既有隧道土建结构病害评价理论与方法桥梁与隧道工程大学论文Word文档下载推荐.docx
《既有隧道土建结构病害评价理论与方法桥梁与隧道工程大学论文Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《既有隧道土建结构病害评价理论与方法桥梁与隧道工程大学论文Word文档下载推荐.docx（33页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
我国现阶段大量隧道工程进入运营阶段，相比修建成本，隧道的养护成本也逐年增高，毫无疑问，隧道工程的养护工作重要性正在增加；
相比日本、美国等发达国家，我国的隧道养护工作有较大落后，隧道养护水平、方法都急需提升。
土建结构是隧道养护工作的重点，本文依据大量的文献资料，总结了隧道土建结构检测评价标准和方法，对未来隧道检测评价发展方向提出了展望。
再从隧道土建结构评价指标选取、评价权重确立到最终评价系统的建立等核心层面，分析了各层面构建方法，提出了相关原则与建议。
Abstract:
Atpresent,alargenumberoftunnelsinChinahasenteringthestageofoperation.Comparedtoconstructioncost,maintenancecostofthetunnelisincreasingyearbyyear.thereisnodoubtthatthemaintenanceworkisincreasingtheimportanceofthetunnelengineering.Inaddition,comparedtothedevelopedcountriessuchasUSAandJapan,thetunnelmaintenanceworkinourcountryisbackward.Tunnelmaintenancelevelandmethodsareinurgentneedofimprovement.Civilstructureisthekeypointoftunnelmaintenance.Basedonalargenumberofliterature,thispapersummarizestheevaluationstandardsandmethodsoftunnelcivilconstructionandputsforwardtheprospectofthefuturedevelopmentdirectionoftunnelinspectionandevaluation.Againfromthetunnelconstructionevaluationofthecorelevel,suchastheselectionofindices,theestablishmentofweightsandfinalevaluationsystem,allaspectsoftheconstructionmethodsareanalyzedandtherelevantprinciplesandrecommendationsareproposed.
关键词
隧道土建结构；
量化评价；
评价指标体系；
指标权重；
层次分析法
KeyWords
Civilstructureoftunnel;
Quantitativeevaluation;
Evaluationindexsystem;
Indexweight;
Analytichierarchyprocess
目录
引言1
1隧道土建结构检测评价标准1
1.1隧道土建结构评价理论1
1.2隧道土建结构评价技术标准及其发展2
1.2.1公路隧道标准2
1.2.2铁路隧道标准3
1.2.3地铁隧道4
1.2.4国外隧道土建结构检测评价标准4
1.3公路隧道检测标准化6
2隧道土建结构检测评价方法的发展7
2.1公路隧道方面7
2.2铁路隧道方面10
2.3地铁盾构隧道11
3建立隧道土建结构检测评价系统13
3.1评价指标体系的建立13
3.2评价指标分项权重的确定18
3.3整体技术状况的确定19
4隧道土建结构检测评价方法新趋势20
结语22
参考文献22
引言
我国不仅是在建隧道工程最多的国家，也是建成通车数量最多的国家，这意味着我国综合实力正在逐步提升，基础工程事业也在飞速发展。
某些意义上可认为我国已经成为隧道强国，但另一方面，我们对于既有隧道的维护、管理及运营上并非是走在世界前列，相反，我们在这些方面远落后于欧美及日本；
此外，隧道建成以后，其担负的意义不单单是一个区域的交通命脉，更重要的是作为战备资源，因此，提高隧道工程的管理维护水平，科学合理的制定隧道检测维护计划是隧道工程更为长远的意义。
隧道工程处在岩土体之中，其病害原因广泛且复杂，常常难以从根本上进行分析与治理，现阶段只能在检测养护上下功夫，而现今国内的隧道检测现状是标准化程度还远远不够，标准执行效果也不理想，各行业检测水平发展程度不平衡，检测机械化及信息化水平极低甚至刚刚起步等，这些现状反过来又抑制了隧道健康状态评价方法的研究、制约着隧道运营水平的提升[1]。
因此，有必要对前人的经验进行总结，并提出今后发展的方向，推动隧道检测评价理论的发展和技术的完善。
土建结构是指隧道内的各类土木建筑工程结构物，如衬砌、洞口及路面等，是隧道检测评定的主要对象[2]。
本文总结了国内外隧道工程土建结构病害检测理论与方法，分析了其发展趋势，对其检测评级理论提出了相关建议，并对相关领域未来的发展做出了展望。
1隧道土建结构检测评价标准
1.1隧道土建结构评价理论
隧道土建结构的安全状态评价涉及各种因素的相互影响，因此其评价是基于病害数据的综合评价。
隧道土建结构评价方法涉及到诊断项目的选取与分级，诊断指标的评价方法与量化分级，诊断系统的建立，诊断项目权重的划分以及诊断计算理论的建立等内容，各部分形式分散但又必须保证体系的紧密连贯性，因此评价方法的选取与制定格外重要。
隧道综合评价的常用理论方法有层次分析法、模糊数学理论、人工神经网络法、灰色理论法和专家评估法等。
其中使用最广泛的是层次分析法（AnalytiealHierarehyProeess,简称AHP法），其通过分解问题构成递阶层次结构，再据各层判断形成判断矩阵，再进行计算得出层次总排序，最终通过排序结果分析和解决问题。
通过上述理论的综合使用，可以较为合理的制定出一套针对隧道检测的评估方法[3][4]。
1.2隧道土建结构评价技术标准及其发展
标准是科学、技术和实践经验的总结，隧道管理维护应该大力倡导标准化活动，标准化可以解决目前隧道管理维护的大部分问题，同时提高管理维护效率，进而保障隧道设施和运营安全。
但目前我国的现状并不乐观，由于地区差异、行业差异、管理体制差异、技术水平差异、工作手段差异以及人财物的资源差异，使得执行规范的效果、程度存在较大差异，并也导致了养护技术水平参差不齐，养护质量难以保证[1]。
比如在电力隧道土建结构检测领域，几乎没有比较通用的标准或规范，多参考公路隧道相关检测规范，这便从检测工作的源头上不合理，就更无法保证标准化的实施。
1.2.1公路隧道标准
在公路隧道方面，相比道路与桥梁的规范，隧道规范起步较晚，在2003年以前，我国并没有用于隧道养护的规范，仅仅在1996年发布的《公路养护技术规范》（JTJ073-96）中的隧道章节给出了部分隧道养护的内容，2003年我国发布第一本公路隧道规范《公路隧道养护技术规范》（JTGH12-2003）[5]，其给出了公路隧道清洁维护、结构检查、保养维修和病害处置的方法，也确定了公路隧道土建结构检测的定性判定方法和评定等级标准，对于土建结构具体检查内容，该规范以结构构件为指标层，也给出了一定的定量指标，但对于机电设施和其他设施的技术状态评价，其未给出较为系统详细评定体系与方法[6]。
2015年为了与道路和桥梁体系新规范相适应，同时也因我国大量新建隧道投入运营后积累了许多新经验，我国发布了第二本公路隧道规范《公路隧道养护技术规范》（JTGH12-2015），与03版规范的区别在于提出隧道养护等级分级方法、公路隧道技术状况评定方法和技术管理章节等，还特别地补充了关于隧道维修相关建议。
该规范再次强调公路隧道技术状况评定是基于土建、机电和其他工程设施的总体技术评定，明确了机电和其他设施在隧道检测中的地位[2]。
在养护体制上，公路隧道养护部门归属于各个高速公路管理处，管理处对于隧道检测采取统一的招投标方式，检测公司可以相对公平的参与竞争，这种方式也是当前较有利于隧道运营管理的养护体制。
因此总体来说，公路隧道标准较为完善具体，管理体制也正在不断进步。
1.2.2铁路隧道标准
在铁路隧道方面，关宝树总结了国内外关于隧道维修管理方面的大量文献，提出了针对隧道结构评价判定的思路和方向[7]。
铁路隧道方面相关的标准或规范主要有《铁路桥隧建筑物劣化评定标准隧道》（TB/T2820.1-1997）、《铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定》（铁运函[2004]174号）和《铁路桥隧建筑物修理规则》（TG/GW103-2010），其中，由关宝树主编的《铁路桥隧建筑物劣化评定标准隧道》（TB/T2820.1-1997），以衬砌病害作为评价指标，将其分为衬砌结构漏水、衬砌结构裂损、衬砌冻害和衬砌材料劣化四个分指标，如图1.1的评分图所示；
对于每个分指标进行定性劣化等级评定，劣化等级分为A、B、C、D四级，其中A又分为AA与A1，其中AA为劣化极严重的情况。
图1.1铁路隧道衬砌结构评价方法结构图
《铁路桥隧建筑物劣化评定标准隧道》（TB/T2820.1-1997）较为详细的提出了铁路隧道衬砌健康状态的评价方法；
但是当前阶段适用性已经降低。
一方面铁路隧道特别是高铁隧道技术标准更高，修建成本与难度也已经提高，不同区域的隧道与当地具体情况息息相关，因此其评价原则已经改变，评价方式也更加多样化了。
另一方面，该规范是定量基础上的评价，诊断指标也较为单一，评价体系与计算方法较为简易，已经满足不了铁路隧道现行技术要求。
在铁路隧道方面专门用于养护的技术规范还未发布，但这与我国现阶段铁路行业的发展是不相符的，铁路隧道检测及维护工作往往都是由铁路局下辖的铁路管养单位负责，即“管、养、运”一体化，这可能会有碍养护技术创新和提高，另现阶段多为天窗期人力加机械的检测维护方式，这种养护方式还避免不了检测人员大体量工作量。
另一方面，随着高速铁路发展，对于高速铁路隧道的标准提出了更高的要求，而我国的高铁隧道往往都刚刚投入运营，配套的养护标准、经验不足会在今后引起一系列问题。
1.2.3地铁隧道
国内地铁隧道养护标准或规范还较少，且多为地方规程或标准，比如北京市地方标准《城市轨道交通设施养护维修技术规范》（DB11/T718-2010）[9]，该地方标准的区间隧道章节内提出了定期检查、专项检查和技术评定等内容。
定期检查分为主体结构、附属结构、排水设施和附属平台，主体结构简单的分为衬砌裂缝、衬砌渗漏水、变形缝相关病害和衬砌混凝土劣化病害，而评定标准又从裂损劣化、渗漏水和材料劣化三个方面来评定为一至五共五个等级，并结合了病害和构件来进行综合定性、定量评定。
由于现阶段我国地铁隧道运营经验已较为丰富，很多城市都已经开通地铁，而标准的区域化将严重阻碍地铁隧道运营养护技术的发展，因此，2016年1月，由同济大学和广州地铁设计研究院有限公司主编的《城市轨道交通隧道结构养护技术规范》（征求意见稿）发布，该规范的检查方式分为初始、日常、定期、特殊、专项和处置后检查，并且对于不同隧道施工工法上的检测养护也作了区分，分为明挖、矿山和盾构三种工法，在评级方式上也是采用构件和病害相结合定性地将隧道等级分为健康度1~4级，其中1级最好。
该规范采用了较为合理的隧道评价方法，各个分系统联系紧密，整个评价系统也较为完善，是适合作出推广的。
1.2.4国外隧道土建结构检测评价标准
国外发达国家在隧道养护标准化的历程上多积累了丰富的经验，特别是日本、美国、德国等发达国家。
日本采用“健全度”的概念来评价隧道，对应公路隧道其规范为《道路隧道维护管理便览》，《便览》分为检查阶段和调查阶段，两阶段评级方式不一样，检查阶段评级分为A、B、S三级，其检查的项目为7项构件，即衬砌、洞门、内装饰板、顶板排水设备、铺设路面、其他，并分为日常、定期、临时和异常检查，如图1.2所示。
对铁路隧道，其规范为《铁道构造物等维持管理标准▪同解说》，《同解说》分为总体检查和个别检查，评级为A（AA、A1、A2）、B、C、S四级[7]。
日本隧道评价规范是在实践基础上编制的，其适用性较强，也有一定的研究价值。
图1.2日本隧道评级结构图
美国《公路和铁路交通隧道检查手册》将隧道分为隧道结构、设备系统、电力系统和其他系统，隧道结构又分为衬砌、路基、内装、排水系统和其他五个指标，每个指标分为0~9共10个等级，其中0级最好[6]，如图1.3所示。
美国的隧道评价规范便综合考虑包括隧道土建结构、机电设施还有其他相关的设施，这种评价方法更有利于隧道运营与管理，能给业主带来管理上的便利。
图1.3美国隧道评级结构图
德国在隧道检测养护标准的制定以及隧道检测机械化上都走在前列，其《人工建筑物的监控和检查规范》中对铁路隧道检测做了详细规定，包括检测频率、方式及内容，德国联邦铁路局还自配隧道检测车，对于检测所得数据，有专门的定性评定和维修管理程序[3]。
此外，我国台湾昭凌公司将将用于桥梁的DERU检测评估法引进到隧道上，制定了基于目视检测的隧道快速检测评估方法，该方法评价内容全面，现场评级效率也较高，内业内容较少，适合于震后隧道的快速检测与加固。
1.3公路隧道检测标准化
由于现阶段公路隧道养护技术体系已较为成熟，养护标准已较为完善，公路隧道养护管理方面也积攒了较多经验，所以在标准化工作上，公路隧道行业的经验值得参考与借鉴。
招商局重庆交通科研设计院有限公司的丁浩[1]在总结国外公路隧道养护经验后得到启示，认为标准不应该仅仅限于“技术标准”，若从全面性、合理性来看待标准的话，还应包括“管理标准”、“工作标准”等。
具体来说，他认为应该借鉴国外的隧道养护综合标准体系，考虑体制方面、检测方面、评估方面和管理方面都要逐步改进，主要的改进内容如表1.1：
表1.1标准化改进内容
序号
改进项目
改进内容
1
体制方面
“管理、养护、运营”分离
2
检测方面
机械化、快速化
3
评估方面
更加定量化
4
管理方面
信息化、智能化、电子化的全行业的养护信息管理系统
丁浩还认为，信息标准化贯穿整个养护体系是核心，指导整个流程的作业标准化是基础，而对于具体的实施环节，即检测标准化、评价标准化和管理标准化是关键。
每一个环节都有具体的意义与地位，比如信息标准化，丁浩的调研结果表明，现阶段的国内公路隧道养护单位都能做到养护数据记录、存储和数据库储存，但是也都停留在这个阶段，这些数据仅作为“电子台账”，没有用来做历史数据对比，即在数据“实质”标准化上的技术水平还较落后。
这就说明检测与评级还没有在隧道养护工作中充分发挥作用，检测评价的单位提供的检测报告利用率较低，因此，从这一方面考虑的话，怎样合理高效评价隧道的健康状态并提交给业主真实可靠的检测资料，怎样编制大信息量的检测结果并体现出业主所关心的问题，是检测评价单位应该仔细考虑的问题。
总体来说，我国隧道养护技术水平还较低，养护体系、标准的制定也不够全面，养护技术普及程度也差异很大，实际的检测养护工作中遇到方方面面的标准不涉及内容，这都需要不断改进与加强。
另一方面，我国特殊的国情也不容忽视，相比发达国家，我们在隧道养护标准化的道路上将会有多、更复杂的问题，这要求我国养护体系标准化的工作要制定详细的步骤与阶段，即在每一个阶段的国情背景下，弄清楚什么阶段该解决什么问题，以便更加合理的完成我国隧道养护体系的制定与标准化工作。
2隧道土建结构检测评价方法的发展
隧道检测评价的发展是一个长期的过程，过去的隧道检测多基于传统人工方法，往往没有具体的评级方法，当检测人员发现病害后，依据病害严重程度判断治理紧急性和治理方法；
后来，人们发现常规隧道检测已经不能对隧道土建结构安全性能作出可靠的结论，隧道土建结构病害会严重影响交通，于是编制了评价方法，引入一些合理的理论来作为评价依据，并基本形成了观察、诊断、下药和评估治理效果的隧道养护模式。
到上世纪80年代后，一方面多次大的隧道病害影响行车的事故，让人们更加重视隧道土建结构评价工作，另一方面大量建成隧道投入运营，隧道养护成本逐年增高也让大量专家学者开始研究隧道结构病害成因及健康性评级方法，这阶段发达国家的隧道检测评价工作均已基本标准化，也对于不同类型的隧道做出了区别，同时意识到隧道安全性能评价不单单是对于土建结构的的评价，还应该包括机电、管理等其他方面的评价。
近些年来，既有隧道数目基数越来越大，另外还有大批的在建或将建的隧道，隧道检测机械化、隧道评价系统化、信息化的需求加大，使得研究的重点也一部分侧重了检测方式与手段、检测数据处理等方面。
2.1公路隧道方面
在公路隧道土建结构检测评估方法方面，一大批学者、专家对此领域展开了相关研究工作，罗鑫、夏才初等人总结了国内外隧道衬砌裂缝分级、渗漏水分级、衬砌剥落分级、衬砌材质劣化分级、衬砌变形、移动及下沉分级和其他病害（如冻害、鼓出）分级方法，得出隧道病害分级方法正从定性到定量、从单一指标到多指标和从直接考虑隧道病害分级到考虑病害对隧道结构影响程度来分级，他们当时（2006年）也提出要更多的开始注意到各级别病害下的损伤值，即更应该去注重基础性研究，分析隧道病害与隧道结构性能的关系[10]。
罗鑫在总结和评述前人研究成果的基础上，对公路隧道健康诊断方法及系统进行了深入的研究，提出了一套基于层次分析法的公路隧道健康状态诊断指标体系，该体系的特点是给出了病害指标定性和定量的评定标准；
采用模糊理论和人工神经网络理论重新确定了指标层和准则层的权重；
建立并验证了公路隧道健康状态模糊综合评价模型；
此外，罗鑫还建立了公路隧道病害数据库系统，运用此系统和工程实例再次验证其公路隧道健康状态诊断指标体系的有效性和实用性[3]。
邹金杰、杨其新等人从检测与病害治理的角度着手分析，提出隧道检测应从健全度方面开始研究，得出以定量为主且较完善的病害等级评定标准，并指出更全面、更完整、更规范的检测手段能加快隧道病害检测治理数据库的建立，进一步依托隧道治理的工程类比方法，能提高隧道治理方法的标准化，治理手段的规范化[11]。
王春景、彭立敏等人基于荷载-结构法研究了隧道病害评定结果对隧道影响关系及维修紧迫性问题。
通过数值软件模拟了同时存在衬砌厚度不足、衬砌材料劣化和衬砌背后空洞的隧道断面，并与原设计计算模式相比较，得出存在病害的隧道在弯矩和轴力分布上不对称，其原因是衬砌承受荷载和围岩抗力不对称引起衬砌结构整体刚度和变形不对称，进而导致上述结果，还得出此时结构处于不稳定状态，需要立即加固[12]。
郭骞广泛研究了国内外的研究成果，基于层次分析法和专家评估法提出了考虑土建结构、机电设施等多个方面，并将运营安全纳入的公路隧道养护技术状况评价体系，该体系将隧道技术状况评价分为四层（如图2.1），第一层为隧道总体技术状况，第二层为相应各技术状况的组成，第三层为部件、设施或状态，第4层为构件、设备或子状态技术状况指标值。
其优点是克服了03版规范评价因素的不成体系、主观因素过多、层次不清晰的缺点，并与《公路技术状况评定标准》（JTGH20-2015）良好对接[13]。
图2.1郭骞提出的隧道技术状况分层
我国台湾的萧富元、陈锦清等人针对隧道目视检测易受检测人员主观意识影响的弊病，引进用于桥梁检测的DERU法进入隧道检测领域，DERU法隧道检测评估方法共有12个检测项目，并考虑各检测项目劣化程度（Degree）、劣化范围（Extent）、劣化影响（Relevancy）及维修紧迫性（Urgency）。
对于指标层的评级是基于定量和定性基础之上，而相应之上的准则层和目标层，均采用定量评级方式。
此法优点是减小了主观因素影响、加快检测评级工作效率[14]。
西南交通大学的蒋雅君、杨露等人更是在萧富元等的研究基础上，改进了隧道DERU法，提出了一套适用于震后运营公路隧道土建结构快速检测评价技术体系。
相比萧富元的隧道DERU法，该体系将劣化影响（Relevancy）改为安全程度（Safety），即只考虑对行人、行车安全的影响。
另外，该体系改进了指标层构件状况指标的计算公式，使重要性系数取值更加合理；
在构件权重取值方面，该体系依据层次分析法和乘积标度法重新计算出构件合理的权重取值[4]。
综上所述，公路隧道土建结构检测评估方法的研究将越来越受到关注，就目前我国的研究水平来说，一方面，大多数的研究成果都更具实用性，侧重考虑实际工程需求和背景，这一出发点是合理准确的，另一方面，这种现状也导致了各种检测或诊断方法的分散，许多学者的研究成果层析性不明显，还应该侧重基础性研究，侧重交叉学科的拓展，推动隧道检测评价领域向更加深入的方向发展。
下表给出了上述公路隧道检测研究成果。
表2.1公路隧道检测研究成果表
时间
研究者
研究内容或所得结果
2006
罗鑫、夏才初等
总结国内外隧道衬砌裂缝分级、渗漏水分级、衬砌剥落分级、衬砌材质劣化分级等病害分级方法，得出隧道病害分级方法正从定性到定量、从单一指标到多指标和从直接考虑隧道病害分级到考虑病害对隧道结构影响程度来分级
2007
罗鑫
罗鑫提出了一套基于层次分析法的公路隧道健康状态诊断指标体系，该体系的特点是给出了病害指标定性和定量的评定标准；
采用模糊理论和人工神经网络理论重新确定了权重；
罗鑫还建立了公路隧道病害数据库系统
邹金杰、杨其新等
提出隧道检测应从健全度方面开始研究，得出以定量为主且较完善的病害等级评定标准，并指出更全面、更完整、更规范的检测手段能加快隧道病害检测治理数据库的建立
2014
郭骞
基于层次分析法和专家评估法提出了考虑土建结构、机电设施等多个方面，并将运营安全纳入的公路隧道养护技术状况评价体系
2004
萧富元、陈锦清等
引进桥梁检测的DERU法进入隧道检测领域，DERU法隧道检测评估方法共有12个检测项目，并考虑各检测项目劣化程度（Degree）、劣化范围（Extent）、劣化影响（Relevancy）及维修紧迫性（Urgency）
2015
蒋雅君、杨露等
改进了隧道DERU法，提出了一套适用于震后运营公路隧道土建结构快速检测评价技术体系
2.2铁路隧道方面
吴江滨、王梦恕等人广泛调研铁路隧道病害，发现失格率达到60％以上（2003年以前），因此他们认为有必要采取可靠的检测方法来来检测和评估隧道的实际情况，他们认为应当采用无损检测方法对隧道情况进行全面检测，然后依据检测结构编制出检测报告，以报告为日常维修和重点整治的依据，最后应该逐步形成日常维护、病害发现、病害检测到病害整治的一整套技术体系[15]。
李光晓运用安全系统工程对运营隧道的危害进行研究。
他通过对铁路隧道安全系统进行分析，采用了定量与定性结合的评价指标并量化了指标，用层次分析化确定了各项评价指
升级会员 