（岩土工程专业论文）在役城市隧道支护结构安全性评价.pdf

中文摘要 摘要 当前我国已成为隧道工程最多、最复杂、发展最快的国家之一。而随着我国 城市建设的不断发展，城市隧道也在不断的增多。但根据大量资料显示，隧道工 程由于地质条件，地形条件，气候条件和勘察、设计、施工，周围建筑物和运营 等方面的影响，使在役城市隧道出现衬砌裂损、渗漏水、衬砌背后空洞、衬砌腐 蚀等各种不同程度的病害，这些病害和危害会对在役隧道的安全、正常运营有着 巨大的影响和威胁。因此，对于各类复杂环境条件下的在役城市隧道结构的安全 性评价进行研究是目前尤为重要的课题。特别是我国在这方面的系统研究还处于 初步阶段，经验缺乏，对其进行深入的研究更显出了它的紧迫性。本文主要是以 重庆市某在役病害城市隧道为对象，对其支护结构的安全性进行综合评价，依据 评价结果，对在役城市隧道是否进行保养维修或病害处治判断。本文主要工作及 成果如下： 从病害的类型入手，分析了不同病害的成因及其危害；据分析对在役城市 隧道支护结构构成危害的主要病害有：衬砌厚度变小、衬砌局部强度降低、衬砌 背后空洞、衬砌裂缝以及衬砌渗漏水。针对各种病害的特点，总结分析了在役隧 道的病害检测方法，认为最适宜的方法是地质雷达等无损检测方法，慎用钻芯法。 采用有限元数值模拟，分析了衬砌厚度减小、衬砌背后空洞、衬砌强度降 低病害条件下衬砌裂缝的发展及对衬砌结构截面安全系数的影响；分析了衬砌背 后不同位置、不同大小空洞以及衬砌拱部出现裂缝对其结构受力及稳定性的影响： 分析了衬砌拱部已存在裂缝时的应力变化及塑性区开展情况。得出以下主要结论： 当拱部及边墙衬砌有效厚度小于2 3 ，对衬砌安全性均有较大影响；局部衬砌强度 降低，该部位的安全系数相应减小，影响较大的部位为拱脚与直墙上部；衬砌背 后出现空洞，对其对应部位及相邻位置的衬砌安全系数均产生一定的影响，当空 洞较小时( 小于0 5 m ) 对其影响不大；衬砌拱部出现裂缝，使得隧道拱脚处拉应 力增大，最大压应力则出现在拱顶处。 针对本工程实例的病害特性，采用测缝计、应变计、锚杆计和多点位移计 监测仪器对病害隧道监测了一年半，对隧道裂缝开展、位移及应变的发展作出了 系统的分析。 综合上述三方面的分析结果，结合相关规范，提出了基于在役城市隧道特 点的建议评价体系，并对重庆市某在役隧道支护结构安全性作出评价，得出了两 重庆人学硕十学伊论文 隧道应及早整治的结论。 关键词：在役城市隧道，衬砌病害，有限元，在役隧道监测，安全性评价 i i 英文摘要 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，c h i n ah a sb e c o m eo n eo f c o u n t r i e si nt h ew o r l dt h a th a st h el a r g e s t ，t h e m o s tc o m p l i c a t e d ，t h e f a s t e s t g r o w i n g t u n n e l s a st h e d e v e l o p m e n to fc h i n e s e m u n i c i p a lc o n s t r u c t i o n , t h ec i t yt u n n e l sa r ec o n s t a n t l yi n c r e a s i n g b e c a u s eo ft h e i n f l u e n c eo fg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，t e r r a i nc o n d i t i o n s ，c l i m a t i cc o n d i t i o n s ，t h e i n v e s t i g a t i o n , d e s i g n i n g , c o n s t r u c t i o n , s u r r o u n d i n gb u i l d i n g sa n dr u n n i n g , e t c s ot h a t d i f f e r e n te x t e n td i s e a s e s ，s u c ha sl i n i n gs p l i t ，l e a k a g ew a t e r , c a v i t yb e h i n dl i n i n g , l i n i n g c o r r o s i o nw i l la p p e a r e di nc i t yt u n n e li ns e r v i c e ，a n dt h e s ed i s e a s e sa n de n d a n g e rm a y h a v et r e m e n d o u si n f l u e n c ea n dt h r e a t st ot h es a f e t ya n dn o r m a lr u n n i n go fc i t yt u n n e l s i ns e r v i c e t h e r e f o r e , i ti st h ep a r t i c u l a r l ys i g n i f i c a n tt a s kt os t u d yt h ec i t yt u n n e l si n s e r v i c e ss a f e t ye v a l u a t i o nt h a tt u n n e l sa r ei na l lk i n d so fc o m p l e xc i r c u m s t a n c e sa n d c o n d i t i o n s e s p e c i a l l yt h es y s t e mr e s e a r c hi no u rc o u n t r y i ss t i l la tt h ep r e l i m i n a r ys t a g e , l a c ko fe x p e r i e n c e ，s oa ni n - d e p t hr e s e a r c hs h o w si t su r g e n c ye v e nm o r e t h i sp a p e ri s b a s e do nc e r t a i nc i t yt u n n e li ns e r v i c ew h i c hh a sd i s e a s e si nc h o n g q i n g , g i v ei t s s u p p o r t i n gs t r u c t u r et h ec o m p r e h e n s i v es a f e t ye v a l u a t i o n ，a n dt h r o u g ht h er e s u l t so f t h e e v a l u a t i o n ，j u d g ew h e t h e ra d o p tm a i n t e n a n c er e p a i ro rd i s e a s ep u n i s h m e n t t h em a i n w o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： f r o mt h et y p e so fd i s e a s e s ，a n a l y s et h ec a u s e so fv a r i o u sd i s e a s e sa n di t s h a z a r d s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s ，t h em a i nd i s e a s e so ft h ec i t yt u n n e li ns e r v i c e s s u p p o r t i n gs t r u c t u r ea r e l i n i n gt h i c k n e s sd i m i n i s h , l o c a ll i n i n gi n t e n s i t yr e d u c i n g , c a v i t i e sb e h i n dl i n i n g , l i n i n gc r a c k sa n dw a t e rl e a k a g e a i ma tv a r i o u sd i s e a s e s ， s u m m a r i z ea n da n a l y s et h ed i s e a s e sd e t e c t i o nm e t h o d , c o n s i d e rt h a tt h em o s tf e a s i b l e m e a n sa r eg e o l o g i c a lr a d a re t c , n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o d ，t h ec o r e - d r i l l i n gm e t h o d s h o u l db eg i v e nc a u t i o u s l y a d o p tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n a l y s et h el i n i n gt h i c k n e s sd i m i n i 札c a v i t i e s b e h i n dl i n i n g , p a r t i a ll i n i n gi n t e n s i t yr e d u c i n g , g a i n e dt h ed e v e l o p m e n to fl i n i n gc r a c k s a n dt h es a f e t yf a c t o ro f t h el i n i n gs e c t i o n s ；a n a l y s ed i f f e r e n tl o c a t i o n sa n dd i f f e r e n ts i z e s c a v i t i e sb e h i n dl i n i n gt h a ta f f e c ti t su n d e rs t r e s sa n ds t a b i l i t y ；a n a l y s et h es t r e s sc h a n g e s a n dt h ee x p a n s i o no ft h ep l a s t i cz o n ew h e nc r a c k sa p p e a r e di na r c hl i n i n g g a i n e dt h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：t h es a f e t yo fl i n i n gh a sag r e a t e ri m p a c tw h e nt h ee f f e c t i v e t h i c k n e s so f a r c ha n dw a l ll e s st h a nt w o - t h i r d s ；l o c a ll i n i n gi n t e n s i t yr e d u c i n g , t h es a f e t y f a c t o ro ft h ec o r r e s p o n d i n gl o c a t i o nd e c r e a s e s ，t h em a j o ra f f e c t e dp a r t sa r cf e e to fa r c h i l l 重庆入学硕一t 学伊论文 a n du p p e ro fs t r a i g h tw a l l ；t h e r ea r ed e f i n i t ei m p a c to nc o r r e s p o n d i n ga n da d j a c e n t l o c a t i o n ss a f e t yf a c t o rw h e nc a v i t i e sa p p e a r e db e h i n dl i n i n g ，i th a sl i t t l ei n f l u e n c ew h e n c a v i t ys m a l l e r ( 1 e s st h a no 5 m ) ；c r a c k so fl i n i n ga r c hm a k et h et e n s i l es t r e s so ft u n n e l a r c hf e e ti n c r e a s e d ，a n dt h em a x i m u mc o m p r e s s i v es t r e s so c c u r si nt h ev a u l t a c c o r d i n gt ot h ed i s e a s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o j e c t ，m o n i t o r e dt h i sd i s e a s e t u n n e lo n ea n dah a l fy e a r sa d o p tt h a tj o i n tm e t e r , s t r a i ng a u g e ，a n c h o r e db a rm e t e ra n d m u l t i p l ep o i n te x t e n s o m e t e r , m a k eo u tt h es y s t e ma n a l y s i sa b o u tc r a c k ，s t r a i na n d d i s p l a c e m e n td e v e l o p m e n to f t h et u n n e l s y n t h e s i z et h e s et h r e ea s p e c t ss t u d ya b o v e ，i nc o n j u n c t i o nw i t ht h er e l e v a n t c r i t e r i o n s ，p u tf o r w a r dp r o p o s e de v a l u a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e c i t yt u n n e li ns e r v i c e ，f i n a l l y , w o r ko u ts a f e t ye v a l u a t i o nt os u p p o r ts t r u c t u r eo fc e r t a i n c i t yt u n n e li ns e r v i c ei nc h o n g q i n g ，e d u c et h a tt h et u n n e ls h o u l db ee a r l yp u n i s h e d k e y w o r d s ：c i t yt u n n e li ns e r v i c e ，l i n i n gd i s e a s e , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t u n n e li n s e r v i c em o n i t o r i n g , s a f e t ye v a l u a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：饬蹶 签字日期： 砷年占月j - e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：锡氓 签字日期：川年二月歹日 导师签名： j 彬 签字日期：加口7 年占月r 日 1 绪论 i 绪论 1 1 研究目的及意义 随着越来越多的隧道投入到运营，隧道病害的危害逐渐引起人们的重视。与 一般公路、铁路隧道相比，在役城市隧道车流量大，行人多且邻近有建筑物或构 筑物，一旦城市隧道结构的安全性出现问题，便会严重危及隧道使用、行人和车 辆安全，并引起交通大堵塞，引发社会的不安。这一情况，在山城重庆尤其突出， 城市隧道是重庆市区交通的关键节点，是重要的交通基础设施，而不少隧道修建 已有多年，限于当时的技术水平，隧道结构本身存在一些不足，再加上后期周边 环境也发生了变化，导致城市隧道结构出现不少病害。如重庆市的八一、向阳隧 道已分别运营2 0 年和4 0 年，目前隧道的二衬混凝土多处出现纵横裂缝，并伴有 局部坍塌、掉块，严重危及隧道使用、行人、车辆安全。因此，对于各类复杂环 境条件下的在役城市隧道结构的安全性评价进行研究是目前尤为重要的课题。特 别是我国在这方面的系统研究还处于初步阶段，经验缺乏，对其进行深入的研究 更显出了它的紧迫性。本文以重庆某在役城市隧道为工程背景。以综合评定的方法 对其病害支护结构作出安全性评价。对隧道安全性问题的研究，其目的是要查找、 分析和预测存在的危险有害因素及可能导致的事故的严重程度，提出合理可行的 安全对策措施，指导危险源监控和事故预防i l 】。这样不仅能及时、有效地救治病害 严重的隧道，延长其运营寿命和降低灾害，还能够在经济方面为国家节省对新隧 道的巨大投入。 1 2 研究背景 1 2 1 工程概况 重庆市某隧道是市内重要交通基础设施，其基本情况见表1 1 。隧道洞口段采 用明挖法和管橱法施工，洞身采用矿山法施工，目前隧道的二衬支护混凝土多处 表1 1 隧道基本情况 t 抽l e1 1t u r i n e lb a s i cc o n d i t i o n f隧道名称 净长( m )净宽( m )净高( m ) 围岩岩性 竣工时间 l隧道一5 6 8 6 31 16 8 3 砂质泥岩、砂岩1 9 8 6 年6 月 i隧道二5 3 78 55 ，5 砂质泥岩、砂岩 1 9 6 7 盆 出现纵横裂缝，缝宽达十几毫米不等，缝长度最长达十几米，原裂缝漏水的封堵 重庆大学硕十学忙论文 工程基本失效，排水设施破坏，并伴有局部坍塌、掉块，这些情况在隧道一中部 尤为突出。病害危及隧道使用、行人、车辆安全。 1 2 2 工程地质概况 地形地貌 该隧道区属牛角沱辖区，地处重庆弧形褶铍柬之龙王洞背斜南部倾伏端轴线 东侧，属低山地貌，隧道上部地表形态表现为东南向西北倾斜。隧道洞口均处于 斜坡地带，但沿隧道轴线方向起伏较小，为2 3 。，最大高程约2 6 0 1 4 m 。北侧洞口 斜坡为人工填上边坡，地面高程约2 2 0 4 5 m ，坡顶高程约2 4 8 2 5 m 。地形坡度3 0 3 5 0 ；南侧洞口坡面经入工改造，基岩零星出露，斜坡呈折线形，宏观坡角2 5 。 3 0 0 ，地面高程约2 0 0 4 8 m ，坡顶高程约2 6 0 1 4 m 。 地层岩性 1 ) 第四系全新统( 0 4 ) 人工填土( q 4 m 1 ) ：主要分布于隧道北侧洞1 2 1 ( 朝牛角沱方向) 及洞身顶部地 表。灰褐色，灰黑色，由粘性土，建筑垃圾，生活垃圾，砂、泥岩块石等组成。 结构稍密中密，堆积时间1 0 5 0 年，厚度北测洞口1 2 3 m ，洞身l 2 m 。 2 ) 侏罗系中统沙溪庙组( j 2 s ) 砂质泥岩：紫色，紫红色，粉砂泥质结构，厚层状构造。表层强风化带厚度 约l 2 m 。是隧道区内的主要地层，全区均有分布。 砂岩；灰色，灰黄灰，细粒结构，呈薄层状或透镜体夹子砂质泥岩中，泥 钙质胶结。主要矿物成份有：石英、长石。 地质构造 隧道区地处重庆弧形褶铍束之龙王洞背斜南部倾伏端轴线东侧，岩层呈单斜 产出。岩层走向北东4 0 6 0 。，倾向南东，岩层倾角5 1 0 0 。区内无断层，地质构 造简单。 水文地质条件 隧道区出露岩层为河湖相沉积岩，砂岩弓砂质泥岩互层，以砂质泥岩为主， 水文地质条件简单。按含水介质和储水形式隧道区地下水可分为两种类型：基岩 裂隙水和松散岩类孔隙水。区内地f 水的补给、迳流、排泄条件受地形条件制约， 地表大部分被公路或建筑物覆盖，植被不发育，无地下水露头，主要受污水管道 渗漏和居民生活用水渗漏补给。含水层由泥岩中的砂岩夹层组成，含水层受相对 隔水的泥岩限制，砂岩含水层中地f 水的补给条件受限于围岩，不利于地下水赋存 和接受补给。地下水赋存条件差，洞内涌水量小，主要表现浸渗或滴漏。 围岩条件 两隧道顶部地表是人工填上，北侧洞口较厚，达2 3 m ，洞身地段较薄，厚度l 2 1 绪论 1 5 m ；岩层为侏罗系中统沙溪庙组砂岩和砂质泥岩，呈单斜产出，产状为1 3 0 。 1 5 0 4z 5 。8 4 。隧道北侧洞口b y + 5 1 3 b y + 5 6 8 ( 隧道一里程桩号，桩号从 菜园坝向牛角沱方向由小到大) 段，围岩为夹杂块石、碎石的人工填土，厚度o 2 3 m 。隧道b y 3 9 8 b y 5 1 3 段，洞顶上部砂泥互层较多，下部以泥岩为主，薄至 中厚层，局部地段裂隙发育，碎裂结构或板状、短柱状结构，埋深2 3 2 4 m ，属 m 级围岩( 根据公路隧道设计规范，j t g d 7 0 2 0 0 4 t 2 j ) 。隧道b y + 3 0 6 b y + 3 9 8 段，洞顶板为砂岩，薄至中厚层，下部泥岩中厚至厚层，大块状砌体或短柱体 结构，岩体较稳定，埋深2 4 3 0 m ，属i i 级围岩。隧道b y + 0 8 3 b y + 3 0 6 段， 洞顶围岩以中厚至厚层泥岩为主，局部为薄层砂岩，裂隙较少，大块体或砌体结 构，岩体一般稳定，埋深3 0 3 9 m ，属i i i 级围岩。隧道b y + o b y + 0 8 3 段，砂 泥岩互层，薄至中厚层，层状或层状碎裂结构，局部风化，埋深0 2 0 m ，属v 级围岩。 1 3 研究现状 1 3 1 国内在役城市隧道情况 随着国民经济的迅速发展，人们的出行要求也随之提高，为满足经济发展所 带来的交通需求，我国公路交通运输事业得到蓬勃发展。伴随着高速公路的迅速 发展，同时由于隧道方案自身具有的改善线形、缩短里程和行车时间、提高运营 效益等方面的优势，隧道方案的优越性越来越多地为道路建设者和设计者所公认， 因此高速公路建设中在适当的地方大量采用了隧道方案，这在客观上极大地促进 了隧道的建设。同时，为了继续提高人民生活水平，我国正进行大规模的基础设 施建设，城市交通隧道已经或者正在被很多城市所采用。城市交通隧道建设的目 的是为了缓解城市交通的压力，疏导城市交通，城市交通隧道建成通车之后可以 缩短出行里程，减少花费在路上的时间。据统计，在2 0 世纪5 0 年代，中国仅有 3 0 多座隧道，总长仅约2 5 k m ，1 9 7 9 年我国公路隧道通车里程仅为5 2 k m 3 7 4 座， 1 9 9 3 年我国的公路隧道通车里程为1 3 6 k m 6 8 2 座，隧道平均长度分别为0 1 3 9 k m 和0 1 9 9 k m ，均以二级以下的短隧道为主f 3 】。到1 9 9 8 年底铁路运营隧道约5 3 3 6 座，总长达2 5 6 5 k m ；到2 0 0 0 年底，全国公路隧道总计有1 6 8 4 处，隧道总长为6 2 7 7 2 5 k m ，其中特长隧道1 5 处，总长为5 3 9 0 7 k m ，长隧道1 3 5 处，总长为2 0 6 9 9 2 k m ， 其余为中隧道和短隧道，公路隧道通车里程比1 9 7 9 年增长了1 2 倍多，比1 9 9 3 年 增长了4 倍多【4 】。截止2 0 0 3 年5 月，我国大陆现有运营铁路隧道约5 7 0 0 多座，累 计长度约2 8 0 0 k m , 公路隧道近2 0 0 0 座，总长度8 3 5 k m ：地下铁道运营里程约 2 0 0 k m 。而且铁路隧道、公路隧道和地下铁道仍保持快速建设势头，我国己成为世 界上隧道工程最多、最复杂、发展最快的国家【5 】【6 】。这些隧道的修建，对地区经济 重庆入学硕1 二学伊论文 发展、改革开放与国防建设起到了极其重要的推动作用。 我国隧道的修建已有近1 0 0 年的历史，由于地质条件、地形条件、气候条件 和设计、施工、运营过程中各种因素的影响，隧道建成后在长期的使用过程中出 现了各种各样的病害，就会出现劣化现象或加速劣化的发展，从而造成结构物耐 久性的降低或使用寿命的缩短【”。大多数在役隧道都存在不同程度的病害，如：隧 道渗漏水、隧道冻害、衬砌开裂和衬砌侵蚀悼】。并且隧道内的病害一般不是单独存 在的，而足相互影响，相瓦作用的。许多隧道都已经进入高维修管理阶段，维修 管理费将大幅度地增长，这是不容忽视的。在针对部分隧道病害的调查表明，7 0 的隧道会发生衬砌破损病害，占整个隧道病害的4 0 左右。隧道衬砌裂损造成 的危害较多，如衬砌结构失稳破坏，净空变小等，将使整个隧道结构的稳定性造 成不同程度的破坏，使衬砌结构的安全町靠性降低，造成危及行车安全的重大问 题1 9 】。隧道渗撼水不仅增加隧道内湿度，而且还号 发其他病害，会造成衬砌开裂或 使原有裂缝发展变大，加速衬砌的损坏；当地f 水有侵蚀性时，会使衬砌混凝土 产生侵蚀，并随着渗漏水的不断发展，使混凝土侵蚀日益严重。而隧道结构的变 异状态即使相同，其结构物的安全性和耐久性也会有很大的差异。例如：衬砌表 面发生开裂的情况、衬砌背后与围岩密贴和有空洞存在的情况、衬砌厚度充分和 不充分的情况、开裂有无发展的情况等，对隧道使用功能的影响，对变异的评价 是完全不同的。因此，我们必须掌握在隧道使用过程中，发生和可能发生的各种 变异( 病害) 现象，并推定变异发生的原因，研究隧道结构的安全性从而对隧道 的长期安全性进行评估，评价结构物的损伤程度和研究是否采取相应的措施和对 策，以延长结构物的寿命，提高结构物的服务功斛。 对于年限较长的在役隧道，其设计、施工理念上，限于当时的科学水平，不 是新奥法( n a t m ) 修筑的，存在着一定的安全隐患或弊病。而目前，公路隧道普遍 采用新奥法技术进行设计和施工，其主体结构以锚喷支护和模筑混凝土复合衬砌 结构为，蔓流形式，其二次衬砌的修筑与以往的方法相比，仅作为隧道的安全储备。 但即使采用了新奥法，其具体施工方法的局限、围岩环境条件的差异、地f 水长 期侵蚀等引起钢筋锈蚀和混凝土腐蚀，导致衬砌结构实际承载力下降。大量国内 外隧道主体结构因工程病害而影响隧道运营过程中的安全。在国内浙江等省市出 现过因为围岩或其它未预见的原囡而导致已经建成的公路隧道主体结构失稳严重 坍塌的重大事故，也有大量国内外铁路及公路隧道主体结构因工程病害而影响行 车安全和中断交通的报道。如：1 9 9 9 年6 月2 7 日，日本山阳新干线福冈隧道发生 衬砌混凝：剥落，造成列车破损的重大事故；1 0 月9 日，山阳新干线北九州隧道 的边墙上端又发生混凝：上剥落事故；“月2 8 日，室兰本线礼文宾隧道再次发生重 达2 t 的拱部衬砌混凝土的剥落，造成货物列车脱轨事故【l 们。 4 1 绪论 1 3 2 在役建筑物安全性研究情况 首先，对在役建筑物检测方面的工作，国外大体上可以分为三个阶段【l l 】【1 2 】。 2 0 世纪4 0 年代开始为探索阶段，注重对建筑物结构缺陷原因的分析和修补方法研 究，检测工作大多依赖有经验的技术人员进行现场视察和结构验算，然后凭其个 人所拥有的知识作出评价和处理，这就是所谓的传统经验方法。6 0 年代到7 0 年代 为发展阶段，注重对建筑物检测技术和评估方法的研究，提出了破损检测、有损 检测、物理检测等几十种现代检测技术，还提出了分项评价、综合评价、模糊评 价等实用鉴定方法。日本和美国在2 0 世纪7 0 年代分别提出了综合鉴定法和安全 性评估程序的鉴定方法【1 2 j 【1 3 1 ；1 9 7 1 年j a m e s 1 q 等提出了在现场检测的基础上，按 专门制定的评分准则对现有结构进行分级；1 9 7 5 年c u l v d ”1 提出现场评估法等。 8 0 年代以后为完善阶段，随着概率论和数理统计在结构工程中应用日益取得进展， 用结构失效概率来定义结构可靠度，从面可较好地反映结构可靠度的实质。这一 阶段中制定了一系列的规范和标准，强调了综合评价，并引入知识工程，使结构 可靠性评估工作向着智能化方向迈进。如h a n 【16 】等在1 9 8 1 年提出了应用可靠指标 来评估结构的损坏；f i t z s i m o n s 1 7 】也提出了类似的可靠性分析方法；m e y e r f l 8 垮则 定义了适合于可靠度分析的损坏参数；国际标准委员会安全度分会用概率法研究 建筑物的可靠度已取得重要成果；美国加州大学b r e s l e r 1 9 1 教授对已有建筑物完成 了一套比较完整的鉴定方法和规程；前苏联建立了建筑物区分等级方法、建 筑物使用可靠性、建筑物检测方法等；日本的鉴定理论范围全面，出版有建 筑物损伤和对策、建筑物耐久性设计和对策、建筑物鉴定方法和检验手册、 钢筋混凝土建筑物诊断规程等【1 2 1 2 0 l 。 同时在一些发达的国家，公路建设及管理部门十分重视隧道安全及维护的基 础和应用研究工作，在许多国家各级建设管理部门根据本地区或部门的特点，在 开展大量应用研究的基础上，已形成制度性，建立了相应严格的章程。在法国和 德国等隧道较多的国家，采用地质雷达、红外线测试和光谱分析试验等无损伤检 测技术对隧道衬砌进行检查已经引起了隧道工作者越来越大的兴趣。在南非，建 立了隧道例行检查测量和检查记录制度，每一次检查都要详细记录，检查完毕即 对隧道相关资料进行更新，并且强调对隧道内弧面要进行专门的检查。德国提出 了隧道设计是综合设计的概念，重视隧道初期支护喷射混凝土，讲究钢拱和钢筋 格栅支撑，强调锚杆的选择和布设对围岩变形的控制。同时开展了强化初期支护 而不做二次衬砌的途径及采用经济的检测手段控制隧道结构工程质量和安全性的 研究【2 1 1 。 其次，英国工程师协会发表了既有结构的评估【矧，在工程实践方面，美、 英、加等国先后颁布了基于结构可靠性理论和设计规范的桥梁评估规范和文件例 5 重庆大学硕仁学忙论文 【2 4 】 2 5 】；李晓红等对隧道及周边位移的稳定性评价提出了隧道的最终位移形态， 从而建立位移预测系统：还有文章中提到了在隧道稳定性分析中考虑其安全系数 来研究其安全及町靠性【2 7 】【2 s 】。而目前，大多数针对在役建筑物的研究中从可靠性 理论进行分析和研究口9 1 0 0 1 。 1 3 3 国内外针对隧道安全性采用的研究方法 理论和经验研究巴顿根据约2 0 0 座欧洲隧道资料为基础迸行统计分析， 提出了围岩分类和相应支护结构的建议p “。日本在大量分析隧道病害的基础上， 提出了隧道病害的典型形式，并对隧道病害进行了分级，整理出了隧道变异对 策设计手册、隧道维修管理手册等，为隧道病害的分类及治理提供了大量 有益的参考。并且在近几年组织进行了多项有关公路隧道长期安全性评价和维护 加固对策的专题研究，在此基础上形成的公路隧道维护管理便览；国内，关 宝树的隧道【程维修管理要点集也对隧道病害的分类及对策作了详尽描述 1 0 1 ， 对隧道的安令性评价和管理维护加固提供了重要的指导作用。并且，目前各国加 强了对建筑物的检查鉴定的立法、标准和规范的研究和编制。近几年建筑物町靠 性鉴定的研究成果越来越多，出版了一系列具有车富理论和实践经验的著作和研 究成果【1 2 】【3 2 1 。 现场试验现场试验是隧道与地下工程研究领域中一种很好的研究方法， 通过安装使用不同类型的量测仪器，所测量到的数据通常具有能更真实、全面、 及时的反映实际工程问题的优点，它不仅为理论研究提供了基本的依据，而且可 以直接指导实际工程。现在国内外的许多大型、新型或特殊结构工程都积极采用 现场试验的方法进行研究。 鉴f 隧道与地下工程的受力特点及其复杂性，自5 0 年代以来，国际上就开 始通过对地f 工程的量测来监视围岩和支护的稳定性，并逐渐应用现场量测结果 来校正和修改设计。现场试验的内容主要包括以下项目：1 ) 现场观测，包括维修 加固处的围岩稳定性，围岩构造情况，支护变形与稳定情况及校核设计时采用的 围岩分类；2 ) 岩体力学参数测试，包括抗压强度，变形模量，粘聚力，内摩擦力 及泊松比；3 ) 应力应变测试，包括支护结构的应力、应变及围岩与支护和各种支 护间的接触应力；4 ) 压力测试，包括衬砌上的围岩压力和渗水压力等；5 ) 位移 测试，包括围岩位移，地表沉降，支护结构位移及围岩与支护倾斜度；6 ) 温度测 试，包括岩体温度，洞内温度及气温；7 ) 物理探测，包括弹性波测试和电阻率测 试等f 3 3 1 。根据不同的研究目的，可选择不同的测试项目。 通过现场试验，可获得维修加固后围岩和支护结构的力学行为，判明围岩和 隧道结构的稳定状态，评价维护加固实际效果，检验所采用维护加固对策的正确 性，为今后的类似工程积累经验。 6 1 绪论 模型试验模型试验是隧道及地下工程研究中使用较多的一种方法，它的 理论基础是相似理论。模型试验具有直观、全面的优点，并且具有能够满足用其 他方法不能满足的条件的优点。模型试验分析对工程技术人员将成为种不可缺 少的工具p ”。国内外利用模型试验进行结构研究的实例很多：原列宁格勒铁道学 院曾对单跨双层的地铁车站进行了结构模型试验；西南交通大学学土木工程学院 隧道与地下工程系进行了浙江金丽温连拱公路隧道综合修建技术研究的模型试 验、铁山坪隧道模型试验、双洞小净距隧道设计施工关机技术研究禅型试验等： 重庆交通科研设计院进行了隧道项部溶洞影响围岩稳定性的模型试验研究，重庆 关于高等级公路大断面低扁平长隧道修建技术研究项目中也采用了模型试验研究 手段；淮南矿业学院建筑工程系地下工程结构研究所进行了软弱围岩复合式隧道 衬砌模型试验研究等。用模型试验的方法对隧道及地下工程进行力学行为方面的 研究，国内外己经取得了不少的成绩，其理论与方法已日趋完善【9 】。 计算机模拟2 0 世纪7 0 年代以来，随着数学，力学和计算机的发展，数 值模拟作为解决复杂介质、复杂边界条件下各类工程问题的重要工具而加以推广： 1 ) 有限单元法( f e m ) 目前仍是解决岩土工程问题最有效的数值方法；2 ) 有限 差分法；3 ) 边界单元法；4 ) 离散单元法( d e m ) ；5 ) 无单元法；6 ) 流形元法( m e m ) 等。 在隧道与地下工程领域，数值模拟方法同样起着重要的辅助和指导作用，国 内外有许多工程都进行了这方面的模拟。现阶段，许多隧道与地面建筑物的稳定 性分析也采用了数值分析方法。产生了许多成熟和实用的商业软件，如a n s y s ， f l a c ，m a r c ，n a s t r a n 等。 综合分析方法在隧道与地下工程的研究工作中，单纯运用一种研究方法 进行某方面的研究通常是很难得出全面而切合实际的正确结论的。如果分析不当， 就可能得出有偏差甚至错误的结论，这就需要综合运用多种研究方法，进行更广 范围，更深层次上的研究，综合考虑，全面比较，只有这样，得出正确而完整结 论的可能性才会更大。现阶段许多科研课题就是综合运用理论分析、模型试验、 计算机模拟和现场量测等多种分析方法进行研究的，综合方法不但避免单纯一种 方法的不足和错误，而且其结果能相互印证得出一个完整正确的结论，通常都取 得了令人满意的研究成果。 1 4 本论文研究思路和研究内容 本论文将结合相关文献资料的收集整理、现场检测、数值模拟计算分析、现 场监测结果对在役病害隧道进行综合分析。通过理论分析各种病害的种类、成因 及其危害，在此基础上，通过有限元数值模拟与现场监测结果运用到在役隧道支 7 垂庆入学硕卜学位沦交 护结构的安全性评价中，从而对其作出正确的判定。本文的研究思路示意图见图 1 1 。 资事 收集与分析 在役隧道结构病害类型及其危害分析 在役隧道检测方法评价及实际工程应用分析 数值模拟：衬砌厚 度减小、衬砌背后 空洞、村砌强度降 低以及衬砌拱部 存在裂缝情况 采用测缝计、多点 位移计、应变计以 及锚杆计监测手 段对病害隧道进 行监测 既有安全性评价分析，建议评价体系 结论 图1 1 研究思路示意图 f i g 1 1 s k e t c hm a po f r e s e a r c hr o u t e 本文的研究内容： 总结i 门纳前人的研究成果，着莺讨论在役城市隧道病害的类型，各种病害 的种类、成因及其造成的危害。并结合现场病害特征，指出针对不同病害的检测 手段： 用数值模拟方法对各种衬砌结构性病害( 衬砌厚度减小、衬砌背后空洞以 及衬砌强度降低及衬砌出现裂缝) 下进行分析，得出隧道在不同结构性病害情况 1 绪论 下的力学特性，并分析其结构安全性的影响： 通过现场监测，对隧道的衬砌裂缝、表面应变、围岩内部位移等发展变化 情况进行监控，从而可以宏观的了解病害的发展情况； 通过前面数值模拟与现场监测相结合，结合资料分析，得出在役隧道的安 全性评价结果。为隧道的二次衬砌结构维护和隧道的安全运营提供一定的指导价 值。 9 2 某在役隧道病害检铡及结果分析 2 莱在役隧道病害检测及结果分析 隧道混凝土衬砌是重要的支护措施，是隧道防水工程的最后一道防线，也是 隧道外观美的直接体现者。隧道混凝土衬砌质量的好坏对隧道的长期稳定、使用 功能的正常发挥以及外观美均有很大影响【3 ”。因此，混凝土衬砌质量检测不仅是 控制衬砌混凝土施工质量的主要手段，也是评价运营隧道衬砌现状所必须的。针 对在役隧道，现场检测混凝土强度的方法很多，如钻芯法、拔出法、压痕法、射 击法、回弹法、超声法、回弹超声综合法、超声衰减综合法、射线法、落球法等。 混凝土衬砌质量检测的内容与衬砌结构的形式、施工方法直接相关。从结构 形式上，隧道混凝土衬砌可以分为：复合式衬砌结构中的喷射混凝土和模筑混凝 土，整体式衬砌，明洞衬砌。按施工方法，可以分为：喷射混凝土、模筑现浇混 凝土、预制拼装混凝土衬砌三种。根据围岩条件和隧道结构特征的不同，部分衬 砌需要设置仰拱，并根据衬砌受力特点，确定是否需要配筋及配筋率大小。混凝 土衬砌质量检测方法的选择取决于：检测目的及内容；衬砌结构形式；经 济技术条件；检测人员的素质和管理水平等。对于常用的检测方法，按照检测 内容可以分为：衬砌混凝土强度、厚度、钢筋、混凝土缺陷和几何尺寸等检测。 本工程实例中的两隧道均已运营2 0 年以上，出现较多病害，在检测上，采用 地质雷达检测隧道衬砌厚度及衬砌混凝土均匀密实情况，拱背空洞或欠密实区情 况，钢支撑及钢筋网分布情况以及围岩含水及导水情；采用激光断面检测仪结合 现场量测得到隧道断面图与设计图进行比较，从而得出超挖和欠挖等参数；采用 钻孔取芯法，检测衬砌强度及衬砌背后围岩情况；并经过检测人员的实地踏勘( 配 合高空作业车) 进行相关病害查找，用裂缝仪测裂缝宽度，根据裂缝判断裂缝性 质，同时对衬砌结构混凝土掉块位置和大小及其深度采用钢尺量测。最终得出隧 道病害主要表现为施工缝浸渗、滴漏、拱壁裂缝、拱顶掉块等。具体表征如下分 述。 2 1 地质雷达检测 地质雷达法p 5 】可检测混凝土衬砌背后的空洞、隧道渗漏水、衬砌厚度的变化、 衬砌内部钢拱架和钢筋的分布，同时也包括围岩的结构与构造。当支护( 衬砌) 背部与围岩之间存在空洞时，会导致围岩松弛，使支护结构产生弯曲应力，而损 伤支护结构的功能，降低其承载能力，极大地影响了隧道的安全使用。由于支护 衬砌的内部和背后状态是隐蔽的，从表面看不出来。为此，根据地质雷达法的特 点，就成为最常用的方法。 重庆大学硕卜学伊论文 原理：地质雷达法是一种用于二确定地下介质分布的光谱( i m h z 1 g h z ) 电 磁技术。地质雷达利用个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接受来自地 下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随 所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，可根据接受到波的旅行时间( 亦 称双程走时) 、幅度与波形资料，可推断介质的结构。 组成：地质雷达探测系统由地质雷达主机、天线、便携式计算机、数据采集 软件、数据分析处理软件等组成。地质雷达主机技术指标应符合以下要求：系统 增益不低于1 5 0 d b ；信噪比不低于6 0 d b ；模数转换不低于1 6 位；信号迭加次数 可选择；采样间隔一般不大 0 5 n s ；实时滤波功能可选择；具有点测与连续测量 功能；具有手动或自动位置标记功能；具有现场数据处理功能。地质雷达天线町 采用不同频率的天线组合，技术指标应符合以下要求：具有屏蔽功能；最大探测 深度大于2 m ；垂直分辨率应高于2 e m 。 应用：采用地质雷达法，在隧道内通过电磁波发射器向隧道衬砌发射高频宽 频带短脉冲。其电磁波的频率一般为8 1 0 7 l x l 0 9 h z ，电磁波经衬砌界面或空洞 的反射，再返回到接收天线。如衬砌介质的传播速度和介电常数已知时，按电磁 波传播时间，即可求得反射界面的深度。电磁波穿透隧道结构的深度