凌 骐 李召阳 张志超

(1.南瑞集团公司(国网电力科学研究院)，江苏 南京 211003; 2.山东兴水水利科技产业有限公司，山东 济南 250013)



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综合评估方法在隧道混凝土衬砌监测中的应用

凌 骐1李召阳1张志超2

(1.南瑞集团公司(国网电力科学研究院)，江苏 南京 211003; 2.山东兴水水利科技产业有限公司，山东 济南 250013)

介绍了隧道衬砌综合安全评估方法的原理及评判准则，阐述了综合安全评估方法在某隧道混凝土衬砌监测工程中的应用，并给出了隧道衬砌结构异常状态的处置策略，以确保隧道的安全运行。

隧道，安全评估，混凝土衬砌，监测

隧道的安全运行对国家经济建设与人民的日常生活有着举足轻重、不可替代的重要影响。通过采用科学、可靠的技术手段对存在安全隐患威胁的隧道进行实施监测与安全评估、为运行管理单位提供科学、快捷的技术支撑，对确保隧道的安全运行、保障人民的生命及财产安全具有重大意义。无论是公路、铁路还是其他土木工程中的隧道结构，在设计中混凝土衬砌都是作为实用高效的荷载支承措施而被选用，对于衬砌混凝土的工作状态安全评估方法研究也处于不断探索的过程。例如范振华、王勇等人[1,2]采用层次分析法和模糊评价理论对公路隧道衬砌质量安全评估指标体系进行了初步研究，胡适金等[3]利用有限元分析软件对衬砌套拱结构进行了仿真计算。在工程实践中，受施工工法、地质环境及荷载条件的复杂性和不确定性等多重因素影响，通过理论分析或数值仿真方法无法对衬砌结构的边界条件、初始条件及材料参数进行很好的模拟，从而导致分析结论与实际情况存在较大出入。而通过隧道衬砌结构中预先安装的应变计、测缝计等监测仪器获取原型监测数据，并对其变化特征加以综合分析，能够对结构安全性态进行更可靠的实时评估。

1 隧道衬砌综合安全评估方法原理

1.1 基本原理

依据评估对象的具体结构特征和监测布置情况，确定需要纳入评估范围的监测部位及相应测点。选用合适的判断准则，准确可靠地进行监测量单点异常、隧道局部异常及其程度、隧道整体异常及其主要异常部位和程度的分析判别；其次对判别为异常的情形进行成因分析，弄清异常发生的原因；最后根据判别结果及其异常原因，发出相应的报警信息，并提供辅助决策支持。

1.2 评判准则

在图1所示的综合安全评估流程中，关键步骤是建立全面多样的评判准则体系以便优化选用。针对测点、局部断面及整体结构等不同层次的评估目标可采用相应的评判准则进行安全判别。

1)单测点监测量评判。 对于原型监测数据连续可靠的单测点监测量，可依据其变化趋势性规律、变幅、极值等特征选用2σ或3σ准则、测值变化速率准则、极值同比准则及历史极值准则对该测点的物理状态进行评估。同时可以采用监控警戒值、专家经验值、模型临界值等指标作为判别依据。在具体使用中，可能需要采用一种或多种准则进行综合判别。

2)隧道衬砌局部及整体结构综合评判。根据隧道衬砌结构的监测布置和监测设计，同一监测部位或监测项目的各种监测量构成一个相关监测量集合，对该集合中所有监测量的测点状态判断结论进行综合分析后，即可判断该局部位置(或监测项目)是否发生异常。根据各监测量的重要性的不同，对相关监测量集合中的监测量可分配权重系数，从而对每个监测量在集合中的重要性进行量化。对集合中各监测量的评判结论进行加权统计分析，得出综合统计值。当隧道衬砌结构存在若干监测部位时，可采用同样思路对各部位的状态进行综合分析评判，根据加权统计数据得出整体结构的安全状态评估结论。

2 工程应用实例

2.1 工程概况

某公路隧道为双向四车道高速公路，断面为马蹄形，最大净宽13 m，最大净高7 m。施工通过的岩体除洞口段为破碎～较破碎花岗岩外，中段隧道均穿过较完整～完整花岗岩。由于该隧道受泥石流灾害和山体地下渗水影响较大，因此监测点主要选取在现场检查渗水较为严重的区域，共设置了32个监测断面。各监测断面分别在隧道混凝土衬砌拱顶、两侧45°拱肩及拱腰部位布设120支表面应变计，标准断面如图2所示。

2.2 隧道衬砌综合安全评估

1)监测量单点评判。首先选择监测区域内的有效测点监测量进行评判准则设置，以应变测点RA1-S-1为例，如图3所示。可根据实际条件选用一种或多种评判准则，本算例选取了监控指标准则、变化速率准则及专家经验值准则。其中监控指标和专家经验值可参考设计指标或同类工程控制值进行设置，变化速率指标可由软件自动计算给出。当同时采用多种准则进行数据评判时，由于对各准则检验结果的采信程度可能不同，因此需要设置准则权重系数来量化描述准则的采信度。当监测区域内的所有测点准则均设置完成后，即可选择某一时间范围进行监测量单点评判。评判结果如图4所示，图中灰色区域表明RA1-S-1测点在2014年3月26日曾出现短时超历史极值下限的情形，但从多种准则综合评判结果看仍然判定为正常。由此也说明在进行监测量单点评判时，一般应设置多种准则综合评估，否则易发生误判。

2)隧道局部安全评判。在获得隧道局部的所有测点评判结果后，可针对局部结构的工作性态进行初步评估。对有效测点(包括应变和缝隙开合度)选取相等的权重系数，同时设置异常百分比为20%(当异常测点数达到20%以上时认为此局部存在异常)。通过软件自动计算可得到局部安全性态评判成果，本算例的评判结论为正常。

3)隧道整体结构安全评判。对该隧道其他监测区域的测点重

复上述评判过程，即可得到所有监测段的局部结构安全评估结果。基于这些监测区域的评估成果，可进行隧道衬砌结构的整体安全性态评判。考虑到隧道各区域结构类型相似且安全程度同等重要，因此设置各区域的评判权重系数相等。通过计算可得隧道衬砌的整体性态评价结论为“正常”或“基本正常”状态。

2.3 对评估结论的说明

本实例在进行隧道安全评估时主要依据的是衬砌混凝土环向应变监测量。但对地质水文条件复杂、自然灾害多发区域的隧道结构来说，通常还应考虑诸如围岩变形、缝隙变形、衬砌外渗透压力及支护应力等，不同监测量之间可相互印证、相互对比，在此基础上可大大增加结构安全评估的准确性及可靠性。

3 隧道衬砌结构异常状态处置策略

若监测量单点异常属于监测系统性异常，并非隧道结构工作性态的真实反映，一般可根据其成因由分析人员或监测系统维护工程师处理后即可消除异常。当通过综合安全评估发现隧道衬砌出现结构性异常时，应深入分析以判明原因。在上述隧道衬砌混凝土应变计监测成果中，已经扣除了由于混凝土线胀系数和自生体积变形影响所引起的应变，所得的最终测值代表了衬砌混凝土在结构荷载作用下的应力应变。当混凝土应力应变增大时，若趋势不显著，则关注其后续发展即可。若出现显著趋势性增大，则需判断其是否超过混凝土的极限拉伸应变，如果未超过则仍需对该区域的测点加密观测，加强关注其发展情况。如果超过极限拉伸应变则说明此处混凝土可能已出现裂缝，需现场查看该区域衬砌是否有裂纹、凸起、剥落，表面是否有渗水等现象。

4 结语

1)利用原型监测资料对隧道混凝土衬砌结构进行综合安全评估，研究对象明确，能够更加真实地反映结构物的工作状态。该方法在分析过程中无需过多考虑混凝土材料特性、荷载等因素的影响，完全从结构物的实测数据出发，评估原理清晰，操作流程简捷，易于通过计算机实现自动化实时安全评价。

2)综合评估方法可以基于不同评判准则对隧道衬砌安全进行多维度分析，所采用的准则既可以是客观的数学理论，也可以是主观的专家经验。经过适当的权重分配，可以将两者较好的结合应用。但在工程实践中，如何选取恰当的准则权重还需进一步研究。同时还要通过持续监测掌握长期历史资料，并对监测数据的变化规律进行深入研究，充实完善评判准则库。

[1] 范振华.公路隧道衬砌质量安全评估方法及应用[J].低温建筑技术，2015(5)：111-113.

[2] 王 勇.公路运营隧道结构安全评估体系及评价方法的研究[J].西部探矿工程，2013(3)：182-184.

[3] 胡适金，王 斌.隧道衬砌结构的安全评估[J].市政技术，2014(6)：71-73.

Application of comprehensive evaluation method in tunnel concrete lining monitoring

Ling Qi1Li Zhaoyang1Zhang Zhichao2

(1.NARIGroupCorporation(StateGridElectricPowerResearchInstitute),Nanjing211003,China; 2.ShandongXingshuiHydraulicTechnologyIndustryCompany,Jinan250013,China)

The paper introduces the principle and evaluation principle for the integrated lining safety evaluation method of the tunnel lining, illustrates the application of the integrated evaluation method in the concrete lining supervision of some tunnel, and provides some treatment strategy for the eccentric circumstance of the tunnel lining structure, so as to ensure the safe operation of the tunnels.

tunnel, safety evaluation, concrete lining, supervision

1009-6825(2016)27-0142-02

2016-07-15

凌 骐(1979- )，男，博士，高级工程师

U456.3

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