隧道全寿命周期结构安全风险性研究模型探析

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1、隧道全寿命周期结构安全风险性研究模型探析　　摘要：在隧道结构可靠度已有研究成果的基础上，抓住隧道结构生命全过程三个阶段的特征进行风险分析，针对现有隧道结构设计、施工、运营过程中存在的问题，将风险和全寿命的理念引入隧道结构中，应用风险评估理论对现有设计方法进行改进，提出了基于风险的隧道结构全寿命风险分析模型。论文根据隧道结构的特点讨论了风险评估的方法和内容，给出了基于风险分析的隧道结构全寿命风险分析模型，并探讨了需进一步研究的问题。关键词：全寿命；隧道结构；风险；分析模型中图分类号:TN753.94文献标识码：A一、研究背景隧道结构具有建造费用高、服役期长、影响因素多等特点，作为地下工

2、程是不可逆工程，不具备拆除重建的条件，因此必须是遗产工程，不允许是遗憾工程和灾害工程。13工程结构的安全性和可靠性问题不仅仅存在于正常使用阶段，也普遍存在于工程结构的整个生命周期，即设计、维护使用和老化各个阶段，因此，需要从结构生命周期的角度对结构的安全性和可靠性进行全面的分析、评价和控制。各种工程结构都有其生命周期，在其服役过程中，由于各种环境、荷载、材料内部因素等的不利影响下工程结构都不可避免地产生累积损伤、抗力衰减、功能退化；同时由于结构的使用期限很长，期间可能出现的各种无法预见的灾害和意外超载情况，也会对工程结构产生损伤。当结构的功能退化和损伤到达一定的程度时，就可能导致工程

3、事故的发生，甚至造成重大灾难，使生命财产受到损失。工程结构在设计、施工、使用过程中存在大量不确定性因素，例如地质条件的不确定性、材料质量的不确定性、构件尺寸、施工水平以及荷载的不确定性等。鉴于隧道的重要性，研究隧道结构随时间变化的风险性分析模型很有必要，可以为隧道的设计、施工及运营管理提供参考依据。二、研究现状1、设计过程中隧道风险性评价现有结构设计规范并没有完全解决工程结构全寿命周期的安全性与可靠性问题。(1)造成这样大差距的原因主要是：1)设计规范侧重于对正常施工条件下结构的安全性与可靠性进行控制；而对结构在施工阶段所面临的各种风险以及与这些风险有关的安全性问题尚缺乏有效的控制措

4、施；2)设计规范是针对在正常使用条件下各种荷载引起的失效；而很少针对一些特殊事件,例如恐怖活动引起的爆炸、火灾等导致的失效；133)设计规范没有充分考虑由于环境因素所引起的材料性能劣化的影响。设计过程中对各种荷载和作用估计不足、对结构性能缺乏充分的理解、过低的强度储备、建筑材料性能的劣化是导致结构失效的主要原因。(2)隧道结构可靠度指标随设计基准期的变化可分为三个阶段[1][2]:1)0～30年，混凝土强度先提高后降低，钢筋没有锈蚀，混凝土强度对可靠性指标的影响大于时变荷载的影响，可靠度指标不变；2)30～60年，随着混凝土强度的降低，时变荷载对可靠度指标的影响成为主要影响因素，可靠

5、度指标缓慢减小；3)60～100年，钢筋锈蚀成为可靠度指标的主要影响因素，可靠度指标快速减小。图1拟建隧道可靠度指标在设计基准期的变化趋势按现行规范进行设计，在设计阶段，无法判断围岩与支护结构在施工开挖和支护后的稳定性问题，只能通过施工中的监控量测，如喷射混凝土是否出现裂缝及其开展情况、洞周相对收敛值和拱顶下沉等数据和现象进行经验上的判断，而且，这些都属于事后判断，往往还未来得及采取工程措施，围岩或支护结构就已经失稳或破坏，有时，即使成功地进行了加强支护，可是发生的补救费用却很高。132、施工过程中隧道风险性评价在结构施工建造期，由于结构还未形成整体的受力骨架、混凝土尚未达到设计龄期

6、、施工中的荷载作用与结构使用期的设计荷载作用有显著差别等因素，结构往往表现出较高的失效概率；施工期是工程材料从“图纸结构”变为现实空间实体的过程，因此，结构的耐久性问题伴随着结构的建造过程在施工期己经产生并潜伏于其中。然而，相比服役期混凝土(硬化后)耐久性的研究,施工期混凝土材料特性的研究滞后。因此，应开展相关研究内容，包括：混凝土材料级配，外加剂，施工条件等因素对混凝土早期性能影响规律；混凝土施工期材料特性与其服役期耐久性能指标之间的关系；不同施工条件和混凝土结硬后暴露条件的耦合影响等[3]。导致施工过程中的质量问题和安全问题的因素大致可归纳为如下几方面：(1)缺乏有效的规范体系保

7、证；(2)施工中的各种统计数据不完备；(3)施工期结构和荷载的时变性；(4)施工中的人为错误；3、运营期结构状态风险性评价13实际过程中，在自然环境、使用环境和材料内部因素的共同作用下，隧道结构的材料性能会随时间劣化，从而导致其抗力不断下降，使结构的可靠度下降，安全风险加大。图3给出了结构抗力和荷载效应随时间的变化过程。图3结构抗力和荷载效应随时间的变化过程与使用期的安全性问题不同，在结构老化期各种构件的承载能力降低，变异性显著增大，而且结构实际承受的荷载