綜合評估方法在隧道混凝土襯砌監測中的應用

凌 騏 李召陽 張志超

(1.南瑞集團公司(國網電力科學研究院)，江蘇 南京 211003; 2.山東興水水利科技產業有限公司，山東 濟南 250013)

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綜合評估方法在隧道混凝土襯砌監測中的應用

凌 騏1李召陽1張志超2

(1.南瑞集團公司(國網電力科學研究院)，江蘇 南京 211003; 2.山東興水水利科技產業有限公司，山東 濟南 250013)

介紹了隧道襯砌綜合安全評估方法的原理及評判準則，闡述了綜合安全評估方法在某隧道混凝土襯砌監測工程中的應用，并給出了隧道襯砌結構異常狀態的處置策略，以確保隧道的安全運行。

隧道，安全評估，混凝土襯砌，監測

隧道的安全運行對國家經濟建設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、可靠的技術手段對存在安全隱患威脅的隧道進行實施監測與安全評估、為運行管理單位提供科學、快捷的技術支撐，對確保隧道的安全運行、保障人民的生命及財產安全具有重大意義。無論是公路、鐵路還是其他土木工程中的隧道結構，在設計中混凝土襯砌都是作為實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量安全評估指標體系進行了初步研究，胡適金等[3]利用有限元分析軟件對襯砌套拱結構進行了仿真計算。在工程實踐中，受施工工法、地質環境及荷載條件的復雜性和不確定性等多重因素影響，通過理論分析或數值仿真方法無法對襯砌結構的邊界條件、初始條件及材料參數進行很好的模擬，從而導致分析結論與實際情況存在較大出入。而通過隧道襯砌結構中預先安裝的應變計、測縫計等監測儀器獲取原型監測數據，并對其變化特征加以綜合分析，能夠對結構安全性態進行更可靠的實時評估。

1 隧道襯砌綜合安全評估方法原理

1.1 基本原理

依據評估對象的具體結構特征和監測布置情況，確定需要納入評估范圍的監測部位及相應測點。選用合適的判斷準則，準確可靠地進行監測量單點異常、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行成因分析，弄清異常發生的原因；最后根據判別結果及其異常原因，發出相應的報警信息，并提供輔助決策支持。

1.2 評判準則

在圖1所示的綜合安全評估流程中，關鍵步驟是建立全面多樣的評判準則體系以便優化選用。針對測點、局部斷面及整體結構等不同層次的評估目標可采用相應的評判準則進行安全判別。

1)單測點監測量評判。 對于原型監測數據連續可靠的單測點監測量，可依據其變化趨勢性規律、變幅、極值等特征選用2σ或3σ準則、測值變化速率準則、極值同比準則及歷史極值準則對該測點的物理狀態進行評估。同時可以采用監控警戒值、專家經驗值、模型臨界值等指標作為判別依據。在具體使用中，可能需要采用一種或多種準則進行綜合判別。

2)隧道襯砌局部及整體結構綜合評判。根據隧道襯砌結構的監測布置和監測設計，同一監測部位或監測項目的各種監測量構成一個相關監測量集合，對該集合中所有監測量的測點狀態判斷結論進行綜合分析后，即可判斷該局部位置(或監測項目)是否發生異常。根據各監測量的重要性的不同，對相關監測量集合中的監測量可分配權重系數，從而對每個監測量在集合中的重要性進行量化。對集合中各監測量的評判結論進行加權統計分析，得出綜合統計值。當隧道襯砌結構存在若干監測部位時，可采用同樣思路對各部位的狀態進行綜合分析評判，根據加權統計數據得出整體結構的安全狀態評估結論。

2 工程應用實例

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害和山體地下滲水影響較大，因此監測點主要選取在現場檢查滲水較為嚴重的區域，共設置了32個監測斷面。各監測斷面分別在隧道混凝土襯砌拱頂、兩側45°拱肩及拱腰部位布設120支表面應變計，標準斷面如圖2所示。

2.2 隧道襯砌綜合安全評估

1)監測量單點評判。首先選擇監測區域內的有效測點監測量進行評判準則設置，以應變測點RA1-S-1為例，如圖3所示。可根據實際條件選用一種或多種評判準則，本算例選取了監控指標準則、變化速率準則及專家經驗值準則。其中監控指標和專家經驗值可參考設計指標或同類工程控制值進行設置，變化速率指標可由軟件自動計算給出。當同時采用多種準則進行數據評判時，由于對各準則檢驗結果的采信程度可能不同，因此需要設置準則權重系數來量化描述準則的采信度。當監測區域內的所有測點準則均設置完成后，即可選擇某一時間范圍進行監測量單點評判。評判結果如圖4所示，圖中灰色區域表明RA1-S-1測點在2014年3月26日曾出現短時超歷史極值下限的情形，但從多種準則綜合評判結果看仍然判定為正常。由此也說明在進行監測量單點評判時，一般應設置多種準則綜合評估，否則易發生誤判。

2)隧道局部安全評判。在獲得隧道局部的所有測點評判結果后，可針對局部結構的工作性態進行初步評估。對有效測點(包括應變和縫隙開合度)選取相等的權重系數，同時設置異常百分比為20%(當異常測點數達到20%以上時認為此局部存在異常)。通過軟件自動計算可得到局部安全性態評判成果，本算例的評判結論為正常。

3)隧道整體結構安全評判。對該隧道其他監測區域的測點重

復上述評判過程，即可得到所有監測段的局部結構安全評估結果。基于這些監測區域的評估成果，可進行隧道襯砌結構的整體安全性態評判。考慮到隧道各區域結構類型相似且安全程度同等重要，因此設置各區域的評判權重系數相等。通過計算可得隧道襯砌的整體性態評價結論為“正常”或“基本正常”狀態。

2.3 對評估結論的說明

本實例在進行隧道安全評估時主要依據的是襯砌混凝土環向應變監測量。但對地質水文條件復雜、自然災害多發區域的隧道結構來說，通常還應考慮諸如圍巖變形、縫隙變形、襯砌外滲透壓力及支護應力等，不同監測量之間可相互印證、相互對比，在此基礎上可大大增加結構安全評估的準確性及可靠性。

3 隧道襯砌結構異常狀態處置策略

若監測量單點異常屬于監測系統性異常，并非隧道結構工作性態的真實反映，一般可根據其成因由分析人員或監測系統維護工程師處理后即可消除異常。當通過綜合安全評估發現隧道襯砌出現結構性異常時，應深入分析以判明原因。在上述隧道襯砌混凝土應變計監測成果中，已經扣除了由于混凝土線脹系數和自生體積變形影響所引起的應變，所得的最終測值代表了襯砌混凝土在結構荷載作用下的應力應變。當混凝土應力應變增大時，若趨勢不顯著，則關注其后續發展即可。若出現顯著趨勢性增大，則需判斷其是否超過混凝土的極限拉伸應變，如果未超過則仍需對該區域的測點加密觀測，加強關注其發展情況。如果超過極限拉伸應變則說明此處混凝土可能已出現裂縫，需現場查看該區域襯砌是否有裂紋、凸起、剝落，表面是否有滲水等現象。

4 結語

1)利用原型監測資料對隧道混凝土襯砌結構進行綜合安全評估，研究對象明確，能夠更加真實地反映結構物的工作狀態。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，完全從結構物的實測數據出發，評估原理清晰，操作流程簡捷，易于通過計算機實現自動化實時安全評價。

2)綜合評估方法可以基于不同評判準則對隧道襯砌安全進行多維度分析，所采用的準則既可以是客觀的數學理論，也可以是主觀的專家經驗。經過適當的權重分配，可以將兩者較好的結合應用。但在工程實踐中，如何選取恰當的準則權重還需進一步研究。同時還要通過持續監測掌握長期歷史資料，并對監測數據的變化規律進行深入研究，充實完善評判準則庫。

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

[2] 王 勇.公路運營隧道結構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.隧道襯砌結構的安全評估[J].市政技術，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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