隧道火灾后衬砌损伤评价

胡治东

摘要：本文介紹了火灾中隧道衬砌结构受损的因素及超声波检测衬砌受损的原理；并比较了模糊理论、灰色预测理论等方法应用在衬砌损伤评价中的优缺点；详细阐释了基于模糊理论的层次分析法应用在隧道衬砌损伤评价中的适用性；最后概述了可拓法评判衬砌损伤的原理。

关键词：隧道火灾，衬砌结构，损伤评估，模糊理论，层次分析法

1引言

国内外大量隧道火灾实例表明，隧道火灾扑救难度大，损失巨大，是制约隧道安全运营的关键因素。同时，隧道一旦发生火灾，除了造成人员伤亡、车辆烧损外，还会造成隧道结构的破坏，严重影响隧道日后的运营安全。因此对火灾后隧道衬砌结构的损伤程度作出及时、有效的评价显得尤为重要，对灾后衬砌的修复与加固，以及对日后的安全运营具有重要的现实意义。

2隧道火灾过程中衬砌受损因素

隧道内容易且危害较大的是油罐货车、运煤货车着火，这些类型的车辆着火后，火源燃烧持续时间长、范围大，且温度上升很快，火焰的最高温度可达到1000℃，对隧道衬砌结构损坏非常严重。火灾中隧道衬砌结构受损由两个方面作用造成：一个是火羽流直接作用在衬砌结构上，一个是通过烟羽流将热量传递到衬砌结构上。其中火羽流直接作用也分为火焰内焰与外焰作用，外焰温度高于内焰温度，因此在火羽流直接作用下，不同衬砌区域损伤程度亦不同。隧道衬砌通过烟羽流受热时比较复杂，火灾产生的烟气变化[9]可分为一下几个步骤：火羽流向上发展阶段，冲撞隧道拱顶阶段，环向扩散阶段，当径向分散的烟气碰到隧道边墙的阻碍时往纵向扩张的转变阶段，纵向蔓延阶段。

隧道火灾过程中烟气与壁面及环境之间的热交换功率公式为：

其中，α为热交换系数；Tw是隧道壁面温度；D为烟流横截面周长中与隧道壁面接触部分的长度。

3隧道衬砌损伤检测

隧道发生火灾后，衬砌的烧伤深度、剩余抗压强度、剩余抗拉强度以及结构的完整性都是检测的项目，在实际工程中，检测则需要保证隧道结构的完整性。目前，使用超声波无损伤检测技术[1]是评估火灾后隧道二次衬砌损伤程度的方法之一。超声波检测衬砌损伤程度的原理是利用超声波速与衬砌有关物力力学性能变化之间的关系来实现对衬砌结构损伤程度的检测。具体可分为几个方面来分部检测：超声波速与火灾后衬砌结构的剩余抗压强度之间的关系；超声波速与火灾后衬砌结构的剩余抗拉强度之间的关系；超声波速与火灾后衬砌结构的损伤深度之间的关系。

4隧道衬砌损伤评价

评价火灾后隧道二衬结构的损伤程度可利用衬砌结构的烧伤深度、剩余抗压强度、剩余抗拉强度、结构完整性、火灾温度场以及烧蚀时间等指标来衡量[2]。

模糊理论[3]是针对在相异温度等级和相同灼烧温度、不同灼烧时间条件下，二衬所遭受的损伤程度而进行的综合评判；GM（1，n）灰色数列预测模型是灰色动态模型GMD中最重要的基本模型[4]。灰色总体评价模型与模糊总体评价模型均是定量和定性相互结合的多要素的加权平均型总体评价模型[5]。在定性变量和主观指标的综合评判隧道火灾后衬砌损伤程度过程中，评判的模糊性更重，因此，此时采用模糊综合评判方法更恰当；在对客观指标的评判中，由于确认评价指标的各个品级之间从属关系的难度比较大，而确认认可函数相比于确定认从属函数要简单，因而采用灰色综合评判方法更为恰当。

在火灾后隧道衬砌损伤程度的模糊评判法中，评判衬砌结构损伤程度有三个因子：m1-残余抗压强度系数；m2-衬砌截面的烧伤率；l3-衬砌截面的完好率，且这三个因子的权重是确定的。而文献[7]在模糊评判方法之基础上，采用层次分析法确认各个因子的权重，假设在某温度量级和烧蚀时间条件下，衬砌结构的剩余抗压强度取Ra，取灼烧深度取d1，衬砌外观松散掉块厚度取d2，初始衬砌抗压强度取R0，初始衬砌厚度取d0，则 ，，。

在层次分析法中需要首先构造判断矩阵，为了定量决策判断，方法中把与某一层次某一因素X有关的下一层次的各因素mk（k=1，2，…，r）相互之间采取重要水平的一一对比，并采用数字的方式表现得出。

Hij=1，为两个因素mi、mk，具有相同的重要性；Hij=3，为两个因素mi、mk中，因素ui比因素uk稍微重要；Hij=5，为两个因素mi、mk中，因素ui比因素uk明显重要；Hij=7，为两个因素mi、mk中，因素ui比因素uk强烈重要；Hij=9，为两个因素mi、mk中，因素ui比因素uk极端重要。由此构造出m1，m2，m3对于衬砌损伤的判断矩阵，对其求解得到最大特征值λmax=3，进而特征对应的特征向量，即各因子的权重解得为Z=（0.6，0.2，0.2）。

对上述式子采用公式：U=V/W进行一致性对比，其中：U是判别式子随机一致性的概率；V是判别式子偏差一致性的要素，按式V=（λmax-n）/（n-1）计算得，n为因子个数；W为判别式子平均随机一致性的要素。根据上述可算得V等于0，因为U=0小于0.1，因此上式满足一致性检验。

基于可拓法的物元理论、关联函数和可拓集合论，文献[7]创建了损伤衬砌的物理模型，选取剩余抗压强度系数、衬砌截面的烧伤率以及衬砌截面的完好率作为衬砌结构损伤的评价因子，并用关联函数确定了各因子的权重，在现实工作里免除了对衬砌结构损伤评价的主观要素影响。与模糊理论、灰色预测理论以及层次法应用在衬砌结构损伤的评判方法相比，可拓法的应用更能真实的反映实际衬砌结构损伤的等级。

5结语

衬砌损伤定性变量和主观因素的总体评价中模糊性更重，利用模糊综合评价方式更恰当；层次分析法在模糊理论的基础上引入了评判因子，通过分析评判因子的权重，进行衬砌的损伤评判，更具客观性；可拓评判法建立了一个更为细致的评判流程及方法，在客观指标的评判中，可拓法评判衬砌损伤更具可靠性。几种评判衬砌损伤的方法只侧重于主观指标或客观指标，并未对主、客观指标进行综合的评判，因此建立一种适用的、可靠的综合评判火灾后隧道衬砌损伤的方法是一个亟待解决的问题。

参考文献

[1] 彭立敏，刘宝琛.隧道火灾后衬砌结构力学特性与损伤机理研究[J].中国铁道科学.2002，23（1）：136-138.

[2] 吴慧敏.结构混凝土现场测试新技术（混凝土非破损检测）[M].湖南：湖南大学出版社，1998.

[3]彭立敏.王薇，王英.隧道火灾后衬砌损伤等级的模糊评判方法探讨[J].长沙铁道学院学报.1998，16（2）：11-16.

[4] 安永林，彭立敏，杨高尚.灰色预测理论在隧道火灾后衬砌损伤中的应用[J].西部探矿工程，2006，120（4）：163-164.

[5] 李文革.试卷质量的灰色综合评判[J].数理统计与管理，1997（4），41-45.

[6] 张云良，安永林，彭立敏.隧道火灾后衬砌损伤规律的研究[J].中南公路工程，2007，32（1）：13-16.

[7] 胡隆华.隧道火灾烟气蔓延的物理特性研究[D].中国科学技术大学：2006：25-26.