运营隧道结构监测技术以及健康安全评价体系

I11绪论1.1研究背景随着我国城市化进程越来越快，城市建设的快速发展，城市规模持续扩大以及城市人口的聚集增长，许多大城市存在着人口集聚、建筑空间狭小、交通拥挤、城市绿化减少、环境污染加重等诸多问题，其中交通阻塞问题在我国很多城市尤为突出。一方面为了适应经济与社会的发展，必须加强城市集约化程度和提高效率才能；另一方面由于城市建设长足发展，使得城市中心可供利用的地面面积越来越少。要解决城市建设与土地资源短缺的矛盾，从而促进城市的可持续发展和环境保护，合理地开发利用城市地下空间资源，大力发展城市地下交通工程是一条非常有效的解决这些问题的途径。城市地下交通工程不同于高架道路，它不影响城市景观，噪音、震动等环境污染较小。目前地下运行的地铁、交通隧道、各种市政地下隧道等为城市地下交通工程的重要组成部分，对缓解交通拥堵、提高城市效率、提升城市现代化水平发挥着巨大的作用。其中地铁项目的建设在我国日趋广泛，数量和规模都在成倍扩大。目前我国有28个城市有城市轨道交通在建或运营，其中12个城市已有城市轨道交通运营线路，预计到2014年底拥有运营线路达1600公里，比去年增加200多公里。在建城市轨道交通线路约1400公里，预计十二五末，我国城市轨道交通运营里程将拥有3000多公里运营线路，全国城市规划交通总投资将达万亿元。到2020年，我国将有40个城市建设地铁，总规划里程达7000公里，是目前总里程的4.3倍。自第一条地铁建成并投入运营以来，世界的地铁建设历史己经近150年。纵观这一百多年来，世界各地城市的发展经验，大力采用快速轨道交通系统，是完城巿客运这项艰巨任务的有效手段。但同样地，地铁也成为一个危及范围最广以及事故伤害率较高建设项目之一，表1-1列举了近十年来我国主要的运营地铁隧道结构安全事故[1,2]。2表1-12001年至2012年我国运营隧道结构安全事故统计表地点事故类型事故后果时间台北地铁淡水线士林站轨道结构裂缝降速，停摆2001-05-22台湾高雄捷运线大勇路隧道渗水50栋建筑物塌方2004-05-29台湾高雄捷运线临海路结构渗水、渗沙4栋居民楼塌陷2004-08-09广州地铁4号线新造站隧道坠物2人死亡,1人重伤2005-11-03北京苏州街地铁10号线结构裂缝，塌方6人死亡2007-03-02广州地铁5号线结构涌水无2007-01-17深圳龙岗区地铁3号线隧道模板坍塌3人死亡,2人受伤2008-04-01杭州地铁1号线湘湖站基坑坍塌21人死亡,24人受伤2008-11-15深圳地铁3号线隧道内管道破裂100多户居民撤离2009-03-05西安地铁1号线洒金桥站坍塌2人死亡2009-08-02天津地铁3号线解放站北路结构透水地面楼体裂缝2009-09-23深圳地铁5号线上水径站山体滑坡/塌方1人失踪2009-10-1大连地铁201标段坍塌1人死亡2011-03-10大连地铁211标段坍塌无2011-08-29上海地铁12号线坍塌5人死亡,18人受伤2012-12-31这些突发的事故不但引起重大的人员伤亡和财产损失，更对社会化造成了极坏的极坏影响，并且造成了不同程度的恐慌，因此得到了各国政府及科研机构的高度重视。其中，运营地铁隧道结构安全，尤其是人们关注的焦点。理论上讲，经过合适的设计、施工和维护管理，地铁工程应具有良好的承载性、耐久性以及与耐久性相匹配的使用寿命。然而，由于地铁隧道内自身结构复杂而特殊，在长期运营过程中将受到各种因素的影响，诸如地质、地形条件，水文条件，气候条件等及设计、施工、运营过程等，最终导致在使用过程中出现各种各样的病害。地铁隧道的病害不仅会对隧道结构的稳定性产生破坏，降低了其使用过程中可靠性与安全性，这会极大地影响了隧道作为快捷、安全交通运输通道的功能，与此同时，由于未达隧道结构设计的基准期就需要大修，也会额外耗费国家大量的资金，这些并不符合建设隧道的初衷[3]。隧道，特别是长大隧道的建设需要巨大投资。越来越多的隧道管理养护单位开始重视如何科学有效地养护这些隧道，并在使用过程中维持合理的服务水平。为了确保隧道使用安全，保障人民生命、国家财产安全，对运营隧道结构健康安全问题开展系统深入的研究，具有重要的学术价值和现实意义。31.2研究目的我国各类地铁隧道正在如火如荼的进行。隧道跨度越来越大，长度越来越长，埋深也越来越深，隧道结构也变得越来越多样化，而伴随着地铁隧道的长期运营，在长期的使用条件与所处自然环境的双重作用下，隧道内由于结构的原因而发生的安全性事故越来越多，这不仅要求精确严密的计算理论和先进的施工技术，同时也对隧道建成后的安全维护提出更高的要求。本文通过借鉴近年来兴起的地铁隧道结构健康监测，主要达到以下两个目的：一是针对运营隧道结构形式、施工方法和所处环境等工程特点，构筑长期监控及隧道健康安全评价体系，对长期监控中实时采集的数据进行分析与研究，及时了解隧道工程在运营期间主体结构的受力状况、荷载等。第二点是通过对运营隧道健康安全状态影响因素的全面系统的分析，建立运营隧道结构健康安全状态的指标体系以及判定标准，同时结合城市轨道交通运营健康安全的评价方法，对运营隧道健康安全状态进行定量和定性的综合评价，从而了解运营隧道结构物的健康安全状况以及评估使用寿命，在结构病害产生的早期及时的发现并做出相应的预警机制，并研究是否采取相应的措施和对策，为运营隧道的管理和养护提供有效的决策支撑，以保证隧道的结构安全，延长隧道的寿命，提高隧道的服务功能[4]。同时，本文以工程实例为依托，采用蒙特卡洛模型对实际情况下运营隧道结构安全进行长期监测，对该区间运营隧道的安全状态进行预测和评价，并采用全局敏感性分析方法找出运营隧道结构健康安全的主要影响因素，以便在有针对性的采取相应的措施和对策避免结构损坏带来危害，保障运营地铁隧道工程的安全运营。1.3研究意义目前我国各地城市的地铁隧道陆续建成并运营，但是我国隧道养护技术起步较晚，养护的经验较为欠缺，综合评价运营隧道健康安全状况仍处于定性评价这一阶段，较少有系统的诊断以及定量和定性相结合评价方法。笔者通过查阅大量的文献，4对隧道工程安全监测系统、隧道安全交通安全评价技术方法和预测、预警模型等方面进行了解，发现目前对隧道结构健康安全评价的研究仍存在着不足之处，主要体现在以下几个方面：1、现今我国隧道结构健康安全评价的相关研究主要集中在隧道的建设阶段，主要集中在隧道结构物自身的安全设计，和对隧道的施工安全、施工方法等方面做出安全评价，仅有很少的研究涉及到对运营隧道的结构进行健康安全评价；2、目前运营隧道健康安全评价的研究内容大多是隧道的消防、通风以及照明等单个方面，因此对隧道自身结构在运营时期的状况进行综合评判非常有必要，从而对隧道结构的整体健康安全评价体系作进一步的研究；3、与国外相比，国内在隧道结构健康安全监控方面缺乏比较成熟的监控标准和规范。4、目前许多隧道健康安全评价的相关研究，主要集中在公路与铁路隧道，地铁隧道健康安全研究的较少，虽然地铁隧道与公路、铁路隧道有相似之处，但是由于地铁隧道的工程地形、水文地质以及周边环境等客观条件的制约，研究内容与评价方法跟公路、铁路隧道并不完全一致，因而对地铁隧道的结构进行健康安全评估体系是非常必要。综上所述，研究适合我国国情的地铁隧道结构安全检测与监测技术，建立运营隧道结构健康安全状态评价体系，综合运用评价方法，对结构进行健康监测与评估，从而科学合理的管理运营隧道，并进行及时的养护维修，对保证隧道的结构安全，延长隧道的寿命，提高隧道的服务功能[4]，具有重要的学术价值和现实意义，也是本课题未来要深入研究的方向。1.4国内外相关研究对于运营隧道，病害是不可避免的。隧道的病害分为两部分，其一是先天性造成的，另外是由于在运营使用的过程，其逐渐老化产生的。对于运营隧道工程的结构监测，国内外学者作了大量的研究，取得了一定的研究成果[5-6]。针对运营隧道结5构健康安全评价已有研究大致可分为两类，其一在运营隧道结构监测；其二是运营隧道健康安全的研究现状。1.4.1运营隧道结构监测研究现状上个世纪70年代起，日本颁布了《铁路隧道维修技术标准》，在隧道检查和诊断的工作方法及流程、隧道内病害的科学技术检测、隧道病害等级划分、针对各种隧道病害的养护技术、病害隧道诊断专家系统、以及网络无缝对接技术的隧道健康安全监测等方面进行了大量系统的研究工作[7-11]。美国《高速公路和铁路交通隧道检测手册》是美国在公路和铁路隧道管理中评估隧道技术状态的重要依据。该手册对运营隧道的检测周期、检测方法、隧道病害等级划分以及病害等级评定依据作了细致的规定。美国开发的一种非接触式的空气耦合天线的雷达探测系统，可用于隧道结构体系深部病害信息探测，为运营隧道衬砌检测速度的提高提供了基本的条件[12]。德国公路署发布的《无损伤检测隧道内壳的规范》，给出了检测隧道内壳的合适测量法，即如何进行对隧道进行测量、描述和评价结果等等，然而，此规范只对评判检测结果的方法进行了说明，并未给出如何通过检测结果，进行定量的评判隧道的安全性[13]。目我国目前针对运营隧道结构监测的研究主要包括如下几个方面[14]：1、隧道的检查为对运营期的公路隧道进行检查和调查，以便尽早发现隧道劣化、损伤、缺陷等病害，从而真实地掌握结构物的性能状况。参照我国2003年制定与实施的《公路隧道养护技术规范》，对隧道等土建结构的检查工作分为四类：日常检查、定期检查、特别检查和专项检查，各类检查的检查频率、内容和判定标准不一[15-16]。2、隧道的检测隧道的健康检测主要包含衬砌裂缝的调查与分析，衬砌混凝土强度、衬砌厚度及背后回填状况检测以及隧道断面检测等方面。2004年，我国在《铁路隧道衬砌质量无损检验规程》中详细说明了铁路隧道衬砌质量无损检验的技术要求，同时，介6绍了如地质雷达法、声波法等检测衬砌混凝土强度、厚度及背后回填状况的方法。此规程也为公路隧道的衬砌质量检验提供了借鉴[17]。任晓菲等[18]介绍了衬砌断面的检测方法，以及隧道激光断面仪在隧道断面净空检测中的应用。柴聚奎等[19]分析了衬砌裂缝的产生原因，介绍了裂缝的主要检测内容及裂缝检测仪器的原理和检测方法。1.病害原因分析运营隧道变异的产生是在各种因素的综合作用下的结果。关宝树等[20]认为，产生隧道病害的原因主要分为两类，其一是外因，即环境条件以及外力等外部因素，其中是内因，即设计、施工以及材料等构造上的方面的影响，具体见图1-1。外力环境材料施工设计外因外因隧道病害产生原因图1-1隧道病害产生的原因樊永杰等[21]研究了襄渝县的大巴山隧道，对导致隧道病害的地下水的化学成分、补给特点以及滞留时间等因素进行了重点分析与研究。2.病害等级评估在《公路隧道养护技术规范》当中，隧道按其检查结果分为三个方面，首先是外荷载作用、其次是材料劣化，最后是渗漏水，并对这三种主要情况进行判定与分类。运营隧道的安全评估是对隧道健康状态进行的综合评价，依据隧道病害的检测结果，结合隧道健康状态综合评价方法，利用评价指标和评价模型来完成。1.4.2运营隧道健康安全研究现状国外的运营地铁隧道健康安全评价起源很早，综合评价的方法也较为领先。在欧美等国家，由于其城市轨道交通运营史较长，在运营的同时通常会建有为定量评7价提供足够数据支持的数据库，能够为定量评价提供足够充足的数据，同时可以准确地运用者数值或图形将计算出来事故危险性进行清晰的表达。与此同时，在评估中也提出了最优化的风险预防方案[22-23]。伦敦城市轨道交通风险评价[24]是通过对工作人员和乘客可能产生的伤害的各种危险因素进行预测与分析，它的基本思路是建立人主要危险因素员跟人员伤亡之间的定量关系，从而划定风险因素的伤害等级，目的是全面了解产生危险有害因素的起源，并有针对性进行改进。纽约地铁[25]由美国运管部和交通部进行综合安全评定，评定的程序是首先找出地铁中所有影响人员安全的因素，然后明确上述因素的影响范围，并对这些因素逐一进行安全认证，在验证完成之后，提交一份报告，最终生成SSC（SafelyandSecurityC