隧道火災(zāi)后襯砌損傷評(píng)價(jià)

胡治東

摘要：本文介紹了火災(zāi)中隧道襯砌結(jié)構(gòu)受損的因素及超聲波檢測襯砌受損的原理；并比較了模糊理論、灰色預(yù)測理論等方法應(yīng)用在襯砌損傷評(píng)價(jià)中的優(yōu)缺點(diǎn)；詳細(xì)闡釋了基于模糊理論的層次分析法應(yīng)用在隧道襯砌損傷評(píng)價(jià)中的適用性；最后概述了可拓法評(píng)判襯砌損傷的原理。

關(guān)鍵詞：隧道火災(zāi)，襯砌結(jié)構(gòu)，損傷評(píng)估，模糊理論，層次分析法

1引言

國內(nèi)外大量隧道火災(zāi)實(shí)例表明，隧道火災(zāi)撲救難度大，損失巨大，是制約隧道安全運(yùn)營的關(guān)鍵因素。同時(shí)，隧道一旦發(fā)生火災(zāi)，除了造成人員傷亡、車輛燒損外，還會(huì)造成隧道結(jié)構(gòu)的破壞，嚴(yán)重影響隧道日后的運(yùn)營安全。因此對(duì)火災(zāi)后隧道襯砌結(jié)構(gòu)的損傷程度作出及時(shí)、有效的評(píng)價(jià)顯得尤為重要，對(duì)災(zāi)后襯砌的修復(fù)與加固，以及對(duì)日后的安全運(yùn)營具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2隧道火災(zāi)過程中襯砌受損因素

隧道內(nèi)容易且危害較大的是油罐貨車、運(yùn)煤貨車著火，這些類型的車輛著火后，火源燃燒持續(xù)時(shí)間長、范圍大，且溫度上升很快，火焰的最高溫度可達(dá)到1000℃，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)損壞非常嚴(yán)重。火災(zāi)中隧道襯砌結(jié)構(gòu)受損由兩個(gè)方面作用造成：一個(gè)是火羽流直接作用在襯砌結(jié)構(gòu)上，一個(gè)是通過煙羽流將熱量傳遞到襯砌結(jié)構(gòu)上。其中火羽流直接作用也分為火焰內(nèi)焰與外焰作用，外焰溫度高于內(nèi)焰溫度，因此在火羽流直接作用下，不同襯砌區(qū)域損傷程度亦不同。隧道襯砌通過煙羽流受熱時(shí)比較復(fù)雜，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣變化[9]可分為一下幾個(gè)步驟：火羽流向上發(fā)展階段，沖撞隧道拱頂階段，環(huán)向擴(kuò)散階段，當(dāng)徑向分散的煙氣碰到隧道邊墻的阻礙時(shí)往縱向擴(kuò)張的轉(zhuǎn)變階段，縱向蔓延階段。

隧道火災(zāi)過程中煙氣與壁面及環(huán)境之間的熱交換功率公式為：

其中，α為熱交換系數(shù)；Tw是隧道壁面溫度；D為煙流橫截面周長中與隧道壁面接觸部分的長度。

3隧道襯砌損傷檢測

隧道發(fā)生火災(zāi)后，襯砌的燒傷深度、剩余抗壓強(qiáng)度、剩余抗拉強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)的完整性都是檢測的項(xiàng)目，在實(shí)際工程中，檢測則需要保證隧道結(jié)構(gòu)的完整性。目前，使用超聲波無損傷檢測技術(shù)[1]是評(píng)估火災(zāi)后隧道二次襯砌損傷程度的方法之一。超聲波檢測襯砌損傷程度的原理是利用超聲波速與襯砌有關(guān)物力力學(xué)性能變化之間的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)損傷程度的檢測。具體可分為幾個(gè)方面來分部檢測：超聲波速與火災(zāi)后襯砌結(jié)構(gòu)的剩余抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系；超聲波速與火災(zāi)后襯砌結(jié)構(gòu)的剩余抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系；超聲波速與火災(zāi)后襯砌結(jié)構(gòu)的損傷深度之間的關(guān)系。

4隧道襯砌損傷評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)火災(zāi)后隧道二襯結(jié)構(gòu)的損傷程度可利用襯砌結(jié)構(gòu)的燒傷深度、剩余抗壓強(qiáng)度、剩余抗拉強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)完整性、火災(zāi)溫度場以及燒蝕時(shí)間等指標(biāo)來衡量[2]。

模糊理論[3]是針對(duì)在相異溫度等級(jí)和相同灼燒溫度、不同灼燒時(shí)間條件下，二襯所遭受的損傷程度而進(jìn)行的綜合評(píng)判；GM（1，n）灰色數(shù)列預(yù)測模型是灰色動(dòng)態(tài)模型GMD中最重要的基本模型[4]。灰色總體評(píng)價(jià)模型與模糊總體評(píng)價(jià)模型均是定量和定性相互結(jié)合的多要素的加權(quán)平均型總體評(píng)價(jià)模型[5]。在定性變量和主觀指標(biāo)的綜合評(píng)判隧道火災(zāi)后襯砌損傷程度過程中，評(píng)判的模糊性更重，因此，此時(shí)采用模糊綜合評(píng)判方法更恰當(dāng)；在對(duì)客觀指標(biāo)的評(píng)判中，由于確認(rèn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的各個(gè)品級(jí)之間從屬關(guān)系的難度比較大，而確認(rèn)認(rèn)可函數(shù)相比于確定認(rèn)從屬函數(shù)要簡單，因而采用灰色綜合評(píng)判方法更為恰當(dāng)。

在火災(zāi)后隧道襯砌損傷程度的模糊評(píng)判法中，評(píng)判襯砌結(jié)構(gòu)損傷程度有三個(gè)因子：m1-殘余抗壓強(qiáng)度系數(shù)；m2-襯砌截面的燒傷率；l3-襯砌截面的完好率，且這三個(gè)因子的權(quán)重是確定的。而文獻(xiàn)[7]在模糊評(píng)判方法之基礎(chǔ)上，采用層次分析法確認(rèn)各個(gè)因子的權(quán)重，假設(shè)在某溫度量級(jí)和燒蝕時(shí)間條件下，襯砌結(jié)構(gòu)的剩余抗壓強(qiáng)度取Ra，取灼燒深度取d1，襯砌外觀松散掉塊厚度取d2，初始襯砌抗壓強(qiáng)度取R0，初始襯砌厚度取d0，則 ，，。

在層次分析法中需要首先構(gòu)造判斷矩陣，為了定量決策判斷，方法中把與某一層次某一因素X有關(guān)的下一層次的各因素mk（k=1，2，…，r）相互之間采取重要水平的一一對(duì)比，并采用數(shù)字的方式表現(xiàn)得出。

Hij=1，為兩個(gè)因素mi、mk，具有相同的重要性；Hij=3，為兩個(gè)因素mi、mk中，因素ui比因素uk稍微重要；Hij=5，為兩個(gè)因素mi、mk中，因素ui比因素uk明顯重要；Hij=7，為兩個(gè)因素mi、mk中，因素ui比因素uk強(qiáng)烈重要；Hij=9，為兩個(gè)因素mi、mk中，因素ui比因素uk極端重要。由此構(gòu)造出m1，m2，m3對(duì)于襯砌損傷的判斷矩陣，對(duì)其求解得到最大特征值λmax=3，進(jìn)而特征對(duì)應(yīng)的特征向量，即各因子的權(quán)重解得為Z=（0.6，0.2，0.2）。

對(duì)上述式子采用公式：U=V/W進(jìn)行一致性對(duì)比，其中：U是判別式子隨機(jī)一致性的概率；V是判別式子偏差一致性的要素，按式V=（λmax-n）/（n-1）計(jì)算得，n為因子個(gè)數(shù)；W為判別式子平均隨機(jī)一致性的要素。根據(jù)上述可算得V等于0，因?yàn)閁=0小于0.1，因此上式滿足一致性檢驗(yàn)。

基于可拓法的物元理論、關(guān)聯(lián)函數(shù)和可拓集合論，文獻(xiàn)[7]創(chuàng)建了損傷襯砌的物理模型，選取剩余抗壓強(qiáng)度系數(shù)、襯砌截面的燒傷率以及襯砌截面的完好率作為襯砌結(jié)構(gòu)損傷的評(píng)價(jià)因子，并用關(guān)聯(lián)函數(shù)確定了各因子的權(quán)重，在現(xiàn)實(shí)工作里免除了對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)損傷評(píng)價(jià)的主觀要素影響。與模糊理論、灰色預(yù)測理論以及層次法應(yīng)用在襯砌結(jié)構(gòu)損傷的評(píng)判方法相比，可拓法的應(yīng)用更能真實(shí)的反映實(shí)際襯砌結(jié)構(gòu)損傷的等級(jí)。

5結(jié)語

襯砌損傷定性變量和主觀因素的總體評(píng)價(jià)中模糊性更重，利用模糊綜合評(píng)價(jià)方式更恰當(dāng)；層次分析法在模糊理論的基礎(chǔ)上引入了評(píng)判因子，通過分析評(píng)判因子的權(quán)重，進(jìn)行襯砌的損傷評(píng)判，更具客觀性；可拓評(píng)判法建立了一個(gè)更為細(xì)致的評(píng)判流程及方法，在客觀指標(biāo)的評(píng)判中，可拓法評(píng)判襯砌損傷更具可靠性。幾種評(píng)判襯砌損傷的方法只側(cè)重于主觀指標(biāo)或客觀指標(biāo)，并未對(duì)主、客觀指標(biāo)進(jìn)行綜合的評(píng)判，因此建立一種適用的、可靠的綜合評(píng)判火災(zāi)后隧道襯砌損傷的方法是一個(gè)亟待解決的問題。

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