既有鐵路隧道襯砌裂損維修決策研究

劉曉偉

摘 要：鐵路事業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，既有的鐵路隧道也越來(lái)越多，但是既有鐵路隧道會(huì)受到很多因素的影響，出現(xiàn)各種病害，例如腐蝕、滲漏水、錯(cuò)臺(tái)、開(kāi)裂、襯砌結(jié)構(gòu)變形等。針對(duì)這種情況，必須制定科學(xué)的既有鐵路隧道襯砌裂損維修決策。本文簡(jiǎn)要探討了既有鐵路隧道襯砌開(kāi)裂的基本形態(tài)和造成襯砌開(kāi)裂的主要原因，以此為基礎(chǔ)立足于多層次灰色綜合評(píng)判法、專(zhuān)家評(píng)判法、可辨識(shí)矩陣啟發(fā)式簡(jiǎn)約算法等多種算法，建立既有鐵路隧道襯砌列索維修方案決策模型，供相關(guān)人員參考借鑒。

關(guān)鍵詞：決策；既有鐵路隧道；襯砌裂損

中圖分類(lèi)號(hào)： U457 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）16-82-2

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)的鐵路事業(yè)得到了飛速的發(fā)展，增加了鐵路隧道的通車(chē)?yán)锍?，不斷提高鐵路的運(yùn)營(yíng)速度。但是單線運(yùn)載能力的提高和鐵路提速會(huì)受到既有鐵路隧道病害的制約，而最常見(jiàn)的既有鐵路隧道病害就是襯砌裂損，襯砌裂損又會(huì)導(dǎo)致隧道的其他病害，例如滲漏、開(kāi)裂、腐蝕、結(jié)構(gòu)變形等，從而使鐵路隧道的使用壽命縮短，結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備降低。這就需要制定科學(xué)的維修方案，對(duì)既有鐵路隧道的襯砌裂縫進(jìn)行維修，在制定方案時(shí)應(yīng)該了解襯砌開(kāi)裂的具體原因，并通過(guò)建立模型的方式來(lái)保障維修方案的科學(xué)性。

1 既有鐵路隧道襯砌裂損的形態(tài)和原因

1.1 既有鐵路隧道襯砌裂損的形態(tài)

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧道襯砌裂損在我國(guó)既有鐵路隧道中非常普遍。本文以裂縫走向?yàn)橐罁?jù)，將由鐵路隧道襯砌裂損的形態(tài)分為3種，分別為環(huán)向裂縫、斜向裂縫和縱向裂縫。①環(huán)向裂縫。造成環(huán)向裂縫的主要原因是沉降縫處理不當(dāng)、圍巖的地層變化和縱向布局與荷載環(huán)向裂縫一般發(fā)生在完整巖石與不良地質(zhì)地帶，或者洞口的交界處。②斜向裂縫?？v向受力與混凝土襯砌的環(huán)向應(yīng)力又會(huì)共同造成一種拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生斜向裂縫。斜向裂縫與隧道縱軸之間的夾角約為45度，具有較大的危害。③縱向裂縫?？v向裂縫是既有鐵路隧道襯砌裂損中危害性最大的一種裂縫，裂縫走向平行于隧道軸線，如果不對(duì)縱向裂縫進(jìn)行處理，可能會(huì)造成邊墻坍塌、邊墻斷裂和隧道掉拱[1]。

1.2 造成既有鐵路隧道襯砌裂損的主要原因

1.2.1 地質(zhì)環(huán)境原因

鐵路隧道所處的地形和地質(zhì)環(huán)境往往比較復(fù)雜，斷面的里程不同，隧道所處的上覆蓋層情況和圍巖等級(jí)也有所不同，可能會(huì)造成襯砌的不均勻受力，從而形成縱向沉降差。與此同時(shí)，既有鐵路的隧道中也存在著不對(duì)稱的地質(zhì)和地形條件，例如斷層、節(jié)理、偏壓等，容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫。特別是在地質(zhì)突變段、滑坡段、洞口段表現(xiàn)得更為突出。襯砌裂縫也會(huì)受到地下水環(huán)境的影響，不良的地下水環(huán)境可能會(huì)催生各種裂縫。

1.2.2 設(shè)計(jì)原因

當(dāng)前的很多具有鐵路隧道使用的年限較長(zhǎng)，在設(shè)計(jì)時(shí)受到各種勘測(cè)設(shè)計(jì)條件的限制，未能進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)。加之隧道所處的水文地質(zhì)條件和山體工程條件，具有一定的多變性，在設(shè)計(jì)時(shí)往往沒(méi)有收集完整的地質(zhì)資料，從而造成了圍巖的實(shí)際荷載和襯砌結(jié)構(gòu)不符、襯砌類(lèi)型選擇不當(dāng)、圍巖級(jí)別劃分不準(zhǔn)的問(wèn)題，容易造成襯砌的裂損。同時(shí)對(duì)于一些斷層破碎帶、偏壓地段也沒(méi)有進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，由于承載力不足或受力不均，這些地段的襯砌也可能出現(xiàn)不同程度的裂損[2]。

1.2.3 施工原因

既有鐵路隧道的施工過(guò)程中要面臨很多難以預(yù)料的突發(fā)狀況，處理不當(dāng)也可能造成隧道的襯砌裂損。例如管理不當(dāng)、沒(méi)有選擇合適的施工方法、技術(shù)條件有限等，無(wú)法對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行有效的控制，可能會(huì)出現(xiàn)襯砌的強(qiáng)度不足、厚度不足、壓力增大、圍巖松動(dòng)等問(wèn)題?；蛘咴谑┕r(shí)沒(méi)有完全、及時(shí)的回填塌方和超挖的地段，或者沒(méi)有密實(shí)的回填襯砌的背后。與此同時(shí)，如果混凝土的質(zhì)量存在問(wèn)題也可能造成襯砌裂損，例如沒(méi)有嚴(yán)格地控制原料中的截骨料含量，造成了截骨料反應(yīng)的膨脹效應(yīng)。

1.2.4 運(yùn)維原因

既有鐵路隧道需要長(zhǎng)期、科學(xué)的運(yùn)維管理，如果運(yùn)營(yíng)和維護(hù)不當(dāng)，就可能導(dǎo)致一些微小裂縫發(fā)展成為襯砌裂損。如果在維護(hù)的過(guò)程中沒(méi)有及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和處理襯砌的裂損病害，或者沒(méi)有查明病害的原因，沒(méi)有使用合理的手段來(lái)對(duì)其進(jìn)行處理，都會(huì)造成涌水裂縫、滲漏水、貫通性裂縫等嚴(yán)重的裂損。

1.2.5 其他原因

一些不可預(yù)知的因素也會(huì)造成，只有鐵路隧道的襯砌裂縫，例如火車(chē)脫軌而造成隧洞內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或者地震等。同時(shí)混凝土襯砌還會(huì)受到隧道進(jìn)出口地段的凍融循環(huán)和溫度應(yīng)力的影響。

2 既有鐵路隧道襯砌裂損維修決策的制定

通過(guò)上文分析，可以發(fā)現(xiàn)造成既有鐵路隧道襯砌裂損的原因比較復(fù)雜，針對(duì)不同原因造成的襯砌裂損，應(yīng)該選擇不同的維修方案。除此之外維修方案的選擇還會(huì)受到施工難易程度、自然環(huán)境和投資成本的影響。由于既有鐵路隧道，襯砌維修方案所獲得的指標(biāo)數(shù)據(jù)所含的信息量較少，而且具有模糊性和離散性，為了保障自有鐵路隧道襯砌裂縫維修方案的科學(xué)性，本文運(yùn)用了灰色理論、粗糙集等理論，來(lái)對(duì)不確定性復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行處理，并引入了專(zhuān)家評(píng)判定權(quán)法，盡可能地提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。

2.1 指標(biāo)體系的建立

由于既有鐵路隧道襯砌維修決策所涉及的領(lǐng)域較多，因此以指標(biāo)屬性為依據(jù)對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，將其分為三個(gè)層次，第一層為總目標(biāo)層（U）， 第二層為子目標(biāo)層，包括質(zhì)量保證（U4）、施工文明程度（U3）、施工方便程度（U2）、施工經(jīng)濟(jì)性（U1）；第三層為指標(biāo)層，包括延長(zhǎng)的使用年數(shù)（U41）、工作安全程度（U34）、噪聲與環(huán)境污染（U33）、列車(chē)對(duì)人的影響（U32） 、次級(jí)災(zāi)害的可能性（U31）、設(shè)備要求（U24）、列車(chē)運(yùn)營(yíng)的影響 （U23）、工期（U22）、技術(shù)要求（U21）、成本（U11）。

2.2 建立指標(biāo)權(quán)重

本文的知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)為s=（ U，A，V，f），為了得到離散值，可以使用等頻率區(qū)間法，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行離散，將其離散為優(yōu)、良、一般、差4個(gè)值，用4、3、2、1來(lái)表示。

以離散值為依據(jù)，對(duì)各自目標(biāo)知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)的可辨識(shí)矩陣進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，隨著指標(biāo)出現(xiàn)的頻率增大，指標(biāo)的潛在區(qū)分能力也在不斷增大。在計(jì)算頻率時(shí)應(yīng)該使用加權(quán)計(jì)算，以指標(biāo)出現(xiàn)的分辨矩陣的長(zhǎng)度為依據(jù)，來(lái)確定加權(quán)的大小，并計(jì)算分辨矩陣的重要度w（a）。

計(jì)算出各子目標(biāo)下的指標(biāo)之后，應(yīng)該對(duì)其重要度進(jìn)行歸一，將指標(biāo)的權(quán)重向量計(jì)算出來(lái)。以此為基礎(chǔ)，還要對(duì)既有鐵路隧道襯砌裂縫維修方案中的子目標(biāo)權(quán)向重進(jìn)行計(jì)算，引入專(zhuān)家判斷法。

2.3 對(duì)決策進(jìn)行排序

2.3.1 對(duì)灰類(lèi)進(jìn)行確定評(píng)價(jià)

灰數(shù)的白化值可以使用離散值，通過(guò)對(duì)灰類(lèi)的白化權(quán)函數(shù)、等級(jí)數(shù)、灰數(shù)進(jìn)行確定來(lái)對(duì)灰類(lèi)進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)灰類(lèi)共有4個(gè)，分別為差、一般、良、優(yōu)，分別用4、3、2、1來(lái)表示。

2.3.2 對(duì)矩陣和灰類(lèi)評(píng)價(jià)權(quán)向量進(jìn)行計(jì)算

各個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)權(quán)都包括4個(gè)回灰類(lèi)，綜合評(píng)價(jià)灰類(lèi)的灰色評(píng)價(jià)權(quán)向量，從而將評(píng)價(jià)灰類(lèi)的灰色評(píng)價(jià)權(quán)矩陣建立起來(lái)。最后要綜合評(píng)價(jià)第s個(gè)受評(píng)方案的UI，并計(jì)算其綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，并對(duì)綜合評(píng)價(jià)值進(jìn)行計(jì)算。

2.4 模型的實(shí)際應(yīng)用

以我段張集線舊堡隧道為例，該隧道為雙線電氣化重載鐵路，全長(zhǎng)9585米，該鐵路隧道受到隧道內(nèi)山體滲水的影響，其隧道圍巖出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的裂隙病害，在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)該隧道內(nèi)多處出現(xiàn)掉塊裂損情況，部分襯砌的邊墻拱部也出現(xiàn)了嚴(yán)重裂損，隧道內(nèi)漏水嚴(yán)重，2014年與2015年經(jīng)過(guò)工程整治后該隧道狀態(tài)大為改觀。根據(jù)分析，造成襯砌裂損的主要原因是滲漏水和偏壓。針對(duì)這一情況共制定了4個(gè)維修方案，方案一為注漿維修，方案二為排水管+掛網(wǎng)，方案三是注漿+掛網(wǎng)，方案四是注漿+錨桿。立足于實(shí)際情況，并結(jié)合專(zhuān)家分析，用頻率區(qū)間法對(duì)指標(biāo)層進(jìn)行離散化，對(duì)重要度進(jìn)行計(jì)算，然后將指標(biāo)層的權(quán)重計(jì)算出來(lái)，從而對(duì)4個(gè)方案的綜合評(píng)價(jià)值進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇了方案四。

3 結(jié)語(yǔ)

既有鐵路隧道的使用年限較長(zhǎng)，受到各種因素的影響可能會(huì)出現(xiàn)襯砌裂損的情況，必須對(duì)其進(jìn)行維修。本文使用了多種數(shù)學(xué)方法，結(jié)合定性和定量，盡可能地提高汽油鐵路隧道襯砌裂損維修決策的科學(xué)性，該計(jì)算方法所得的結(jié)果符合實(shí)際情況，值得同類(lèi)工程參考借鑒。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 顏練剛.隧道襯砌裂損與防治對(duì)策分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（13）.

[2] 裴濤濤，陳禮偉，史憲明，師亞龍.既有鐵路隧道襯砌裂損整治措施研究[J].鐵道建筑，2013（04）.