可拓法評估運營隧道襯砌結構健康實例

安永林，李佳豪，趙丹，張運良，楊高尚

可拓法評估運營隧道襯砌結構健康實例

安永林1, 2，李佳豪2，趙丹3，張運良4，楊高尚4

(1. 湖南科技大學 巖土工程穩定控制與健康監測省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411201；3. 長沙市軌道交通集團有限公司，湖南 長沙 410000；4. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

為綜合評價服役隧道結構健康狀況，構建隧道結構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例，給出分級標準與評價指標體系，并對評價指標的相關檢測量值進行歸一化處理后，評估該斷面的結構健康等級。研究結果表明：該斷面的隧道結構健康等級屬于亞健康，需要進行維修加固；并獲得各準則層的病害等級，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；結構健康評估；可拓評估

我國已運營隧道由于服役多年，出現不同程度的病害，影響到自身結構的健康狀況，目前很多學者做了相關的研究：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制[2]；通過深度學習法判斷裂縫與滲漏水位置[3]；討論了水下TBM隧道的健康監測[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]；層狀隧道病害機理分析[9]；基于云模型與模糊數學的健康綜合評估[10?12]。XU等[1?8]側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，對于指標權重的確定以及隸屬度函數、云函數的確定存在主觀性。為此，本文首先構建多級可拓評估法評估隧道健康模型，避免權重的主觀性，然后結合一實際運營隧道檢測數據，給出相應的評估實例與整治措施。

1 多級可拓法評價隧道結構健康

1.1 多級可拓法評價隧道結構健康流程

見圖1[13]。

圖1 多級可拓法評估隧道結構健康狀況的流程

1.2 構建多級可拓法評估隧道結構健康模型

1.2.1 確定經典域、節域[13]

隧道結構健康狀況級別的經典域如下：

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，=1,2,…,；kj為j關于健康評價指標c對應的量值范圍。

節域如下：

式中：為健康狀況級別的全體；V為關于c所取的量值范圍，即的節域〈a,b〉。

1.2.2 確定待評隧道結構健康狀況模型

用物元表示：

式中：為待評隧道結構健康狀況；V為待評隧道結構健康狀況，對應的c的量值。

1.2.3 隧道結構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}為的隧道結構健康狀況子集；為劃分隧道結構健康狀況子集的個數。

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等級的關聯函數值

設0實數域(?∞, +∞)上任意一點，0=(,)為實數域上任意一區間，(0,0)為點0與區間0之距，則：

初等關聯函數為：

則待評健康狀況R關于各健康狀況級別的關聯函數值為：

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*為隧道結構健康等級的變量特征值。

1.2.6 多級可拓法評估隧道結構健康

隧道結構健康狀況評判變換矩陣為：

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

1.2.7 指標層和準則層權重確定

設

式中：=1,2,…,；=1,2,…,。

若分級指標c值越大，其權重越大，則

若分級指標c值越大，其權重越小，則

分級指標c權重

2 隧道結構健康狀況評價實例

2.1 隧道結構健康狀況評價等級劃分

隧道結構健康分級見表1、評價指標體系與分級標準件表2和表3[10?12]。

對于定性的指標，如表5中的漏水狀態、凍害等，則根據其影響隧道結構安全及形成安全的程度進行打分：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。

若隧道結構健康檢測中，未檢測到或檢測項目比上述多，可根據實際情況增加或減少評價指標。

其中襯砌厚度指標41為實測量值與設計量值之比；襯砌強度指標42為實測強度量值/設計強度量值之比；變形量指標61為變形量實測值與內限距之比。

表1 隧道結構健康等級

表2 隧道結構健康狀況評價指標體系

2.2 現場病害檢測情況

湖南長沙蕉溪嶺運營隧道病害現場檢測見圖2。

表3 公路隧道結構健康評價指標的分級標準

(a) 裂縫寬度觀測；(b) 二次襯砌厚度探測；(c) 二次襯砌強度檢測；(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月交工驗收并運營。k55+ 973處病害檢測值見表4[14]，歸一化處理結果見表5。

表4 蕉溪嶺隧道結構健康檢測指標值

注：“—”表示該項未檢測。

表5 隧道結構健康狀況評價指標歸一化處理

2.4 評價各準則層的風險

對于準則層中的襯砌裂縫2，其經典域和節域如下：

其中：＝1, 2, 3, 4。當＝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：

指標權重：

2i=[0.457 3 0.542 7]

襯砌裂縫關于健康等級的關聯度：

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

根據上述理論，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(嚴格說來應屬于2.85級健康)。

同理，可以得到，隧道滲漏水的關聯度：

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

滲漏水對隧道結構健康影響等級10=3，為亞健康。

襯砌背后空洞的關聯度：

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

襯砌背后空洞對隧道結構健康影響等級30=2，為病害等級。

材料劣化的關聯度：

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

材料劣化對隧道結構健康影響等級40=4，為健康等級。

襯砌變形的關聯度：

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

襯砌變形對隧道結構健康影響等級50=2，為病害等級。

2.5 評價目標層的風險

對于各準則層的權重，由層次分析法AHP確定，具體如下表所示，而=0.05<0.1，滿足一致性檢驗要求。

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

隧道結構健康等級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(嚴格說來應屬于2.9級健康)。

根據上述目標層和準則層的評估結果，即可有針對性的采取不同的加固策略，方便了隧道結構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，見本項目組研究團隊的研究報告以及學位論文(文獻[14])；治理方案也將在后續文章中做探討，滲漏水采用注漿或者引排；裂縫采用修補或者注漿+錨桿等；脫空采用注漿或回填等。

表6 準則層的權重

3 結論

1) 構建了多級可拓法評估隧道結構健康模型，給出了評估的流程及建立過程。

2) 隧道在該斷面處的結構的健康等級為3級，屬于亞健康，需要進行維修加固。獲得了各準則層的病害等級，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) 根據評估結果，可以有針對性的采取不同的加固策略，方便了隧道結構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

國家自然科學基金資助項目(51408216，51308209)；湖南省學位與研究生教育教學改革研究項目；湖南科技大學研究生培養改革研究項目(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)