姚漢澤

（同濟大學地下建筑工程系，上海 200092）

基于地鐵盾構(gòu)隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)對隧道結(jié)構(gòu)損傷概率的分析

姚漢澤

（同濟大學地下建筑工程系，上海 200092）

目前中國大陸已經(jīng)在20多個城市建成地鐵網(wǎng)絡。截止至2013年，地鐵總運營里程已經(jīng)達到2305公里，成為世界上地鐵運營里程最長的國家。隨著隧道數(shù)量的逐年增加，隧道結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)的檢測和監(jiān)測、維護和病害的防治變得愈加重要。而且目前我國的地鐵及地下工程健康監(jiān)測系統(tǒng)仍然有很大的優(yōu)化空間。本文針對盾構(gòu)隧道可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)損傷，利用概率分析的方法，通過計算得出隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的概率。

盾構(gòu)隧道；結(jié)構(gòu)損傷；概率分析；數(shù)學建模

0 引言

自1974年日本東京首次使用平衡式盾構(gòu)機修筑隧道以來，盾構(gòu)隧道以其掘進速度快、自動化程度高、施工對環(huán)境影響小等優(yōu)點在我國的地鐵、市政、能源等工程中得到了越來越廣泛的應用。盾構(gòu)法施工屬于暗挖法中的一種，是由盾構(gòu)機在地下推進，通過盾構(gòu)的外殼和管片支撐防止隧道四周的圍巖向內(nèi)塌陷，于此同時切削裝置在開挖面前切削土體并通過出土機械將土渣運出洞外，由千斤頂在后部加壓頂進，最后在洞內(nèi)壁拼裝預制混凝土管片形成襯砌的一種全機械化隧道結(jié)構(gòu)施工方法。但是隧道在運營的過程中可能出現(xiàn)各種各樣的病害，其中以襯砌裂縫和滲漏水最為常見且危害最大。為了保證隧道的運行安全，盾構(gòu)隧道的監(jiān)測變得愈加重要。然而目前我國的地鐵及地下工程健康監(jiān)測系統(tǒng)尚不完善。因此，在這一方面仍然有很大的發(fā)展空間。

1 盾構(gòu)隧道的施工工藝及可能出現(xiàn)的病害

1.1 盾構(gòu)隧道的施工工藝

盾構(gòu)隧道的施工是一個相對復雜的過程，它對周邊環(huán)境的影響與施工的主要技術(shù)環(huán)節(jié)密切相關(guān)。因此，只有在理論分析中準確把握盾構(gòu)隧道施工的主要因素才能得出符合實際情況的結(jié)果。盾構(gòu)隧道的施工工藝主要包括以下幾個技術(shù)環(huán)節(jié)：

（1）土體開挖及開挖面的支護。土壓平衡式盾構(gòu)在施工過程中，通過切削刀盤切削前方土體。挖土量由刀盤轉(zhuǎn)速、切削扭矩及千斤頂推力決定。排土量則是由螺旋排土器的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。因為土壓平衡式盾構(gòu)機是依靠土壓艙內(nèi)的壓力來平衡開挖面的水土壓力的，為了使土壓艙的壓力波動較小，施工過程中要經(jīng)常調(diào)節(jié)排土器的轉(zhuǎn)速和千斤頂?shù)耐七M速度，以保持挖土量和填土量的平衡。

（2）盾構(gòu)掘進及襯砌拼裝。在施工作業(yè)中盾構(gòu)依靠千斤頂?shù)耐屏η斑M，推進過程中要克服開挖面的土體壓力、側(cè)面土體的摩擦阻力和內(nèi)部機械設備的阻力。盾構(gòu)的總推力由各種阻力的總和及所需要的富余量來決定。推力過大會導致正面土體因擠壓而前移隆起，推力過小則會影響推進速度。千斤頂推動盾構(gòu)前進后，依次收縮千斤頂并在盾構(gòu)內(nèi)部拼裝襯砌管片。

（3）盾尾脫空及壁后注漿。在千斤頂推動盾構(gòu)機前進時，使本來位于盾構(gòu)殼內(nèi)部的拼裝襯砌脫出頓殼的保護，在襯砌的外圍產(chǎn)生建筑孔隙，這會引起較大的地層損失，如果不及時采取補救措施會引起很大的地層位移和地層沉降。

壁后注漿是對盾尾形成的建筑空隙進行填充注漿，從而減小由于盾尾空隙產(chǎn)生的地應力釋放和地層變形，這是盾構(gòu)施工的重要環(huán)節(jié)之一。壁后注漿通過在盾構(gòu)殼上設置注漿管，注漿方式包括在空隙生成的同時進行注漿的同步注漿方式和通過管片上預留的注漿孔進行注漿的及時注漿方式兩種。其中同步注漿更有利于沉降的控制。

1.2 盾構(gòu)隧道在運營過程中可能出現(xiàn)的病害

已經(jīng)建成的隧道在長期的自然環(huán)境和使用環(huán)境的雙重作用下會不同程度地出現(xiàn)襯砌裂縫、變形以及滲水等病害。對于這些病害如果不加以合理的治理會造成十分嚴重的后果。因此，對盾構(gòu)隧道可能出現(xiàn)的各種病害有一個清晰地認識十分重要。目前，已知的病害類型大致有一下六種：

①襯砌裂縫：裂縫是混凝土最常見的病害，許多混凝土結(jié)構(gòu)都處于帶裂縫工作狀態(tài)。裂縫會影響到盾構(gòu)隧道的安全性和耐久性，如果處理不當，會造成較大危害。

②滲漏水：這是軟土隧道最主要的病害類型。長期的滲漏水容易使襯砌結(jié)構(gòu)剝落、風化，隧道的可靠性將會降低。如果滲漏水中含有腐蝕性物質(zhì)，將會造成襯砌劣化，承載能力下降。滲漏水對隧道的穩(wěn)定、洞內(nèi)設施、行車安全、地面建筑和隧道周圍水環(huán)境等會產(chǎn)生諸多不利影響。

③混凝土劣化：混凝土的劣化主要指混凝土的碳化。碳化會引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面發(fā)生破壞，是大氣中的二氧化碳氣體與混凝土中的強堿生成物發(fā)生反應的結(jié)果。

④鋼筋腐蝕：鋼筋腐蝕會造成結(jié)構(gòu)承載力的降低，與保護層厚度，碳化深度，氯化物含量等因素有關(guān)。鋼筋襯砌腐蝕會大大降低鋼筋的承載力，還會使襯砌結(jié)構(gòu)變得酥松，強度下降。

⑤凍害：在寒冷地區(qū)的隧道，由于凍融作用而產(chǎn)生的襯砌酥碎、凍脹開裂、剝落、積水、滲漏水、掛冰、結(jié)冰等影響隧道正常使用功能的病害現(xiàn)象。在這些地區(qū)，凍害是襯砌劣化的主要原因。

⑥混凝土剝落剝離：剝落是指混凝土表面水泥砂漿流失，造成粗骨料外露，嚴重者造成骨料松脫。一般發(fā)生在混凝土表層質(zhì)量較差的部位。

以上這些病害需要采用合適的監(jiān)測系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)并做合理處置，以避免事故的發(fā)生。

2 現(xiàn)有的盾構(gòu)隧道變形監(jiān)測系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代隧道工程技術(shù)的逐漸成熟和科技含量的提高，隧道的變形監(jiān)測具有以下幾個特點：襯砌安裝管片的絕對和相對變形?。ㄒ话阍诤撩缀蛠喓撩准墸粺o傷監(jiān)測（不能采用在襯砌環(huán)片上打孔等破壞性方式設置標志和器材）；工作場地狹窄，監(jiān)測人員的工作空間和時間均有限。

目前隧道變形的監(jiān)測方法有很多，其中收斂監(jiān)測及拱頂和拱底沉降監(jiān)測的技術(shù)成熟、效率高、精度高、可操作性強，很適合地鐵盾構(gòu)工程監(jiān)測的特點。采用高精度的收斂變形監(jiān)測配合拱頂和拱底的沉降變形監(jiān)測，能夠捕捉到毫米或亞毫米級的變形信息，這已經(jīng)成為現(xiàn)代隧道工程首選的變形監(jiān)測項目。采用合理的方法對其資料進行數(shù)據(jù)處理和綜合分析，可以客觀地反映出隧道的相對動態(tài)變形、剛性絕對變形、不同變形同時存在的情況。據(jù)此可以對工程的安全、設計、質(zhì)量等進行準確的評估。

3 盾構(gòu)隧道損傷的概率分析方法及其優(yōu)缺點

3.1 蒙特卡洛概率分析法

蒙特卡洛法是指當所求解問題是某種隨機事件出現(xiàn)的概率，或者是某個隨機變量的期望值時，通過某種“實驗”的方法，以這種事件出現(xiàn)的頻率估算這一隨機事件的概率，或者得到這個隨機變量的某些數(shù)字特征，并將其作為問題的解。將其應用盾構(gòu)隧道損傷的分析上，擬選擇把結(jié)構(gòu)破壞或損傷視為一個隨機問題（盡管它在確定的條件下是確定的，但由于條件不明，所以不妨視之為隨機事件）。隧道中某一個點或者某一個面是否有損傷可以通過已有的設備和已有的數(shù)據(jù)得到，利用蒙特卡洛方法，將隧道發(fā)生損傷的概率和監(jiān)測數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，從而建立數(shù)學模型，代入現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，通過實驗（可以是真實實驗，也可以是計算機模擬實驗）檢驗建立的數(shù)學模型是否合理，并對其進行修正。這樣，我們就可以將隧道內(nèi)某一點的監(jiān)測數(shù)據(jù)帶入數(shù)學模型，進而計算出這一點發(fā)生損傷的概率，并以這個概率為基礎，進行整體結(jié)構(gòu)安全的初步評估。

3.2 盾構(gòu)隧道損傷概率分析法的優(yōu)點

首先，概率分析法是基于隧道的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的。由于現(xiàn)代隧道工程監(jiān)測技術(shù)的逐漸完善，橫向收斂和拱頂拱底的沉降監(jiān)測已經(jīng)可以達到很高的精度（毫米級，亞毫米級）。這保證了概率分析的準確性和客觀性。計算機也為大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理提供了方便。

其次，目前結(jié)構(gòu)的可靠性分析采用的主要是半經(jīng)驗-半概率的方法。然而對于不同地區(qū)的隧道，結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的概率與監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的關(guān)系因為環(huán)境的差異會有所不同。這時經(jīng)驗就顯得不夠可靠。而在概率分析中可以將各地隧道的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別進行分析。利用MATLAB可以建立適用于不同地區(qū)的數(shù)學模型。因此，這種方法的普適性要強于傳統(tǒng)的半概率-半經(jīng)驗分析法。

最后，目前的盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)是通過監(jiān)測測點的變形數(shù)據(jù)，利用過大的變形來評估隧道的結(jié)構(gòu)損傷的。這種方法的問題在于，測點不可能遍布隧道內(nèi)的所有部位，因此這樣的基于點的評估方法是不能對隧道的損傷情況作出整體評估的。而采用概率分析的方法，則可以通過一些的測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用數(shù)學模型對隧道發(fā)生損傷的概率做一個整體的計算。這是目前的監(jiān)測系統(tǒng)所做不到的。

3.3 概率分析法存在的問題和值得改進的地方

在研究這種新型的隧道損傷評估方法的過程中，也遇到了很多的問題：

（1）監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)量龐大，數(shù)據(jù)分析和數(shù)學建模的過程十分繁瑣，有的時候很難建立合適的數(shù)學模型來描述隧道的損傷。（2）對于不同地區(qū)的隧道，隧道發(fā)生損傷時，監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點是不同的。因此需要針對不同的地區(qū)，建立不同的數(shù)學模型。這一過程顯然需要大量的工作。（3）為了建立適用性更強的數(shù)學模型，需要大量的隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。然而，目前在我國開放的隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)并不多，即使做了大量的工作來獲取數(shù)據(jù)，仍然難以保證模型的適用性。

為了解決上述這些問題，我認為在研究中可以從以下這些方向來解決：首先可以采用ANSYS等有限元分析軟件對隧道在運營過程中可能出現(xiàn)的病害進行模擬，以減少對監(jiān)測數(shù)據(jù)的依賴。其次可以對隧道所處的不同環(huán)境進行分類（例如按照溫度，濕度，巖土體的堅硬程度等指標進行分類）。這樣便可以篩選出有代表性的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，以減少工作量。

4 結(jié)語

為了保證隧道運營的安全，避免意外事故的發(fā)生，隧道的健康監(jiān)測已經(jīng)成為隧道維護中非常重要的一個環(huán)節(jié)。隨著技術(shù)的進步，監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度越來越高，如果不能對這些數(shù)據(jù)加以有效的利用，將是極大的浪費。本文所述的正是對這些監(jiān)測數(shù)據(jù)的一種新型的分析方式。目前我們的研究尚處在起步階段，對于數(shù)學模型的普適性還有很多的問題需要解決。但是通過上海地鐵的一些監(jiān)測數(shù)據(jù)的驗證，我們已經(jīng)證實了這種方法的可行性。相信在不久的將來，這種方法定能得到進一步的完善，真正應用到工程實踐中。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.097

姚漢澤（1995- ），男，遼寧人，本科。