（道路与铁道工程专业论文）基于模糊神经网络的公路隧道健康监测评估系统研究.pdf

浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。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，也不包含为获得逝姿盘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已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 、 奎砷b 签字日期：枷肜年6 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送 交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：a 砖凶 、 签字日期：知年6 月坯日圹敏加 筮 僻 签 虮 磁 期 jy，| 别 扣 致谢 光荫荏冉，岁月如歌，研究生生活即将结束，心中感慨万千。值此论文即将 完成之际，谨向我的导师黄志义教授致以最诚挚的谢意! 本文从论文选题、框架的设计、结构的布局到最终的论文定稿，从内容到格 式，从标题到标点每一步都是在导师黄志义教授的精心指导下完成的，其中倾注 了导师大量的心血。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作 风，诲人不倦的高尚师德，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。在此， 谨向导师致以崇高的敬意和诚挚的谢意。 本论文的顺利完成，离不开交通工程研究所课题组各位老师的帮助与指导 衷心感谢王金昌副教授、彭勇副教授、王福建副教授、杨仲轩副教授、梅振宇博 士和吴珂博士的耐心指导与热情帮助，各位老师严谨的科研作风、忘我的工作精 神以及对科学孜孜不倦地追求给我留下了深刻印象，无形中也影响着我为人、做 学问的态度。 感谢魏晓东、叶冬明、张其践、李永永、王新飞、杜倩倩等同窗和诸位师弟 师妹们，在实验室的朝夕相处中，我们可以就学术、理想、生活及人生等诸多问 题畅所欲言，尽情交流，如此和谐、融洽的研究氛围和愉快的生活经历将是我一 生中永不褪色的回忆。别离之际，谨向这些朝夕相伴的诸位同学致意。 还要特别感谢室友王勇鑫、孙增亮、沙德翔、李季隆、朱磊、富强一直以来 对我的包容、关心和帮助，你们的出现让我的人生更加绚烂多彩，在此一并表示 感谢。 最后，感谢我最亲爱的家人，无论何时你们总在我的身边，给予我无私的关 怀和支持。 感谢所有在学习和生活中给予关心和帮助的老师、同学和朋友! 于伟达 2 0 1 0 年5 月于浙大紫金港 摘要 在我国公路隧道的大规模建设中，公路隧道的病害问题比较严重。隧道二衬 开裂是目前隧道工程中经常出现的病害，严重影响工程质量和交通安全。本文依 托某高速公路隧道衬砌裂缝监测项目，采用长期现场数据监测、二衬开裂有限元 数值模拟及模糊神经网络评价模型相结合的方式，对公路隧道运营阶段二次衬砌 开裂进行安全性评价，取得成果如下： l 、依托浙江某高速公路隧道衬砌裂缝监测项目，以隧道衬砌裂缝相关理论 和工程实践为基础，对隧道开裂展开实地调查，考虑地质条件、气候条件、支护 形式等影响因素进行监测数据的管理、统计分析，内容包括裂缝形态、种类及分 布等。 2 、根据隧道实测数据，建立基于弹簧接触的隧道复合衬砌有限元计算模型， 针对衬砌开裂各种不同影响因素，展开衬砌开裂数值模拟研究，探索衬砌内部应 力及裂纹应力强度因子变化规律，提出裂缝安全评价标准。 3 、借鉴现阶段桥梁、汽车，航空等领域结构安全评估的已经有成果，概述 现有安全评估方法，比较其优缺点，选用模糊神经网络技术作为隧道衬砌裂缝安 全评估的方法。 4 、根据衬砌裂缝安全判定标准，建立模糊神经网络的安全评价模型，将裂 缝监测数据作为样本输入模型进行模糊评价，得出隧道衬砌裂缝的安全评价结 果。 5 、在总结和研究当前国内外健康监测以及安全评估技术的基础上，依据工 程实际开发隧道健康监测评估系统软件，管理监测隧道的各种数据资料，进行数 据处理分析，并对隧道衬砌结构的安全性进行探索和评估。 关键词：模糊神经网络，健康监测系统，衬砌裂缝，温度应力，应力强度因 子，安全评价，有限元，数据库 i i a b s t r a c t w i t l lt h el a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o no fh i g h w a yt u n n e li nc h i n a ，t h ep r o b l e mo f h i g h w a yt u n n e ld i s e a s ei sq u i t es e r i o u s s e c o n dl i n i n go ft u n n e lc r a c k si so n eo ft h e m o s tf r e q u e n td i s e a s e si nt h eh i g h w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o n ，w h i c ha d v e r s e l yi m p a c t s t h ep r o j e c tq u a l i t ya sw e l la st r a f f i cs a f e t y b yb o r r o w i n gd a t af r o mt h eh i g h w a y t u n n e ls a f e t ym o n i t o r i n gp r o j e c ti nz h e j i a n gp r o v i n c e ，t h et h e s i sa d o p t sl o n g - t e r m o n - s i t em o n i t o r i n gd a t a ，c o n d u c t st h es e c o n dl i n i n go ft u n n e lc r a c k sf i n i t ee l e m e n t m o d e l i n g ，r e s o l v e st oa s s e s s m e n tm o d e l i n gb a s e do nf u z z yn e u r a ln e t w o r k s ，a n dt h e n e v a l u a t e st h es a f e t yo ft h es e c o n dl i n i n go ft u n n e lc r a c k so c c u r r e do nt h es t a g eo f t u n n e lo p e r a t i o n t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h er e s e a r c hs t u d i e st u n n e lc r a c k sb yb o r r o w i n gd a t af r o mz h u y o n g h i g h w a y t u n n e ls a f e t ym o n i t o r i n gp r o j e c ta n db a s i n go nt h et h e o r i e so ft u n n e ll i n i n gc r a c k sa n d e x i s t i n gp r o j e c t s t h i si n c l u d e st h ep a t t e r n s 、t y p e sa n dd i s t r i b u t i o n so fl i n i n gc r a c k s ， a n dt a k e si n t oc o n s i d e r a t i o n m a n a g i n g a n d a n a l y z i n gm o n i t o r i n g d a t ai n c i r c u m s t a n c e so fv a r i e dg e o l o g i e sa n ds u p p o r t i n gp a t t e r n s ，e t c 2 af i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs p r i n g - c o n t a c tt u n n e li n c o m p l e xl i n i n g i s e s t a b l i s h e db yu s i n gd a t af r o mm o n i t o r e dt u n n e l sa n di su s e dt oa n a l y z ev a r i e dl i n i n g c r a c k i n gr e a s o n sa n dd i s c o v e rt h er u l e so fs t r e s s i n t e n s i t yf a c t o rc h a n g e si n t e r n a l l y a n de x t e m a l l y , a n dp u tf o r w a r dt h ee v a l u a t i o ns t a n d a r d sf o r t h es a f e t yo fc r a c k s 3 h a v i n gb o r r o w e dt h es t u d i e so fs a f e t ya s s e s s m e n ti nt h ef i e l d so fb r i d g i n g ， m o t o rv e h i c l e sa n da v i a t i o na sw e l la sc o m p a r i n gt h ec u r r e n ta s s e s s m e n tm e t h o d s ，t h i s r e s e a r c hs e l e c t sf u z z yn e u r a ln e t w o r k sa st h em e t h o dt oe v a l u a t et h es a f e t yo ft u n n e l l i n i n gc r a c k s 4 a c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d so fa s s e s s i n gt h es a f e t yo fl i n i n gc r a c k s ，t h er e s e a r c h s e t su pa na s s e s s m e n tm o d e lo nt h eb a s i so ff u z z yn e u r a ln e t w o r k s ，a n dt h e ni m p o r t s t h ed a t ac o l l e c t e do ns i t ea ss a m p l et om a k eaf u z z ya s s e s s m e n tf r o mw h i c ht h e a s s e s s m e n tr e s u l ti sd r a w na b o u tt h es a f e t yo ft u n n e ll i n i n gc r a c k s 5 b ys u m m a r i z i n ga n ds t u d y i n gt h ec u r r e n tt e c h n o l o g yo fh e a l t hm o n i t o r i n ga n d i i i a s s e s s i n gh o m ea n da b r o a d ，t h er e s e a r c ha n a l y z e sd a t ab ye m p l o y i n gt h eh e a l t h m o n i t o r i n gs o f t w a r eo ft h ea c t u a lp r o j e c ta sw e l la sm a n a g i n gv a r i e dr e a l t i m e m o n i t o r i n gd a t ac o l l e c t e d ，a n dm a k e saf i n a la s s e s s m e n tw h i c hi su s e da sr e f e r e n c ef o r c o n d u c t i n gt u n n e ls e c u r i t ym o n i t o ra sw d la sp r e v e n t i n gl i n i n gc r a c k s k e yw o r d s ：f u z z yn e u r a ln e t w o r k s ( f n n ) ，h e a l t h ym o n i t o r i n gs y s t e m s ， l i n i n gc r a c k s ，t e m p e r a t u r es t r e s s ，s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r s ，s a f e t ya s s e s s m e n t ，f e m ， d a t a b a s e i v 目录 j 目t 谢i 摘 要 a b s t r a c t i i i 目 录i 1j 学论1 1 1 课题研究背景1 1 2 国内外研究现状及进展2 1 2 1 隧道裂缝病害研究现状2 1 2 2 隧道病害安全评价研究现状4 1 3 依托项目情况。5 1 4 本文主要研究内容7 2 隧道衬砌开裂成因及安全性评价综述8 2 1 隧道衬砌开裂原因分析8 2 1 1 衬砌外力作用8 2 1 2 衬砌材质劣化9 2 1 3 施工工艺影响9 2 2 隧道安全性评价概述9 2 2 1 安全性评价的内容9 2 2 2 安全性评价目的1 0 2 2 3 安全评价过程1 1 2 3 现有安全性评价方法1 1 2 3 1 层次分析法( a h p ) 1 2 2 3 2 模糊综合评判法1 2 2 3 3 灰色系统评价方法1 3 2 3 4 专家系统评价方法1 4 2 3 5 安全性评价方法的发展趋势1 5 2 4 本章小结1 6 3 已开裂二次衬砌数值模拟一1 7 3 1 引言1 7 3 2 断裂力学理论1 7 3 2 1 应力强度因子理论1 7 3 2 2k 准则和断裂韧度k i c 一2 0 3 2 3 应力强度因子计算方法2 1 3 3 有限元计算模型2 l 3 3 1a b a q u s 有限元软件介绍2 l 3 3 2 计算模型及相关参数2 2 3 4 裂纹深度及温度对衬砌结构的安全性影响分析2 4 3 4 1 对称荷载条件下初始裂纹位于拱顶2 4 3 4 2 对称荷载条件下初始裂纹位于拱腰2 8 3 4 3 偏载条件下初始裂纹位于拱顶3 l 3 4 4 偏载条件下初始裂纹位于拱腰3 6 3 5 带裂纹结构安金性评价4 0 3 6 本章小结4 2 4 模糊理论与人工神经网络技术4 4 4 1 模糊理论4 4 4 1 1 模糊集合4 4 4 1 2 隶属度函数的确定4 5 4 1 3 模糊集合的基本运算4 6 4 2 人工神经网络4 6 4 2 1 神经元模型4 7 4 2 2 神经网络模型4 8 4 2 3 神经网络的特点4 8 4 3 模糊理论与人工神经网络的结合4 9 4 4 本章小结5 1 i i 5 基于模糊神经网络的公路隧道衬砌结构安全评价。5 2 5 1 引言5 2 5 2 衬砌裂缝评价指标的判定标准5 2 5 2 1 衬砌裂缝定性判定标准5 2 5 2 2 衬砌裂缝宽度和长度的判定标准5 3 5 2 3 衬砌裂缝深度的判定标准5 4 5 3 神经网络评价模型5 6 5 3 1 模糊神经网络的结构设计5 6 5 3 2 隶属度函数的确定5 7 5 3 3 模型神经网络模型的推理计算过程5 9 5 3 4 神经网络的学习过程6 l 5 3 5 训练样本的生成6 l 5 4 隧道监测数据分析与评价6 3 5 5 本章小结6 9 6 隧道健康监测评估系统的软件开发。7 0 6 1 软件系统的需求分析7 0 6 2 软件系统结构设计7 0 6 2 1 系统设计目标7 0 6 2 2 系统结构设计7 1 6 2 3 系统程序开发7 2 6 3 数据库设计7 3 6 4 软件系统的界面设计7 6 6 5 本章小结7 8 7 结论与展望7 9 7 1 本文的主要工作和结论7 9 7 2 展望。8 0 参考文献8 1 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景 随着我国国民经济实力的不断增强，交通运输业得到了空前的迅猛发展。根 据“7 9 1 8 ”高速公路网规划，在“十一五”期间，我国将重点建设“五射两纵七 横”共1 4 条路线，到2 0 1 0 年，基本建成西部开发8 条省际公路通道。东部地区 基本形成高速公路网，长江三角洲、珠江三角洲和京津冀地区形成较完善的城际 高速公路网络；中部地区基本建成比较完善的干线公路网线，承东启西、连南接 北的高速公路通道基本贯通；西部地区公路建设取得突破性进展，实现内引外联、 通江达海。到2 0 2 0 年，我国高速公路通车里程将达到1 0 万公里左右，基本建成 国家高速公路网。 随着我国公路建设事业的迅速发展，公路隧道因其在改善路线线形、缩短里 程和行车时间、提高运营效益以及减少占地面积等方面发挥重要作用，被作为公 路工程建设中的一个重要结构物，得到广泛的应用。 近年来，我国的隧道建设已达到世界先进水平，据2 0 0 3 年统计，我国拥有 9 0 0 0 多座铁道、公路隧道，总长度约4 6 0 0 多公里，居世界第一，其中，现有铁 路隧道6 8 0 0 余座，总长度3 6 0 0 多公里，公路隧道2 1 0 0 余座，总长度达1 0 0 0 余 公里，我国已成为世界上隧道和地下工程最多、最复杂、发展最快的国家。 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很容易出现各种各样的病害，部分隧道甚 至在使用的开始几年就出现了比较严重的隧道病害，如衬砌裂损、隧道渗漏水、 基底下沉和底鼓等【。据铁道部资料统计，我国运营铁路隧道的6 0 以上存在不 同程度的病害，1 9 9 9 年统计结果表明铁路运营隧道失格率为6 5 2 ，2 0 0 0 年隧 道失格率为6 5 7 。一部分隧道的病害还相当严重，甚至已经危及到行车安全。 如2 0 0 0 年9 月兴安岭隧道出现的衬砌掉块和2 0 0 1 年1 0 月达成铁路出现的大范 围衬砌掉块以及2 0 0 1 年1 2 月宝中线清凉山隧道衬砌掉块都险些造成严重的行车 事故【2 1 。 隧道衬砌裂损病害主要表现为衬砌的变形、开裂和错台。而衬砌一旦开裂， 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 不但不易修缮，影响隧道正常运营，而且造成隧道衬砌和各种通风、照明和消防 等设备的腐蚀损坏；衬砌裂损使隧道结构的稳定性造成不同程度的破坏，使衬砌 的有效厚度减薄，安全可靠性降低，随着病害的持续发展，最终导致衬砌结构失 稳破坏，严重危及行车安全。目前隧道衬砌开裂几乎成为公路隧道的通病，成为 隧道病害预防和治理的难点，因此针对公路隧道衬砌裂缝展开安全评价研究，评 估裂缝病害可能引发的后果，探索隧道裂缝防治对策，对提高公路隧道交通安全 性能，消除事故隐患，具有重要的现实意义【3 1 。 1 2 国内外研究现状及进展 隧道衬砌裂损直接影响隧道正常安全运营，是隧道病害中最为普遍和突出的 问题。2 0 世纪初以来，国内外的学者针对衬砌裂损病害，从其形成机制理论、 预测方法、治理措施等诸多方面进行了广泛深入的研究。 1 2 1 隧道裂缝病害研究现状 隧道衬砌开裂时，衬砌结构的承载特征和安全性是研究人员所关心的问题， 也是隧道安全评价的核心内容，还关系到隧道健康诊断和加固、维修的工程参考 依据。 近年来，国外对纤维混凝土在隧道衬砌抗裂中的应用研究较多。b e r n a r d i n o c h i a i a ，a l e s s a n d r opf a n t i l l i 建立了隧道纤维钢筋混凝土衬砌的评价模型【4 1 ，利用 这一模型可以相对准确的预测裂缝产生的宽度、间距和深度。 j a r i c h a r d s 5 1 认为公路隧道衬砌由于开裂和变形而劣化的原因主要是：衬砌 围岩压力过大，衬砌混凝土材料劣化和衬砌后接触非密实甚至在衬砌背后出现空 洞。从调查资料来看，大约6 0 的隧道衬砌劣化原因是衬砌后接触条件的恶化导 致的。 h ew e i 和w uz h i s h e n 6 1 建立抛物线软土隧道受压计算模型，提出受压断裂 能的概念，用来解释变形隧道的受压失效机理。结果表明，混凝土抗压强度对隧 道的结构变形行为和承载能力影响很大。 n a n a k o m p 和h o r i i h 【7 1 基于断裂力学理论对钢纤维混凝土隧道衬砌设计进 行了研究，认为衬砌裂缝的长度受最大荷载和纤维的材料特性影响，而现有设计 2 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 方法没有考虑纤维材料特性对裂缝的影响，应该对纤维质量进行控制。提出对现 有设计方法加入考虑不同的衬砌厚度、纤维抗拉强度和体积率的改进建议。 w o n j p 和p a r k c g 【8 】对人工纤维混凝土用作隧道衬砌进行了研究分析，实 验表明纤维混凝土能够明显改善混凝土衬砌的性能。通过改变人工纤维的混合比 例，0 5 的掺量就能够提高混凝土衬砌的抗裂缝性能。人工纤维掺量达2 时， 抗压强度达到最大，并对耐火性能也进行了研究，纤维混凝土的可以显著减少隧 道火灾时混凝土衬砌的剥落可能。 s i n g hb h a w a n i 和g o e l ，r k t 9 】认为衬砌厚度不足和衬砌后空洞的存在对隧道 衬砌结构的承载特性有不可忽略的影响，并进行了模型试验，研究了不同荷载状 态下衬砌厚度、背后空洞与衬砌承载力之间的关系。 国内在隧道衬砌开裂的研究上也取得了丰硕成果。蒲春平【1 0 】推导隧道温度应 力的计算公式，给出由温度应力引起的裂缝间距和宽度的计算公式，得出温差和 混凝土的膨胀系数对温度应力的影响呈线性关系，以温差影响最为显著，由温度 应力产生的裂缝分布一般沿隧道环形方向，并间距相等。戴成元】探讨了隧道混 凝土衬砌开裂原因，应用断裂力学应力强度因子开裂准则研究了裂缝扩展规律， 得出衬砌开裂主要原因是混凝土干缩与温度变化。郑国江【屹】建立有限元模型对衬 砌裂缝的形成进行模拟分析，并针对病害程度，按分类治理的原则，提出了相应 的整治措施。宋瑞刚【1 3 】基于地层结构方法，采用平面弹塑性模型，对i v 级围岩 条件下衬砌背后存在空洞的情况做了数值模拟，得出不同位置、不同大小的空洞 以及空洞群对结构各截面安全影响的系统认识，明确提出衬砌结构与围岩结合的 不紧密性是恶化衬砌受力，造成围岩松动、进而造成衬砌裂损的重要原因。张玉 军【1 4 】以平面有限元位移法分析了带裂纹隧道二次衬砌裂纹尖端的应力强度因子 及衬砌承载安全系数，其中主要考虑了裂纹深度、宽度及条数的影响。从计算结 果得知，随着裂纹深度、条数的增加，应力强度因子增大，衬砌承载安全系数减 小，而裂纹宽度的影响不太明显。潘洪科【”】结合隧道监测数据与实际地质情况， 对裂缝产生原因及其发展变化从力学角度进行正、反演分析和归纳，分析隧道某 断面二次衬砌内力状况，进行强度校核以解释其裂缝成因，得出隧道衬砌产生裂 缝的主要原因是存在较大偏压。冯晓燕【l6 】用断裂力学理论和平面有限元法对带有 裂缝拱墙二次衬砌混凝土上的隧道稳定性进行了定量分析，计算出隧道二次衬砌 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 上裂纹深度、宽度和条数不同时，其应力强度因子和结构承载能力安全性的变化 规律。 刘海京【 】根据隧道病害现状，提出基于隧道健康诊断和结构计算模型的隧道 病害分类方法和参数量化方法，利用荷载结构方法建立衬砌裂缝、材料劣化、 厚度不足、背后空洞四类病害的简化力学模型，对隧道病害结构力学做了初步研 究，提出基于地层结构方法的背后空洞、衬砌厚度不足、材料劣化等隧道病害 计算模型，分析了衬砌病害参数对结构安全性的影响规律。 吴江滨【1 8 1 根据轴比理论和调和孔的概念，提出隧道衬砌后空洞的最终稳定状 态形状在横断面上为椭圆，并根据几何关系及力学稳定性分析，推导出空洞的其 他相关参数口，a l ，a 2 以及空洞环向尺寸的计算公式，结合复变函数理论 在弹性力学中的应用，确定半圆拱直墙洞形开挖后围岩的二次应力状态、三次应 力状态。在考虑隧道“时空效应”或“开挖面效应”的前提下，推导出隧道衬砌 与围岩的变形协调方程。 国内外关于隧道衬砌开裂研究进展表明【3 1 ，隧道围岩偏压及不均匀沉降是导 致衬砌出现裂缝的直接外部原因，而混凝土温度应力的不均匀释放则是导致衬砌 出现裂缝的内部原因。 1 2 2 隧道病害安全评价研究现状 日本铁路隧道【1 9 】利用健全度指标将隧道的安全等级分为a 、b 、c 、s 四级， 并按照隧道总体检查和个别检查方法，对劣化、渗漏水、剥落、开裂错动等病害 制定了健全度判定基准；日本公路隧道利用健全度指标将隧道划分为3 a 、2 a 、 a 、b 四个安全等级，根据经验将病害分为外力、材料劣化、渗漏水病害，分别 提出了外力崩塌、变形、开裂剥落、错台，开裂的变形判断基准。 德国隧道设计、施工与养护规范( d s 8 5 3 ) 中的人工建筑物的监控和检查规 范规定【2 0 1 ，对隧道要进行定期检查，内容包括隧道所有部位及所属设备，以判 断隧道的安全、运营和工作状态。由检查者做出评价，用损坏数码1 、2 、3 作为 评价的尺度。检查规范仅对单个缺陷进行了判定，对各种缺陷的检测结果，并没 有综合判定的标准。 美国公路和铁路交通隧道检查手册【2 1 】中，给出了隧道的检测方法和程序。 4 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 将一些隧道缺陷分为轻度、中度和严重三个等级，给出了定量的判定标准。建立 隧道结构状态分级标准，将隧道结构单元的状态分为0 到9 共十级，该分级方法 是一种定性和定量相结合的隧道健康状态判定标准。 我国公路隧道养护技术规刘2 2 1 ( j t gh 1 2 2 0 0 3 ) 将公路隧道土建结构检查 方式分为病害日常检查、定期检查、特别检查和专项检查，规定了检查的程序和 方法，将专项检查病害调查分为外力、材料劣化、渗漏水病害3 大类，并给出了 隧道衬砌变形速度、裂缝长度与宽度以及发展速率、起层和剥落、衬砌断面强度 降低、钢材腐蚀、隧道渗漏水6 小类病害的判定标准，按严重程度将病害分为b 、 a 、2 a 、3 a 四个安全等级。 国内外的学者对隧道病害情况展开大量的调查研究，并展开安全评价工作。 a k i r ai n o k u m a 和s h i g e r oi i l a n o 2 3 】对日本公路隧道病害情况进行了统计分析，其 中约6 0 公路隧道存在各种各样的病害，渗漏水约占2 4 ，在病害隧道中2 1 9 存在渗漏水情况，小的滴漏也占了3 6 8 。各种公路隧道病害中，衬砌开裂最多， 其次是错台，施工缝张开，剥落等。运营时间达到3 0 年的公路隧道中仅仅只有 1 0 不存在病害。 罗鑫 2 4 】对国内外隧道病害分级现状进行了研究，对衬砌裂缝，渗漏水，衬砌 剥落，衬砌材质劣化等病害的分级方法进行了详细的分析，指出了还需进一步分 析的问题。 根据目前研究进展可知，隧道衬砌结构的安全性是研究者普遍关注的重点问 题，对于公路隧道衬砌结构状态的评定，目前已有的评估方法基本上是基于工程 经验与定性分析相结合基础之上的，而且评价指标也多侧重于一些表观现象。随 着技术的进步，仅仅采用这些比较初步的评价指标对隧道衬砌状态进行评估显然 已经不能满足目前的使用和养护要求。 1 3 依托项目情况 本文结合浙江某高速公路隧道衬砌裂缝调查与治理项目开展研究( 图1 1 ) 。 以国内外隧道监测、评估的相关理论、技术为基础，研究隧道衬砌裂缝的力学特 性，研究并开发了基于模糊神经网络的隧道健康监测评估系统。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 磬j影甏灞 ( d ) 图1 1 隧道监测现场 论文研究的高速公路隧道工程按交通部颁公路工程技术标准( j t j 0 0 1 9 7 ) 中的双向四车道高速公路标准设计，路基宽2 4 5m 。受各种因素的影响，其中马 坞隧道、球庄隧道、枫树头隧道、里岭隧道、杨家隧道、云腾岭隧道出现不同程 度的二次衬砌开裂现象，笔者参与对上述6 座隧道进行近2 年的裂缝调查和监测 工作，在此基础上开展本文相关研究。 6 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 本文主要研究内容 隧道衬砌结构是隧道交通运输使用性能的载体，其安全性是隧道安全运营的 前提和基础。建立合理的隧道健康诊断计算模型，采用合理可用的安全性评价方 法，对于正确评价隧道衬砌结构安全状态、评估隧道的健康状况以及为隧道维修、 加固措施提供工程依据都具有重要意义。本文结合浙江某高速公路隧道衬砌裂缝 监测项目，采用长期现场数据监测、二衬开裂有限元数值模拟及模糊神经网络评 价模型相结合的方式，对公路隧道运营阶段二衬开裂展开安全性评价研究，研究 内容如下： 1 以隧道衬砌裂缝研究理论和工程实践为基础，对隧道开裂展开调查，内 容包括裂缝形态、种类及分布等，考虑不同地质条件、支护形式等方面的影响进 行裂缝监测数据的管理、统计分析工作。 2 根据隧道实际监测数据，建立隧道复合衬砌有限元计算模型，针对衬砌开 裂各种不同影响因素，研究不同围岩荷载、不同降温条件下衬砌内部应力及裂纹 应力强度因子变化规律，在公路隧道养护技术规范的相关规定基础上提出裂缝安 全评价标准。 3 借鉴现阶段桥梁、汽车，航空等领域安全性评估的已经有成果，概述现有 评估方法，比较其优缺点，选用科学、合理的评估方法隧道衬砌裂缝安全评估的 方法。 4 利用m a t l a b 软件，建立衬砌裂缝评估计算模型，将量测数据作为样本 输入模型进行评估，得出隧道衬砌裂缝的安金评价结果。 5 开发隧道健康监测评估系统软件，管理监测隧道的各种数据资料，进行 数据处理分析，并对隧道衬砌结构的安全性做出评估，提出专家建议，为隧道维 修、加固措施提供工程依据。 浙江大学硕士学位论文第2 章隧道衬砌开裂成因及安全性评价综述 2 隧道衬砌开裂成因及安全性评价综述 2 1 隧道衬砌开裂原因分析 公路隧道衬砌混凝土裂缝产生的原因很多【2 5 1 ，有隧道围岩变形引起的裂缝； 有温度变化、收缩、膨胀、不均匀沉陷等原因引起的裂缝；有外力荷载作用引起 的裂缝；有施工处理不当引起的施工缝、混凝土徐变造成的裂缝；有养护环境不 当和化学作用引起的裂缝等等。在实际工程中要区别对待，根据实际情况解决问 题。 2 1 1 衬砌外力作用 地质不良地段容易产生围岩坍塌，使地层压力增大或造成偏压。隧道围岩偏 压【3 】是导致衬砌出现裂缝直接外部原因。产生偏压的情况有多种。有地形上的、 地质上的，其它因素如：地面挖方、坡面坍塌以及水位上升或急剧降低等也会形 成偏压。 混凝土是抗压性能远高于抗拉性能的材料，能抵抗温度上升时的压应力，却 难以抵抗降温时的拉应力。一般混凝土能承受的温降为7 i o 。c ，所以常能在隧 道轴线方向看见环向裂缝。温度应力是由于隧道衬砌混凝土的干缩与温缩变形受 到约束而产生的。隧道衬砌在施工时由于水泥在水化过程中产生大量的热量，使 得混凝土表面与内部呈现一种梯度温差从而形成温度应力，当这种应力超出混凝 土本身的内外部约束力时就会产生温度裂缝。在隧道运营期间，随着环境温度的 变化，混凝土内部和表面形成温差而产生应力，当温度应力超过混凝土内外的约 束力，也会产生温度裂缝。 干缩裂缝是由于混凝土在硬化过程中水分逐渐蒸发散失，使得水泥石中的凝 结胶体因发生收缩而产生变形，这种变形由于受到围岩和模板的约束而产生应 力，当应力大于混凝土的抗拉强度时而产生的一种裂缝。这种裂缝大多呈现为表 面性的，走向没有规律，影响隧道的外观质量。 浙江大学硕士学位论文第2 章隧道衬砌开裂成因及安全性评价综述 2 1 2 衬砌材质劣化 衬砌混凝土随时间而发展的劣化，主要是混凝土碳化，混凝土碳化会损伤混 凝土的密实性，从而降低其强度，从而可能产生裂缝。衬砌背后的地下水，有时 含有对衬砌有害的成份，特别是其呈酸性时，也是衬砌劣化的原因之一。 2 1 3 施工工艺影响 施工不当对隧道衬砌裂缝的影响在施工过程中的表现是多种多样的。在混凝 土施工过程中，不振捣或发生漏振，造成混凝土均匀性差而产生裂缝；追求施工 进度，缩短脱模时间，使得低强度混凝土过早地承受荷载，从而破坏了混凝土结 构而产生裂缝，脱模后没有及时进行混凝土的潮湿养护工作也会造成裂缝。 施工过程中由于停电、机械故障等原因造成混凝土浇筑中断时间超过混凝土 的初凝时间，而没有进行凿毛处理，接缝处没有设置连接筋，或者没有铺水泥砂 浆垫层，就在原混凝土表面浇筑混凝土，致使新旧混凝土接茬间出现裂缝。 在施工时，如果对仰拱和边墙基础部位的虚渣清理不彻底，在混凝土浇筑后 会因基底产生不均匀沉降而出现沉降裂缝；对连拱隧道来说，当中隔墙混凝土浇 筑后开挖主洞时，初期支护与中隔墙顶之间的虚渣或空洞处理不彻底时，也极易 出现沉降裂缝。 2 2 隧道安全性评价概述 建立隧道安全性评价方法，正确评价隧道结构的安全状况，制定有效、经济 合理的加固措施，对确保道路交通安全运营有着重要的理论和现实意义，同时也 是一项紧迫而重要的研究课题。通过隧道衬砌安全评价工作，可将采集到的信息 过滤、分解、综合、分析，然后反馈给相关使用者，以便采取合理、高效、低成 本的管理及维护措施，隧道衬砌裂缝安全评价是实现隧道结构科学管理及维修养 护的重要前提条件。 2 2 1 安全性评价的内容 由于地层压力、温度应力和收缩应力作用、围岩膨胀性或冻胀性作用、腐蚀 9 浙江大学硕士学位论文第2 章隧道衬砌开裂成因及安全性评价综述 性介质作用、施工中人为因素的影响等，隧道衬砌结构物会产生裂缝。隧道衬砌 裂缝一般是指隧道二次衬砌混凝土表面的可见裂缝，它是二次衬砌混凝土中的不 连续面，这些薄弱部位是引起混凝土破坏的主要原因。衬砌裂缝对隧道衬砌结构 的稳定性影响比较复杂，它涉及到裂缝位置、长度、宽度、深度、密度、方向等 诸多方面。 衬砌裂缝的长度和宽度直接反映了衬砌裂缝的状态，是目前分析裂缝时最常 用的指标之一。对于衬砌裂缝的深度，以往是采用钻孔取样的方法获取，但由于 破坏衬砌结构，产生新的薄弱部位，多不采用。目前超声波无损检测方法已应用 于衬砌裂缝的检测，该方法简单易用，探测精度也随着技术的进步有了较大程度 的提高。 隧道衬砌结构的评价就是针对具体的隧道，通过对衬砌裂缝长期的持续观 测，考虑包括裂缝长度、宽度、深度、密度、方向及观测温度等要素，根据地质 条件、气候条件和观测数据等信息给出当前结构安全程度定量或定性的结论，以 避免隧道在日常使用中发生灾难性的后果。 2 2 2 安全性评价目的 通过对公路隧道衬砌开裂原因进行系统分析，建立公路隧道二衬开裂判定的 指标体系和相应的判定标准，然后利用模糊神经网络的安全性评价方法，实现对 公路隧道健康状态的定量诊断，最后采用数据库技术和模糊神经网络的计算评价 模型建立公路隧道健康监测评估系统，为公路隧道的管理和养护提供行之有效的 决策支撑工具。 隧道衬砌结构的安全性评价，是正确选定衬砌裂缝病害维修、加固方案的前 提。它对未来的工程管理、投资方案、维修加固、规划设计等都具有十分重要的 意义，是一项具有明显的技术意义和经济意义的课题。国内外的学者对此展开了 大量的研究工作，我国也在积极开展这方面的研究工作，但与世界先进水平相比， 我国目前的工作尚存在一定差距，主要表现在：评价理论还不够先进；评价体系 还不够健全；评价方法还有待完善。急需要广大科技工作者的辛勤努力，不断地 去改进和提高。 l o 浙江大学硕士学位论文第2 章隧道衬砌开裂成因及安全性评价综述 2 2 3 安全评价过程 隧道衬砌裂缝评价过程一般可分为数据观测、分析评价和决策三部分，基本 过程如图2 1 所示，其需要大量的相关信息，包括隧道地质条件、气候条件、设 计施工文件、以往隧道衬砌维修加固资料、各类试验资料，根据所搜集到的信息， 选择适当的分析方法，就可对隧道结构的安全性进行分析并做出决策。从图2 1 中的循环部分可以看出，隧道安全评价是一个由浅入深、循序渐进的过程。在开 始评价时，通常采用容易收集到的数据，借助简单适用的评价方法，以便获得初 评结果。若对初评结果不满意，或需要更进一步分析，则需通过长期的数据观测 和调查，或选用更先进、复杂的分析模型，对衬砌结构进行再评价【2 6 1 。 2 3 现有安全性评价方法 图2 1 隧道评价基本过程 隧道结构物安全性评价的目的是试图用严谨的分析方法和较为理想的数学 模型，得出隧道结构确切的使用性能和安全状况。目前，对隧道结构进行准确合 理的安全评价仍是一大难题，多年来，国内外的隧道工程研究人员一直致力于解 决这个问题，他们在实践和研究中提出了多种隧道安全性评价方、法【2 7 1 。