【隧道衬砌排水系统的国内外研究现状文献综述5100字】

隧道衬砌排水系统的国内外研究现状文献综述1.1排水系统量化评估研究排水系统的量化评估工作是定量认识病害与管道系统之间关系的关键。近些年国内外学者在市政排水系统领域[10-17]，对管道及病害的量化评估方面做出大量研究，而隧道衬砌排水系统方面尚处于起步阶段[18-19]。英国水研究中心将刚性排水管道恶化分为结构性和水力条件两种形式，如管道断裂、检查井溢流等，并采用实验或建模工具进行管道功能退化的模拟[10-11]。髙原，王红武等介绍了国外的管道沉积物模型及其中的不足，以及我国管道沉积物来源、构成、性质等[12]。罗同顺等利用模糊综合评判模型，从污水管道的密封性、稳定性和功能性等方面分别考虑了不同缺陷类型的影响，利用层次分析法确定权重，建立了定量化的污水管道缺陷状况评价方法模型[13]。刘亮研究排水管道蛇形起伏缺陷对管道正常功能的影响，并通过等效流量损失的方法评定了起伏缺陷对管道过流能力的影响[14]。张亚琦在城市综合管廊方面的研究中将部分接廊雨污水管处理为重力无压圆管，选取堵塞强度、管道坡度、管径、管壁粗糙系数等因素作为重力流排水管道堵塞物的影响因素，并通过水力学理论计算和FLUNENT仿真模拟的方式评估了堵塞状况与管道过流能力之间的关系[15]。胡晓庆总结了国内已有的市政排水管道评价方法及存在的问题，选取管道埋深、地面交通状况、管材、管龄、管径、水力坡度等6个主要影响因素，提出管道状况评价指数从而确定管道的重要程度，按评估结果划分为重要管道、次要管道、一般管道，并计算了各类管道的缺陷量化值[16]。文碧岚、李树平等利用市政排水管网水力模型，从管道淤积平均断面面积、淤积平均长度、管长、管径、坡度、流量和管道粗糙系数等7个方面分析了各因素对上下游检查井水位的影响，基于水力学提出了水位相对变化指标K值，可判断管道淤积程度[17]。蒋雅君等一方面借鉴市政排水管道检查与评估方法，根据调研结果将隧道衬砌排水系统中出现的缺陷类型划分为结构性缺陷和功能性缺陷，按缺陷的严重性进行打分区分，提出区段的损坏状况参数F和运行状况参数G等两个评价指标并按严重程度递增的方式各自划分4个病害等级[18]。另一方面，初步引入风险管理和可靠度的概念，认为排水行为以模糊不确定性为主，将缺陷与风险相关联，对排水管道单元单个断面进行风险界定、风险辨识和风险评估，提出结构性风险和功能性风险概念，并明确排水管道功能性风险的主要类别，并初步讨论了功能性病害的评估方法[19]。上述工作前半部分的研究对象主要是城镇排水管道，属于市政排水系统的范畴，而后半部分的研究对象则是隧道衬砌排水系统。市政排水系统与隧道衬砌排水系统之间存在共同点，即均是由多段管道组成的网络系统，可用于承担疏排水流的功能，其中雨、污水管等市政排水系统与隧道衬砌排水系统均属于重力型排水系统，强调利用自然地势进行排水；并且根据现有资料和调研结果可以发现，隧道衬砌排水系统内流体的水力特性、管道病害与城镇雨、污水管具有较大的相似性[15,19]。但市政排水系统与隧道衬砌排水系统之间亦存在很多不同。市政排水系统的管径普遍较大，整个排水网络覆盖的地域范围较广，网络复杂程度远超隧道衬砌排水系统网络；同时除雨、污水管道系统外，也存在给、排水管等压力型排水系统，强调通过压力泵体使网络内流体具备实现任何流动方向的可能性[16-17]。从研究方法和结论上来看，上述工作的前半部分着重讨论了内部病害及管道运行状况等量化方面，通过模糊综合评价的相关方法讨论了管道病害、管道运行状况等的类型和影响因素，并借鉴水力学构建二者的量化计算评估模型，但是关于病害的分类、影响因素的提炼、抽象形式的选取等方面的阐述存在冲突，并未形成统一的理论体系。而后半部分则初步引入了管道病害、运行状态评价分级以及风险管理的思想，仍停留在主观定性层面，并无病害、管道功能或状态的抽象认识、假设和量化计算方法，尚不成熟，亟待引入水力学方法构建隧道衬砌排水系统的量化评估体系。1.2隧道衬砌排水系统构造优化研究近些年国内学者为防治隧道衬砌排水系统病害，从多种角度对排水构造进行优化，研究成果主要集中于变更设计理念和实践优化措施两方面。在设计理念方面，陈理建议改变传统三通形式，适当减小或改缓支管与主管间连接位置处夹角，通过减小局部阻力系数的方式降低局部水头损失[20]。冯升认为流程过长导致排水沟内水流流速缓慢、摩阻力增大，建议应减小纵向长距离流程，实现分区分段排水[21]。李正士提出取消拱脚处的三通连接，将一定幅长范围内的纵、环向盲管设置为独立的衬砌排水系统单元[22]。袁博、周书明等结合检查井、清洗措施等，提出了“可维护性衬砌排水系统”的概念[23]。黄骤屹建议设计管道时应充分考虑管道的抗压、抗变形等力学性能及管道内壁粗糙度等材料属性[24]。蒋雅君认为减少排水管道内CO2气体的溢出量可有效抑制结晶析出，提出在管道连接部位设置可拆卸的管道密封件[25-28]。刘士洋、周元辅等提出在排水管道内外设置电机、电刷，在管道淤堵结垢严重时可对管道内部进行机械清理[29]。郭小雄、马伟斌等与叶阳升等均提出可在排水盲管端部设置探测装置，与管道疏通设备搭配使用[30-31]。史彦文，韩常领等提出了具有检修手孔的隧道地下排水管结构，可快速探明衬砌背后排水管内部实况[32]。周伟、黄骤屹等设计出一套排水管道内部堵塞监控系统[33]。肖明清提出设置检查井系统，包括排水盲管检查井、侧沟检查井和中心沟检查井[34]。在措施实践方面，冯升在齐岳山隧道工程中将道路中线下方的中央排水盲沟改为道路两侧的侧式排水明沟，并在侧式排水明沟与纵向排水盲管之间新增纵向排水管道作为雨季备用排水通道，实现雨季流量暴增时的管道分流功能[21]。袁博、周书明设置两种不同类型的检查井沿隧道纵向交错布置，一种用于检查纵向排水盲管，另一种用于检查玻璃钢管排水管、横向泄水管；并引入高压清洗手段实现局部可维护性[23]。蒋雅君以导水管道直接联通拱脚纵向排水盲管-侧沟-中央排水盲沟，由侧沟分担部分中央排水盲沟的疏排压力；并建议在中央排水盲沟、侧沟的表面涂刷疏水涂料，可有效增强两者的疏水及防止结晶附着的能力[25]。肖明清等增设仰拱底部排水系统、泄水管联通侧沟；建议将侧沟位置从填充面以上移至填充面以下，通过横向排水盲管将侧沟与纵向排水盲管和中央排水盲沟联通[34]。王守慧提出用于地铁车站的动态限量排水方法，利用毛细排水管与普通纵向、横向排水盲管搭配使用，缓解泥、砂导致的排水管道淤堵状况[35]。李正士在贵广铁路高天隧道中改传统三通为纵、环向盲管相互分离，以纵向约12m为一个独立系统，令环向盲管与纵向盲管直接下弯45°接入隧道侧沟，将隧道纵向长距离排水分割为段式排水[22]。中铁科研院设计出一种装配式衬砌排水系统，将拱脚纵向排水管、填充层排水盲管、仰拱底部排水盲管和检查井做成可拆卸的预制构件并相互连接，可防止铁路隧道衬砌排水系统结晶[36-44]。上述工作针对隧道衬砌排水系统功能优化和病害防治提出了许多行之有效的思路和具体建议，但是这些思路和建议均是从主观效果上确定其优化的有效性，缺乏量化手段衡量各种措施的具体优化程度，亦无法对比优化措施之间的相对优劣。1.3弹性概念研究“弹性”一词最早起源于希腊语“resiliere”，指弹回、跳回原始位置的意思。弹性概念最初用来描述材料发生弹性形变后可以恢复至原来状态的性质[45]。这一思想于20世纪后半叶用于生态学，主要致力于群体相互作用和生态稳定性理论响应方面的研究[46-47]。1973年，Holling提出将“生态弹性”(Ecologicalresilience)定义为生态系统在不改变其结构时可以吸收的最大干扰等级，他认为具有弹性的生态系统应该能够在受到干扰后快速恢复到平衡状态[48]。随后多年发展的过程中，学者们分别在工程学领域和社会学领域吸收和重新阐述“弹性”概念。一方面，在给排水系统[49-51]、电力系统[52]、交通系统[53]和基础设施[54-56]等工程学领域，倾向于使用“工程弹性”的定义，表征系统在遭遇外部负面干扰时的抵抗、适应并经内在或外在响应恢复初始功能的能力。美国陆军工程研究发展中心认为：弹性是系统通过可信的有效服务、广泛的运行环境和强适应性的重新配置等条件，具备抵抗/吸收干扰和恢复的能力[57-58]。Youn等将工程弹性定义为系统的被动生存率（可靠性）和主动存活率（恢复性）的总和[59]。美国机械工程师协会定义的弹性是指系统在功能丧失后快速恢复功能的能力[60]。Haimes定义弹性为在可接受的降级范围内承受巨大扰动和在合理的时间和成本下进行恢复的能力[61]。另一方面，社会学科亦将弹性概念引入并在社会层面以“社会弹性”的形式加以推广应用。Comfort认为社区弹性是指社区适应现有资源的能力和学习适应新系统、操作条件的技能[62-64]。Holling提出系统存在适应性循环，意味着系统具有自组织能力，即从先验经历中学习、总结和改造等一系列适应性行为，从社会学层面否定增量-效率随时间一直为正比关系的认识，肯定了适应性所代表的系统弹性[65]。Adger定义社会弹性为当社会政治和环境变化时社区对抗外部压力和干扰的能力[66]。Rose将弹性定义为预测风险、限制不利后果并在面对变化时，通过适应性学习得到迅速恢复的能力[67]。Keck等定义社会弹性包括3个维度：应对能力、适应能力和转化能力[68]。Cohen等定义社区弹性是在破坏或危机期间社区正常运作的能力[69]。Pfefferbaum等定义社区弹性是社区成员采取主观集体的外部行动进行补救的能力[70]。王乃玉等针对社区灾害，将其社区弹性解释为社区通过灾难后的剩余功能(健壮性)和功能恢复到灾害前标准(或新的平衡)的速度[71]。上述研究分别阐述了工程弹性和社会弹性在各学科内的定义及内涵，虽尚无统一的表述，但本质上均表达了系统在遭遇外部负面干扰时的抵抗、适应并恢复初始功能的含义。然而目前在隧道工程以及隧道衬砌排水系统的相关研究中尚未引入此类“弹性”的概念，亦未梳理隧道衬砌排水系统的排水功能或排水状态与其存在的病害、相应的优化构造及措施之间是否能由“弹性”概念统一归纳并加以量化，因此亟需讨论隧道衬砌排水系统内是否具备弹性特征，给出排水弹性的确切定义和内涵，探索合适的量化计算和评价方法。参考文献[1]王梦恕.中国铁路、隧道与地下空间发展概况[J].隧道建设,2010(04):351-364.[2]赵勇,田四明.截至2018年底中国铁路隧道情况统计[J].隧道建设(中英文),2019,39(02):324-335.[3]严金秀.中国隧道工程技术发展40年[J].隧道建设(中英文),2019,39(04):537-544.[4]郑波,吴剑,吴晓龙.水压力作用下隧道底部结构裂损机理及其防治[J].铁道工程学报,2017(01):91-96.[5]程刚.铁路隧道典型渗漏病害整治技术[J].工程建设,2017(02):50-52.[6]C.Butscher,H.H.Einstein,P.Huggenberger.Effectsoftunnelingongroundwaterflowandswellingofclay-sulfaterocks[J].WaterResourcesResearch,2011,47(11).[7]中国铁道科学研究院.铁路隧道防排水技术深化研究[R].北京:中国铁道科学研究院,2016.[8]金家康,郭勇,陈少静.铁路隧道接缝防水技术现状分析[J].科技风,2017(04):78.[9]杨其新,蒋雅君,刘东民,盛草樱,叶大为.隧道及地下工程喷膜防水[M].成都:西南交通大学出版社,2010.2.[10]LinmeiNie.Floodinganalysisofurbandrainagesystems[M].DoctiraldissertationofNorwegianUniversityogScienceandTechnology,2003:4-135.[11]DennisParker,Mitchel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