隧道路面类型选择及调查研究＊

许 涛 黄晓明 赵永利

(东南大学交通学院 南京 210096)

由于隧道路面处于相对封闭的环境内,直接受外界自然因素影响较少,隧道内温度、湿度、基础强度与一般公路差别较大[1],且渠化交通严格、加减速频繁,隧道路面的使用性能及荷载作用下的力学响应也有其自身的特点.因此,不同隧道路面类型决定了其使用性能差别也较大[2].目前,国内外关于隧道工程的研究主要集中在隧道洞体的结构设计、施工技术、通风、照明、隧道安全等方面[3-5],而隧道和道路工程中对隧道路面的研究都较少涉及,更缺乏针对大型隧道路面类型选择方面的研究.本文基于灰靶理论对隧道路面类型选择进行了研究,结合实体工程,对国内具有代表性浙江、贵州、重庆、广东、江苏等地区的近100座隧道的路面进行了实地调查,对理论研究结果进行验证,为实体工程路面类型选择提供依据.

1 灰靶理论

灰靶理论[6]是一种处理模式序列的灰关联分析理论.按命题信息域的要求,在一组模式序中,找出最靠近子命题目标值的数据构造标准模式,然后各模式与标准模式一起构成灰靶,则标准模式便是灰靶的靶心,按子命题的含义,远离靶心的模式为靶边,往上远离的模式称上靶边,往下远离的模式称下靶边.上靶边也就是数据大的靶边,下靶边为数据小的靶边.每一个灰关联差异信息空间中的模式与靶心的灰关联度称靶心接近度,简称靶心度.最后可根据靶心度计算综合系数,综合系数值越大则相对应的选择方案越具优势.

2 基本模型的建立

2.1 灰模式

灰模式实际上是一个指标序列,是某一命题的某一种解决方案的关键因素序列.

即任意两指标列不恒具相同极性.称ω(k)= (ω1(k),ω2(k),…ωm(k))为k指标模式列,简称k指标列.

2.2 标准模式

令POL(max),POL(min),POL(mem)分别为极大值极性、极小值极性、适中值极性,则

2.3 灰靶变换

若T ωi(k)=xi(k),则

式中：T为灰靶变换;xi(k)为统一测度变换值.

2.4 灰关联因子集与灰关联差异信息空间

灰关联因子集为

灰关联差异信息空间为

2.5 靶心系数

2.6 靶心度

3 原始序列的确定

此灰靶分析的命题为隧道路面类型的选择.分析的模式有两个,即沥青路面和水泥路面.根据隧道在路网中的重要地位及隧道路面特殊的工作环境,为了满足隧道路面舒适性、安全性、耐久性等需要,隧道路面应具有如下各项性能：(1)整体强度.在行车荷载的直接作用下,如果路面结构层的整体强度不足,难以适应不同围岩级别变化,在路面层内部产生较大的应力、应变,使路面出现断裂、沉陷、波浪或车辙病害,导致路面使用状况恶化,服务水平降低[7];(2)耐久性.隧道内空间有限、维修困难,因此要有足够的耐久性,尽量减少隧道路面在其服务期内的维修次数,保证行车畅通[8];(3)表面平整度.表面平整度直接影响行车舒适性、安全性及运输效益.不平整的路面不仅会造成行车颠簸,影响行车速度、行车安全、驾驶平稳、乘客的舒适性,而且会对路面形成冲击力,加剧路面和车辆部件的磨损;(4)表面抗滑性能.隧道内路面湿度相对较大,车辆的制动、加速比较频繁,路面抗滑性能不足则易引发交通事故;(5)表面耐磨性能.隧道路面的表面不但要抗滑,而且要耐磨,也就是要隧道路面长时间的保持较高的抗滑性能;(6)修复与重建难度.隧道往往是公路交通的咽喉,隧道内路面修复与维修要求简单、快速,以免影响正常交通.

对于沥青和水泥路面而言,经过多年的建设及使用,建设、管理及使用方对其基本性能都有了一定的了解,但是针对上述六方面性能,长期以来并没有形成具体的定量分析.为对上述两种路面类型进行系统比较,优选出比较适合隧道内使用的路面类型,对灰靶分析中的原始数据通过邀请科研、设计、建设等有关方面人员按照设计的表格和规定的评定等级对评判对象进行评价.然后统计各因素评价等级1,2,…,n)的频数dik,则ωi(k)=dik/n.式中：n为参与评价的专家人数;ωi(k)为指标值.

4 标准模式的确定

为了对两种路面结构型式进行适应性比较,需要确定一个标准的模式,作为两者比较的参量,针对本文指标列的具体型式,本文中取灰靶分析的标准模式为：ωo=(1,1,1,1).在靶心度计算中为了体现不同评价等级的优先度,对几种等级分别取权重系数如表1.

表1 权重分配表

4.1 原始数列的确定

本文选择了具有代表性的30多位专家及有关人员来进行隧道路面选型因素权重的确定.被咨询人员包括公路界科研、设计方面的人员,施工、管理、养护方面的人员.他们均有中、高级职称,经验丰富,熟悉路面专业技术和管理,因此具有充分的代表性,评价结果具有较高的可信度.对回馈的各评价表进行数据统计处理后得到的各指标列数据如表2所列.

4.2 灰靶变换

依据下式对表2进行灰靶变换,经灰靶变换后的结果如表3.

表2 灰靶分析的原始数列

表3 灰靶变换后数据值

4.3 灰关联差异信息空间

首先根据下式确定差异信息集Δ,计算结果如表4.

根据表4中的数据,则灰关联差异信息空间为

表4 差异信息集

4.4 靶心系数

对于沥青混凝土路面

对于水泥混凝土路面为

则将表4中的数据代入上述两式可得靶心系数值,如表5.

4.5 靶心度

根据式与表6中的数据可计算得到各因素的靶心度如表6.

表5 靶心系数值

表6 靶心度值

4.6 综合系数

表7 综合系数值

计算结果表明,沥青路面的综合系数要大于水泥路面的综合系数,也就是说,对几项基本性能综合考评后可知,沥青混凝土路面的性能更加优越,更适合用于隧道路面.

5 隧道路面结构类型调查研究

本文结合隧道路面科研项目,对国内具有代表性浙江、贵州、重庆、广东、江苏等地区的近100座隧道的路面进行了实地全面调查.浙江省是一个多山的省份,本文重点对该省的隧道路面类型进行调查、分析.笔者对宁杭高速、沪杭甬高速、上三高速、甬台温、金丽温高速、杭金衢高速等进行了实地调查,共调查79座隧道,调查隧道路面总里程63.9 km[9].其中,目前还在使用的水泥混凝土隧道路面长17.9 km,占调查隧道路面总长的28%;为了提高原路面抗滑性能,在原水泥路面上加铺沥青面层或进行微表处的隧道路面长18.3 km,占调查隧道路面总长的28.6%;沥青混凝土隧道路面27.7 km,占调查隧道路面总长的43.4%.同时,调查结果表明,2001年以前修建的水泥混凝土隧道路面总长34.8 km,占调查隧道路面总长54.5%;2001年及以后修建的水泥混凝土路面总长1.4 km,仅占调查隧道路面总长2.3%,沥青混凝土隧道路面占97.7%.其主要原因是沥青路面具有抗滑性能好,行驶舒适,噪音小,施工简单、维修方便等优点[10].可见,沥青路面越来越多被隧道路面所采用.

6 结束语

本文采用理论分析和实际调查相结合的方法,针对隧道路面特殊的工作条件,基于灰靶理论从整体刚度、耐久性、平整度、抗滑性能、耐磨性能及修复难易程度六个方面对沥青和水泥两种路面进行综合评价.理论分析结果表明,在隧道中采用沥青路面具有更好的适用性.经对近百座隧道路面实地调查、分析,验证了理论分析的正确性,说明基于灰靶理论分析的方法来选择隧道路面具有可行性.随着施工技术、阻燃技术的进步,沥青路面将逐渐取代水泥路面而在隧道内得到广泛应用.

[1]杨 良,郭忠印.公路隧道路面工作环境调研与分析[J].公路,2004,(2)：148-150.

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[6]邓聚龙.灰理论基础[M].武汉：华中科技大学出版社,2002.

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[9]黄晓明,赵永利,许 涛.特大断面隧道沥青路面关键技术研究[R].南京：东南大学交通学院,2008.

[10]程英伟,刘丽萍.湖北省高等级公路沥青路面面层材料选用研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版,2005,29(4)：575-578.