基于地鐵盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)損傷概率的分析

姚漢澤

（同濟(jì)大學(xué)地下建筑工程系，上海 200092）

基于地鐵盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)損傷概率的分析

姚漢澤

（同濟(jì)大學(xué)地下建筑工程系，上海 200092）

目前中國(guó)大陸已經(jīng)在20多個(gè)城市建成地鐵網(wǎng)絡(luò)。截止至2013年，地鐵總運(yùn)營(yíng)里程已經(jīng)達(dá)到2305公里，成為世界上地鐵運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)的國(guó)家。隨著隧道數(shù)量的逐年增加，隧道結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)、維護(hù)和病害的防治變得愈加重要。而且目前我國(guó)的地鐵及地下工程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍然有很大的優(yōu)化空間。本文針對(duì)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(guò)計(jì)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(xué)建模

0 引言

自1974年日本東京首次使用平衡式盾構(gòu)機(jī)修筑隧道以來(lái)，盾構(gòu)隧道以其掘進(jìn)速度快、自動(dòng)化程度高、施工對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)的地鐵、市政、能源等工程中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。盾構(gòu)法施工屬于暗挖法中的一種，是由盾構(gòu)機(jī)在地下推進(jìn)，通過(guò)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(shí)切削裝置在開挖面前切削土體并通過(guò)出土機(jī)械將土渣運(yùn)出洞外，由千斤頂在后部加壓頂進(jìn)，最后在洞內(nèi)壁拼裝預(yù)制混凝土管片形成襯砌的一種全機(jī)械化隧道結(jié)構(gòu)施工方法。但是隧道在運(yùn)營(yíng)的過(guò)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(jiàn)且危害最大。為了保證隧道的運(yùn)行安全，盾構(gòu)隧道的監(jiān)測(cè)變得愈加重要。然而目前我國(guó)的地鐵及地下工程健康監(jiān)測(cè)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(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，它對(duì)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(zhǔn)確把握盾構(gòu)隧道施工的主要因素才能得出符合實(shí)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(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)：

（1）土體開挖及開挖面的支護(hù)。土壓平衡式盾構(gòu)在施工過(guò)程中，通過(guò)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(lái)調(diào)節(jié)。因?yàn)橥翂浩胶馐蕉軜?gòu)機(jī)是依靠土壓艙內(nèi)的壓力來(lái)平衡開挖面的水土壓力的，為了使土壓艙的壓力波動(dòng)較小，施工過(guò)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(jìn)速度，以保持挖土量和填土量的平衡。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)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(jìn)，推進(jìn)過(guò)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(jī)械設(shè)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(lái)決定。推力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致正面土體因擠壓而前移隆起，推力過(guò)小則會(huì)影響推進(jìn)速度。千斤頂推動(dòng)盾構(gòu)前進(jìn)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(dòng)盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)時(shí)，使本來(lái)位于盾構(gòu)殼內(nèi)部的拼裝襯砌脫出頓殼的保護(hù)，在襯砌的外圍產(chǎn)生建筑孔隙，這會(huì)引起較大的地層損失，如果不及時(shí)采取補(bǔ)救措施會(huì)引起很大的地層位移和地層沉降。

壁后注漿是對(duì)盾尾形成的建筑空隙進(jìn)行填充注漿，從而減小由于盾尾空隙產(chǎn)生的地應(yīng)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(guò)在盾構(gòu)殼上設(shè)置注漿管，注漿方式包括在空隙生成的同時(shí)進(jìn)行注漿的同步注漿方式和通過(guò)管片上預(yù)留的注漿孔進(jìn)行注漿的及時(shí)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(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的病害

已經(jīng)建成的隧道在長(zhǎng)期的自然環(huán)境和使用環(huán)境的雙重作用下會(huì)不同程度地出現(xiàn)襯砌裂縫、變形以及滲水等病害。對(duì)于這些病害如果不加以合理的治理會(huì)造成十分嚴(yán)重的后果。因此，對(duì)盾構(gòu)隧道可能出現(xiàn)的各種病害有一個(gè)清晰地認(rèn)識(shí)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(jiàn)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(huì)影響到盾構(gòu)隧道的安全性和耐久性，如果處理不當(dāng)，會(huì)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(zhǎng)期的滲漏水容易使襯砌結(jié)構(gòu)剝落、風(fēng)化，隧道的可靠性將會(huì)降低。如果滲漏水中含有腐蝕性物質(zhì)，將會(huì)造成襯砌劣化，承載能力下降。滲漏水對(duì)隧道的穩(wěn)定、洞內(nèi)設(shè)施、行車安全、地面建筑和隧道周圍水環(huán)境等會(huì)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(huì)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?xì)怏w與混凝土中的強(qiáng)堿生成物發(fā)生反應(yīng)的結(jié)果。

④鋼筋腐蝕：鋼筋腐蝕會(huì)造成結(jié)構(gòu)承載力的降低，與保護(hù)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(huì)大大降低鋼筋的承載力，還會(huì)使襯砌結(jié)構(gòu)變得酥松，強(qiáng)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(yán)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(cè)系統(tǒng)及時(shí)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(cè)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(cè)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：襯砌安裝管片的絕對(duì)和相對(duì)變形小（一般在毫米和亞毫米級(jí)）；無(wú)傷監(jiān)測(cè)（不能采用在襯砌環(huán)片上打孔等破壞性方式設(shè)置標(biāo)志和器材）；工作場(chǎng)地狹窄，監(jiān)測(cè)人員的工作空間和時(shí)間均有限。

目前隧道變形的監(jiān)測(cè)方法有很多，其中收斂監(jiān)測(cè)及拱頂和拱底沉降監(jiān)測(cè)的技術(shù)成熟、效率高、精度高、可操作性強(qiáng)，很適合地鐵盾構(gòu)工程監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)。采用高精度的收斂變形監(jiān)測(cè)配合拱頂和拱底的沉降變形監(jiān)測(cè)，能夠捕捉到毫米或亞毫米級(jí)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(cè)項(xiàng)目。采用合理的方法對(duì)其資料進(jìn)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(duì)動(dòng)態(tài)變形、剛性絕對(duì)變形、不同變形同時(shí)存在的情況。據(jù)此可以對(duì)工程的安全、設(shè)計(jì)、質(zhì)量等進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。

3 盾構(gòu)隧道損傷的概率分析方法及其優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 蒙特卡洛概率分析法

蒙特卡洛法是指當(dāng)所求解問(wèn)題是某種隨機(jī)事件出現(xiàn)的概率，或者是某個(gè)隨機(jī)變量的期望值時(shí)，通過(guò)某種“實(shí)驗(yàn)”的方法，以這種事件出現(xiàn)的頻率估算這一隨機(jī)事件的概率，或者得到這個(gè)隨機(jī)變量的某些數(shù)字特征，并將其作為問(wèn)題的解。將其應(yīng)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(gè)隨機(jī)問(wèn)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(jī)事件）。隧道中某一個(gè)點(diǎn)或者某一個(gè)面是否有損傷可以通過(guò)已有的設(shè)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(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)，從而建立數(shù)學(xué)模型，代入現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)（可以是真實(shí)實(shí)驗(yàn)，也可以是計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)）檢驗(yàn)建立的數(shù)學(xué)模型是否合理，并對(duì)其進(jìn)行修正。這樣，我們就可以將隧道內(nèi)某一點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)帶入數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而計(jì)算出這一點(diǎn)發(fā)生損傷的概率，并以這個(gè)概率為基礎(chǔ)，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)安全的初步評(píng)估。

3.2 盾構(gòu)隧道損傷概率分析法的優(yōu)點(diǎn)

首先，概率分析法是基于隧道的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的。由于現(xiàn)代隧道工程監(jiān)測(cè)技術(shù)的逐漸完善，橫向收斂和拱頂拱底的沉降監(jiān)測(cè)已經(jīng)可以達(dá)到很高的精度（毫米級(jí)，亞毫米級(jí)）。這保證了概率分析的準(zhǔn)確性和客觀性。計(jì)算機(jī)也為大量監(jiān)測(cè)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(yàn)-半概率的方法。然而對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系因?yàn)榄h(huán)境的差異會(huì)有所不同。這時(shí)經(jīng)驗(yàn)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(jì)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析。利用MATLAB可以建立適用于不同地區(qū)的數(shù)學(xué)模型。因此，這種方法的普適性要強(qiáng)于傳統(tǒng)的半概率-半經(jīng)驗(yàn)分析法。

最后，目前的盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)，利用過(guò)大的變形來(lái)評(píng)估隧道的結(jié)構(gòu)損傷的。這種方法的問(wèn)題在于，測(cè)點(diǎn)不可能遍布隧道內(nèi)的所有部位，因此這樣的基于點(diǎn)的評(píng)估方法是不能對(duì)隧道的損傷情況作出整體評(píng)估的。而采用概率分析的方法，則可以通過(guò)一些的測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)模型對(duì)隧道發(fā)生損傷的概率做一個(gè)整體的計(jì)算。這是目前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所做不到的。

3.3 概率分析法存在的問(wèn)題和值得改進(jìn)的地方

在研究這種新型的隧道損傷評(píng)估方法的過(guò)程中，也遇到了很多的問(wèn)題：

（1）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)量龐大，數(shù)據(jù)分析和數(shù)學(xué)建模的過(guò)程十分繁瑣，有的時(shí)候很難建立合適的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述隧道的損傷。（2）對(duì)于不同地區(qū)的隧道，隧道發(fā)生損傷時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是不同的。因此需要針對(duì)不同的地區(qū)，建立不同的數(shù)學(xué)模型。這一過(guò)程顯然需要大量的工作。（3）為了建立適用性更強(qiáng)的數(shù)學(xué)模型，需要大量的隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。然而，目前在我國(guó)開放的隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并不多，即使做了大量的工作來(lái)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(wèn)題，我認(rèn)為在研究中可以從以下這些方向來(lái)解決：首先可以采用ANSYS等有限元分析軟件對(duì)隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的病害進(jìn)行模擬，以減少對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的依賴。其次可以對(duì)隧道所處的不同環(huán)境進(jìn)行分類（例如按照溫度，濕度，巖土體的堅(jiān)硬程度等指標(biāo)進(jìn)行分類）。這樣便可以篩選出有代表性的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以減少工作量。

4 結(jié)語(yǔ)

為了保證隧道運(yùn)營(yíng)的安全，避免意外事故的發(fā)生，隧道的健康監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為隧道維護(hù)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度越來(lái)越高，如果不能對(duì)這些數(shù)據(jù)加以有效的利用，將是極大的浪費(fèi)。本文所述的正是對(duì)這些監(jiān)測(cè)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(duì)于數(shù)學(xué)模型的普適性還有很多的問(wèn)題需要解決。但是通過(guò)上海地鐵的一些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，我們已經(jīng)證實(shí)了這種方法的可行性。相信在不久的將來(lái)，這種方法定能得到進(jìn)一步的完善，真正應(yīng)用到工程實(shí)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。