季凍區隧道凍害風險等級劃分及施工處治措施*

張炳濤，張東淼，李 偉，葉 飛，王思宇

(1.吉林省公路管理局，吉林 長春 130021； 2.長安大學公路學院，陜西 西安 710064)

0 引言

為對隧道凍害進行精準施策，部分學者通過分析隧道凍害的影響因素，建立隧道凍害評價體系[1-7]。

現有隧道凍害分級研究相對較少，且研究成果大都未結合隧道凍害分級情況給出具體的處治方法，導致實際應用中仍存在模糊性及不確定性。鑒于此，本文在借鑒已有研究成果的基礎上，針對季凍區隧道凍害情況，采用模糊層次分析法建立評判模型，并基于凍害風險等級評價標準，從隧道保溫、排水方面考慮，提出不同凍害風險等級條件下隧道凍害施工處治措施。

1 季凍區隧道凍害評價體系

綜合考慮評價體系模型建立適用性、可行性、真實性及可靠性等多因素，本文借鑒已有研究成果[6-7]，采用模糊層次分析法建立評判模型。

1.1 建立因素集

季凍區極端低溫氣候和凍融循環特征嚴重威脅該地區隧道運營安全，以溫度條件(U1)、水文條件(U2)、圍巖條件(U3)、襯砌質量(U4)和工程措施(U5)作為準則層，將影響隧道凍害情況的各因素組成因素集，季凍區隧道凍害評價體系如圖1所示。

圖1 隧道凍害評價體系

1.2 建立評語集

現有研究一般將凍害等級分為4～5級[3,6]，JTG H12—2015《公路隧道養護技術規范》[8]根據隧道土建結構技術狀況進行評分，將隧道分為5類。本文將隧道凍害分級情況與土建結構技術狀況進行評定，如表1所示。

表1 凍害風險等級評價標準

1.3 確定隸屬函數

1.3.1函數介紹

圖1選定的23個影響隧道凍害情況的因素中，定量指標有12個：洞外氣溫、圍巖地溫、年平均日交通量、洞內風速、年降水量、外水壓強、排水管堵塞率、隧道埋深、圍巖裂隙率、襯砌強度合格率、襯砌厚度合格率、襯砌背后空洞；定性指標有11個：單/雙向行車、三縫防水、圍巖溫度響應、圍巖溶侵性、是否配筋、有無仰拱、運營維護投入、養護加固設計、養護加固施工、新材料新工藝、智能化監測。其中圍巖溫度響應指圍巖在外界溫度擾動下發生的溫度變化，與圍巖級別、種類、組分有關，具體表現為圍巖熱物性參數存在差異。單/雙向行車指標即隧道內每點車輛均單向行車時取1，隧道內每點車輛均雙向行車時取0；單洞雙向隧道可根據實際情況，在0～1取值。

1.3.2定量指標

將定量的12個指標分為正向指標和負向指標，正向指標(洞外氣溫、年平均日交通量、洞內風速、年降水量、外水壓強、排水管堵塞率、圍巖裂隙率、襯砌背后空洞)的指標量值越大，表示隧道凍害越嚴重；負向指標(圍巖地溫、隧道埋深、襯砌強度合格率、襯砌厚度合格率)的指標量值越大，隧道凍害越輕微。參照文獻[6-8]，定量指標隸屬函數采用半梯形分布函數，具體參數如下。

1)根據正向型定量指標隸屬函數，得到正向型隸屬函數參數如表2所示。

表2 正向型隸屬函數參數

2)根據負向型定量指標隸屬函數，得到負向型隸屬函數參數如表3所示。

表3 負向型隸屬函數參數

3)定性指標 參照文獻[6-7,9]，定性指標隸屬函數采用梯形分布函數，具體如下所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：μ1，μ2，μ3，μ4，μ5分別表示影響因素的評價隸屬函數；x表示影響因素的具體量化值。

1.4 確定權重集

采用層次分析法中的1～9標度法，對各準則指標建立兩兩判斷矩陣，并計算矩陣最大特征值及相應歸一化的特征向量，最后得到準則層與指標層的權重關系，如表4所示。

表4 準則層及指標層的權重關系

1.5 模糊綜合評判

模糊綜合評判模型分為第一級和第二級模型，其中第一級模糊綜合評判結果為Bk，第二級模糊綜合評判結果為R，具體如下。

Bk=Ak·Rk=(bk1,bk2,bk3,bk4,bk5)

(6)

(7)

B=A·R

(8)

式中：Ak為指標層權重；R為第一級模糊關系矩陣；A為準則層權重。

采用最大隸屬度原則對評判指標進行處理，即B中哪個值最大，隧道凍害屬于哪一級別。

2 凍害處治措施

由表4可知，溫度條件和水文條件所占準則層權重最大，均為0.351 1。因此，季凍區隧道凍害處治應充分考慮滲漏水處治和隧道保溫，并以防水、排水、保溫結合綜合治理為隧道凍害施工處治原則。JTG/T 5440—2018《公路隧道加固技術規范》 中，根據隧址區氣候條件不同，列舉寒冷地區隧道凍害處治方法、措施，如表5所示。

表5 隧道凍害處治措施

由表5可知，不同氣候條件根據《公路隧道加固技術規范》給出的處治方法較籠統。由于未對凍害特征進行等級劃分，導致應用過程中，無法確定具體施工處治方法，使處治設計存在很大盲目性。

鑒于此，借鑒JTG/T D31—06—2017《季節性凍土地區公路設計與施工技術規范》中對季節性凍土地區隧道抗凍設防等級劃分標準，基于凍害風險等級評價標準，從隧道保溫、排水方面考慮，提出不同凍害風險等級條件下隧道凍害處治措施。隧道凍害處治措施與凍害等級關系如表6所示。

表6 隧道凍害處治措施與凍害等級關系

3 實例分析

3.1 工程概況

1)基本情況 板石嶺隧道位于S207省道輝三線(原長白線)，白山市境內，為單洞雙向兩車道隧道，全長1 262m，洞內縱坡2.7%，設計行車速度為40km/h。隧址區年平均降水量為813.6mm，年平均氣溫4.6℃，極端最高氣溫為36.5℃，極端最低氣溫為-42.2℃，地下水較豐富。

2)主要病害 從現場檢測情況來看，板石嶺隧道主要病害為襯砌裂縫、滲漏水等，根據JTG H12—2015《公路隧道養護技術規范》[8]，評為二類隧道。

3.2 建立模糊評判模型

根據板石嶺隧道地質資料，結合現場監測數據，板石嶺隧道各指標層取值如表7所示。

表7 隧道凍害影響因素取值

將表7代入隸屬函數，得到模糊關系矩陣Rk(k=1,2,…,5)。計算第一級模糊綜合評判結果后，得到第二級模糊綜合結果：

B=A·R=(0.307 0,0.354 1,

0.303 3,0.027 2,0.008 4)

B中第2個數0.354 1最大，則板石嶺隧道凍害風險等級為二級，凍害處治措施為保養維修。板石嶺隧道運營至今，除洞口段輕微結冰現象外，隧道運營狀態較好，與模糊評判模型得到的凍害風險等級一致。

3.3 凍害施工處治措施

1)及時修補裂縫，并設立觀測標記進行跟蹤觀測，運用信息化手段監測隧道溫度改變，從而有效預防隧道結構溫差過大，保證隧道結構始終具有良好的保溫性能。

2)襯砌的滲漏水應接引水管，將水導入邊溝。選擇韌性較好的優質防水材料，并且運用正確方式設置止水帶，避免止水帶滲水。技術人員應將保溫層敷設于表面的環狀排水管部位，并合理選擇出水口位置，運用全面的保溫與防寒措施進行處理。

3)冬季應及時清除洞頂掛冰等。襯砌混凝土在進行施工養護時，應充分結合隧道凍脹作用力與圍巖壓力導致的隧道施工影響，據此設計科學的隧道襯砌結構。工程技術人員應視情況運用加厚隧道襯砌方法進行處理，或運用加筋混凝土及鋼筋混凝土材料布置隧道襯砌構造。

4 結語

1)溫度條件和水文條件所占準則層權重最大，隧道凍害處治可從隧道保溫、排水進行考慮。

2)根據權重關系表，溫度條件、水文條件、圍巖條件、襯砌質量和工程措施中最大的影響因素分別為洞外氣溫、外水壓強、隧道埋深、襯砌背后空洞和運營維護投入。

3)在模糊綜合評判的基礎上，通過隧道凍害處治措施與凍害等級關系表，實現從凍害原因分析→指標權重計算→凍害風險分級→凍害處治決策的全過程。

4)隧道凍害處治措施與凍害等級關系表可指導實際凍害處治決策，降低工程應用中的模糊性和不確定性，提高凍害處治措施的科學性。