隧道土建结构技术状况评定方法研究

林 志， 陈 思， 陈 相

(重庆交通大学， 重庆 400074)



隧道土建结构技术状况评定方法研究

林 志， 陈 思*， 陈 相

(重庆交通大学， 重庆 400074)

隧道土建结构技术状况直接决定其使用阶段的性能水平，为此，建立一套合理有效的评估方法显得至关重要。当前规范采用最差段落法对隧道土建结构进行评分，为改善规范采用的评分方法，提高土建结构评分的总体性，在深入分析国内外隧道土建结构技术状况评定现状的基础上，按照“普遍反映原则”和“安全原则”，提出了基于最差段落评分法的修正方法，细化了隧道土建结构分项与各指标的关系，建立了定性与定量相结合的综合评定标度，实现了规范法中技术状况值与修正法中分项各指标扣分值之间的一一对应关系，得到了一套隧道土建结构技术状况定量评价模型，并结合已有检测评估工程的数据验证了该修正法的有效性。

隧道； 土建结构技术状况； 最差段落法； 普遍反映原则； 安全原则

0 引言

相对于发达国家而言，我国公路隧道交通具有起步晚、发展快的特点。早期的隧道里程呈现跳跃式发展，导致公路隧道土建结构安全性评价工作未能妥善开展。鉴于当前国家的宏观政策以及公路隧道运营安全的重要性，结合国内外公路隧道土建结构的评价方法和评价模型，建立符合我国公路隧道实际运营状况的土建结构评定方法是当前交通安全管理的一项紧急任务。例如，JTG H12—2003《公路隧道养护技术规范》[1]对运营隧道土建结构的技术状况评定采用了定性判断的方式，缺乏定量评价与整体性评价的内容；最新颁布的JTG H12—2015《公路隧道养护技术规范》[2](以下简称2015版规范)在2003版规范的基础上提出了土建结构的定量判断模型，但依旧采用最差段落评分法。近些年开发的隧道技术状况评定系统均是在2003版或2015版规范的基础上编制的，不可避免地存在一些缺陷[3-5]。国外隧道结构技术状况的评定仅仅是对结构进行了简单的定性分级，规定了结构的检查频率及内容，并未提出清晰的土建结构评分方法。

基于2015版规范的最差段落评分法，建立了最差段落评分修正法。通过对JTG/T H21—2011《公路桥梁技术状况评定标准》[6]中的神经网络方法进行深入剖析，成功地将其数学理念应用到隧道土建结构评定中，采用模糊综合评价的方法，兼顾最差段落评分及土建结构整体评分，对公路隧道土建结构技术状况的评定展开了研究。

1 研究现状

1.1 国外研究现状

1.1.1 美国

美国FHWA和FTA共同发布了《Highway and Rail Transit Tunnel Inspection Manual》(公路和铁路交通隧道检查手册)[7]。其将隧道整体分成隧道结构、设备系统、电力系统和其他系统4个部分，并对各部分实施单独评分。在该手册中，将隧道土建结构按照10类划分，但该分级方法仅仅是对隧道总体状况的定性判断，并未提出隧道土建结构的定量评分方法。

1.1.2 德国

德国公路署R1-ZFP-TU《无损伤监测隧道内壳的规范》包括了测量方法的指导、测量结果的描述以及评定方法。德国铁路隧道设计与养护规范规定： 对隧道的所有部位及相关设备必须每3年实施1次全面检查[8]。

1.1.3 日本

日本采用健全度概念来评价隧道结构的健全程度，在此基础上形成了《铁道构造物等维持管理标准·同解说(构造物编—隧道)》和《铁路隧道维护管理便览》2本标准，但均未对隧道土建结构进行定量评价，需要检查员采用主观理解进行判定[9-10]。

1.2 国内研究现状

目前国内对隧道土建结构的评价方法研究较少，比较有代表性的是北京新桥技术发展有限公司开发的《中国公路隧道管理系统》，其对土建结构状况的评价主要采用2003版规范中的方法，将检查分为日常检查、定期检查和特别检查3类。在土建结构的评定上，引入了层次分析法，将土建结构分为8部分，并建立对应的权重表，然后分别对各部分进行S、B、A的等级判定，得到对应的得分值，最后进行模糊分类和排序。其提出的土建结构技术状况模糊分类见表1。

土建结构技术状况得分计算公式为

(1)

式中：wi为土建结构分项权重，%；Di为土建结构分项得分。

表1 土建结构技术状况模糊分类

Table 1 Fuzzy classification of technical status of tunnel construction

评价等级1类2类3类4类5类CI[93,100][80,93)[60,80)[40,60)[0,40)

1997年，台湾地区交通部门发布了《老旧交通隧道之安全检测技术手册》。在该技术手册中，将隧道土建结构按照甲、乙、丙、丁4类进行定性评价，并根据外力、材料劣化和漏水现象等方面进行评价。

另外，台湾昭凌工程顾问公司提出了隧道DERU评估法，对隧道劣化程度、劣化范围、劣化影响及维修紧迫性建立了评估标准，评分值为0～4分。DERU评估法从结构安全、洞口洞门、运营质量3个部分对各项目中的影响因素进行了5个等级的划分，DERU检测分级见表2[11]。

表2 DERU检测分级

注： 对影响程度R进行评分时主要考虑的因素有对交通的影响； 对行人及车辆安全的影响； 对结构物安全的影响。

2 2015版规范法

当前隧道土建结构技术状况评定参照的是JTG H12—2015《公路隧道养护技术规范》。2015版规范在2003版规范的基础上，将土建结构技术状况评价由原来的定性评价提升为更加准确的定量评价，并提出了土建结构技术状况评定计算方法。2015版规范采用的是最差段落评分法，即将各段各分项评分中的最差得分作为该项评分，该做法的目的是基于安全考虑，即整座隧道只要有某一断面出现病害或失稳情况，就从全隧道角度考虑其风险程度。对于隧道土建结构技术状况评定，在还未形成可被广泛接受的承载力计算及安全性评估方法的情况下，这种做法显得尤为重要。该方法采用的土建结构技术状况评分计算公式

(2)

式中：JGCI为土建结构技术状况得分，评定分类界限值见表3；n为分项数目；wi为分项权重，%，土建结构各分项权重见表4；JGCIi为分项状况得分。

分项状况得分计算公式

JGCIi=max(JGCIij)。

(3)

式中：j为检查段落号；JGCIij为各分项检查段落状况值，例如，以衬砌渗漏水检查为例，通过现场检测人员的检查，根据表5的衬砌渗漏水技术状况评定标准可知，i分项(衬砌渗漏水分项)j段落的技术状况指标评定等级为表中某一状况值。

表3 土建结构技术状况评定分类界限值

Table 3 Classification thresholds of technical status of tunnel construction

技术状况评分1类2类3类4类5类JGCI[85,100)[70,85)[55,70)[40,55)[0,40)

表4 土建结构分项权重

注： 各项目权重值是经过全国征集权重方案，并经过统计分析后确定的。此外，隧道结构各项目的权重也可根据隧道的环境条件和养护要求采用专家评分法修订。

表5 衬砌渗漏水技术状况评定标准

Table 5 Evaluation standards for technical status of tunnel water leakage

状况值JGCIi技术状况描述0无渗漏水1衬砌表面存在浸渗,对行车无影响2 衬砌拱部有滴漏,侧墙有小股涌流,路面有浸渗但无积水,拱部边墙因渗水少量挂冰,边墙角积冰,可能会影响行车安全3 拱部有涌流,侧墙有喷射水流,路面积水,沙土流出,拱部因衬砌渗水大量挂冰、胀裂,或涌水积冰至路面边缘,影响行车安全4 拱部有喷射水流,侧墙存在严重影响行车安全的涌水,地下水从检查井涌出,路面严重积水,伴有严重的沙土流出和衬砌挂冰,严重影响行车安全

3 最差段落评分修正法

3.1 修正法思路

在2015版规范隧道土建结构技术状况评定方法中对土建结构某些分项指标的划分还不够细化，且缺乏定性与定量相结合的综合评定标度。例如，在对主洞衬砌分项(结构分项)进行评定时需要考虑混凝土碳化、钢筋保护层厚度、衬砌厚度、裂缝、变形和渗漏水等(结构病害)。为了解决这种不足，建立了隧道土建结构分项各指标的关系以及定性与定量相结合的综合评定标度，而对于排水设施、标志标线及内装这些已经足够详细并很好判断的指标未进行细分。文中以衬砌分项裂缝评定标度为例说明了修正法的计算过程。

该修正法针对的是土建结构技术状况分项评分前3类的结构病害，一旦出现4类及5类病害，依然按照最差段落法进行结构评分，即修正法中的单项控制原则。根据隧道土建结构技术状况评定中的“普遍反映原则”及“安全原则”，提出了1个“普遍反映模型”，可实现评定结果既能突出危险状况、又能综合反映全隧道结构技术状况的目标。

3.2 修正方法

由于既有隧道土建结构评估方法难以评估隧道的总体状况，在吸收总结现有较为完备的公路桥梁技术状况评定方法的基础上，提出了基于最差段落评分修正法的结构分项评分方法，并制定了危险隧道控制方法。评定方法中将隧道土建结构分为洞口、洞门等6个分项，再将各个分项细分成多个定性与定量的描述指标，对排水设施、内装、交通标志、标线继续沿用现有规范中的评定标准，不再制定细分的评定标准，各分项指标见表6。洞口、洞门的分段数即洞口数量一般为2～4个，衬砌、路面、检修道和吊顶预埋件可按照隧道模板长度进行分段。

3.2.1 隧道分项各指标得分评定方法

土建结构第i类分项j指标的得分(值域为0～100)计算公式为

(4)

式中： n为第i类分项j指标出现扣分的指标种类数； U、k为引入的变量； i为分项类别，例如洞口、洞门、衬砌和路面等； j为指标类别，例如，洞口分项的评定指标类别包括山体失稳评定、边坡防护结构损坏评定及排水设施破坏评定； k为段落编号，洞口、洞门的分段数(即洞口数量)，一般为2～4个，衬砌、路面、检修道和吊顶预埋件按照隧道模板长度分段； JGCIijk为第i类分项中j类别检测指标k分段的扣分值，例如，衬砌某分段裂缝属于局部轻微开裂，测得裂缝宽度为1.2mm，则由表7的衬砌裂缝评定标度可知，指标最高等级类别为5类，该裂缝属于1类，再由表8分项各类检测指标扣分值可知，其扣分值为35分，其余段落的分项指标扣分均采取此方式。

表6 隧道土建结构各分项指标

表7 衬砌裂缝评定标度

表8 分项各类检测指标扣分值

Table 8 Deduction values of every detection index of subentries

检测指标所能达到的最高等级类别指标类别0类1类2类3类4类3类020354类02540505类0354560100

3.2.2 隧道分项评分

土建结构第i类分项的得分(值域为0～100)为

(5)

表9 t值

注： 1)n为第i类分项的段落总数； 2)表中未列出的值采用插值法计算。

3.2.3 土建结构评分

隧道土建结构得分

(6)

式中wi为分项权重，%。土建结构各分项权重见表10，鉴于2015版规范法中权重取值的合理性，修正法中的权重选取采用2015版规范法的权重，同时，修正法的结构技术状况分类表也继续沿用规范法中的界限表，即表5。

表10 土建结构各分项权重

3.2.4 单项控制原则

为了保证隧道土建结构在运营期的安全，当土建结构主要分项的某段落评分达到4类或5类且影响断面结构安全和通行安全时，可按照最差段落的技术状况评定。土建结构的5类定义、主要分项与次要分项的5类和4类定义的评定标度分别见表11和表12。

表11 隧道土建结构技术状况评定标度

表12 隧道土建结构专项检查结果

4 工程实例

选取重庆地区某隧道土建结构技术状况检查结果进行试算，将修正法得分与2015版规范法得分进行对比，对比结果如表13所示。

表13 修正法与2015规范法评定结果对比

规范法评定按照最差段落原则，对各分项仅考察最差段落得分，必然会导致隧道土建结构评定得分低于实际值。修正法在吸收《公路桥梁技术状况评定标准》的基础上，按照普遍反映原则得到隧道土建结构的修正得分，反映出土建结构总体技术状况水平。

5 结论与讨论

在2015版规范的基础上提出了隧道土建结构技术状况评定方法，兼顾“安全原则”和“普遍反映原则”，建立了基于最差段落评分修正法的隧道土建结构技术状况评定方法，使得评定结果既能突出危险状况，又能综合反映全隧道结构的技术状况。同时，建立了与2015版规范法中土建结构技术状况评分值一一对应的修正法扣分值，针对1—3类隧道土建结构提出了优化后的修正评分法，有效提高了土建结构评分值；针对4、5类结构制定了单项控制原则，实现了隧道土建结构技术状况总体评分与危险段落控制的有效结合。

今后工作的研究重点主要是对修正法中的分段原则进行进一步研究，分段越细结果必然越精确，计算也更复杂。要想将该评定方法纳入到今后的新规范中，则需在简化评估流程的基础上尽量实现分段的精细化。

[1] 公路隧道养护技术规范: JTG H12—2003[S]. 北京： 人民交通出版社, 2003. Technical specifications of maintenance for highway tunnel: JTG H12—2003[S]. Beijing: China Communications Press, 2003.

[2] 公路隧道养护技术规范: JTG H12—2015[S].北京： 人民交通出版社, 2015. Technical specifications of maintenance for highway tunnel: JTG H12—2003[S]. Beijing: China Communications Press, 2015.

[3] 中华人民共和国铁道部. 中华人民共和国铁道部铁路桥隧建筑物大修维修规则： 条文说明[M]. 北京： 中国铁道出版社, 2001. Ministry of Railways of the People’s Republic of China. Regulations of the Ministry of Railways of the People’s Republic of China on the overhaul and maintenance of railway bridge and tunnel buildings: Provisions[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2011.

[4] 铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定: 铁运函[2004]174号[S]. 北京： 中华人民共和国铁道部, 2004.

Provisional evaluation standards for lining safety of running railway tunnel: Tie Yun Han [2004] No.174 [S]. Beijing: Ministry of Railways of the People’s Republic of China, 2004.

[5] 铁路桥隧建筑物修理规则: TG/GW103—2010[S]. 北京： 中国铁道出版社, 2010. Repairing rules of railway bridges and tunnels: TG/GW103—2010[S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2010.

[6] 公路桥梁技术状况评定标准： JTG/T H21—2011[S]. 北京： 人民交通出版社, 2011. Standards for technical condition evaluation of highway bridges: JTG/T H21—2011[S]. Beijing: China Communications Press, 2011.

[7] Highway and Rail Transit Tunnel Inspection Manual[S]. Washington: [s.n.]， 2004.

[8] 罗鑫.公路隧道健康状态诊断方法及系统的研究[D]. 上海： 同济大学， 2007. LUO Xin. Study of diagnosis method and system for health condition of highway tunnel[D]. Shanghai: Tongji University, 2007.

[9] 关宝树.隧道工程维修管理要点集[M]. 北京： 人民交通出版社， 2004. GUAN Baoshu. Key points in maintenance management of tunnel engineering[M]. Beijing: China Communications Press, 2004.

[10] 关宝树. 日本铁路隧道维修养护管理技术的现状[J]. 现代隧道技术, 1993(6): 1-8. GUAN Baoshu. Present situation of maintenance and management technology of railway tunnels in Japan[J]. Modem Tunnelling Technology, 1993(6): 1-8.

[11] 赵基盛, 陈福胜.台湾地区老旧隧道安全评估及修复之现况[J]. 岩土力学, 1997，18(增刊): 128-132. ZHAO Jisheng, CHEN Fusheng. Current situation of safety assessment and repair of old tunnel in Taiwan[J]. Rock and Soil Mechanics, 1997， 18(S): 128-132.

Study of Technical Status Assessment Method for Tunnel Construction

LIN Zhi, CHEN Si*, CHEN Xiang

(ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

The technical status of the tunnel structure directly affects its performance during service stage, and the commonly used the worst subsection method can not meet relevant requirements. Thus, it is very important to establish a set of rational and effective evaluation method. In order to optimize the existing evaluation method for the technical status of tunnel structure and the integrity of evaluation values, the state-of-the-art of the technical status evaluation of the tunnel structure in China and abroad is in-depth analyzed; and then the modifying method based on the worst subsection method is proposed in accordance with “common reflection principle” and “security principle”; the relationship between subentries of tunnel construction with every index are refined; finally, a comprehensive, quantitative and qualitative evaluation method is established. By doing these, corresponding relationships between values from existing standards and deduction values from modifying method can be found, and a quantitative evaluation model for technical status of the tunnel structure is obtained. The effectiveness of the modifying method is verified by demo project.

tunnel; technical status of structure; the worst subsection method; common reflection principle; security principle

2016-09-18;

2017-02-17

重庆市杰出青年项目(cstc2014jcyjjq30001)； 重庆市开放实验室项目(2016CQJY007)； 重庆市高校创新团队建设(CXTDX201601024)

林志(1975—)，男，四川南江人，2004年毕业于同济大学，结构工程专业，博士，研究员，主要从事公路隧道与地下工程的科研、技术开发、工程设计咨询和标准规范编写等工作。E-mail: linzhi@cmhk.com。*通讯作者： 陈思， E-mail: 1154228184@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.003

U 451.2

A

1672-741X(2017)05-0537-06