漫谈矿山法隧道技术第十六讲——建立“预防管理”为主的综合维修管理体制

关宝树

(西南交通大学， 四川 成都 610031)



漫谈矿山法隧道技术第十六讲
——建立“预防管理”为主的综合维修管理体制

关宝树

(西南交通大学， 四川 成都 610031)

强调隧道维修管理的基本原则——“早期发现，预防维护”，会取得事半功倍的效果。指出为了建立预防管理体制，必须解决3个问题： 1)明确维修管理中对隧道性能的要求，建立性能管理目标； 2)确立能够获得准确情报的检查、调查方法； 3)建立模式化的隧道变异原因推定方法，确立变异基准。结合日本的经验，分别阐述了上述3个问题： 1)维修管理中对隧道性能的要求——确保能够安全通行的空间，应控制变异在结构物剩余寿命容许范围之内。2)确立能够获得准确情报的隧道检查、调查方法，目前日本隧道检查、调查方法正向着省力化、标准化、高速化和电子化等“四化”方向发展； 介绍了表面劣化、表面缺陷、内部缺陷、衬砌背后空洞、净空位移和形状变化等的调查及量测技术，例如隧道检测车、隧道衬砌连续打击监测系统、高速钻孔系统、地质雷达和3D激光扫描等设备及技术； 同时介绍了利用这些检查结果对结构物的耐久性进行诊断，决定是否采取对策及采取什么对策的系统。3)隧道变异的类型及变异强度的判定基准及判定模型。以日本石川县隧道维护管理为例，介绍其基本观点： 1)在隧道中不考虑寿命； 2)劣化预测主要是对采取对策前寿命的预测； 3)介绍预防维护管理的方法、健全度评价及对策标准。最后强调： 对我国而言，最重要的是彻底改变“重使用，轻维护”的事后管理方法和体制，建立起与“隧道大国”相适应的管理体制和方法。

隧道； 矿山法； 预防管理； 维修管理； 隧道性能； 变异； 调查； 判定基准

0 引言

目前高速铁路修建了大量的隧道工程应该接受既有隧道的修建经验，认真总结已运营隧道中存在的问题，从设计开始就应把隧道的维修管理问题考虑在内，确立“最低限度维修”或“少维修”的设计原则，在施工中切实做到“技术到位”不留下潜在的缺陷，在运营中建立“预防管理”的维修管理体制。本文重点说明“预防管理”中的一些问题。

这里所谓的“预防管理”，就是以预防为主的管理体制。以前的隧道维修管理，几乎都是采取事后对策，即事故发生后或变异发生后才采取对策进行管理的方法。以预防为主的维修管理体制，就是一边进行检查，一边针对可能发生的变异进行及时维护，预防变异发生的管理体制。隧道维修管理的一个基本原则就是： 早期发现、预防维护，这会取得“事半功倍”的效果。但在隧道这样黑暗、潮湿的环境条件下，早期发现隧道变异是极为困难的。

1)早期发现。隧道变异的发生一般都是有前兆的，早期发现这些前兆，并做出正确的判定，及时处理可能发生的变异，是当前各国进行隧道维修管理的基本前提，这一点对我国隧道维修管理具有重要的意义。早期发现—正确诊断—推定变异发生的原因应该成为我国进行隧道维修管理的重要内容。

2)预防管理。包括2个方面： ①判断如果不进行处理可能发生变异的情况； ②变异已经发生的情况。对于前者，应立即采取预防变异发生的维护对策防止其发生； 对于后者，应毫不迟疑地采取对策进行处理，拖延处理只会使变异继续发展，最后可能导致隧道各种事故的发生。实践证明： 出现了变异，就要及时处理，会收到事半功倍的效果。隧道是修筑在地下的线状结构物，也是以隐蔽工程为特点的结构物，周边围岩动态及环境条件十分复杂，即使进行了详细的调查，有时也很难充分掌握隧道的变异状态。当变异有发展趋势或在变异发生的初期阶段，只要采取一些简单的措施就可解决问题，但如果变异在发展过程中，就必须采取强有力的措施了。

为了建立预防管理体制，必须从根本上解决以下3个问题： 1)明确维修管理中隧道性能的要求，建立性能管理目标； 2)确立能够获得准确情报的检查、调查方法； 3)建立模式化的隧道变异原因推定方法，确立变异基准。

1 维修管理中对隧道的性能要求

近年来，以国际化为背景，基于性能规定的设计体系化得到很大发展，其中维修管理阶段的综合型管理方法也在开展之中。以下说明针对隧道结构物长寿命化进行的性能核查型管理方法在隧道中的应用情况。

隧道维修管理的目标和功能见表1。目标主要有2点： 1)确保能够安全通行的空间，即使发生变异也要保证结构的稳定性和不发生危害使用者安全的事态； 2)应控制变异在结构物剩余寿命容许范围之内。

表1 隧道结构物的目标和功能

为了能够进行精细化的预防管理，日本把基本性能与施工方法联系在一起，对矿山法隧道的性能进行了进一步细化，结果见表2。这种细化实质上也是对隧道设计、施工和维修管理的基本要求。

2 检查、调查方法的确立

进行维修管理必须以运营中获得的“情报”为基础。因此，需要什么样的情报、如何获取和利用这些情报、并把它反馈到隧道维修计划中是非常重要的。我国与国外其他国家在维修管理方面的差距，主要表现在这方面。日本在铁路隧道维修管理中规定的调查项目和方法见表3。

一般来说，过去都是利用高空作业车用人力目视或锤击的方法进行的隧道检查，虽然实用，但效率低、情报质量差，特别是难以获得衬砌背后围岩状况的情报。因此，目前在一些国家，特别是隧道比较多的日本，隧道维修管理的检查、调查方法正向着四化(省力化、标准化、高速化、电子化)方向发展。即： 1)在黑暗、潮湿的环境中减轻作业强度和提高安全性的技术(省力化)； 2)降低因检查人员能力差而引起检查精度离散的技术(标准化)； 3)迅速恢复运营限制的技术(高速化)； 4)提高调查情报共享、保存效率的技术(电子化)。我国也正在着力解决以上问题，但力度不足。

表2 细化后隧道的基本性能(矿山法、公路)[1]

表3 铁路隧道的变异调查项目和方法[2]

2.1 表面劣化的调查技术

一般来说，调查表面劣化状况可采用目视素描、表面摄影等方法。最近几年通过连续对衬砌表面进行摄影，并用画像处理方法提炼出变异展开图的技术已经得到广泛应用。测定方法已经从过去的激光方法发展到现在的数码相机方法。激光测定是把激光光线照射到隧道壁面，利用其反射光的强弱，获得捕捉衬砌表面状况的画像，可在比较暗的条件下摄影。而数码相机是采用输入相机光学系统(CCD)电子画像的方法进行摄影的，摄影时一般需要照明； 此技术是把量测器和微机等数据处理装置搭载在专用检测车上，这在铁路隧道、公路隧道和水工隧道等工程中都已经得到应用。图1示出日本公路隧道采用的检测车，图2示出日本铁路隧道采用的检测车。获得的衬砌展开图是掌握隧道衬砌表面状况和评价健全度的基本情报，过去都是由观察者从远处观察衬砌表面或者靠近相关部位目视观察绘制的。从衬砌表面摄影方法(表4为一实例)获得的衬砌展开图见图3。

图1 激光法检测车(公路隧道)

图2 摄像法隧道检测车(铁路隧道)

测定概况规格和特性车辆 质量4000kg，全长6．9m、全宽2．2m、高度3．2m激光类型 激光束，最大输出4W适用对象 顶高5m以上的各种隧道量测精度 开裂宽度的量测精度在0．5mm以上量测速度最大60km/h量测条件 因在洞口附近和照明灯附近光量变化显著，为获得良好的画像，选择在夜间关闭车道侧的照明进行测定特征 因为采用激光反射波，与衬砌表面污染程度无关，能够检测出开裂

图3 衬砌状况图

2.2 表面近旁缺陷调查技术

针对衬砌混凝土劣化、材料不均质等引起的浮动、剥离和剥落等，近年无损检测技术开始应用到隧道检查中。表5是各种无损检测技术的概况。其中远红外线法曾用于铁路全线隧道的检查。此外，探查技术的机械化、自动化研究也取得了一定进展，从作业效率和成本方面看，也开始进入调查衬砌内部状态阶段。

表5 检测衬砌浮动、剥离和剥落等技术概要

调查衬砌表面存在的缺陷(浮动、剥离、剥落等)时，一般采用锤击衬砌表面的方法，以其音色推定内部是否存在缺陷。以隧道为对象开发的装置主要有热红外线法和打击声法。热红外线法是测定从隧道衬砌放出的红外线量来检测内部缺陷，在不能利用太阳辐射热的隧道中应用较少。但最近开发出强制地给混凝土热负荷、利用健全部位和缺陷部位产生的温度差推定内部缺陷的方法，见图4。用加热装置对壁面加热，壁面冷却时，因为健全部分向隧道衬砌背后的热传导性好，衬砌表面温度会急剧下降； 而剥离部分有一层薄的空气层，遮挡了向衬砌背后的热传导，衬砌表面温度降低要慢一些。此健全部分和缺陷部分可用红外相机检测，以判断有无剥离。

图4 搭载红外相机的隧道检测车

采用打击声法的隧道检查装置各式各样，图5示出隧道衬砌连续打击监测系统。但无论哪一类都是用冲击输入装置使内部产生弹性波，而后用表面麦克风的声音测定其表面振动从而推定其内部缺陷。这种方法近些年发展极为迅速，精度和量测速度都有显著提高，但还需在其实用性上下功夫。

图5 隧道衬砌连续打击监测系统

2.3 内部缺陷、衬砌背后空洞调查技术

在衬砌深层内部的缺陷及背后空洞状况的调查中，一般多采用雷达法。雷达法是利用向混凝土输入电磁波的反射特性来推定内部缺陷、衬砌厚度和衬砌宽度变化位置的方法。在公路、水路等工程中开发的隧道专用测定车已经投入使用； 但量测结果的判识需要高度的专业知识水平，在有铁构件和水存在的场合，测定比较困难，在实用上还有一些不足。最近，又开发出在混凝土衬砌上高速钻孔调查衬砌、空洞和围岩的方法(见图6)，可以与雷达法配合，提高检测准确性。

图6 高速钻孔系统

图7为利用电磁波频率为400～800 MHz的地质雷达探查隧道衬砌厚度和背后空洞的结果实例。地质雷达探查，一般沿隧道纵向设置3～4条测线进行，能够检测出衬砌厚度不足、衬砌背后大规模的空洞等。在围岩表面凹凸不平的场合，测得的空洞误差比较大，因此与钻孔并用确认实际的空洞大小可以提高探查的精度。

2.4 净空位移、形状量测技术

近年主要采用光波测距仪和激光距离计进行洞内净空位移量测。前者能够进行任意测线的测定，后者的精度比前者高。但从设置和维持成本，后者适用于紧急性高、期间限定的特定区间进行自动量测的场合。3D激光素描技术是从隧道洞内用激光照射隧道全周、掌握三维衬砌形状的装置。在因滑坡等引起的隧道衬砌产生三维位移的场合和变形比较大的场合能够确认隧道的变形状况，图8是一个实例。

(a) 衬砌诊断车外观

(b) 衬砌厚度及背后空洞分布图

(c) 衬砌裂缝、层厚和背后空洞图

图8 3D激光素描技术测定的隧道形状实例

2.5 诊断技术

基于上述的检查及调查结果，邀请有经验的技术人员和专家对结构物的耐久性进行诊断，决定是否采取对策，这是一般的做法。近年通过把检查结果数据库化建立了能够代替熟练技术人员的专家系统，即利用解析技术支援诊断、判定的系统，图9是其中一例。

3 隧道变异的判定

3.1 隧道变异的类型、原因、特征及监测

隧道变异和变异的原因是多种多样的，而且多数是不确定的，很难做出明确的判断。因此可根据经验和数据库的模型判断和推定变异的原因。

图9 水工隧洞管理支援系统

3.1.1 隧道变异的类型

一般，把隧道变异分为构造变异和影响第三者的变异2大类。其中构造变异是指受到外力影响，随着开裂而造成结构体的变形、下沉等。此外，材料劣化、施工不良等引起的局部浮离、剥落和剥离等是影响通行者、司机等第三者的变异。

3.1.2 隧道变异的原因

从变异和变异原因的关系来看，多数变异与材料劣化、漏水、施工不良有关，而真正与地压有关的并不多。因此，设计施工中应在材料选定、防止漏水和提高施工质量上下功夫。

3.1.3 隧道变异的特征及监测

构造变异的特征是： 构造变异发生前，可以对变形进行监控，可以进行预测。而影响第三者的变异，几乎都是突然发生的，监控和预测都很困难。因此，对构造变异要求充分利用量测技术进行监测； 而对影响第三者变异，要利用画像处理技术，定期调查开裂情况，察知突发的剥落，或在施工缝处用简便的方法进行预防维护。构造变异示意图见图10。

图10 构造变异示意图

总的来说，构造变异的特征为： 1)可以模拟； 2)可以预测； 3)事前有变形发生； 4)利用量测技术进行监测。影响第三者变异的特征为： 1)模拟困难； 2)预测困难； 3)变异发生较突然； 4)利用画像处理技术进行监测。开裂是能够从衬砌观察到的现象之一，以开裂判断隧道变异原因的模型见图11。把实际的开裂状况与图11对照，就能够推定衬砌的健全度和引起变异的外力的状态。

3.2 隧道变异程度判定

3.2.1 判定基准

在推定变异程度时，需要明确一些判定基准，以下是日本采用的一些基准。

3.2.1.1 变异程度

变异程度中的“大压溃、特大开裂、大开裂、中开裂”的标准如下：

1)大压溃，裂缝的长度≥3 m；

2)开裂，依据裂缝长度和宽度的开裂评价标准见图12。

图11 衬砌开裂的模型图

图12 依据裂缝宽度和长度的开裂评价标准

3.2.1.2 变异的发展性

用隧道净空位移速度(u/t)评价变异发展性的标准如下：

1)发展性非常大，12 mm/年≤u/t或2 mm/月≤u/t；

2)发展性大，3 mm/年≤u/t<12 mm/年；

3)发展性小，1 mm/年≤u/t<3 mm/年。

3.2.1.3 结构缺陷的评价标准

1)厚度不足(模筑混凝土)。存在衬砌材料劣化和厚度不足等初期缺陷时，衬砌承载力会降低，根据缺陷程度不同，衬砌的承载力变化很大，可根据有效厚度对判定结果进行修正，见表6。

表6 按有效厚度对结构健全度等级进行修正

注： 有效厚度率r=有效厚度ts/施工时的设计厚度； 有效厚度ts为抗压强度15MPa以上部分衬砌的厚度。

2)错缝(砌体衬砌)。砖和混凝土砌块等的错缝，会降低衬砌的承载力，要对拱部错缝有可能出现的掉块等加以注意。应根据表7的标准，对其评定结果进行修正。

表7 砌体衬砌错缝的修正

3.2.2 变异的判定

过去对隧道变异的判定，多数是定性的。近几年对变异定量化判定的研究有了一定的发展。例如： 目前日本采用位移速度、最大开裂宽度、纵向开裂长度、开裂密度、错缝、剥离和漏水喷出共7个指标(分别用A、B、C、D、E、F和G表示)对变异定量化进行了研究，取得了一定的成果，现仅举例说明。

首先由专家采用一对一方法比较哪一个项目对隧道的影响大，比较结果见表8。用此方法，可获得一对一比较的结果，见表9。

表8 一对一比较值

表9 权值计算过程及计算结果

用此隧道检查方法、健全度评价卡求出的点数被定义为DI(deterioration index： 劣化度数)值。点数越大，劣化越在发展。为此，若能在DI值和健全度等级之间建立一定的关系，任何人都能正确地进行变异(健全度)判定。

4 日本石川县隧道维护管理实例

4.1 基本观点

4.1.1 在隧道中，不考虑寿命

对隧道性能的要求，是确保车辆能够安全通行的空间。不满足的情况，多数是围岩挤入、侵入净空断面的状态和拱顶崩塌的状态。衬砌混凝土剥落等是能够补修的，并不是寿命终止的状态。隧道与桥梁等不同，是基本上不考虑更换的结构物。因此，只考虑进行适当的维修管理就能够继续永久使用，其使用年限是永久的，是不考虑寿命的结构物。

4.1.2 劣化预测方法——对策前剩余寿命预测

如前所述，隧道劣化与桥梁等不同，不是在通行车辆荷载作用下发展的，所以，用计算和解析进行劣化预测是很困难的。同时，到目前为止尽管进行定期的检查，也没有充足的数据推定隧道的劣化发展，在现阶段设定劣化曲线也是不可能的。因此，到目前为止可以以专家设定何时采取对策的判断基准的方法，来决定需要采取对策的时期和预测采取对策前剩余的寿命。

4.2 预防管理方法

石川县管理的80座隧道(2005年4月1日现状)，按以下原则进行隧道的预防管理：

1)以每1浇筑环节为最小单位；

2)根据检查结果，构建可能进行健全度评价的系统；

3)对外力产生的变异，个别处理；

4)求出今后120年间对策的费用。

在预防管理中，把检查置于最重要的位置，应以最短的时间间隔，进行定期检查，捕捉变异和劣化的征兆，规划对策时期和对策方法，在最适合的阶段加以实施。检查间隔对旧隧道(30年以上)来说每2年进行1次，新隧道每5年进行1次，检查结果记入检查卡。石川县采用的检查卡见图13。

检查卡的项目是供隧道专家进行健全度判定时，赋以权值的，在检查中合计权值的点数求出隧道健全度指数THI(tunnel health index)。石川县隧道的健全度等级划分见表10。

图13 石川县隧道检查卡

健全度THI值对策前剩余寿命状态、定义 对应不良地质其他1小于201年以内立即采取对策220～403年以内及早采取对策进行调查设计、实施对策340～6012年以内进行重点监视，必要时有计划地采取对策460～8060年以内以后采取对策580以上无变异，即使有，也没有影响实施调查监视量测定期检查定期检查定期检查定期检查定期检查

5 结语

毋容置疑，预防管理是确保和延长隧道结构物寿命的最佳方法。尤其是日本石川县隧道维护管理案例中提出的观点： “只考虑进行适当的维修管理就能够继续永久使用，其使用年限是永久的，是不考虑寿命的结构物。”如果这种观点成立，预防管理的重要性是不言而喻的。目前对我们来说，最重要的是： 彻底改变“重使用、轻维护”的事后管理方法和体制，建立起与“隧道大国”相适应的管理体制和方法。

[1] 日本土木学会. 性能規定に基づくトンネルの設計とマネジメント[S].东京： 日本土木学会，2009. (Japan Society of Civil Engineering. Design and management of tunnel based on performance regulation[S]. Tokyo: Japan Society of Civil Engineering, 2009. (in Japanese))

[2] 日本土木学会. トンネルの维持管理[S].东京： 日本土木学会，2005. (Japan Society of Civil Engineering. Maintenance and management of tunnel[S]. Tokyo: Japan Society of Civil Engineering, 2005. (in Japanese))

Tunneling by Mining Method: Lecture ⅩⅥ: Establishment of“Preventive Management” Predominated Comprehensive TunnelMaintaining and Management System

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The tunnel maintaining and management basic principle of early discovery and preventive maintaining, which can achieve good results with less work, is emphasized. In order to establish the preventive management system, 3 issues, i.e. requirements for tunnel functions and tunnel function management target establishment, checking and investigation methods for accurate information and determination of modeled tunnel variation causes and standards. Based on the experience of tunnel maintaining and management in Japan, the above-mentioned 3 issues are introduced as follows: 1) For requirements for tunnel functions, safe transit should be guaranteed and the variation should be controlled within the service life of tunnel structures. 2) For checking and investigation methods for accurate information, the developing directions of checking and investigation methods for accurate information are less labor, standardization, high speed and electronization; the investigation and measuring methods, i.e. tunnel measuring trolley, monitoring system, high-speed borehole drilling system, ground penetrating radar and 3D laser scanning device, for tunnel surface degradation, surface defect, internal defect, hollows behind lining, clearance displacement and deformation are introduced. The checking results are regarded as estimation of structure durability. 3) For determination standards and models of tunnel variation types and variation strength, the basic views of unconsideration of tunnel service life, service life prediction before carrying out treatments and methods, integrity estimation and countermeasures for preventive management, are introduced. It is emphasized that the tunnel maintaining and management methods and system in China should be removed; and a new type of tunnel maintaining and management system for China should be developed.

tunnel; mining method; preventive management; maintaining management; tunnel function; variation; investigation; judge standard

2015-08-10

关宝树(1932—)，男，辽宁人，西南交通大学教授，博士生导师，从事隧道及地下工程教学和科研50余年，隧道与地下工程资深专家。E-mail: guanbaoshu@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.002

U 455.1

A

1672-741X(2017)03-0264-11