林 志， 陳 思， 陳 相

(重慶交通大學(xué)， 重慶 400074)

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隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定方法研究

林 志， 陳 思*， 陳 相

(重慶交通大學(xué)， 重慶 400074)

隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況直接決定其使用階段的性能水平，為此，建立一套合理有效的評估方法顯得至關(guān)重要。當(dāng)前規(guī)范采用最差段落法對隧道土建結(jié)構(gòu)進(jìn)行評分，為改善規(guī)范采用的評分方法，提高土建結(jié)構(gòu)評分的總體性，在深入分析國內(nèi)外隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，按照“普遍反映原則”和“安全原則”，提出了基于最差段落評分法的修正方法，細(xì)化了隧道土建結(jié)構(gòu)分項(xiàng)與各指標(biāo)的關(guān)系，建立了定性與定量相結(jié)合的綜合評定標(biāo)度，實(shí)現(xiàn)了規(guī)范法中技術(shù)狀況值與修正法中分項(xiàng)各指標(biāo)扣分值之間的一一對應(yīng)關(guān)系，得到了一套隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況定量評價(jià)模型，并結(jié)合已有檢測評估工程的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該修正法的有效性。

隧道； 土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況； 最差段落法； 普遍反映原則； 安全原則

0 引言

相對于發(fā)達(dá)國家而言，我國公路隧道交通具有起步晚、發(fā)展快的特點(diǎn)。早期的隧道里程呈現(xiàn)跳躍式發(fā)展，導(dǎo)致公路隧道土建結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)工作未能妥善開展。鑒于當(dāng)前國家的宏觀政策以及公路隧道運(yùn)營安全的重要性，結(jié)合國內(nèi)外公路隧道土建結(jié)構(gòu)的評價(jià)方法和評價(jià)模型，建立符合我國公路隧道實(shí)際運(yùn)營狀況的土建結(jié)構(gòu)評定方法是當(dāng)前交通安全管理的一項(xiàng)緊急任務(wù)。例如，JTG H12—2003《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》[1]對運(yùn)營隧道土建結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況評定采用了定性判斷的方式，缺乏定量評價(jià)與整體性評價(jià)的內(nèi)容；最新頒布的JTG H12—2015《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》[2](以下簡稱2015版規(guī)范)在2003版規(guī)范的基礎(chǔ)上提出了土建結(jié)構(gòu)的定量判斷模型，但依舊采用最差段落評分法。近些年開發(fā)的隧道技術(shù)狀況評定系統(tǒng)均是在2003版或2015版規(guī)范的基礎(chǔ)上編制的，不可避免地存在一些缺陷[3-5]。國外隧道結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況的評定僅僅是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡單的定性分級，規(guī)定了結(jié)構(gòu)的檢查頻率及內(nèi)容，并未提出清晰的土建結(jié)構(gòu)評分方法。

基于2015版規(guī)范的最差段落評分法，建立了最差段落評分修正法。通過對JTG/T H21—2011《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》[6]中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行深入剖析，成功地將其數(shù)學(xué)理念應(yīng)用到隧道土建結(jié)構(gòu)評定中，采用模糊綜合評價(jià)的方法，兼顧最差段落評分及土建結(jié)構(gòu)整體評分，對公路隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況的評定展開了研究。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

1.1.1 美國

美國FHWA和FTA共同發(fā)布了《Highway and Rail Transit Tunnel Inspection Manual》(公路和鐵路交通隧道檢查手冊)[7]。其將隧道整體分成隧道結(jié)構(gòu)、設(shè)備系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和其他系統(tǒng)4個(gè)部分，并對各部分實(shí)施單獨(dú)評分。在該手冊中，將隧道土建結(jié)構(gòu)按照10類劃分，但該分級方法僅僅是對隧道總體狀況的定性判斷，并未提出隧道土建結(jié)構(gòu)的定量評分方法。

1.1.2 德國

德國公路署R1-ZFP-TU《無損傷監(jiān)測隧道內(nèi)殼的規(guī)范》包括了測量方法的指導(dǎo)、測量結(jié)果的描述以及評定方法。德國鐵路隧道設(shè)計(jì)與養(yǎng)護(hù)規(guī)范規(guī)定： 對隧道的所有部位及相關(guān)設(shè)備必須每3年實(shí)施1次全面檢查[8]。

1.1.3 日本

日本采用健全度概念來評價(jià)隧道結(jié)構(gòu)的健全程度，在此基礎(chǔ)上形成了《鐵道構(gòu)造物等維持管理標(biāo)準(zhǔn)·同解說(構(gòu)造物編—隧道)》和《鐵路隧道維護(hù)管理便覽》2本標(biāo)準(zhǔn)，但均未對隧道土建結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量評價(jià)，需要檢查員采用主觀理解進(jìn)行判定[9-10]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)對隧道土建結(jié)構(gòu)的評價(jià)方法研究較少，比較有代表性的是北京新橋技術(shù)發(fā)展有限公司開發(fā)的《中國公路隧道管理系統(tǒng)》，其對土建結(jié)構(gòu)狀況的評價(jià)主要采用2003版規(guī)范中的方法，將檢查分為日常檢查、定期檢查和特別檢查3類。在土建結(jié)構(gòu)的評定上，引入了層次分析法，將土建結(jié)構(gòu)分為8部分，并建立對應(yīng)的權(quán)重表，然后分別對各部分進(jìn)行S、B、A的等級判定，得到對應(yīng)的得分值，最后進(jìn)行模糊分類和排序。其提出的土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況模糊分類見表1。

土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況得分計(jì)算公式為

(1)

式中：wi為土建結(jié)構(gòu)分項(xiàng)權(quán)重，%；Di為土建結(jié)構(gòu)分項(xiàng)得分。

表1 土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況模糊分類

Table 1 Fuzzy classification of technical status of tunnel construction

評價(jià)等級1類2類3類4類5類CI[93,100][80,93)[60,80)[40,60)[0,40)

1997年，臺灣地區(qū)交通部門發(fā)布了《老舊交通隧道之安全檢測技術(shù)手冊》。在該技術(shù)手冊中，將隧道土建結(jié)構(gòu)按照甲、乙、丙、丁4類進(jìn)行定性評價(jià)，并根據(jù)外力、材料劣化和漏水現(xiàn)象等方面進(jìn)行評價(jià)。

另外，臺灣昭凌工程顧問公司提出了隧道DERU評估法，對隧道劣化程度、劣化范圍、劣化影響及維修緊迫性建立了評估標(biāo)準(zhǔn)，評分值為0～4分。DERU評估法從結(jié)構(gòu)安全、洞口洞門、運(yùn)營質(zhì)量3個(gè)部分對各項(xiàng)目中的影響因素進(jìn)行了5個(gè)等級的劃分，DERU檢測分級見表2[11]。

表2 DERU檢測分級

注： 對影響程度R進(jìn)行評分時(shí)主要考慮的因素有對交通的影響； 對行人及車輛安全的影響； 對結(jié)構(gòu)物安全的影響。

2 2015版規(guī)范法

當(dāng)前隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定參照的是JTG H12—2015《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》。2015版規(guī)范在2003版規(guī)范的基礎(chǔ)上，將土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評價(jià)由原來的定性評價(jià)提升為更加準(zhǔn)確的定量評價(jià)，并提出了土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定計(jì)算方法。2015版規(guī)范采用的是最差段落評分法，即將各段各分項(xiàng)評分中的最差得分作為該項(xiàng)評分，該做法的目的是基于安全考慮，即整座隧道只要有某一斷面出現(xiàn)病害或失穩(wěn)情況，就從全隧道角度考慮其風(fēng)險(xiǎn)程度。對于隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定，在還未形成可被廣泛接受的承載力計(jì)算及安全性評估方法的情況下，這種做法顯得尤為重要。該方法采用的土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評分計(jì)算公式

(2)

式中：JGCI為土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況得分，評定分類界限值見表3；n為分項(xiàng)數(shù)目；wi為分項(xiàng)權(quán)重，%，土建結(jié)構(gòu)各分項(xiàng)權(quán)重見表4；JGCIi為分項(xiàng)狀況得分。

分項(xiàng)狀況得分計(jì)算公式

JGCIi=max(JGCIij)。

(3)

式中：j為檢查段落號；JGCIij為各分項(xiàng)檢查段落狀況值，例如，以襯砌滲漏水檢查為例，通過現(xiàn)場檢測人員的檢查，根據(jù)表5的襯砌滲漏水技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)可知，i分項(xiàng)(襯砌滲漏水分項(xiàng))j段落的技術(shù)狀況指標(biāo)評定等級為表中某一狀況值。

表3 土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定分類界限值

Table 3 Classification thresholds of technical status of tunnel construction

技術(shù)狀況評分1類2類3類4類5類JGCI[85,100)[70,85)[55,70)[40,55)[0,40)

表4 土建結(jié)構(gòu)分項(xiàng)權(quán)重

注： 各項(xiàng)目權(quán)重值是經(jīng)過全國征集權(quán)重方案，并經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析后確定的。此外，隧道結(jié)構(gòu)各項(xiàng)目的權(quán)重也可根據(jù)隧道的環(huán)境條件和養(yǎng)護(hù)要求采用專家評分法修訂。

表5 襯砌滲漏水技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)

Table 5 Evaluation standards for technical status of tunnel water leakage

狀況值JGCIi技術(shù)狀況描述0無滲漏水1襯砌表面存在浸滲,對行車無影響2 襯砌拱部有滴漏,側(cè)墻有小股涌流,路面有浸滲但無積水,拱部邊墻因滲水少量掛冰,邊墻角積冰,可能會影響行車安全3 拱部有涌流,側(cè)墻有噴射水流,路面積水,沙土流出,拱部因襯砌滲水大量掛冰、脹裂,或涌水積冰至路面邊緣,影響行車安全4 拱部有噴射水流,側(cè)墻存在嚴(yán)重影響行車安全的涌水,地下水從檢查井涌出,路面嚴(yán)重積水,伴有嚴(yán)重的沙土流出和襯砌掛冰,嚴(yán)重影響行車安全

3 最差段落評分修正法

3.1 修正法思路

在2015版規(guī)范隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定方法中對土建結(jié)構(gòu)某些分項(xiàng)指標(biāo)的劃分還不夠細(xì)化，且缺乏定性與定量相結(jié)合的綜合評定標(biāo)度。例如，在對主洞襯砌分項(xiàng)(結(jié)構(gòu)分項(xiàng))進(jìn)行評定時(shí)需要考慮混凝土碳化、鋼筋保護(hù)層厚度、襯砌厚度、裂縫、變形和滲漏水等(結(jié)構(gòu)病害)。為了解決這種不足，建立了隧道土建結(jié)構(gòu)分項(xiàng)各指標(biāo)的關(guān)系以及定性與定量相結(jié)合的綜合評定標(biāo)度，而對于排水設(shè)施、標(biāo)志標(biāo)線及內(nèi)裝這些已經(jīng)足夠詳細(xì)并很好判斷的指標(biāo)未進(jìn)行細(xì)分。文中以襯砌分項(xiàng)裂縫評定標(biāo)度為例說明了修正法的計(jì)算過程。

該修正法針對的是土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況分項(xiàng)評分前3類的結(jié)構(gòu)病害，一旦出現(xiàn)4類及5類病害，依然按照最差段落法進(jìn)行結(jié)構(gòu)評分，即修正法中的單項(xiàng)控制原則。根據(jù)隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定中的“普遍反映原則”及“安全原則”，提出了1個(gè)“普遍反映模型”，可實(shí)現(xiàn)評定結(jié)果既能突出危險(xiǎn)狀況、又能綜合反映全隧道結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況的目標(biāo)。

3.2 修正方法

由于既有隧道土建結(jié)構(gòu)評估方法難以評估隧道的總體狀況，在吸收總結(jié)現(xiàn)有較為完備的公路橋梁技術(shù)狀況評定方法的基礎(chǔ)上，提出了基于最差段落評分修正法的結(jié)構(gòu)分項(xiàng)評分方法，并制定了危險(xiǎn)隧道控制方法。評定方法中將隧道土建結(jié)構(gòu)分為洞口、洞門等6個(gè)分項(xiàng)，再將各個(gè)分項(xiàng)細(xì)分成多個(gè)定性與定量的描述指標(biāo)，對排水設(shè)施、內(nèi)裝、交通標(biāo)志、標(biāo)線繼續(xù)沿用現(xiàn)有規(guī)范中的評定標(biāo)準(zhǔn)，不再制定細(xì)分的評定標(biāo)準(zhǔn)，各分項(xiàng)指標(biāo)見表6。洞口、洞門的分段數(shù)即洞口數(shù)量一般為2～4個(gè)，襯砌、路面、檢修道和吊頂預(yù)埋件可按照隧道模板長度進(jìn)行分段。

3.2.1 隧道分項(xiàng)各指標(biāo)得分評定方法

土建結(jié)構(gòu)第i類分項(xiàng)j指標(biāo)的得分(值域?yàn)?～100)計(jì)算公式為

(4)

式中： n為第i類分項(xiàng)j指標(biāo)出現(xiàn)扣分的指標(biāo)種類數(shù)； U、k為引入的變量； i為分項(xiàng)類別，例如洞口、洞門、襯砌和路面等； j為指標(biāo)類別，例如，洞口分項(xiàng)的評定指標(biāo)類別包括山體失穩(wěn)評定、邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)損壞評定及排水設(shè)施破壞評定； k為段落編號，洞口、洞門的分段數(shù)(即洞口數(shù)量)，一般為2～4個(gè)，襯砌、路面、檢修道和吊頂預(yù)埋件按照隧道模板長度分段； JGCIijk為第i類分項(xiàng)中j類別檢測指標(biāo)k分段的扣分值，例如，襯砌某分段裂縫屬于局部輕微開裂，測得裂縫寬度為1.2mm，則由表7的襯砌裂縫評定標(biāo)度可知，指標(biāo)最高等級類別為5類，該裂縫屬于1類，再由表8分項(xiàng)各類檢測指標(biāo)扣分值可知，其扣分值為35分，其余段落的分項(xiàng)指標(biāo)扣分均采取此方式。

表6 隧道土建結(jié)構(gòu)各分項(xiàng)指標(biāo)

表7 襯砌裂縫評定標(biāo)度

表8 分項(xiàng)各類檢測指標(biāo)扣分值

Table 8 Deduction values of every detection index of subentries

檢測指標(biāo)所能達(dá)到的最高等級類別指標(biāo)類別0類1類2類3類4類3類020354類02540505類0354560100

3.2.2 隧道分項(xiàng)評分

土建結(jié)構(gòu)第i類分項(xiàng)的得分(值域?yàn)?～100)為

(5)

表9 t值

注： 1)n為第i類分項(xiàng)的段落總數(shù)； 2)表中未列出的值采用插值法計(jì)算。

3.2.3 土建結(jié)構(gòu)評分

隧道土建結(jié)構(gòu)得分

(6)

式中wi為分項(xiàng)權(quán)重，%。土建結(jié)構(gòu)各分項(xiàng)權(quán)重見表10，鑒于2015版規(guī)范法中權(quán)重取值的合理性，修正法中的權(quán)重選取采用2015版規(guī)范法的權(quán)重，同時(shí)，修正法的結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況分類表也繼續(xù)沿用規(guī)范法中的界限表，即表5。

表10 土建結(jié)構(gòu)各分項(xiàng)權(quán)重

3.2.4 單項(xiàng)控制原則

為了保證隧道土建結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期的安全，當(dāng)土建結(jié)構(gòu)主要分項(xiàng)的某段落評分達(dá)到4類或5類且影響斷面結(jié)構(gòu)安全和通行安全時(shí)，可按照最差段落的技術(shù)狀況評定。土建結(jié)構(gòu)的5類定義、主要分項(xiàng)與次要分項(xiàng)的5類和4類定義的評定標(biāo)度分別見表11和表12。

表11 隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定標(biāo)度

表12 隧道土建結(jié)構(gòu)專項(xiàng)檢查結(jié)果

4 工程實(shí)例

選取重慶地區(qū)某隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況檢查結(jié)果進(jìn)行試算，將修正法得分與2015版規(guī)范法得分進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表13所示。

表13 修正法與2015規(guī)范法評定結(jié)果對比

規(guī)范法評定按照最差段落原則，對各分項(xiàng)僅考察最差段落得分，必然會導(dǎo)致隧道土建結(jié)構(gòu)評定得分低于實(shí)際值。修正法在吸收《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》的基礎(chǔ)上，按照普遍反映原則得到隧道土建結(jié)構(gòu)的修正得分，反映出土建結(jié)構(gòu)總體技術(shù)狀況水平。

5 結(jié)論與討論

在2015版規(guī)范的基礎(chǔ)上提出了隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定方法，兼顧“安全原則”和“普遍反映原則”，建立了基于最差段落評分修正法的隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定方法，使得評定結(jié)果既能突出危險(xiǎn)狀況，又能綜合反映全隧道結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況。同時(shí)，建立了與2015版規(guī)范法中土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評分值一一對應(yīng)的修正法扣分值，針對1—3類隧道土建結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化后的修正評分法，有效提高了土建結(jié)構(gòu)評分值；針對4、5類結(jié)構(gòu)制定了單項(xiàng)控制原則，實(shí)現(xiàn)了隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況總體評分與危險(xiǎn)段落控制的有效結(jié)合。

今后工作的研究重點(diǎn)主要是對修正法中的分段原則進(jìn)行進(jìn)一步研究，分段越細(xì)結(jié)果必然越精確，計(jì)算也更復(fù)雜。要想將該評定方法納入到今后的新規(guī)范中，則需在簡化評估流程的基礎(chǔ)上盡量實(shí)現(xiàn)分段的精細(xì)化。

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Study of Technical Status Assessment Method for Tunnel Construction

LIN Zhi, CHEN Si*, CHEN Xiang

(ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

The technical status of the tunnel structure directly affects its performance during service stage, and the commonly used the worst subsection method can not meet relevant requirements. Thus, it is very important to establish a set of rational and effective evaluation method. In order to optimize the existing evaluation method for the technical status of tunnel structure and the integrity of evaluation values, the state-of-the-art of the technical status evaluation of the tunnel structure in China and abroad is in-depth analyzed; and then the modifying method based on the worst subsection method is proposed in accordance with “common reflection principle” and “security principle”; the relationship between subentries of tunnel construction with every index are refined; finally, a comprehensive, quantitative and qualitative evaluation method is established. By doing these, corresponding relationships between values from existing standards and deduction values from modifying method can be found, and a quantitative evaluation model for technical status of the tunnel structure is obtained. The effectiveness of the modifying method is verified by demo project.

tunnel; technical status of structure; the worst subsection method; common reflection principle; security principle

2016-09-18;

2017-02-17

重慶市杰出青年項(xiàng)目(cstc2014jcyjjq30001)； 重慶市開放實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2016CQJY007)； 重慶市高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)(CXTDX201601024)

林志(1975—)，男，四川南江人，2004年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，博士，研究員，主要從事公路隧道與地下工程的科研、技術(shù)開發(fā)、工程設(shè)計(jì)咨詢和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范編寫等工作。E-mail: linzhi@cmhk.com。*通訊作者： 陳思， E-mail: 1154228184@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.003

U 451.2

A

1672-741X(2017)05-0537-06