隧道火災后襯砌損傷評價

胡治東

摘要：本文介紹了火災中隧道襯砌結構受損的因素及超聲波檢測襯砌受損的原理；并比較了模糊理論、灰色預測理論等方法應用在襯砌損傷評價中的優缺點；詳細闡釋了基于模糊理論的層次分析法應用在隧道襯砌損傷評價中的適用性；最后概述了可拓法評判襯砌損傷的原理。

關鍵詞：隧道火災，襯砌結構，損傷評估，模糊理論，層次分析法

1引言

國內外大量隧道火災實例表明，隧道火災撲救難度大，損失巨大，是制約隧道安全運營的關鍵因素。同時，隧道一旦發生火災，除了造成人員傷亡、車輛燒損外，還會造成隧道結構的破壞，嚴重影響隧道日后的運營安全。因此對火災后隧道襯砌結構的損傷程度作出及時、有效的評價顯得尤為重要，對災后襯砌的修復與加固，以及對日后的安全運營具有重要的現實意義。

2隧道火災過程中襯砌受損因素

隧道內容易且危害較大的是油罐貨車、運煤貨車著火，這些類型的車輛著火后，火源燃燒持續時間長、范圍大，且溫度上升很快，火焰的最高溫度可達到1000℃，對隧道襯砌結構損壞非常嚴重?；馂闹兴淼酪r砌結構受損由兩個方面作用造成：一個是火羽流直接作用在襯砌結構上，一個是通過煙羽流將熱量傳遞到襯砌結構上。其中火羽流直接作用也分為火焰內焰與外焰作用，外焰溫度高于內焰溫度，因此在火羽流直接作用下，不同襯砌區域損傷程度亦不同。隧道襯砌通過煙羽流受熱時比較復雜，火災產生的煙氣變化[9]可分為一下幾個步驟：火羽流向上發展階段，沖撞隧道拱頂階段，環向擴散階段，當徑向分散的煙氣碰到隧道邊墻的阻礙時往縱向擴張的轉變階段，縱向蔓延階段。

隧道火災過程中煙氣與壁面及環境之間的熱交換功率公式為：

其中，α為熱交換系數；Tw是隧道壁面溫度；D為煙流橫截面周長中與隧道壁面接觸部分的長度。

3隧道襯砌損傷檢測

隧道發生火災后，襯砌的燒傷深度、剩余抗壓強度、剩余抗拉強度以及結構的完整性都是檢測的項目，在實際工程中，檢測則需要保證隧道結構的完整性。目前，使用超聲波無損傷檢測技術[1]是評估火災后隧道二次襯砌損傷程度的方法之一。超聲波檢測襯砌損傷程度的原理是利用超聲波速與襯砌有關物力力學性能變化之間的關系來實現對襯砌結構損傷程度的檢測。具體可分為幾個方面來分部檢測：超聲波速與火災后襯砌結構的剩余抗壓強度之間的關系；超聲波速與火災后襯砌結構的剩余抗拉強度之間的關系；超聲波速與火災后襯砌結構的損傷深度之間的關系。

4隧道襯砌損傷評價

評價火災后隧道二襯結構的損傷程度可利用襯砌結構的燒傷深度、剩余抗壓強度、剩余抗拉強度、結構完整性、火災溫度場以及燒蝕時間等指標來衡量[2]。

模糊理論[3]是針對在相異溫度等級和相同灼燒溫度、不同灼燒時間條件下，二襯所遭受的損傷程度而進行的綜合評判；GM（1，n）灰色數列預測模型是灰色動態模型GMD中最重要的基本模型[4]?；疑傮w評價模型與模糊總體評價模型均是定量和定性相互結合的多要素的加權平均型總體評價模型[5]。在定性變量和主觀指標的綜合評判隧道火災后襯砌損傷程度過程中，評判的模糊性更重，因此，此時采用模糊綜合評判方法更恰當；在對客觀指標的評判中，由于確認評價指標的各個品級之間從屬關系的難度比較大，而確認認可函數相比于確定認從屬函數要簡單，因而采用灰色綜合評判方法更為恰當。

在火災后隧道襯砌損傷程度的模糊評判法中，評判襯砌結構損傷程度有三個因子：m1-殘余抗壓強度系數；m2-襯砌截面的燒傷率；l3-襯砌截面的完好率，且這三個因子的權重是確定的。而文獻[7]在模糊評判方法之基礎上，采用層次分析法確認各個因子的權重，假設在某溫度量級和燒蝕時間條件下，襯砌結構的剩余抗壓強度取Ra，取灼燒深度取d1，襯砌外觀松散掉塊厚度取d2，初始襯砌抗壓強度取R0，初始襯砌厚度取d0，則 ，，。

在層次分析法中需要首先構造判斷矩陣，為了定量決策判斷，方法中把與某一層次某一因素X有關的下一層次的各因素mk（k=1，2，…，r）相互之間采取重要水平的一一對比，并采用數字的方式表現得出。

Hij=1，為兩個因素mi、mk，具有相同的重要性；Hij=3，為兩個因素mi、mk中，因素ui比因素uk稍微重要；Hij=5，為兩個因素mi、mk中，因素ui比因素uk明顯重要；Hij=7，為兩個因素mi、mk中，因素ui比因素uk強烈重要；Hij=9，為兩個因素mi、mk中，因素ui比因素uk極端重要。由此構造出m1，m2，m3對于襯砌損傷的判斷矩陣，對其求解得到最大特征值λmax=3，進而特征對應的特征向量，即各因子的權重解得為Z=（0.6，0.2，0.2）。

對上述式子采用公式：U=V/W進行一致性對比，其中：U是判別式子隨機一致性的概率；V是判別式子偏差一致性的要素，按式V=（λmax-n）/（n-1）計算得，n為因子個數；W為判別式子平均隨機一致性的要素。根據上述可算得V等于0，因為U=0小于0.1，因此上式滿足一致性檢驗。

基于可拓法的物元理論、關聯函數和可拓集合論，文獻[7]創建了損傷襯砌的物理模型，選取剩余抗壓強度系數、襯砌截面的燒傷率以及襯砌截面的完好率作為襯砌結構損傷的評價因子，并用關聯函數確定了各因子的權重，在現實工作里免除了對襯砌結構損傷評價的主觀要素影響。與模糊理論、灰色預測理論以及層次法應用在襯砌結構損傷的評判方法相比，可拓法的應用更能真實的反映實際襯砌結構損傷的等級。

5結語

襯砌損傷定性變量和主觀因素的總體評價中模糊性更重，利用模糊綜合評價方式更恰當；層次分析法在模糊理論的基礎上引入了評判因子，通過分析評判因子的權重，進行襯砌的損傷評判，更具客觀性；可拓評判法建立了一個更為細致的評判流程及方法，在客觀指標的評判中，可拓法評判襯砌損傷更具可靠性。幾種評判襯砌損傷的方法只側重于主觀指標或客觀指標，并未對主、客觀指標進行綜合的評判，因此建立一種適用的、可靠的綜合評判火災后隧道襯砌損傷的方法是一個亟待解決的問題。

參考文獻

[1] 彭立敏，劉寶琛.隧道火災后襯砌結構力學特性與損傷機理研究[J].中國鐵道科學.2002，23（1）：136-138.

[2] 吳慧敏.結構混凝土現場測試新技術（混凝土非破損檢測）[M].湖南：湖南大學出版社，1998.

[3]彭立敏.王薇，王英.隧道火災后襯砌損傷等級的模糊評判方法探討[J].長沙鐵道學院學報.1998，16（2）：11-16.

[4] 安永林，彭立敏，楊高尚.灰色預測理論在隧道火災后襯砌損傷中的應用[J].西部探礦工程，2006，120（4）：163-164.

[5] 李文革.試卷質量的灰色綜合評判[J].數理統計與管理，1997（4），41-45.

[6] 張云良，安永林，彭立敏.隧道火災后襯砌損傷規律的研究[J].中南公路工程，2007，32（1）：13-16.

[7] 胡隆華.隧道火災煙氣蔓延的物理特性研究[D].中國科學技術大學：2006：25-26.