出相應(yīng)的報警信息，并提供輔助決策支持。

1.2 評判準(zhǔn)則

在圖1所示的綜合安全評估流程中，關(guān)鍵步驟是建立全面多樣的評判準(zhǔn)則體系以便優(yōu)化選用。針對測點(diǎn)、局部斷面及整體結(jié)構(gòu)等不同層次的評估目標(biāo)可采用相應(yīng)的評判準(zhǔn)則進(jìn)行安全判別。

1)單測點(diǎn)監(jiān)測量評判。 對于原型監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)可靠的單測點(diǎn)監(jiān)測量，可依據(jù)其變化趨勢性規(guī)律、變幅、極值等特征選用2σ或3σ準(zhǔn)則、測值變化速率準(zhǔn)則、極值同比準(zhǔn)則及歷史極值準(zhǔn)則對該測點(diǎn)的物理狀態(tài)進(jìn)行評估。同時可以采用監(jiān)控警戒值、專家經(jīng)驗(yàn)值、模型臨界值等指標(biāo)作為判別依據(jù)。在具體使用中，可能需要采用一種或多種準(zhǔn)則進(jìn)行綜合判別。

2)隧道襯砌局部及整體結(jié)構(gòu)綜合評判。根據(jù)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的監(jiān)測布置和監(jiān)測設(shè)計，同一監(jiān)測部位或監(jiān)測項目的各種監(jiān)測量構(gòu)成一個相關(guān)監(jiān)測量集合，對該集合中所有監(jiān)測量的測點(diǎn)狀態(tài)判斷結(jié)論進(jìn)行綜合分析后，即可判斷該局部位置(或監(jiān)測項目)是否發(fā)生異常。根據(jù)各監(jiān)測量的重要性的不同，對相關(guān)監(jiān)測量集合中的監(jiān)測量可分配權(quán)重系數(shù)，從而對每個監(jiān)測量在集合中的重要性進(jìn)行量化。對集合中各監(jiān)測量的評判結(jié)論進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)計分析，得出綜合統(tǒng)計值。當(dāng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)存在若干監(jiān)測部位時，可采用同樣思路對各部位的狀態(tài)進(jìn)行綜合分析評判，根據(jù)加權(quán)統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出整體結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)評估結(jié)論。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

某公路隧道為雙向四車道高速公路，斷面為馬蹄形，最大凈寬13 m，最大凈高7 m。施工通過的巖體除洞口段為破碎～較破碎花崗巖外，中段隧道均穿過較完整～完整花崗巖。由于該隧道受泥石流災(zāi)害和山體地下滲水影響較大，因此監(jiān)測點(diǎn)主要選取在現(xiàn)場檢查滲水較為嚴(yán)重的區(qū)域，共設(shè)置了32個監(jiān)測斷面。各監(jiān)測斷面分別在隧道混凝土襯砌拱頂、兩側(cè)45°拱肩及拱腰部位布設(shè)120支表面應(yīng)變計，標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2所示。

2.2 隧道襯砌綜合安全評估

1)監(jiān)測量單點(diǎn)評判。首先選擇監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的有效測點(diǎn)監(jiān)測量進(jìn)行評判準(zhǔn)則設(shè)置，以應(yīng)變測點(diǎn)RA1-S-1為例，如圖3所示?？筛鶕?jù)實(shí)際條件選用一種或多種評判準(zhǔn)則，本算例選取了監(jiān)控指標(biāo)準(zhǔn)則、變化速率準(zhǔn)則及專家經(jīng)驗(yàn)值準(zhǔn)則。其中監(jiān)控指標(biāo)和專家經(jīng)驗(yàn)值可參考設(shè)計指標(biāo)或同類工程控制值進(jìn)行設(shè)置，變化速率指標(biāo)可由軟件自動計算給出。當(dāng)同時采用多種準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)據(jù)評判時，由于對各準(zhǔn)則檢驗(yàn)結(jié)果的采信程度可能不同，因此需要設(shè)置準(zhǔn)則權(quán)重系數(shù)來量化描述準(zhǔn)則的采信度。當(dāng)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的所有測點(diǎn)準(zhǔn)則均設(shè)置完成后，即可選擇某一時間范圍進(jìn)行監(jiān)測量單點(diǎn)評判。評判結(jié)果如圖4所示，圖中灰色區(qū)域表明RA1-S-1測點(diǎn)在2014年3月26日曾出現(xiàn)短時超歷史極值下限的情形，但從多種準(zhǔn)則綜合評判結(jié)果看仍然判定為正常。由此也說明在進(jìn)行監(jiān)測量單點(diǎn)評判時，一般應(yīng)設(shè)置多種準(zhǔn)則綜合評估，否則易發(fā)生誤判。

2)隧道局部安全評判。在獲得隧道局部的所有測點(diǎn)評判結(jié)果后，可針對局部結(jié)構(gòu)的工作性態(tài)進(jìn)行初步評估。對有效測點(diǎn)(包括應(yīng)變和縫隙開合度)選取相等的權(quán)重系數(shù)，同時設(shè)置異常百分比為20%(當(dāng)異常測點(diǎn)數(shù)達(dá)到20%以上時認(rèn)為此局部存在異常)。通過軟件自動計算可得到局部安全性態(tài)評判成果，本算例的評判結(jié)論為正常。

3)隧道整體結(jié)構(gòu)安全評判。對該隧道其他監(jiān)測區(qū)域的測點(diǎn)重

復(fù)上述評判過程，即可得到所有監(jiān)測段的局部結(jié)構(gòu)安全評估結(jié)果?；谶@些監(jiān)測區(qū)域的評估成果，可進(jìn)行隧道襯砌結(jié)構(gòu)的整體安全性態(tài)評判?？紤]到隧道各區(qū)域結(jié)構(gòu)類型相似且安全程度同等重要，因此設(shè)置各區(qū)域的評判權(quán)重系數(shù)相等。通過計算可得隧道襯砌的整體性態(tài)評價結(jié)論為“正?！被颉盎菊！睜顟B(tài)。

2.3 對評估結(jié)論的說明

本實(shí)例在進(jìn)行隧道安全評估時主要依據(jù)的是襯砌混凝土環(huán)向應(yīng)變監(jiān)測量。但對地質(zhì)水文條件復(fù)雜、自然災(zāi)害多發(fā)區(qū)域的隧道結(jié)構(gòu)來說，通常還應(yīng)考慮諸如圍巖變形、縫隙變形、襯砌外滲透壓力及支護(hù)應(yīng)力等，不同監(jiān)測量之間可相互印證、相互對比，在此基礎(chǔ)上可大大增加結(jié)構(gòu)安全評估的準(zhǔn)確性及可靠性。

3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)處置策略

若監(jiān)測量單點(diǎn)異常屬于監(jiān)測系統(tǒng)性異常，并非隧道結(jié)構(gòu)工作性態(tài)的真實(shí)反映，一般可根據(jù)其成因由分析人員或監(jiān)測系統(tǒng)維護(hù)工程師處理后即可消除異常。當(dāng)通過綜合安全評估發(fā)現(xiàn)隧道襯砌出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性異常時，應(yīng)深入分析以判明原因。在上述隧道襯砌混凝土應(yīng)變計監(jiān)測成果中，已經(jīng)扣除了由于混凝土線脹系數(shù)和自生體積變形影響所引起的應(yīng)變，所得的最終測值代表了襯砌混凝土在結(jié)構(gòu)荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變。當(dāng)混凝土應(yīng)力應(yīng)變增大時，若趨勢不顯著，則關(guān)注其后續(xù)發(fā)展即可。若出現(xiàn)顯著趨勢性增大，則需判斷其是否超過混凝土的極限拉伸應(yīng)變，如果未超過則仍需對該區(qū)域的測點(diǎn)加密觀測，加強(qiáng)關(guān)注其發(fā)展情況。如果超過極限拉伸應(yīng)變則說明此處混凝土可能已出現(xiàn)裂縫，需現(xiàn)場查看該區(qū)域襯砌是否有裂紋、凸起、剝落，表面是否有滲水等現(xiàn)象。

4 結(jié)語

1)利用原型監(jiān)測資料對隧道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合安全評估，研究對象明確，能夠更加真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)物的工作狀態(tài)。該方法在分析過程中無需過多考慮混凝土材料特性、荷載等因素的影響，完全從結(jié)構(gòu)物的實(shí)測數(shù)據(jù)出發(fā)，評估原理清晰，操作流程簡捷，易于通過計算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動化實(shí)時安全評價。

2)綜合評估方法可以基于不同評判準(zhǔn)則對隧道襯砌安全進(jìn)行多維度分析，所采用的準(zhǔn)則既可以是客觀的數(shù)學(xué)理論，也可以是主觀的專家經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過適當(dāng)?shù)臋?quán)重分配，可以將兩者較好的結(jié)合應(yīng)用。但在工程實(shí)踐中，如何選取恰當(dāng)?shù)臏?zhǔn)則權(quán)重還需進(jìn)一步研究。同時還要通過持續(xù)監(jiān)測掌握長期歷史資料，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律進(jìn)行深入研究，充實(shí)完善評判準(zhǔn)則庫。

[1] 范振華.公路隧道襯砌質(zhì)量安全評估方法及應(yīng)用[J].低溫建筑技術(shù)，2015(5)：111-113.

[2] 王 勇.公路運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)安全評估體系及評價方法的研究[J].西部探礦工程，2013(3)：182-184.

[3] 胡適金，王 斌.隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全評估[J].市政技術(shù)，2014(6)：71-73.

Application of comprehensive evaluation method in tunnel concrete lining monitoring

Ling Qi1Li Zhaoyang1Zhang Zhichao2

(1.NARIGroupCorporation(StateGridElectricPowerResearchInstitute),Nanjing211003,China; 2.ShandongXingshuiHydraulicTechnologyIndustryCompany,Jinan250013,China)

The paper introduces the principle and evaluation principle for the integrated lining safety evaluation method of the tunnel lining, illustrates the application of the integrated evaluation method in the concrete lining supervision of some tunnel, and provides some treatment strategy for the eccentric circumstance of the tunnel lining structure, so as to ensure the safe operation of the tunnels.

tunnel, safety evaluation, concrete lining, supervision

1009-6825(2016)27-0142-02

2016-07-15

凌 騏(1979- )，男，博士，高級工程師

U456.3

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