可拓法評估運(yùn)營隧道襯砌結(jié)構(gòu)健康實(shí)例

安永林，李佳豪，趙丹，張運(yùn)良，楊高尚

可拓法評估運(yùn)營隧道襯砌結(jié)構(gòu)健康實(shí)例

安永林1, 2，李佳豪2，趙丹3，張運(yùn)良4，楊高尚4

(1. 湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；3. 長沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410000；4. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

為綜合評價服役隧道結(jié)構(gòu)健康狀況，構(gòu)建隧道結(jié)構(gòu)健康狀況多級可拓評估模型與計算流程，以某隧道某斷面病害檢測為實(shí)例，給出分級標(biāo)準(zhǔn)與評價指標(biāo)體系，并對評價指標(biāo)的相關(guān)檢測量值進(jìn)行歸一化處理后，評估該斷面的結(jié)構(gòu)健康等級。研究結(jié)果表明：該斷面的隧道結(jié)構(gòu)健康等級屬于亞健康，需要進(jìn)行維修加固；并獲得各準(zhǔn)則層的病害等級，如襯砌變形和空洞對隧道健康影響等級是病害等級，滲漏水和裂縫為亞健康等級。從而可以有針對性地采取不同的加固策略，如滲漏水采用注漿或者引排，裂縫采用修補(bǔ)或者注漿+錨桿等，脫空采用注漿或回填等。

隧道工程；健康檢測；結(jié)構(gòu)健康評估；可拓評估

我國已運(yùn)營隧道由于服役多年，出現(xiàn)不同程度的病害，影響到自身結(jié)構(gòu)的健康狀況，目前很多學(xué)者做了相關(guān)的研究：分析水下隧道的健康狀況[1]；研究隧道坡度對襯砌裂縫的影響機(jī)制[2]；通過深度學(xué)習(xí)法判斷裂縫與滲漏水位置[3]；討論了水下TBM隧道的健康監(jiān)測[4]；基于不同的裂縫寬度評估隧道襯砌安全性[5]；基于小波分析識別襯砌損傷位置[6]；分析空洞不同位置對砌體隧道的安全影響[7?8]；層狀隧道病害機(jī)理分析[9]；基于云模型與模糊數(shù)學(xué)的健康綜合評估[10?12]。XU等[1?8]側(cè)重于隧道某一病害的分析，缺少對隧道健康的整體評估；而王亞瓊 等[11?12]在整體評估中，對于指標(biāo)權(quán)重的確定以及隸屬度函數(shù)、云函數(shù)的確定存在主觀性。為此，本文首先構(gòu)建多級可拓評估法評估隧道健康模型，避免權(quán)重的主觀性，然后結(jié)合一實(shí)際運(yùn)營隧道檢測數(shù)據(jù)，給出相應(yīng)的評估實(shí)例與整治措施。

1 多級可拓法評價隧道結(jié)構(gòu)健康

1.1 多級可拓法評價隧道結(jié)構(gòu)健康流程

見圖1[13]。

圖1 多級可拓法評估隧道結(jié)構(gòu)健康狀況的流程

1.2 構(gòu)建多級可拓法評估隧道結(jié)構(gòu)健康模型

1.2.1 確定經(jīng)典域、節(jié)域[13]

隧道結(jié)構(gòu)健康狀況級別的經(jīng)典域如下：

式中：N為第級健康狀況，=1,2,…,；c為健康狀況級別u評判指標(biāo)，=1,2,…,；kj為j關(guān)于健康評價指標(biāo)c對應(yīng)的量值范圍。

節(jié)域如下：

式中：為健康狀況級別的全體；V為關(guān)于c所取的量值范圍，即的節(jié)域〈a,b〉。

1.2.2 確定待評隧道結(jié)構(gòu)健康狀況模型

用物元表示：

式中：為待評隧道結(jié)構(gòu)健康狀況；V為待評隧道結(jié)構(gòu)健康狀況，對應(yīng)的c的量值。

1.2.3 隧道結(jié)構(gòu)健康狀況的多級可拓模型

將物元=[,,]可拓為：

=[,,]?|{[1,1,1],[2,2,2],…,[R,C,V],…,

[R,C,V]} s.t.=1∪2∪…∪i∪…∪n，

式中：{1,2,…,R,…,R}為的隧道結(jié)構(gòu)健康狀況子集；為劃分隧道結(jié)構(gòu)健康狀況子集的個數(shù)。

此時最底層健康狀況的待評物元模型為：

1.2.4 計算底層健康狀況R等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)值

設(shè)0實(shí)數(shù)域(?∞, +∞)上任意一點(diǎn)，0=(,)為實(shí)數(shù)域上任意一區(qū)間，(0,0)為點(diǎn)0與區(qū)間0之距，則：

初等關(guān)聯(lián)函數(shù)為：

則待評健康狀況R關(guān)于各健康狀況級別的關(guān)聯(lián)函數(shù)值為：

1.2.5 評估底層健康狀況R

若

則底層健康狀況R屬于等級0。

令

稱*為隧道結(jié)構(gòu)健康等級的變量特征值。

1.2.6 多級可拓法評估隧道結(jié)構(gòu)健康

隧道結(jié)構(gòu)健康狀況評判變換矩陣為：

同理，根據(jù)公式(5-9)~(5-11)，可得隧道結(jié)構(gòu)健康狀況的綜合評估等級0與級別變量特征值*。

1.2.7 指標(biāo)層和準(zhǔn)則層權(quán)重確定

設(shè)

式中：=1,2,…,；=1,2,…,。

若分級指標(biāo)c值越大，其權(quán)重越大，則

若分級指標(biāo)c值越大，其權(quán)重越小，則

分級指標(biāo)c權(quán)重

2 隧道結(jié)構(gòu)健康狀況評價實(shí)例

2.1 隧道結(jié)構(gòu)健康狀況評價等級劃分

隧道結(jié)構(gòu)健康分級見表1、評價指標(biāo)體系與分級標(biāo)準(zhǔn)件表2和表3[10?12]。

對于定性的指標(biāo)，如表5中的漏水狀態(tài)、凍害等，則根據(jù)其影響隧道結(jié)構(gòu)安全及形成安全的程度進(jìn)行打分：0~0.25為病危，0.25~0.5為病變，0.5~0.75為亞健康，0.75~1為健康。

若隧道結(jié)構(gòu)健康檢測中，未檢測到或檢測項(xiàng)目比上述多，可根據(jù)實(shí)際情況增加或減少評價指標(biāo)。

其中襯砌厚度指標(biāo)41為實(shí)測量值與設(shè)計量值之比；襯砌強(qiáng)度指標(biāo)42為實(shí)測強(qiáng)度量值/設(shè)計強(qiáng)度量值之比；變形量指標(biāo)61為變形量實(shí)測值與內(nèi)限距之比。

表1 隧道結(jié)構(gòu)健康等級

表2 隧道結(jié)構(gòu)健康狀況評價指標(biāo)體系

2.2 現(xiàn)場病害檢測情況

湖南長沙蕉溪嶺運(yùn)營隧道病害現(xiàn)場檢測見圖2。

表3 公路隧道結(jié)構(gòu)健康評價指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)

(a) 裂縫寬度觀測；(b) 二次襯砌厚度探測；(c) 二次襯砌強(qiáng)度檢測；(d) 斷面檢測

2.3 隧道病害檢測值與歸一化處理

以湖南長沙蕉溪嶺隧道的病害檢測為例。蕉溪嶺隧道在319國道上，由1號~3號3座隧道組成，全長3 900 m， 1996年10月交工驗(yàn)收并運(yùn)營。k55+ 973處病害檢測值見表4[14]，歸一化處理結(jié)果見表5。

表4 蕉溪嶺隧道結(jié)構(gòu)健康檢測指標(biāo)值

注：“—”表示該項(xiàng)未檢測。

表5 隧道結(jié)構(gòu)健康狀況評價指標(biāo)歸一化處理

2.4 評價各準(zhǔn)則層的風(fēng)險

對于準(zhǔn)則層中的襯砌裂縫2，其經(jīng)典域和節(jié)域如下：

其中：＝1, 2, 3, 4。當(dāng)＝1時，21,22的量值范圍<211,211>，<221,221>分別取<0, 0.339>，<0, 0.751>。

可以得到襯砌裂縫的同征物元如下：

指標(biāo)權(quán)重：

2i=[0.457 3 0.542 7]

襯砌裂縫關(guān)于健康等級的關(guān)聯(lián)度：

2i()=[?0.608 3 ?0.278 4 0.295 4 ?0.479 2]

根據(jù)上述理論，可以得到襯砌裂縫等級10=3，為“亞健康”；并且可以得到襯砌裂縫等級的變量特征值1*=2.85，表示在該段的對于襯砌裂縫，其健康等級屬于“亞健康”級別偏向“病害”的級別(嚴(yán)格說來應(yīng)屬于2.85級健康)。

同理，可以得到，隧道滲漏水的關(guān)聯(lián)度：

1i()=[?0.600 0 ?0.400 0 0.200 0 ?0.142 9]

滲漏水對隧道結(jié)構(gòu)健康影響等級10=3，為亞健康。

襯砌背后空洞的關(guān)聯(lián)度：

3i()=[?0.246 8 0.441 7 ?0.301 2 ?0.499 8]

襯砌背后空洞對隧道結(jié)構(gòu)健康影響等級30=2，為病害等級。

材料劣化的關(guān)聯(lián)度：

4i()=[?0.849 5 ?0.798 4 ?0.694 5 0.305 5]

材料劣化對隧道結(jié)構(gòu)健康影響等級40=4，為健康等級。

襯砌變形的關(guān)聯(lián)度：

5i()=[?0.142 9 0.200 0 ?0.400 0 ?0.600 0]

襯砌變形對隧道結(jié)構(gòu)健康影響等級50=2，為病害等級。

2.5 評價目標(biāo)層的風(fēng)險

對于各準(zhǔn)則層的權(quán)重，由層次分析法AHP確定，具體如下表所示，而=0.05<0.1，滿足一致性檢驗(yàn)要求。

()=[?0.538 0 ?0.2543 0.012 0 ?0.314 3]

隧道結(jié)構(gòu)健康等級0=3，為亞健康等級，健康等級的變量特征值*=2.9，表示在該段的健康綜合評價等級屬于“亞健康”級別偏向“病害”的級別(嚴(yán)格說來應(yīng)屬于2.9級健康)。

根據(jù)上述目標(biāo)層和準(zhǔn)則層的評估結(jié)果，即可有針對性的采取不同的加固策略，方便了隧道結(jié)構(gòu)的健康評估及病害維修加固。本文依托的蕉溪嶺隧道病害的具體整治措施，見本項(xiàng)目組研究團(tuán)隊的研究報告以及學(xué)位論文(文獻(xiàn)[14])；治理方案也將在后續(xù)文章中做探討，滲漏水采用注漿或者引排；裂縫采用修補(bǔ)或者注漿+錨桿等；脫空采用注漿或回填等。

表6 準(zhǔn)則層的權(quán)重

3 結(jié)論

1) 構(gòu)建了多級可拓法評估隧道結(jié)構(gòu)健康模型，給出了評估的流程及建立過程。

2) 隧道在該斷面處的結(jié)構(gòu)的健康等級為3級，屬于亞健康，需要進(jìn)行維修加固。獲得了各準(zhǔn)則層的病害等級，如襯砌變形和空洞對隧道健康影響等級是病害等級，滲漏水和裂縫為亞健康等級。

3) 根據(jù)評估結(jié)果，可以有針對性的采取不同的加固策略，方便了隧道結(jié)構(gòu)的健康評估及病害維修加固，如滲漏水采用注漿或者引排；裂縫采用修補(bǔ)或者注漿+錨桿等；脫空采用注漿或回填等。

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Comprehensive extension assessment on tunnel structure health

AN Yonglin1,2, LI Jiahao2, ZHAO Dan3, ZHANG Yunliang4, YANG Gaoshang4

(1.Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;2. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201,China; 3. Changsha Metro Group Co., Ltd, Changsha 410000,China;4. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to evaluate the health condition of the tunnel, the multi-level extension assessment model and calculation process of tunnel structure health were constructed. Taking distress detection of a tunnel section as an example, the classification criteria and evaluation index system were given. The structural health grade of the section was evaluated after normalizing the relevant detection values of the evaluation indices. The results show that the health level of tunnel structure in this section that belongs to sub-health and need to be repaired. The distress grade of each criterion layer was obtained. The influence of lining deformation and cavity on the health of the tunnel is the level of damage and the influence of seepage water, and cracking is the sub health level. Therefore, it can take different reinforcement strategies, for instance, grouting or drainage for seepage; repairing or grouting with bolts for cracks, grouting or backfilling for void, etc.

tunnel engineering; structure health monitoring; structure health assessment; extension assessment

U459.2

A

1672 ? 7029(2020)02 ? 0422 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190361

2019?04?29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408216，51308209)；湖南省學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目；湖南科技大學(xué)研究生培養(yǎng)改革研究項(xiàng)目(J151101)

安永林(1981?)，男，安徽壽縣人，副教授，博士，從事隧道與地下工程研究；E?mail：aylcsu@163.com

(編輯 涂鵬)