山岭隧道科学维护管理的研究现状与展望

关振长，廖重辉，魏雯

(福州大学土木工程学院，福建福州 350116)

0 引言

近10多年来，随着我国交通基础设施建设规模的逐步扩大，各省的高速公路网与快速铁路网都在快速形成或加紧完善中．根据国家“十二五”规划，到2015年，我国的高速公路网和快速铁路网的总运营里程预计可达4．5万km．同时我国是一个多山的国家，因此在高等级公路网与铁路网的建设中，隧道因其改善线形、缩短里程、提高运营效益等多方面的优越性而被广泛采用．因此，无论从隧道的数量、规模和建设速度来看，我国已成为世界上隧道工程最多、最复杂、发展最快的国家．

而如何对这些数量庞大的山岭隧道进行科学有效的维护管理，已越来越成为业界关注的热点问题．我国所拥有的山岭隧道数量巨大，且其所穿越地区的地质复杂、气候多样，再加上我国大规模建设的速度过快，设计施工质量不能完全保证，病害问题较为突出，这使得我国山岭隧道的维护管理问题所面临的挑战更加巨大［1］．特别是在不久的将来，当大规模建设高峰期过去之后，这个问题将显得更加突出．

根据笔者所掌握的国内外资料，本文从既有隧道的检测监测、隧道服役性能的评价分级、隧道服役性能的诊断预测、隧道维护对策的开发、隧道维护管理的科学决策等五个方面，系统论述了山岭隧道科学维护管理的研究现状．

1 既有隧道的检测监测

掌握既有隧道的现有状况是科学维护管理的基础．对大部分隧道而言，只需进行一般性检查即可，即以目视敲击方法为主，检查衬砌表面的开裂或剥离状况、施工缝附近的漏水结冰状况、排水系统的破损或淤积状况、路基路面的破损或位移状况，并绘制隧道变异展开图．在此基础上，对重点关注的隧道，还可采用多种无损检测方法对其进行详细检查，并绘制相应的隧道变异详细展开图［2－7］．传统的无损检测方法包括:a)利用断面收敛仪和全站仪对断面形状和路面沉降进行测量;b)利用超声回弹法和酚酞试剂法对衬砌混凝土强度和碳化深度进行测量．较先进的无损检测方法包括:1)利用安装在水平轴线上的三维激光扫描仪或红外扫描仪，以极高的速度旋转并测量衬砌表面反射，得到隧道内表面高分辨率的可视图或红外图，通过计算机后处理可较准确地描述衬砌表面的裂缝/剥落、湿块/漏水等变异现象;2)利用小型地质雷达沿衬砌内表面进行扫描，得到由不同波阻抗界面产生的电磁波反射信号构成的图像，通过计算机后处理可较准确地推断衬砌厚度与壁厚空洞．

目前关于隧道检测方面的研究热点是，如何将上述多种无损检测方法集成到同一个装备系统中，以期能快速而准确地对重要隧道进行全方位检测．

另一方面，随着传感器技术与信息采集技术的迅猛发展，原先较早应用于桥梁、大坝上的结构健康监测方法，也逐渐开始应用到在一些重要隧道上［8－12］．从监测内容上看，一般分为结构内力监测(使用钢筋应力计、砼应变计等)、结构荷载监测(使用土压力盒、渗压计等)和结构纵向变形监测(使用连通管线形监测系统等)．从传感器原理上看，由于耐久性、抗干扰性、测试便利性等方面的优势，光纤光栅式传感器已逐渐取代了传统的电阻式和振弦式传感器．

目前关于隧道长期健康监测方面的研究热点是，如何保证监测数据的有效性和稳定性，如何分析处理监测数据，以期为结构服役性能评价、远程预警等后续工作服务．

2 隧道服役性能的评价分级

根据以上检测/监测的结果，再结合其他相关资料调查，就可对山岭隧道结构服役性能(也有文献称作损失度或健康度)进行定性或定量评价．结构服役性能评价分级是一个多指标、多层次的复杂递归分析问题，目前应用较成熟的是综合评价法，这也是各国规范或指南所推荐的方法［1］．例如将影响隧道结构服役性能的因素分为三大类(即与外力变化有关的、与材质劣化有关的、与漏水冻害有关的)，而每一大类因素下又包含若干细分指标．首先根据检测结果对这些细分指标进行定量或定性的评价分级，然后自下而上地进行归纳综合，进而对每一大类因素进行评价分级，最后对隧道结构服役性能给出评价分级．

但实际应用工程中，根据检测/监测结果对细分指标进行评价时，各分级之间的界限通常并不明确;同时对各指标进行归纳综合时，其权重分配受个人主观影响较大．因此许多学者引入模糊集合、层次分析、神经网络等数学方法，将其改进为基于模糊层次的综合评价法，一定程度上克服了以上不足，并在许多工程实践中取得了较好效果［13－16］．应该看到，结构服役性能评价是以检测/监测为前提的，因此随着检测/监测技术的不断进步，山岭隧道结构服役性能的评价方法也在不断发展进步中．目前模糊层次综合评价法，正逐渐成为主流，在越来越多的工程实践中得到应用．随着研究细节的进一步深化，应用范围的进一步推广，该类方法有望成为将来规范或指南推荐的标准方法．

但正如围岩的评价分级是为后续的设计与施工服务的，结构服役性能的评价分级也应该是为后续的诊断预测与维护对策服务的，而目前这方面的相关研究还很少．因此笔者认为，如何将山岭隧道结构服役性能的评价分级，与后续维护管理工作联系起来，则是今后深入研究的重点．

3 隧道服役性能的诊断预测

对结构服役性能不满足要求的隧道，须对引起隧道病害的诱因进行诊断，为后续维护对策选择提供依据，因此应充分了解各种诱因对隧道结构服役性能的影响机理:1)文献［17－20］研究了与外荷载相关的诱因(如偏压或流变引起的形变压力、膨胀性矿物引起的膨胀性压力、壁后空洞引起的松弛压力，列车振动引起的循环荷载作用)对隧道结构服役性能的影响;2)文献［21－23］研究了与材料劣化相关的诱因(如氯离子及杂散电流引起的钢筋腐蚀、碳酸根离子引起的混凝土中性化、硫酸根离子引起的混凝土腐蚀等)对隧道结构服役性能的影响;3)文献［24－25］研究了与渗漏水相关的诱因(事实上渗漏水与前两个诱因是紧密相关的，但为了突出该诱因的特殊性，故将其单独列出)对隧道结构服役性能的影响．有些隧道病害的诱因，可通过上文所述的检测方法与评价方法直接判断出来，但更多情况下，隧道病害是多种诱因综合作用的结果［26］．

因此如何根据检测监测结果与评价分级结果，对多种诱因进行概率化诊断，并推断其主因，则是今后须进一步深入研究的重点．

另一方面，对结构服役性能介于满足要求与不满足要求之间(即处于亚健康状态)的隧道，除了对诱因进行诊断之外，还须对其将来的结构服役性能进行预测．目前直接对隧道结构服役性能分级进行长期预测的研究非常少，但与此紧密相关的一个课题，则是关于隧道结构可靠度方面的研究．笔者简单地将可靠度理论的基本思路概述如下．1)定义功能函数或极限状态函数g(X)=g(X1，X2，…，Xn)，其中Xi是影响功能函数的若干个基本随机变量，可以包括结构几何尺寸、材料物理力学参数、所受外荷载作用等;2)函数g(X)的具体表达形式可通过力学分析等途径得到，对不同意义下的功能其表达形式也不同;3)若每个基本随机变量Xi的概率分布均已知，就可求出功能函数g(X)的概率分布，并称g(X)＞0的概率为结构可靠度．

可靠度理论近十几年来逐渐开始应用于隧道工程，笔者简单地将目前该方面的研究现状概述如下．1)关于岩性/土性的统计特征:由于各地岩性/土性差异很大，大部分工程应用中仅是对本地区内若干小样本进行统计;铁路隧道设计方面，针对行车时速低于一定标准的单线铁路隧道衬砌，规范建议采用可靠度方法设计，而公路隧道方面仍延续容许应力的设计方法．2)关于功能函数定义与表达:隧道衬砌结构设计中，功能函数通常是由截面荷载效应与截面抗力之差来定义的，而在运营维护过程中，其功能函数甚至可以由裂缝密度/宽度、变形收敛、渗漏水来定义;同时功能函数的表达，少部分可有显函数形式，大部分都是基于有限元计算的隐函数形式．3)关于可靠度计算方法:对具有显函数表达的，利用各种矩法或最优化方法可方便地求解其可靠度［27－28］;对只具有隐函数表达的，可采用随机有限元方法(包括基于蒙特卡洛法、摄动法和谱法的随机有限元)通过大量重复计算直接按定义求得其可靠度［29－31］;也可采用响应面方法(根据若干有限元计算结果来拟合出一个显函数以代替未知的功能函数)结合蒙特卡洛抽样来求得其可靠度［32－34］．

目前在隧道结构可靠度相关成果的基础上，根据检测监测结果与服役性能评价诊断，如何进一步对隧道结构服役性能做出概率化预测，这将是今后进一步深入研究的重点．

4 隧道维护对策的开发

根据以上隧道服役性能的诊断与预测结果，对处于病害或亚健康的隧道，应选择合适的维护对策，从加强监视，到局部修补，直至大范围修缮［35］．1)以围岩压力为主要诱因的，一般采用锚杆补强、围岩注浆加固、空洞注浆填实等维护对策［36］;2)以材料劣化为主要原因的，一般采用表面灌缝注浆、内表面碳纤维补强、混凝土衬砌替换等维护对策［37］;3)以渗漏水为主要原因的，一般采用修复防排水系统、围岩注浆止水、加强防寒保温等维护对策［38］．目前大部分工作主要着眼于各种维护对策的加固机理研究与维护效果评价，并取得了一定的研究成果．

而今后的研究热点在于如何将各种维护对策的工艺工序与成本定额进行标准化，或在于开发快速修复衬砌(如进行表面灌缝、碳纤维补强、混凝土替换等操作)的自动化集成化装备．

5 隧道维护管理的科学决策

当面临成千上万条隧道的维护管理任务时，如何用最小的成本去获得最大的效益，这就是隧道维护管理的科学决策，其核心就是全寿命成本/效益分析(life－cycle cost/utility analysis)．从以上文献综述不难看出，山岭隧道科学维护管理的五个方面是紧密联系的，如图1所示．如果把结构服役性能看作效益，把检测监测与维护对策看作成本，那么联系效益与成本之间的纽带就是诊断与预测．而检测与监测、服役性能评价、诊断与预测、维护对策这四方面内容，则共同组成了维护管理的科学决策基础．科学决策的核心是全寿命成本/效益分析，目前该方面的研究成果在桥梁工程上的应用较多，而针对隧道工程的相关研究成果则很少．

因此山岭隧道在维护管理的科学决策方面的研究重点，应是在充分了解以上四个方面研究成果的基础上，对数量庞大的隧道工程进行全寿命周期成本/效益分析．

图1 山岭隧道科学维护管理的五方面内容及目前研究热点Fig．1 The research contents and hot issues in the scientific maintenance of mountain tunnels．

6 结语与展望

本文从既有隧道的检测监测、隧道服役性能的评价分级、隧道服役性能的诊断预测、隧道维护对策的开发、隧道维护管理的科学决策等五个方面，系统论述了山岭隧道科学维护管理的研究现状，并指出每方面中将来可能的研究热点或突破点．方面一的研究重点在于开发多种快速检测方法的集成化装备，或在于开发能保证长期有效性与稳定性的监测系统．方面二的研究重点在于深化与推广模糊层次综合评价法的应用．方面三的研究重点在于如何由果推因地对隧道病害进行多诱因诊断，或在于如何利用可靠度方法对隧道长期服役性能进行概率化预测．方面四的研究重点在于开发集成多种维修手段的自动化装备．方面五的研究重点在于提出一套适用于山岭隧道工程的全寿命周期成本/效益分析方法．

今后数十年内，我国已经和将要面临着对数量庞大的山岭隧道进行维护管理的艰巨任务，因此充分借鉴国内外山岭隧道建设的技术与经验，充分借鉴国内外山岭隧道维护管理的技术与经验，形成适合我国国情特点(或至少区域特点)的山岭隧道科学维护管理的基础理论和关键技术，是一项很具有科研价值和现实意义的紧迫任务．山岭隧道科学维护管理的五个研究方面是紧密联系的．因此从研究思路上说，除了应继续对各方面的研究难点进行深入挖掘探讨外，还应注意已有研究成果间的融会贯通，即如何将各方面的研究成果有机联系起来，才能真正提高我国山岭隧道维护管理的科学水平．

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