大準鐵路塔哈拉川橋梁監測分級評估研究

范 永 維

(神華準能集團有限責任公司科學技術研究院，內蒙古 鄂爾多斯 010300)

1 概述

大準鐵路是國家“八五”計劃重點建設項目“準格爾項目一期工程”三大主體工程之一，大準鐵路東起山西省大同市，西至內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗薛家灣，途經兩省六旗縣(市)，是已形成的“西煤東運”大通道——大秦線的向西延伸，屬一級單線電氣化鐵路。大準鐵路正線全長473.27 km，所處地形主要為丘陵與山岳，地質情況局部有軟土與風積砂，屬于水土流失嚴重地段。全線共有橋梁165座，涵洞818座，隧道48處。路基高填方地段高度達30 m左右，邊坡最大高度達47 m，深挖方地段塹坡最高達46 m。洪水、沙塵暴等災害性自然現象時有發生，災害主要表現為多數橋梁支座經常偏斜，水土流失嚴重地段橋涵隧淤積嚴重，路基在雨季存在翻漿冒泥、下沉外擠現象，在冬季存在凍脹現象，這些災害嚴重威脅著大準鐵路的安全運行。大準鐵路初設發運量1 500萬t，改擴建后運量為4 900萬t，2013年大準鐵路計劃煤炭發運量8 300萬t，遠遠超出了設計范圍，伴隨運輸需求量的不斷增加，大準鐵路的運輸壓力還會進一步加大。隨著發運量的逐年加大，檢修時間也由每周兩個天窗減為旬天窗加狀態修，而且大準鐵路現采取的人工巡檢措施相對落后。亟待解決大準鐵路橋、涵、隧、高大邊坡、地基存在的安全隱患和落后的巡檢手段，對鐵路沿線進行長效綜合治理，為大準鐵路的安全運行提供安全和技術保障。

大準鐵路因環境條件等因素影響行車的事例很多，有的甚至達到了中斷通車的程度。比如1996年7月份，K206+001(2-2 m板涵)洪水沖毀，中斷行車40 d；2003年7月25日，K15+384(5-8 m)青羊嶺中橋，因橋渡設施不合理，在雨季發生過水漫梁體事件，并因河道阻塞，水流不能正常通過橋梁，淹沒附近農田；2007年發生危石攔停列車3次；2008年K244+550～K244+600右側塌方泥土淹埋線路5 m。本文針對大準鐵路塔哈拉川大橋安全監測，開展數據分析、閾值設置與預警分級、預警模型構建與綜合評價、分級預警應對措施制定等，對橋梁目前運營情況進行總體健康診斷，為大準鐵路安全運行提供了理論依據與技術支撐[1]。

2 塔哈拉川橋梁監測目標與需求

2.1 研究目標

通過監測手段獲取在自然環境、交通載荷下大準鐵路塔哈拉川橋梁重點部位的安全、劣化信息，并利用試驗和理論分析等手段實現對大準鐵路重點部位的技術及安全狀況評價，然后依據評價結果提出相應處治對策和處理技術。具體包括：結合大準鐵路橋梁重點部位的現況調研成果，深化分析重點部位的現存安全隱患，確定所需監測的重點部位，并建立能反映其工作性能的監測指標體系；根據監測指標的特點及數據特征，提出適用的監測方法、儀器設備、現場布設模式以及數據采集傳輸方式；針對不同重點部位的感知系統特點，提出基于監測結果的狀態評價分析模型以及不同危險狀態下的預警模型；結合重點部位的檢查和監測結果，對重點部位的安全性能進行綜合分析評估；提出不同預警等級的劃分標準以及不同安全性能等級下重點部位管理維護的處治對策；開發大準鐵路重點部位監測評價與預警系統。

2.2 研究方法

1)通過在檔案室和現場工段調取查閱大準鐵路的設計、改擴建以及監測檢修報告等基礎文件，詳細獲得項目所涉及的大準鐵路橋梁結構物以及其他研究路段的地質條件、氣象條件、基礎設計參數、供電條件、通信條件、災害情況和事故統計等資料，并將相關文字和圖紙文件轉制為電子檔以便后期項目使用。通過專家咨詢、網絡檢索等方法查閱收集與本項目類似或相關的技術、工程等文獻，為后期項目開展提供參考資料。

2)對大準鐵路橋梁重點結構物進行踏勘，調查了解這些重點部位地質地形、水文、氣候等條件的現狀變化。利用基礎的測量和觀測工具對大準鐵路橋梁重點結構物的主要災害現狀進行實地勘察了解，尤其是對已出現事故的災害部位進行重點探勘。對所要研究線路的周邊情況進行踏勘，調查了解線路周邊所實際具備的供電、通信、材料供給等施工條件，為后期施工方案設計調整做基礎準備。將所有的現場調查情況進行分類匯總，編寫形成現場探勘報告。

3)對大準鐵路沿線橋梁進行現場踏勘調查，尤其是針對安全隱患已經暴露和比較突出的橋梁。結合對大準鐵路沿線重點橋梁現場調查所獲取的相關資料，統計大準鐵路沿線橋梁現存病害類型及所在橋梁、部位信息，并對統計結果和所收集到的地質、設計、施工、運營等資料進行梳理、分析。對大準鐵路沿線重點橋梁的安全隱患進行排查，統計分析橋梁存在安全隱患的部位。根據橋梁隱患調查結果、地質分析結果，結合橋梁設計、施工資料、運營情況、外部環境等方面的因素，分析確定重點對橋梁病害和安全起到重要影響的因素。

4)通過進行地質環境分析，建立橋梁力學計算模型，通過結構靜力分析求解外載荷引起的位移、應力變化，通過結構動力學分析求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。求解大準鐵路橋梁不同重載條件下橋墩及支座的靜力和動力特征、重點受力部位、破壞機理，探索橋梁病害的根源。

5)對于鐵路橋梁的病害分級劃分缺少統一的規范，僅能通過參照“鐵路橋涵檢定規范”“鐵路橋隧建筑物劣化評定標準”等的相關規定，借鑒國內外有關橋梁病害的統計資料和相關項目研究成果，根據對大準鐵路橋梁結構現場調查，結合對代表性結構的理論分析，采用專家系統的方式，將大準鐵路橋梁的病害類型具體劃分為：存在嚴重安全隱患、正常使用性能退化較嚴重橋梁、基本可保持正常使用、完好橋梁等。對于前3類橋梁需要進行檢查、評定其技術狀況；并選取重點橋梁結構或危險程度較大的橋梁結構進行長期在線實時監測。

2.3 監測設計

大準鐵路橋梁重點部位狀態感知和評價系統包括大準鐵路重點部位狀態感知系統、網絡傳輸系統、數據庫系統、業務系統等。系統通過對大準鐵路主要結構物的重點部位的關鍵指標進行監測，通過數據實時處理分析，反映大準鐵路重點部位的健康狀態可分為四層：

1)第一層大準鐵路重點部位狀態監測儀器感知層，由各重點部位監測傳感器和數據感知采集子系統構成，完成各監測項目(參數)的測量、轉換和數據采集。

2)第二層為網絡傳輸層，介于物理感知層和數據核心層之間，由光纖傳輸系統、專用網絡構成，完成采集數據傳輸到遠端數據庫服務器系統。

3)第三層為數據核心層，由大準鐵路重點部位基本數據和狀態監測數據組成大準鐵路重點部位綜合狀態數據庫，主要完成數據分類存儲、交換查詢管理。

4)第四層為業務應用層，由各業務系統構成，完成監測數據的分析、預警、顯示和輸出等，通過監控中心將重要部位狀態信息發布到用戶終端。

3 分級評估理論與方法

分級評估方法主要采用層次分析法，該方法是美國運籌學家Saaty于20世紀70年代時提出的一種定量與定性相結合的決策系統分析法。原理是把一種復雜的系統分解成為目標、方案、準則等層次，并進行定性、定量分析決策。這是一種把人的決策思維過程層次化、模型化、數量化，采用數學手段為分析和決策提供定量的方法，適合多準則、多目標或者無結構特征的問題決策。按照各因子間內在支配的關系，可建立層次結構的模型，通過因子對比，可建立判斷矩陣，并進行層析排序，從而確定各因子的相對重要程度。層次分析法可分為層次結構模型建立、判斷矩陣構造、權重向量計算、檢驗一致性四個步驟。

1)層次結構模型建立。

大準鐵路重點部位的監測內容構成了各類結構安全狀況監測指標體系，各類監測指標所采用的評定參數和量綱均不同[2]。

2)判斷矩陣構造。

按事前規定標度進行定量化，構成矩陣的形式。各個因子的權重排序打分采用通用的1-9標度方法，進行層次排序。比如A目標層與B準則層之間關聯的判斷矩陣R，rij反映的是Bi相對于Bj在A目標層內的重要性程度[2]，對稱位置的標度值互為倒數。

3)權向量的計算。

據判斷矩陣結果，采用線性代數可準確求出R的最大特征根對應的評價因素的重要性排序，即特征向量。經歸一化后就是同一層次相對應的因素[2]。采用根法進行求解評價，其方法分為：

a.判斷矩陣每一列進行求積并開方：

b.進行計算結果歸一化:

依次所得到的W=(ω1,ω2,…,ωm)T即為權重向量。

c.矩陣的最大特征根為:

d.一致性檢驗：層次排序的目的是計算所有因子的重要性權重,計算的實質則是求解判斷矩陣的最大特征根及相應的特征向量滿足:

RW=λmaxW。

由于人們主觀認識的復雜性和矩陣自身的客觀性，需要避免其他因素的影響，在應用過程中，應判斷矩陣滿足大體上一致性，故引入一致性指標：

CI=(λmax-n)/(n-1)。

保證矩陣的一致性，CI越大，矩陣的一致性越差。引進隨機一致性指標RI，若一致性指標CR=CI/RI≤0.1時，認為滿足一致性要求，否則需要重新構造判斷矩陣。

4 塔哈拉川大橋預警分級評估

4.1 監測指標層次體系

建立橋梁結構安全狀況監測指標體系以及橋梁安全狀態預警報警，不同層次采用的評定參數不同，根據現有監測數據傳感器的布置和項目的監測需要，確定橋梁預警分級的指標。塔哈拉大橋不同部位狀態感知指標共5個，包含溫度、濕度、橋墩沉降、傾斜、支座橫向位移。

4.2 指標權重計算

根據層次分析法對各類型指標確定各指標權重W=(ω1,ω2,…,ωn)T，保證一致性檢驗滿足要求即可，如表1所示。判斷矩陣的最大特征值：λmax=5，一致性指標CI=(λmax-n)/(n-1)=0，一致性比例CI/RI=0<0.1滿足要求。

表1 塔哈拉川大橋健康狀態評價預警體系判斷矩陣標度和排序

4.3 評價結果的確定

根據所監測指標權重和隸屬度向量構成的矩陣計算得到最終的評價向量B=W×R=(ω1,ω2,…,ω5)×(r1,r2,r3,…,r5)T=(b1,b2,b3,b4)，取bx=max(b1,b2,b3,b4)(x=1,2,3,4)，最終得到的評價結果向量中數值最大的對應的下標等級即為其所在等級。

5 塔哈拉川大橋算例評價

5.1 監測數據的選取

根據傳感器位置和監測數據時效，在進行評價時的原則是針對最不利位置或各監測數據的最不利數值進行評估，確定各重點部位的分級。塔哈拉川大橋的5項指標選取采用如下方法：在時間上針對2018年6月30日的數據進行分析，在位置上具體指標具體分析。

1)溫度：由于在夏季，選取各監測位置指標的最大值。針對冬季則需要選取最小值評價。2)濕度：選取各監測位置指標的最大值。3)橋墩沉降：選取各橋墩沉降的每天最大變化差值做分析。4)傾斜：選取各墩X方向和Y方向的最大傾斜值。5)支座橫向位移：選取各支座的最大橫向位移變化量。以2018年6月30日數據為例各項指標如表2所示。

表2 塔哈拉川大橋6月30日評價監測數據一覽表

5.2 模糊綜合評價結果

按照最大隸屬度原則，塔哈拉川大橋健康狀態預警等級為四級偏安全。

6 裂縫病害處理方法

1)墩臺存在防水層部分漏水，墩身存在污跡，處理過程中先進行墩身污跡的清理，然后采用聚氨酯防水涂料及氯化聚乙烯防水卷材，進行防水加固方法處理，并對橋面基層干燥及平整進行檢驗，以避免基層出現坑洼、凹凸、麻面、蜂窩等現象。

2)墩身上部部分漏水，表面部分泛白漿，防排水設施部分失效，梁體表面泛白漿。進行排水設施檢查，選擇氯化聚乙烯防水卷材和聚氨酯防水涂料進行防水加固處理。

3)墩身下部存在部分輕微開裂現象，橫向裂縫進行壓漿處理，處理過程中保證有足夠灌漿壓力、壓漿時間和壓漿量。

4)橋墩下部砂漿存在少量空洞及麻面，會影響混凝土外觀，對較大面積的部位進行修補，采用清水沖洗麻面部位，然后充分濕潤1 d，用1∶2水泥砂漿抹面和壓實。針對孔洞，剔除松動的石子，并用水沖洗干凈，然后濕潤，后刷一道素水泥漿，并用摻量為12%膨脹劑的高一標號強度等級的混凝土澆筑，支模凸出空洞要大于3 cm，當修補混凝土達到設計強度，需將高出的混凝土鏟除，并振搗密實，養護并保持濕潤狀態大于7 d。

7 結語

本文采用層次分析法，選取溫度、濕度、橋墩沉降、傾斜、支座橫向位移參數作為分級評價指標，構建了大準鐵路塔哈拉川橋梁分級結構模型，提出了大準鐵路塔哈拉川橋梁監測分級評估方法及裂縫等病害相應處置措施。