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在役隧道结构安全、健康监测与评估

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-07-31  来源:《中国公路》  作者:谢永利 王亚琼
核心提示:  隧道在建成之后,在合适的设计、施工和维修管理条件下,应具有良好的承载性、耐久性和使用寿命。但由于隧道结构物自身的特殊
   隧道在建成之后,在合适的设计、施工和维修管理条件下,应具有良好的承载性、耐久性和使用寿命。但由于隧道结构物自身的特殊性,在施工及营运过程中受到诸如地质条件、地形条件、气候条件和设计、施工、营运过程中各种因素的影响,致使其在长期的使用过程中出现各种各样的病害。隧道病害不但使隧道结构的稳定性受到一定程度的破坏,安全可靠性降低,影响隧道作为快速安全交通通道的使用功能,同时隧道结构后期修复花费了大量的资金,这显然与建设隧道的初衷相违背。

  当前,许多已建隧道出现了结构裂损、空洞、变形、错台、渗漏水等病害,大大降低了隧道的使用功能,威胁到其在运营中的安全。

  据对6000多座公路隧道的统计资料发现,约占总数1/3的隧道已存在着衬砌结构裂缝和渗漏水等病害,出现的病害问题更多、更严重,病害产生原因更复杂。隧道衬砌裂损将使整个隧道结构的稳定性造成不同程度的破坏,使衬砌结构的可靠性降低。而隧道渗漏水则会造成衬砌开裂并使原有裂缝发展变大,加速衬砌的损坏。这些损伤如果不能及时得到检测和维修,轻则影响行车安全和缩短隧道的使用寿命,重则导致隧道突然破坏和坍塌。一旦发生安全事故,会造成很大的舆论压力和社会压力,后果非常严重。因此,建立隧道病害安全监测和健康评估体系必要且紧迫。

  运营隧道健康评价体系

  隧道健康评价是指通过运用系统工程的基本思路与原理,对存在的有害、有风险的因素以及可能导致的危险后果及危害程度进行寻找、判断、解析、预警,预测和综合评价系统或工程中存在的危险性,并根据风险等级,提出科学合理的安全对策措施,并指导建议对危险源进行监控,预防事故发生,从而有效地降低事故率、减少损失以及获得最优的安全投资效益。

  评价指标直接影响评价体系的准确性,指标太多,干扰评价结果;指标过少,缺乏足够的代表性,带来片面性影响。通过对隧道结构病害检测资料的统计,依据长期监测数据,统计各种影响因素引起衬砌损伤的数量以及衬砌病害的分布特征,获得各主要影响因素引起衬砌病害的比重。也可运用层次分析法原理,将运营隧道结构健康安全评价体系,自下而上地分解为若干个层次,形成一个包含多个评价子项目多级评价指标的分层次评价系统(图1)。


  隧道营运期间结构的安全状态是一个外延清楚、内涵模糊的“灰色系统”,影响因素众多,即包含定性因素,又包含定量因素,各因素相互联系、相互影响。综合考虑隧道的自身模糊性,对隧道营运期间结构的安全性评价体系宜采用多级模糊综合方式来评判(图1)。


  运营隧道结构安全监测技术

  我国《公路隧道养护技术规范》(J T GH12-2015)规定:经常检查/定期检查是指一般性定性检查,按规定频率对土建结构的技术状况进行全面检查;专项检查/长期监测是指对严重不良地质地段、重大结构病害或隐患处,开展运营期长期监测,对其结构变形、受力和地下水状态等进行长期观测。

  经常检查/定期检查 经常检查内容主要包含隧道衬砌的裂缝、错台、起层、剥落以及排水设施的破损、堵塞、积水和结冰等。而定期检查是系统掌握隧道的基本技术状况,采取徒步的目视检查为主,配备必要的检查工具或设备。

  专项检查/长期监测 根据《公路隧道养护技术规范》(JTG H12-2015)中对专项检查内容的规定如表1所示,而运营隧道结构安全的主要监测项目有:围岩内部位移监测、裂缝监测、初支钢拱架应变监测、二衬结构应力监测和锚杆轴力监测。

  监测设备与技术

  监测仪器 如图3所示,目前隧道运营监测中采用的传感器系统:差动电阻式传感器系统;振弦式传感器系统;光纤光栅传感器系统。对于特殊地质条件、复杂环境、潜在灾害源等方面的原因(如地裂缝、断层、岩溶等),荷载将逐渐向二衬转移,二衬也由隧道建成之初的安全储备逐渐过渡为承载单元。


  故对特殊地段,隧道长期安全性监测的重点应放在隧道的主体支护结构(图4),即二衬来判断隧道在营运期间的安全状况。接触压力和二衬内力,对于岩溶隧道,衬砌所受水压力也应重点关注。同时,选择少量断面布置锚杆轴力计和多点位移计。


  光纤传感技术 该技术比传统方法更适合在恶劣的隧道环境下工作和进行长距离、大面积的远程监测(图5),正逐渐发展成一个贯穿隧道施工与运营两大阶段的、长短期相结合的科学监测手段。


  石梯沟隧道健康评价

  京昆高速公路绵广段石梯沟隧道于2002年竣工,经过几年的运营,存在多种病害:衬砌背后空洞、衬砌裂缝、渗漏水等问题,为确保隧道结构安全,对隧道进行健康评估。

  衬砌裂缝病害评价 裂缝宽度采用D J C K-2智能裂缝测宽仪进行测量,测量位置选取裂缝最宽处,如果目测不出,则多测几次取最大值。测量时将显微探头扫描裂缝,仪器屏幕即显示宽度数值,数值精确到0.01毫米,现场检测如图6所示。


  检测得出结果:右线裂缝共计56条,分别分布在左衬砌、右衬砌及隧道拱部,裂缝宽度主要分布在1毫米<b≤2毫米之间,占总量的62%(图7);左线裂缝共计51条,分别分布在左衬砌、右衬砌及隧道拱部,所有裂缝宽度经统计在0毫米<b≤1毫米之间的为21条,占总量的41%,裂缝宽度在1毫米<b≤2毫米之间的为22条,占总量的43%。左、右线隧道裂缝病害判定等级为1A,即结构存在破坏,可能会危及行人、行车安全,应准备采取对策措施。


  为了准确地探明隧道支护结构的施工质量,采用钻芯取样的方法对隧道衬砌、路面及隧道基础进行抽样评估。钻芯取样布置如图8所示(CQ代表衬砌、LM代表路面、SJ代表隧道基础;绵阳侧为起始点、广元侧为终点;绵阳→广元方向隧道记为右线,广元→绵阳方向隧道记为左线)。


  隧道路面及右线衬砌强度满足设计要求,但隧道基础及右线衬砌抽样点强度不满足设计要求。抽样点隧道基础、衬砌及路面厚度均满足设计要求如图9。


  随后,又采用地质雷达对石梯沟隧道进行了探测,根据隧道现场实际情况,在石梯沟隧道内左右拱腰(距路面约6米)、边墙(距路面约1.36米)、拱顶共布设8条测线,其中,左线布置L Z-1、L Z-2、L Z-3、L Z-4测线,右线布置LY-1、LY-2、LY-3、LY-4测线。雷达时间剖面可以真实、全面地反映地下介质的变化情况,保证资料的质量。经检测,隧道8条测线均存在不同程度的衬砌背后脱空情况。

  对各测线的脱空区进行统计分析,脱空区的分布情况如图10所示。统计各部位脱空情况如图12所示。石梯沟隧道衬砌脱空长度分布情况如图11中散点所示。



  一些建议

  笔者认为,建立隧道运营期间的实时监测及评价体系,能及时高效保证隧道营运期间结构的安全;长期进行安全性监测,重点应为隧道主体支护结构,即二衬来判断隧道在营运期间的安全状况;充分运用光纤传感技术,特别是在恶劣的隧道环境下远程结构安全监测;考虑隧道自身模糊性,对运营隧道健康评价体系采用多级模糊综合方式。

  在安全监测方面应做到设计可行、安全检查合理化、长期监测全面化和监测技术智能化;在健康评价方面应做到病害判断科学化、评价指标多级化、模糊综合化和规范标准化;

  在病害处治方面应做到精准发力、高效便捷和持久耐用。( 来源: 《中国公路》 作者:文/ 图 长安大学 谢永利 王亚琼 )

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