隧道结构安全系统工程评价指标研究

2014-09-24张向文于冉

城市建设理论研究 2014年25期

张向文于冉

摘要：为确保隧道结构的安全畅通，隧道结构的安全系统研究越来越受到各专家学者的重视。对隧道结构运营能力的评估也变得重要起来。本文首先对隧道结构的健康状况进行总结，在此基础上归纳整理出几种隧道结构病害类型，再根据隧道安全系统工程评价指标的选取原则确定隧道安全系统评价指标。在给出了评价指标的判定标准后，就可以依据不同的评价指标确定隧道的安全状况等级，实现对公路隧道健康状况的评估。

关键词：隧道结构；安全系统；评价指标；评定标准

中图分类号：U451文献标识码： A

1. 概述

我国公路隧道交通起步晚、发展快，但公路隧道安全评价工作并未随之展开。一大批特殊地质条件下及大断面特长隧道随着运营时间的增加也渐渐出现不同程度的损伤。主要表现在衬砌裂缝、渗漏水、衬砌材质劣化、衬砌背后空洞、衬砌变形、移动、沉降、衬砌起层、剥落，衬砌表观病害等，隧道结构的健康隐患对结构的安全运营构成了一定的威胁[1]。因此，如何正确有效地评价隧道结构的安全状况在当今隧道交通体系中显得尤为重要。

安全系统工程是指采用系统工程的原理和方法,识别、分析、评价、排除和控制系统中的各种危险，并依据这些结果来调整设计、工艺、设备、操作、管理、生产周期和投资因素，使系统可能发生的事故得到控制、消除，并使系统的安全性达到最好的状态。针对公路隧道安全系统工程，其评价内容主要包括评价指标体系、评价指标的判定标准、指标权重、[1、张向文，1981年生，男，内蒙人，工程师，第一学历山东交通学院专科土木工程系交通土建试验与检测技术专业,第二学历长安大学本科道路桥梁与渡河工程，主要从事材料检测，公路、铁路、桥梁、隧道、建筑等施工和现场检测工作。

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图1安全系统评价的步骤

2. 评价指标的选取原则

公路隧道安全系统分析是指对影响隧道正常运营的健康隐患进行定性和定量的分析，在分析切合实际的基础上对隧道的健康状况作出正确的评估。

评价指标是定量研究公路隧道健康状况的基础，选取的评价指标是否恰当，将直接影响到最终的评价结果的可靠性和合理性[2]。因此，为了使所选取的评价指标具有足够的代表性以更好地反映公路隧道结构的健康状况，在建立公路隧道健康状况评价指标体系时，选取的指标应遵循科学性、完备性、简洁性、独立性、可操作性、层次性及定量为主，定性为辅的原则。

3. 隧道安全评价指标体系

参照上述总结的隧道结构主要病害类型，依据隧道安全系统工程评价指标的选取原则，分别从衬砌裂缝，渗漏水，衬砌材质劣化，衬砌背后空洞，衬砌变形、移动、沉降，衬砌起层、剥落六个方面确定评价指标值，在此基础上构建隧道安全系统评价指标体系以指导隧道运营的安全评估。

3.1 衬砌裂缝评价指标

（1）裂缝评价指标的选取

隧道衬砌裂缝一般是指隧道二次衬砌混凝土表面的可见裂缝，它是二次衬砌混凝土中的不连续面，这些薄弱部位是引起混凝土破坏的主要原因。衬砌裂缝对隧道稳定性的影响比较复杂，它涉及到裂缝位置、长度、宽度、深度、发展性、密度、方向等诸多方面。

为了考虑衬砌裂缝发展性对衬砌裂缝的影响，在我国《公路隧道养护技术规范》中，己经分别给出了衬砌裂缝存在开展和无法确定衬砌裂缝是否存在发展这两种情况下，根据衬砌裂缝的长度和宽度判定衬砌裂缝状态的判定标准。对于衬砌裂缝，采用衬砌裂缝的长度、宽度和深度作为指标，并且采用衬砌裂缝的发展性、方向和密度作为衬砌裂缝长度和宽度的辅助判定指标。

（2）衬砌裂缝的判定标准

在衬砌裂缝的判定标准中采用基于衬砌裂缝长度和宽度的判定标准。

判定时，首先根据衬砌裂缝有无发展情况将衬砌裂缝分为存在开展的裂缝和无法确定是否存在开展的裂缝两类，然后根据衬砌裂缝的长度和宽度给出了这两种情况下的衬砌裂缝判定标准，如表1和表2所示，表中的裂缝是以水平方向的裂缝或剪断裂缝为主要对象的，对于横向裂缝，可将判定分级相应降低1个等级即可。对宽度为0.3~0.5mm以上的裂缝，其分布密度大于200cm/m2时，可提高1个判定标准或者采用判定等几种较高的等级。

表1当衬砌裂缝存在开展时的判定标准

裂缝长度L(m)

裂缝宽度b(mm) L>5 5≥L

b>3 2A/3A 1A/2A

3≥b 1A 1A

表2当无法确定衬砌裂缝是否存在开展时的判定标准

裂缝长度L(m)

裂缝宽度b(mm) L>10 10≥L>5 5≥L

b>5 2A/3A 1A/2A 1A/2A

5≥b>3 2A 1A/2A 1A

3≥b 1A/B 1A/B 1A/B

对衬砌裂缝深度的判定，很少有人研究，在我国《公路隧道养护技术规范》中，只是给出了衬砌裂缝深度的检测方法，没有给出判定标准。

3.2 渗漏水评价指标

（1）渗漏水评价指标的选取

渗漏水对隧道的影响可以用部位、漏水压力、漏水流量、漏水状态、漏水混浊情况、PH值、冻害等指标来反映。

漏水是加速衬砌材质劣化的原因之一，特别是当漏水显示出强酸性时，混凝土有严重劣化的危险。在隧道检查时，一般使用试纸对漏水的酸碱度作简易测定。冬季漏水冻结，会造成拱部挂冰、路面结冰，侵入隧道建筑限界，妨碍交通安全。在寒冷地区，尤其是严寒地区，衬砌背后的围岩冻结，会产生冻胀力。在冻胀性的围岩中，水体积增加，极易在拱顶附近造成衬砌冻胀开裂，或造成混凝土骨料胀出、砂浆及混凝土的剥落等。一般来说，冻害的发展是在冬季前后，而且会随着冻融循环作用而发展。

根据上面的分析比较，对于渗漏水，采用漏水状态、PH值、冻害作为渗漏水的评价指标[3]。

（2）渗漏水的判定标准

目前对隧道渗漏水状态还是以定性判定为主。从实用性的角度考虑，采用表3中的判别结论作为隧道漏水状态的判定标准。

表3隧道漏水判定标准

部位漏水状态

喷射涌流滴漏浸渗

拱部 3A 2A 1A B

侧墙 2A 1A 1A B

是否影响行车是是是否

注：此表主要根据漏水是否妨碍车辆行驶进行判定。

渗漏水范围等级评估

A（%） 0～2 2～7 7～15 >15

等级 A B C D

在国外的相关规范和我国《公路隧道养护技术规范》中，将渗漏水PH值对隧道衬砌腐蚀的影响程度定量地分为四级，判定标准如下表4所示。从实用性和使用广泛性的角度考虑，基于渗漏水值的判定标准采用表5中的判定标准。

表4 隧道衬砌腐蚀等级的判定标准

腐蚀等级 PH值对混凝土的作用

3A <4.0 水泥溶解崩溃

2A 4.1~5.0 在较短时间内表面凹凸不平

1A 5.1~4.0 表面易损坏

B 4.1~7.9 在混凝土使用初期要注意

在日本《公路隧道维持管理便览》和我国《公路隧道养护技术规范》中，对隧道渗漏水冻害指标的判定都是定性的，判定标准也基本相同，具体内容见表5。

表5 基于冻害的判定标准

判定等级 2A B

是否影响通车是否

3.3 衬砌材质劣化评价指标

（1）衬砌材质劣化评价指标的选取

衬砌材质劣化情况可以用劣化部位、衬砌强度、衬砌厚度、钢材腐蚀、衬砌混凝土碳化等指标反映。衬砌强度和衬砌厚度的变化可以直接反映衬砌材质的劣化情况。在钢筋混凝土衬砌结构中，一旦钢材的钝化膜破坏，在水和氧气的作用下，钢材就会腐蚀。随着时间的推移，最终可能导致结构的完全破坏[4]。因此，在我国《公路隧道养护技术规范》中规定，对于钢筋混凝土衬砌，考虑了钢材腐蚀。从独立性的角度考虑，未将衬砌混凝土碳化作为衬砌材质劣化的评价指标。由于在判定衬砌强度和衬砌厚度时，需要考虑劣化部位，因此，从独立性的角度考虑，未将劣化部位作为衬砌材质劣化的指标。

综合以上分析，对于衬砌材质劣化，采用衬砌强度、衬砌厚度、钢材腐蚀作为指标。

（2）衬砌材质劣化的判定标准

通过对隧道结构的现场调查可以得到隧道衬砌的实际强度和实际厚度，因此，可以直接用隧道衬砌的实际强度与设计强度之比来反映隧道衬砌断面强度的变化。隧道衬砌强度的判定标准如表6所示。

表6 隧道衬砌强度的判定标准

判定等级 2A 1A B

实际强度/设计强度 <1/2 1/2~2/3 >2/3

在我国《公路隧道养护技术规范》中，采用衬砌有效厚度与设计厚度之比作为衬砌劣化的一个方面。但实际操作还存在一定的难度。因此，用实际厚度与设计厚度之比作为衬砌厚度的判定指标，衬砌厚度指标的判定标准如表7所示。

表7 隧道衬砌厚度的判定标准

判定等级 2A 1A B

实际厚度/设计厚度 <1/2 1/2~2/3 >2/3

对于钢筋混凝土结构，可用截面损失率来表征钢筋锈蚀程度，截面损失率可采用取样检查法和裂缝观察法等方法确定。

建研院结构所的调研和试验数据表明，钢筋截面损失率与裂缝宽度等指标有下述关系[5,6]：

（0≤b＜0.2mm）

（0.2≤b＜0.4mm）

式中：—钢筋截面损失率（%）；

a—混凝土保护层厚度（mm）

—混凝土立方体强度（MPa）

d—钢筋直径（mm）

b—锈蚀裂缝宽度（mm）

根据我国《公路旧桥承载能力鉴定方法（试行）》中钢筋锈蚀等级评定标准，可以建立用截面损失率表征的钢材锈蚀判定标准如表8所示。

表8 钢筋锈蚀的判定标准

判定等级 3A 2A 1A B

截面损失率（%）＞25 10~25 3~10 0~3

3.4 衬砌背后空洞评价指标

（1）衬砌背后空洞指标的选取

由于施工工艺、施工方法、施工质量、混凝土收缩等多方面的原因，隧道衬砌背后空洞问题比较严重。当衬砌背后有空洞时，二次衬砌的受力和围岩的应力状态会发生改变，二次衬砌上边缘容易发生开裂；空洞同时也是水的通道，如果有渗漏水发生，则渗漏水会沿着空洞和裂缝进入衬砌，引起渗漏、冻害、钢筋锈蚀等病害。另一方面，围岩会失去应有的支护而松弛、变形，导致失稳、脱落，严重时会发生突发性崩塌，衬砌背后空洞可以用空洞径向尺寸深度、空洞横向尺寸、空洞纵向尺寸等指标反映。

由于衬砌背后空洞深度时，需要结合衬砌背后空洞的纵向尺寸来一起考虑，因此，从独立性的角度考虑，未将空洞纵向尺寸作为衬砌背后空洞的一个指标。根据以上分析，对于衬砌背后空洞，宜采用空洞深度作为指标。

（2）衬砌背后空洞的判定标准

根据关宝树（2004）介绍的一种衬砌背后空洞深度的判定标准和我国《公路隧道养护技术规范》的规定[7]，衬砌空洞深度的判定标准如表9所示。

表9 隧道衬砌空洞背后深度的判定标准

判定等级 3A 2A 1A B

空洞深度Lk（mm） Lk＞500 500≥Lk＞100 100≥Lk 0

注：当拱背存在高30cm以上的空洞且有效衬砌厚度小于30cm时，可判定为2A/3A级。

3.5 衬砌变形、移动和沉降评价指标

（1）衬砌变形、移动和沉降评价指标的选取

隧道横断面尺寸可用激光式横断面测量仪进行测量，它可以方便地处理测量数据、显示横断面形状并输出结果等，根据测量数据可以得到衬砌层的变形速度和变形量，变形速度可以反映衬砌横断面形状的变化过程，变形量则可以反映隧道净空的变化情况以及建筑限界是否满足要求。因此，对于衬砌变形、移动和沉降，采用衬砌层的变形速度和变形量作为评价指标。

（2）衬砌变形、移动和沉降判定标准

采用变形量与内限距(隧道内轮廓到建筑限界的距离)之比作为判定指标，建立的判定标准如表10所示，表中s表示变形量与内限距之比。

表10 衬砌变形、移动和沉降的判定标准

判定 3A 2A 1A B

s s≥3/4 3/4＞s≥1/2 1/2＞s≥1/4 1/4＞s

3.6 衬砌起层、剥落

（1）衬砌起层、剥落评价指标的选取

衬砌起层、剥落包括衬砌起层、剥落、剥离、鼓出等现象。可用敲击法测量，判断有无剥落的可能。对可能发生的起层、剥落，可以采用掉落的可能性作为评价指标。对掉落，可采用掉落区域的深度、直径作为评价指标。

（2）衬砌起层、剥落指标的判定标准

衬砌掉落可能性的判定标准如表11所示。这个标准是针对混凝土的，对于防水砂浆等材料的掉落，由于剥落层较薄，可降低一个判定等级。

表11衬砌掉落可能性的判定标准

部位掉落的可能性

有无

拱部 3A B

侧墙 2A B

衬砌起层、剥落深度和直径的判定标准，以美国隧道检查手册中的剥落判定标准为基础来确定衬砌剥落深度、直径的判定标准，如下表12和表13所示。

表12 衬砌剥落深度的判定标准

判定 D C B A

剥落的深度Lb(mm) Lb>25 25≥Lb>12 12≥Lb>6 6> Lb

表13 衬砌剥落直径的判定标准

判定 D C B A

剥落的直径D(mm) D>150 150≥D>75 75≥D>50 50> D

3.7 衬砌表观病害

衬砌表观病害包括蜂窝、麻面、析出等病害。蜂窝、麻面反映的是衬砌混凝土的外观质量和表面强度，可以通过衬砌强度反映，而且一般情况下对隧道结构的影响较小。析出对隧道结构状况的影响可以通过渗漏水反映，因此未将衬砌表观病害作为公路隧道结构状况的一个评价指标。

4. 结论

公路隧道在运营期间，影响其性态的因素很多，根据划分角度的不同，影响因素可以分为硬件(结构设施)因素和软件(管理)因素、自然因素和人为因素等[8,9]。本章主要研究公路隧道的结构性态，从隧道的常见病害和主要结构构件着手，主要考虑渗漏水病害、混凝土衬砌裂损、结构变形和外界影响因素，逐级建立公路隧道结构性态的评价指标体系。为了对公路隧道调查和检测结果进行判定和评价，也为了使指标体系中的评价指标能与评价结果相符合，需要建立各评价指标的判定标准。在给出了评价指标的判定标准后，就可以使不同结果的评价指标能与结构状况等级相对应，实现对公路隧道结构状况的评价。

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