漫談礦山法隧道技術第十六講
——建立“預防管理”為主的綜合維修管理體制

關寶樹

(西南交通大學， 四川 成都 610031)

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漫談礦山法隧道技術第十六講
——建立“預防管理”為主的綜合維修管理體制

關寶樹

(西南交通大學， 四川 成都 610031)

強調隧道維修管理的基本原則——“早期發現，預防維護”，會取得事半功倍的效果。指出為了建立預防管理體制，必須解決3個問題： 1)明確維修管理中對隧道性能的要求，建立性能管理目標； 2)確立能夠獲得準確情報的檢查、調查方法； 3)建立模式化的隧道變異原因推定方法，確立變異基準。結合日本的經驗，分別闡述了上述3個問題： 1)維修管理中對隧道性能的要求——確保能夠安全通行的空間，應控制變異在結構物剩余壽命容許范圍之內。2)確立能夠獲得準確情報的隧道檢查、調查方法，目前日本隧道檢查、調查方法正向著省力化、標準化、高速化和電子化等“四化”方向發展； 介紹了表面劣化、表面缺陷、內部缺陷、襯砌背后空洞、凈空位移和形狀變化等的調查及量測技術，例如隧道檢測車、隧道襯砌連續打擊監測系統、高速鉆孔系統、地質雷達和3D激光掃描等設備及技術； 同時介紹了利用這些檢查結果對結構物的耐久性進行診斷，決定是否采取對策及采取什么對策的系統。3)隧道變異的類型及變異強度的判定基準及判定模型。以日本石川縣隧道維護管理為例，介紹其基本觀點： 1)在隧道中不考慮壽命； 2)劣化預測主要是對采取對策前壽命的預測； 3)介紹預防維護管理的方法、健全度評價及對策標準。最后強調： 對我國而言，最重要的是徹底改變“重使用，輕維護”的事后管理方法和體制，建立起與“隧道大國”相適應的管理體制和方法。

隧道； 礦山法； 預防管理； 維修管理； 隧道性能； 變異； 調查； 判定基準

0 引言

目前高速鐵路修建了大量的隧道工程應該接受既有隧道的修建經驗，認真總結已運營隧道中存在的問題，從設計開始就應把隧道的維修管理問題考慮在內，確立“最低限度維修”或“少維修”的設計原則，在施工中切實做到“技術到位”不留下潛在的缺陷，在運營中建立“預防管理”的維修管理體制。本文重點說明“預防管理”中的一些問題。

這里所謂的“預防管理”，就是以預防為主的管理體制。以前的隧道維修管理，幾乎都是采取事后對策，即事故發生后或變異發生后才采取對策進行管理的方法。以預防為主的維修管理體制，就是一邊進行檢查，一邊針對可能發生的變異進行及時維護，預防變異發生的管理體制。隧道維修管理的一個基本原則就是： 早期發現、預防維護，這會取得“事半功倍”的效果。但在隧道這樣黑暗、潮濕的環境條件下，早期發現隧道變異是極為困難的。

1)早期發現。隧道變異的發生一般都是有前兆的，早期發現這些前兆，并做出正確的判定，及時處理可能發生的變異，是當前各國進行隧道維修管理的基本前提，這一點對我國隧道維修管理具有重要的意義。早期發現—正確診斷—推定變異發生的原因應該成為我國進行隧道維修管理的重要內容。

2)預防管理。包括2個方面： ①判斷如果不進行處理可能發生變異的情況； ②變異已經發生的情況。對于前者，應立即采取預防變異發生的維護對策防止其發生； 對于后者，應毫不遲疑地采取對策進行處理，拖延處理只會使變異繼續發展，最后可能導致隧道各種事故的發生。實踐證明： 出現了變異，就要及時處理，會收到事半功倍的效果。隧道是修筑在地下的線狀結構物，也是以隱蔽工程為特點的結構物，周邊圍巖動態及環境條件十分復雜，即使進行了詳細的調查，有時也很難充分掌握隧道的變異狀態。當變異有發展趨勢或在變異發生的初期階段，只要采取一些簡單的措施就可解決問題，但如果變異在發展過程中，就必須采取強有力的措施了。

為了建立預防管理體制，必須從根本上解決以下3個問題： 1)明確維修管理中隧道性能的要求，建立性能管理目標； 2)確立能夠獲得準確情報的檢查、調查方法； 3)建立模式化的隧道變異原因推定方法，確立變異基準。

1 維修管理中對隧道的性能要求

近年來，以國際化為背景，基于性能規定的設計體系化得到很大發展，其中維修管理階段的綜合型管理方法也在開展之中。以下說明針對隧道結構物長壽命化進行的性能核查型管理方法在隧道中的應用情況。

隧道維修管理的目標和功能見表1。目標主要有2點： 1)確保能夠安全通行的空間，即使發生變異也要保證結構的穩定性和不發生危害使用者安全的事態； 2)應控制變異在結構物剩余壽命容許范圍之內。

表1 隧道結構物的目標和功能

為了能夠進行精細化的預防管理，日本把基本性能與施工方法聯系在一起，對礦山法隧道的性能進行了進一步細化，結果見表2。這種細化實質上也是對隧道設計、施工和維修管理的基本要求。

2 檢查、調查方法的確立

進行維修管理必須以運營中獲得的“情報”為基礎。因此，需要什么樣的情報、如何獲取和利用這些情報、并把它反饋到隧道維修計劃中是非常重要的。我國與國外其他國家在維修管理方面的差距，主要表現在這方面。日本在鐵路隧道維修管理中規定的調查項目和方法見表3。

一般來說，過去都是利用高空作業車用人力目視或錘擊的方法進行的隧道檢查，雖然實用，但效率低、情報質量差，特別是難以獲得襯砌背后圍巖狀況的情報。因此，目前在一些國家，特別是隧道比較多的日本，隧道維修管理的檢查、調查方法正向著四化(省力化、標準化、高速化、電子化)方向發展。即： 1)在黑暗、潮濕的環境中減輕作業強度和提高安全性的技術(省力化)； 2)降低因檢查人員能力差而引起檢查精度離散的技術(標準化)； 3)迅速恢復運營限制的技術(高速化)； 4)提高調查情報共享、保存效率的技術(電子化)。我國也正在著力解決以上問題，但力度不足。

表2 細化后隧道的基本性能(礦山法、公路)[1]

表3 鐵路隧道的變異調查項目和方法[2]

2.1 表面劣化的調查技術

一般來說，調查表面劣化狀況可采用目視素描、表面攝影等方法。最近幾年通過連續對襯砌表面進行攝影，并用畫像處理方法提煉出變異展開圖的技術已經得到廣泛應用。測定方法已經從過去的激光方法發展到現在的數碼相機方法。激光測定是把激光光線照射到隧道壁面，利用其反射光的強弱，獲得捕捉襯砌表面狀況的畫像，可在比較暗的條件下攝影。而數碼相機是采用輸入相機光學系統(CCD)電子畫像的方法進行攝影的，攝影時一般需要照明； 此技術是把量測器和微機等數據處理裝置搭載在專用檢測車上，這在鐵路隧道、公路隧道和水工隧道等工程中都已經得到應用。圖1示出日本公路隧道采用的檢測車，圖2示出日本鐵路隧道采用的檢測車。獲得的襯砌展開圖是掌握隧道襯砌表面狀況和評價健全度的基本情報，過去都是由觀察者從遠處觀察襯砌表面或者靠近相關部位目視觀察繪制的。從襯砌表面攝影方法(表4為一實例)獲得的襯砌展開圖見圖3。

圖1 激光法檢測車(公路隧道)

圖2 攝像法隧道檢測車(鐵路隧道)

測定概況規格和特性車輛 質量4000kg，全長6．9m、全寬2．2m、高度3．2m激光類型 激光束，最大輸出4W適用對象 頂高5m以上的各種隧道量測精度 開裂寬度的量測精度在0．5mm以上量測速度最大60km/h量測條件 因在洞口附近和照明燈附近光量變化顯著，為獲得良好的畫像，選擇在夜間關閉車道側的照明進行測定特征 因為采用激光反射波，與襯砌表面污染程度無關，能夠檢測出開裂

圖3 襯砌狀況圖

2.2 表面近旁缺陷調查技術

針對襯砌混凝土劣化、材料不均質等引起的浮動、剝離和剝落等，近年無損檢測技術開始應用到隧道檢查中。表5是各種無損檢測技術的概況。其中遠紅外線法曾用于鐵路全線隧道的檢查。此外，探查技術的機械化、自動化研究也取得了一定進展，從作業效率和成本方面看，也開始進入調查襯砌內部狀態階段。

表5 檢測襯砌浮動、剝離和剝落等技術概要

調查襯砌表面存在的缺陷(浮動、剝離、剝落等)時，一般采用錘擊襯砌表面的方法，以其音色推定內部是否存在缺陷。以隧道為對象開發的裝置主要有熱紅外線法和打擊聲法。熱紅外線法是測定從隧道襯砌放出的紅外線量來檢測內部缺陷，在不能利用太陽輻射熱的隧道中應用較少。但最近開發出強制地給混凝土熱負荷、利用健全部位和缺陷部位產生的溫度差推定內部缺陷的方法，見圖4。用加熱裝置對壁面加熱，壁面冷卻時，因為健全部分向隧道襯砌背后的熱傳導性好，襯砌表面溫度會急劇下降； 而剝離部分有一層薄的空氣層，遮擋了向襯砌背后的熱傳導，襯砌表面溫度降低要慢一些。此健全部分和缺陷部分可用紅外相機檢測，以判斷有無剝離。

圖4 搭載紅外相機的隧道檢測車

采用打擊聲法的隧道檢查裝置各式各樣，圖5示出隧道襯砌連續打擊監測系統。但無論哪一類都是用沖擊輸入裝置使內部產生彈性波，而后用表面麥克風的聲音測定其表面振動從而推定其內部缺陷。這種方法近些年發展極為迅速，精度和量測速度都有顯著提高，但還需在其實用性上下功夫。

圖5 隧道襯砌連續打擊監測系統

2.3 內部缺陷、襯砌背后空洞調查技術

在襯砌深層內部的缺陷及背后空洞狀況的調查中，一般多采用雷達法。雷達法是利用向混凝土輸入電磁波的反射特性來推定內部缺陷、襯砌厚度和襯砌寬度變化位置的方法。在公路、水路等工程中開發的隧道專用測定車已經投入使用； 但量測結果的判識需要高度的專業知識水平，在有鐵構件和水存在的場合，測定比較困難，在實用上還有一些不足。最近，又開發出在混凝土襯砌上高速鉆孔調查襯砌、空洞和圍巖的方法(見圖6)，可以與雷達法配合，提高檢測準確性。

圖6 高速鉆孔系統

圖7為利用電磁波頻率為400～800 MHz的地質雷達探查隧道襯砌厚度和背后空洞的結果實例。地質雷達探查，一般沿隧道縱向設置3～4條測線進行，能夠檢測出襯砌厚度不足、襯砌背后大規模的空洞等。在圍巖表面凹凸不平的場合，測得的空洞誤差比較大，因此與鉆孔并用確認實際的空洞大小可以提高探查的精度。

2.4 凈空位移、形狀量測技術

近年主要采用光波測距儀和激光距離計進行洞內凈空位移量測。前者能夠進行任意測線的測定，后者的精度比前者高。但從設置和維持成本，后者適用于緊急性高、期間限定的特定區間進行自動量測的場合。3D激光素描技術是從隧道洞內用激光照射隧道全周、掌握三維襯砌形狀的裝置。在因滑坡等引起的隧道襯砌產生三維位移的場合和變形比較大的場合能夠確認隧道的變形狀況，圖8是一個實例。

(a) 襯砌診斷車外觀

(b) 襯砌厚度及背后空洞分布圖

(c) 襯砌裂縫、層厚和背后空洞圖

圖8 3D激光素描技術測定的隧道形狀實例

2.5 診斷技術

基于上述的檢查及調查結果，邀請有經驗的技術人員和專家對結構物的耐久性進行診斷，決定是否采取對策，這是一般的做法。近年通過把檢查結果數據庫化建立了能夠代替熟練技術人員的專家系統，即利用解析技術支援診斷、判定的系統，圖9是其中一例。

3 隧道變異的判定

3.1 隧道變異的類型、原因、特征及監測

隧道變異和變異的原因是多種多樣的，而且多數是不確定的，很難做出明確的判斷。因此可根據經驗和數據庫的模型判斷和推定變異的原因。

圖9 水工隧洞管理支援系統

3.1.1 隧道變異的類型

一般，把隧道變異分為構造變異和影響第三者的變異2大類。其中構造變異是指受到外力影響，隨著開裂而造成結構體的變形、下沉等。此外，材料劣化、施工不良等引起的局部浮離、剝落和剝離等是影響通行者、司機等第三者的變異。

3.1.2 隧道變異的原因

從變異和變異原因的關系來看，多數變異與材料劣化、漏水、施工不良有關，而真正與地壓有關的并不多。因此，設計施工中應在材料選定、防止漏水和提高施工質量上下功夫。

3.1.3 隧道變異的特征及監測

構造變異的特征是： 構造變異發生前，可以對變形進行監控，可以進行預測。而影響第三者的變異，幾乎都是突然發生的，監控和預測都很困難。因此，對構造變異要求充分利用量測技術進行監測； 而對影響第三者變異，要利用畫像處理技術，定期調查開裂情況，察知突發的剝落，或在施工縫處用簡便的方法進行預防維護。構造變異示意圖見圖10。

圖10 構造變異示意圖

總的來說，構造變異的特征為： 1)可以模擬； 2)可以預測； 3)事前有變形發生； 4)利用量測技術進行監測。影響第三者變異的特征為： 1)模擬困難； 2)預測困難； 3)變異發生較突然； 4)利用畫像處理技術進行監測。開裂是能夠從襯砌觀察到的現象之一，以開裂判斷隧道變異原因的模型見圖11。把實際的開裂狀況與圖11對照，就能夠推定襯砌的健全度和引起變異的外力的狀態。

3.2 隧道變異程度判定

3.2.1 判定基準

在推定變異程度時，需要明確一些判定基準，以下是日本采用的一些基準。

3.2.1.1 變異程度

變異程度中的“大壓潰、特大開裂、大開裂、中開裂”的標準如下：

1)大壓潰，裂縫的長度≥3 m；

2)開裂，依據裂縫長度和寬度的開裂評價標準見圖12。

圖11 襯砌開裂的模型圖

圖12 依據裂縫寬度和長度的開裂評價標準

3.2.1.2 變異的發展性

用隧道凈空位移速度(u/t)評價變異發展性的標準如下：

1)發展性非常大，12 mm/年≤u/t或2 mm/月≤u/t；

2)發展性大，3 mm/年≤u/t<12 mm/年；

3)發展性小，1 mm/年≤u/t<3 mm/年。

3.2.1.3 結構缺陷的評價標準

1)厚度不足(模筑混凝土)。存在襯砌材料劣化和厚度不足等初期缺陷時，襯砌承載力會降低，根據缺陷程度不同，襯砌的承載力變化很大，可根據有效厚度對判定結果進行修正，見表6。

表6 按有效厚度對結構健全度等級進行修正

注： 有效厚度率r=有效厚度ts/施工時的設計厚度； 有效厚度ts為抗壓強度15MPa以上部分襯砌的厚度。

2)錯縫(砌體襯砌)。磚和混凝土砌塊等的錯縫，會降低襯砌的承載力，要對拱部錯縫有可能出現的掉塊等加以注意。應根據表7的標準，對其評定結果進行修正。

表7 砌體襯砌錯縫的修正

3.2.2 變異的判定

過去對隧道變異的判定，多數是定性的。近幾年對變異定量化判定的研究有了一定的發展。例如： 目前日本采用位移速度、最大開裂寬度、縱向開裂長度、開裂密度、錯縫、剝離和漏水噴出共7個指標(分別用A、B、C、D、E、F和G表示)對變異定量化進行了研究，取得了一定的成果，現僅舉例說明。

首先由專家采用一對一方法比較哪一個項目對隧道的影響大，比較結果見表8。用此方法，可獲得一對一比較的結果，見表9。

表8 一對一比較值

表9 權值計算過程及計算結果

用此隧道檢查方法、健全度評價卡求出的點數被定義為DI(deterioration index： 劣化度數)值。點數越大，劣化越在發展。為此，若能在DI值和健全度等級之間建立一定的關系，任何人都能正確地進行變異(健全度)判定。

4 日本石川縣隧道維護管理實例

4.1 基本觀點

4.1.1 在隧道中，不考慮壽命

對隧道性能的要求，是確保車輛能夠安全通行的空間。不滿足的情況，多數是圍巖擠入、侵入凈空斷面的狀態和拱頂崩塌的狀態。襯砌混凝土剝落等是能夠補修的，并不是壽命終止的狀態。隧道與橋梁等不同，是基本上不考慮更換的結構物。因此，只考慮進行適當的維修管理就能夠繼續永久使用，其使用年限是永久的，是不考慮壽命的結構物。

4.1.2 劣化預測方法——對策前剩余壽命預測

如前所述，隧道劣化與橋梁等不同，不是在通行車輛荷載作用下發展的，所以，用計算和解析進行劣化預測是很困難的。同時，到目前為止盡管進行定期的檢查，也沒有充足的數據推定隧道的劣化發展，在現階段設定劣化曲線也是不可能的。因此，到目前為止可以以專家設定何時采取對策的判斷基準的方法，來決定需要采取對策的時期和預測采取對策前剩余的壽命。

4.2 預防管理方法

石川縣管理的80座隧道(2005年4月1日現狀)，按以下原則進行隧道的預防管理：

1)以每1澆筑環節為最小單位；

2)根據檢查結果，構建可能進行健全度評價的系統；

3)對外力產生的變異，個別處理；

4)求出今后120年間對策的費用。

在預防管理中，把檢查置于最重要的位置，應以最短的時間間隔，進行定期檢查，捕捉變異和劣化的征兆，規劃對策時期和對策方法，在最適合的階段加以實施。檢查間隔對舊隧道(30年以上)來說每2年進行1次，新隧道每5年進行1次，檢查結果記入檢查卡。石川縣采用的檢查卡見圖13。

檢查卡的項目是供隧道專家進行健全度判定時，賦以權值的，在檢查中合計權值的點數求出隧道健全度指數THI(tunnel health index)。石川縣隧道的健全度等級劃分見表10。

圖13 石川縣隧道檢查卡

健全度THI值對策前剩余壽命狀態、定義 對應不良地質其他1小于201年以內立即采取對策220～403年以內及早采取對策進行調查設計、實施對策340～6012年以內進行重點監視，必要時有計劃地采取對策460～8060年以內以后采取對策580以上無變異，即使有，也沒有影響實施調查監視量測定期檢查定期檢查定期檢查定期檢查定期檢查

5 結語

毋容置疑，預防管理是確保和延長隧道結構物壽命的最佳方法。尤其是日本石川縣隧道維護管理案例中提出的觀點： “只考慮進行適當的維修管理就能夠繼續永久使用，其使用年限是永久的，是不考慮壽命的結構物。”如果這種觀點成立，預防管理的重要性是不言而喻的。目前對我們來說，最重要的是： 徹底改變“重使用、輕維護”的事后管理方法和體制，建立起與“隧道大國”相適應的管理體制和方法。

[1] 日本土木學會. 性能規定に基づくトンネルの設計とマネジメント[S].東京： 日本土木學會，2009. (Japan Society of Civil Engineering. Design and management of tunnel based on performance regulation[S]. Tokyo: Japan Society of Civil Engineering, 2009. (in Japanese))

[2] 日本土木學會. トンネルの維持管理[S].東京： 日本土木學會，2005. (Japan Society of Civil Engineering. Maintenance and management of tunnel[S]. Tokyo: Japan Society of Civil Engineering, 2005. (in Japanese))

Tunneling by Mining Method: Lecture ⅩⅥ: Establishment of“Preventive Management” Predominated Comprehensive TunnelMaintaining and Management System

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The tunnel maintaining and management basic principle of early discovery and preventive maintaining, which can achieve good results with less work, is emphasized. In order to establish the preventive management system, 3 issues, i.e. requirements for tunnel functions and tunnel function management target establishment, checking and investigation methods for accurate information and determination of modeled tunnel variation causes and standards. Based on the experience of tunnel maintaining and management in Japan, the above-mentioned 3 issues are introduced as follows: 1) For requirements for tunnel functions, safe transit should be guaranteed and the variation should be controlled within the service life of tunnel structures. 2) For checking and investigation methods for accurate information, the developing directions of checking and investigation methods for accurate information are less labor, standardization, high speed and electronization; the investigation and measuring methods, i.e. tunnel measuring trolley, monitoring system, high-speed borehole drilling system, ground penetrating radar and 3D laser scanning device, for tunnel surface degradation, surface defect, internal defect, hollows behind lining, clearance displacement and deformation are introduced. The checking results are regarded as estimation of structure durability. 3) For determination standards and models of tunnel variation types and variation strength, the basic views of unconsideration of tunnel service life, service life prediction before carrying out treatments and methods, integrity estimation and countermeasures for preventive management, are introduced. It is emphasized that the tunnel maintaining and management methods and system in China should be removed; and a new type of tunnel maintaining and management system for China should be developed.

tunnel; mining method; preventive management; maintaining management; tunnel function; variation; investigation; judge standard

2015-08-10

關寶樹(1932—)，男，遼寧人，西南交通大學教授，博士生導師，從事隧道及地下工程教學和科研50余年，隧道與地下工程資深專家。E-mail: guanbaoshu@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.002

U 455.1

A

1672-741X(2017)03-0264-11