基于结构可靠性隧道衬砌维修效益模型研究

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1、基于结构可靠性隧道衬砌维修效益模型研究　　摘要:通过对隧道病害形成的环境条件和结构条件进行分析,研究病害产生的原因。分析了基于结构可靠性的隧道衬砌的一般模型及改进，对隧道衬砌维修及养护的最佳时机的经济性进行了分析，对隧道维修及养护工作具有一定的指导作用。关键词：隧道;病害;结构可靠度;经济性;模型;维修;养护中图分类号：U45文章编码1.引言随着交通的迅猛发展,20世纪90年代至今,我国建成了为数可观的各类隧道。这批隧道普遍采用新奥法设计施工技术。隧道结构的主流形式是以锚喷支护作为初期支护,以模筑混凝土作为二次永久衬砌的复合衬

2、砌结构。由于设计、施工及地下水长期侵蚀等原因[1],导致这批隧道现已出现不同程度的病害[2]。鉴于隧道尤其是长大隧道结构在线路中的重要性,隧道主体结构病害原因和处治方法及维修时机的选择已成为重要的研究课题。2衬砌维修类型分析8在隧道运营过程中，一般需要对衬砌结构进行维护和维修，不同的维修措施对结构性能和可靠度的影响差别是很大的。日常维护对隧道工程是必须的，但它只是对结构的例行保养，不会改变结构的性能和可靠度，属正常维护范畴。而维修则不同，它可以提高衬砌结构的可靠度或者减缓劣化速度，从而延长结构的使用寿命，从而提高衬砌结构的安全

3、性能。为明确维护和维修对衬砌结构的影响，可以将其分为三类，即日常养护(RoutineMaintenance，简称RM)、预防性维修(PreventiveMaintenance，简称PM)和维修加固(EssentialMaintenance，简称EM)][3]。日常维护RM是设计明确的常规维护维修措施，即结构可靠度定义中的“规定的条件”的正常维护。以上三种维护维修措施有本质的区别，同时也影响隧道全寿命成本的计算。预防性维修PM和维修加固EM对结构性能或可靠指标的影响如图1所示。图.1.预防性维修PM和维修加固EM对结构性能的影响

4、示意图在图.1中，如果不对衬砌结构进行维修加固，该衬砌的使用寿命期为T1。8若在时间T1点对衬砌结构进行维修EM，结构可靠指标P提高。如果不再进行维修加固，则该衬砌的结构性能将在时间T3时达到结构的最低可靠指标。若在T2时点对衬砌结构进行预防性维修PM，结构的可靠指标P并没有因预防性维修PM而提高，但结构性能的劣化速度降低了，结构将在时间T4时达到结构的最低可靠指标，即衬砌结构的使用寿命延长到T4。为了简便起见，可以将预防性维修PM和维修加固EM通称为维修或修复。从上面的分析中可以看出，不管是预防性维修PM还是维修加固EM，主

5、要目的有两个：一是延长衬砌结构的使用寿命：二是降低衬砌结构失效的概率。维修的时点选择非常重要，需要进行综合的技术和经济分析。3.衬砌损坏因素分析8隧道衬砌是承受地层压力、防止围岩变形坍落的工程主体建筑物。地层压力的大小，主要取决于工程地质、水文地质条件和围岩的物理力学特性，同时与施工方法、支护衬砌是否及时和工程质量的好坏等因素有关。由于形变压力作用、松动压力作用、地层沿隧道纵向分布及力学性态的不均匀作用、温度和收缩应力作用、围岩膨胀性或冻胀性压力作用、腐蚀性介质作用、施工中人为因素、运营车辆的循环荷载作用等，使隧道衬砌结构物产

6、生裂缝和变形，统称为隧道衬砌裂损病害。衬砌裂损是隧道病害的主要形式，隧道衬砌裂损破坏了隧道结构的稳定性，降低了衬砌结构的安全可靠性，影响隧道的正常使用，甚至危及行车安全。衬砌裂损变形的主要危害有：①降低衬砌结构对同岩的承载能力；②使隧道净空变小，侵入建筑限界，影响车辆安全通过；③拱部衬砌掉块，影响行车和人身安全；④裂缝漏水，造成洞内设施锈蚀，道床翻浆；⑤铺底和仰拱破损，基床翻浆、线路变形。衬砌背后的腐蚀性环境水，容易沿衬砌的毛细孔、工作缝、变形缝及其他孔洞渗流到衬砌内侧，成为隧道渗漏水，对衬砌混凝土和砌石、灰缝产生物理性或化学

7、性的侵蚀作用，造成衬砌腐蚀。隧道衬砌腐蚀分为物理性侵蚀和化学性腐蚀两类。隧道衬砌腐蚀使混凝土变酥松，强度下降，降低衬砌的承载能力，还会导致钢轨及扣件腐蚀，缩短使用寿命，危及行车安全。产生腐蚀的3个要素：①腐蚀介质的存在；②易腐蚀物质的存在；③地下水的存在且具有活动性。衬砌结构安全性综合评价体系如图2所示。4.衬砌结构维修效益模型隧道的管理，从经济学角度来看，是成本效益分析的问题。隧道结构的成本包括新建工程及养护维修费用，而隧道结构的的效益则指的是结构在设计年限内，使隧道结构的成本最小化、效益最大化，合理安排维修措施和时间隔、降

8、低隧道生命周期（设计基准期）成本，是隧道维修管理的核心问题。从美国及欧洲国家的隧道管理系统实践来看，隧道维修需求的预测和维修方案的选择是隧道管理系统的核心部分，也是决定其水平高低的重要因素。在其中，维修成本效益分析是数学模型问题的关键。(1)Branco&Brito维修模型[