隧道服役性能指標(biāo)在廣州地鐵盾構(gòu)隧道健康狀態(tài)評估中的應(yīng)用*

翟利華 袁 泉 李曉軍 林曉東

(1.廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，510010，廣州；2.廣東省城市軌道交通工程建造新技術(shù)企業(yè)重點實驗室，510010，廣州；3.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，200092，上海//第一作者,高級工程師)

盾構(gòu)隧道所處巖土賦存條件復(fù)雜、周邊環(huán)境敏感及使用條件苛刻，結(jié)構(gòu)自身在多種因素長期作用下狀態(tài)逐步退化，一旦損壞不易或不可更換，并將誘發(fā)地下工程災(zāi)害，因此對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)提出了極高的要求。

目前，盾構(gòu)隧道的健康狀態(tài)評估方法主要分為單項指標(biāo)判定法、數(shù)學(xué)模型法和力學(xué)模型法3種。其中，項指標(biāo)判定法是最簡單也是實際中應(yīng)用最廣泛的方法，如文獻[1]規(guī)定了結(jié)構(gòu)變形、滲漏水、裂縫和剝落的極限值，文獻[2]規(guī)定了隧道檢查指標(biāo)和單項評估等級，文獻[3]列舉了不同隧道病害的分級。單項指標(biāo)判定法雖然簡單實用，但由于其不能體現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)的綜合健康狀態(tài)，選取不同的單項指標(biāo)可能會得出不同的結(jié)論，因而最終還是要依賴于專家的經(jīng)驗和判斷。數(shù)學(xué)模型法主要是采用模糊綜合評判與層次分析的方法，如文獻[4-6]分別選取不同指標(biāo)，采用模糊綜合評判與層次分析方法來評價病害對盾構(gòu)隧道狀態(tài)的影響，但此類方法的缺陷在于未考慮病害之間的相關(guān)性。近年來亦有學(xué)者利用力學(xué)方法評估隧道健康狀態(tài)，文獻[7]根據(jù)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)來劃分隧道狀態(tài)級別，文獻[8]提出全壽命周期可靠度方法用于計算隧道狀態(tài)，這類方法的缺點在于建立考慮隧道病害的力學(xué)模型十分困難，且計算分析復(fù)雜耗時，在工程實踐中難以實施。

在道路工程方面，文獻[9]在1962年對72段道路進行專家打分，通過回歸分析得到道路服役性能指標(biāo)公式，用作評估道路服役性能的標(biāo)準(zhǔn)；在橋梁工程方面。文獻[10]采用德爾菲方法對已有橋梁進行評估打分，建立了橋梁狀態(tài)與橋梁測量數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。但對于盾構(gòu)隧道狀態(tài)的評估，尚未有類似研究的報道。

本文在研究分析地鐵盾構(gòu)隧道監(jiān)測指標(biāo)的基礎(chǔ)上，選擇相對沉降、差異沉降、收斂變形、滲漏水、裂縫和剝落6個常用指標(biāo)，利用專家打分與偏最小二乘法回歸評估結(jié)果，建立盾構(gòu)隧道狀態(tài)與評估指標(biāo)之間的定量關(guān)系，得出盾構(gòu)隧道服役性能指標(biāo)(TSI)的計算公式，并以廣州地鐵盾構(gòu)隧道為示范工程，闡述了TSI在隧道健康評估中的應(yīng)用。

1 盾構(gòu)隧道健康狀態(tài)評估指標(biāo)體系

綜合考慮盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)、內(nèi)外周圍環(huán)境、日常監(jiān)測及檢測數(shù)據(jù)等因素來確定評估指標(biāo)，可供選擇的評估指標(biāo)包括水土壓力、地下水腐蝕性、線路曲線半徑、注漿壓力、混凝土碳化、鋼筋銹蝕、螺栓銹蝕、沉降、收斂、滲漏水、剝落、裂縫、接縫張開、錯臺及空氣離子濃度等。上述指標(biāo)都能在一定程度上反映盾構(gòu)隧道的服役性能，但結(jié)合實際情況，并不是所有的指標(biāo)都適合作為評估指標(biāo)，原因如下：①地下水腐蝕性及空氣中的離子濃度等數(shù)據(jù)獲取困難，一般未被列入隧道日常檢查項目，故此類數(shù)據(jù)缺失；②隧道周圍水土壓力、結(jié)構(gòu)內(nèi)力的監(jiān)測傳感器在地下復(fù)雜環(huán)境下，因工作壽命短、損壞率高，以及后期的維修更換難度大，這類數(shù)據(jù)的獲取并不可持續(xù)；③混凝土碳化深度、鋼筋銹蝕、螺栓銹蝕等檢查成本較高，且檢查本身有可能對隧道結(jié)構(gòu)造成破壞。

綜上所述，確定可選的評估指標(biāo)為沉降、收斂、滲漏水、裂縫、剝落、錯臺和接縫張開等。

1.1 縱向變形

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，由于大地沉降、土體擾動、地下水流動和循環(huán)荷載等因素，盾構(gòu)隧道在運營期間發(fā)生較大縱向變形[11]。盾構(gòu)隧道的絕對沉降量有一部分是由于大地整體沉降組成的，而整體沉降對隧道自身危害不大，故本文選取相對沉降平均值和差異沉降平均值2個評估指標(biāo)，計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中:

Save——相對沉降平均值；

m——監(jiān)測點數(shù)量；

Sr，i——第i個相對沉降監(jiān)測值；

Sdiff,i——第i個差異沉降計算值；

li,i-1——第i個監(jiān)測點與第i-1個監(jiān)測點之間的距離；

Sdiff,ave——差異沉降平均值。

1.2 橫向變形

選取盾構(gòu)隧道襯砌收斂平均值作為橫向變形的評估指標(biāo)，計算公式如下:

(4)

式中:

Cave——襯砌收斂率平均值；

m——監(jiān)測點數(shù)量；

Di——第i個隧道外直徑測量值；

D——隧道外直徑的設(shè)計值；

Δi——第i個測量橫向變形。

1.3 病害指標(biāo)

對于錯臺和接縫張開兩項指標(biāo)，盾構(gòu)隧道允許的變形較小，目前在人工檢查時難以辨別，很少有相關(guān)的記錄；另一方面，許多學(xué)者的研究結(jié)論表明，錯臺和接縫張開與隧道的沉降和收斂變形之間存在顯著的關(guān)聯(lián)性[12-13]。因此，滲漏水dl、裂縫dc和剝落ds也需作為病害評估指標(biāo)。

綜上所述，本文選取6個評估指標(biāo)，分別為Save、Sdiff,ave、Cave、dl、dc和ds。

2 建立盾構(gòu)隧道服役性能指標(biāo)的步聚

2.1 專家評估方法

專家評估方法是獲取盾構(gòu)隧道健康狀態(tài)的有效方法，一般步驟如下：

1)成立評估專家組。專家組應(yīng)涵蓋相關(guān)行業(yè)各層次人員，應(yīng)能代表行業(yè)內(nèi)意見。

2)舉行評估說明會。包括向?qū)＜艺f明盾構(gòu)隧道狀態(tài)的定義，明確評分內(nèi)容和評分標(biāo)準(zhǔn)，以及在正式評分前在專家內(nèi)部開展討論和提問。盾構(gòu)隧道狀態(tài)分為很好(1級)、好(2級)、一般(3級)、差(4級)和很差(5級)總共5個等級，每個等級的評估標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

3)設(shè)計評估樣本。包括評估樣本選取、樣本數(shù)據(jù)收集等，選取樣本應(yīng)涵蓋研究對象的各種情況，具有充分的代表性。

4)專家組對樣本隧道狀態(tài)評分。評分可采取現(xiàn)場巡視和問卷調(diào)查等形式，每個專家應(yīng)獨立評分。

本文選取了40個區(qū)段作為評估樣本，每個評估區(qū)段為200環(huán)盾構(gòu)管片。樣本展示了該隧道區(qū)段的滲漏水、剝落、裂縫病害的大小、位置，以及當(dāng)前沉降、收斂的監(jiān)測數(shù)值。專家組由9名盾構(gòu)隧道相關(guān)專家組成。選取200環(huán)盾構(gòu)管片作為評估單位主要是因為部分隧道的指標(biāo)采集間距較大，例如沉降數(shù)據(jù)，若評估長度選取較短，因監(jiān)測數(shù)據(jù)量過少會導(dǎo)致誤差較大；若評估長度選取過長，又不能保證隧道的服役性能不發(fā)生變化，經(jīng)綜合考慮選取200環(huán)盾構(gòu)管片作為評估單位。

表1 盾構(gòu)隧道健康狀態(tài)評估標(biāo)準(zhǔn)

2.2 專家評估結(jié)果

根據(jù)專家對樣本隧道健康狀態(tài)的評分結(jié)果，回歸擬合出隧道健康狀態(tài)與評估指標(biāo)的定量關(guān)系。擬合采用偏最小二乘回歸方法。偏最小二乘回歸方法綜合運用了主成分分析、典型相關(guān)分析和多元線性回歸分析，能夠在自變量存在嚴(yán)重多重相關(guān)性的條件下進行回歸建模。

由于偏最小二乘回歸屬于線性回歸法，回歸分析前應(yīng)對每個評估指標(biāo)作線性化處理。圖1所示為40個樣本評估結(jié)果的指標(biāo)線性化處理圖，該圖分別采用線性函數(shù)、對數(shù)函數(shù)和開平方函數(shù)進行擬合。圖1 a)中開平方函數(shù)的擬合度最高，為0.75。圖1 b)和圖1 c)表明Sdiff,ave和Cave均用線性函數(shù)進行回歸分析即可。采用同樣方法對隧道病害的3個評估指標(biāo)進行分析，結(jié)果表明病害指標(biāo)可按線性關(guān)系參與回歸。

2.3 盾構(gòu)隧道服役性能指標(biāo)的計算方法

0.19dl,0+0.06dc,0+0.03ds,0

(5)

其中:Save,0，Sdiff,ave,0，Cave,0，dl,0，dc,0，ds,0，TSI,0分別為Save，Sdiff,ave，Cave，dl，dc，ds，TSI標(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)果。

由標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為原始數(shù)據(jù)，可得:

0.08dl+0.05dc+0.50ds

(6)

式(6)對40個樣本進行了評估，如圖2所示。由圖2可知，隧道狀態(tài)的擬合度r2為0.841。這也說明了式(6)能代表84.1%的專家評估結(jié)果。

圖2 隧道狀態(tài)擬合結(jié)果

3 TSI計算公式討論

實際工程中，收集隧道的監(jiān)測、檢測數(shù)據(jù)，并代入式(6),即可計算得到TSI，但式(6)有以下兩個適用條件：

1)評估的盾構(gòu)隧道應(yīng)與本文研究的盾構(gòu)隧道對象相似,可參考表2所示的評估指標(biāo)統(tǒng)計量，統(tǒng)計評估樣本來源的所有盾構(gòu)隧道?？紤]到我國地鐵盾構(gòu)隧道的直徑、厚度和埋深等較為相似，廣義上可認(rèn)為式(6)適用于地鐵盾構(gòu)隧道。

表2 本文盾構(gòu)隧道評估指標(biāo)統(tǒng)計量

2)式(6)只適用于評估建成20年內(nèi)的盾構(gòu)隧道。因為本文研究的地鐵盾構(gòu)隧道運營年限最長為20年，即樣本只覆蓋了隧道全壽命期的前20年。對于未來超過20年的隧道結(jié)構(gòu)，可重新收集樣本數(shù)據(jù)，進行評估擬合；或者可考慮指標(biāo)的劣化對服役性能的影響，如對公式的權(quán)重進行修正，或建立服役性能的退化模型。

4 TSI計算公式在廣州某地鐵盾構(gòu)隧道區(qū)間工程的應(yīng)用

選取廣州某地鐵盾構(gòu)隧道鷺江站至客村站區(qū)間為工程案例。該區(qū)間于1998年開始建設(shè)，2003年投入運營，至今運營達15年。區(qū)間為雙向隧道(分左線和右線)，右線里程為YCK5+311.95—YCK6+285.50，長973.55 m。其中盾構(gòu)段為486環(huán)，采用錯縫拼裝，襯砌外徑為6.0 m、內(nèi)徑為5.4 m、厚度為0.3 m，環(huán)寬為1.5 m。

區(qū)間高程為13.11～18.24 m，中部地形較高，兩側(cè)稍低，在地貌上大部分屬于平緩坡地。隧道所處地層主要包括砂層、沖積-洪積土層、殘積土層以及巖石全風(fēng)化帶。

盾構(gòu)隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3所示。由圖3可知，區(qū)間總體沉降幅度不大，為0～6 mm；沉降模式呈中間大、兩頭小的形式，即靠近車站的襯砌沉降約為1 mm，而隧道中間的襯砌沉降約為6 mm；收斂數(shù)值均在(1‰～7‰)D范圍內(nèi)。

隧道病害檢測結(jié)果中，滲漏水總共有6處，最大滲漏面積為0.07 m2，發(fā)生在第266環(huán)，最小滲漏面積為0.01 m2；剝落總共有11處，最大面積達0.04 m2，發(fā)生在第306環(huán)，最小面積有0.000 1 m2;該區(qū)間未發(fā)現(xiàn)裂縫病害。

圖3 盾構(gòu)隧道區(qū)間監(jiān)測數(shù)據(jù)

將隧道以200環(huán)管片作為劃分單位，計算各指標(biāo)的數(shù)值大小，并將結(jié)果代入式(6)得到TSI為1.41,由此可知，盾構(gòu)隧道基本處于“很好”的級別。不同級別對應(yīng)的盾構(gòu)隧道養(yǎng)護維修措施如表3所示。

表3 盾構(gòu)隧道養(yǎng)護維修措施

5 結(jié)論

1)在統(tǒng)計地鐵盾構(gòu)隧道已有監(jiān)測、檢測指標(biāo)，以及考慮指標(biāo)的獲取難度與指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性基礎(chǔ)上，建立隧道服役性能評估的指標(biāo)體系，包括相對沉降平均值、差異沉降平均值、收斂平均值、滲漏水、裂縫和剝落，并給出指標(biāo)的具體計算方法。

2)提出建立盾構(gòu)隧道服役性能指標(biāo)的具體步驟和理論，具體包括建立評估指標(biāo)體系、收集評估樣本、由專家評估服役性能及采用偏最小二乘方法擬合評估結(jié)果。本文得出的TSI計算公式如式(6)所示，該式能代表84.1%的專家評估結(jié)果。

3)討論了式(6)的適用范圍，包括評估對象為與本文類似的地鐵盾構(gòu)隧道，以及隧道的運營年限應(yīng)在20年以內(nèi)。以廣州某地鐵盾構(gòu)隧道某區(qū)間為依托，描述了TSI計算公式在隧道健康評估中的應(yīng)用。

目前TSI計算公式的局限性主要在于其對運營年限的要求，后續(xù)可采用指標(biāo)變權(quán)理論或者建立馬爾科夫鏈和時間序列等模型，同時考慮指標(biāo)隨運營年限的退化對公式權(quán)重進行修正。