隧道可靠性和耐久性设计技术

隧道可靠性和耐久性设计技术1.概述2.结构可靠性设计方法3.结构耐久性设计方法4.信息化设计施工系统的开发5.可维修性设计1、概述1.1隧道工程的设计及特点1.工程环境的特殊性2.结构体系及其形成3.经验、实践及设计4.荷载结构的不可分割性5.设计、施工的一体化隧道结构物的技术特性对隧道结构物的要求是由其特殊的性质所决定的。隧道结构物与一般工程结构物，在性质上有很大的不同，不了解这一点，就不可能真正地认识隧道。隧道结构物的性质，概括地说，有以下几点是需要我们关注的。·隐蔽性：地下结构与其他结构最大的不同就是它的隐蔽性；隐蔽性同时伴随巨大的风险性；·力学状态的不确定性：它的力学状态受到施工方法的极大影响，也是其他工程结构物所不可比拟的；·地下环境影响的严重性：其他结构物主要受自然条件的影响，而地下结构除自然条件外，还受到地下环境，主要指围岩和地下水条件的影响；·可维修性差，这是不言而愉的；·施工条件和环境条件的约束。正是由于隧道结构物的这种与众不同的性质，对隧道结构物的耐久性、可靠性及可维修性提出了不同的要求。1.2隧道设计现状和存在问1.施工前的地质调查不到位，致使大幅度变更设计的现象屡有发生；2.公路隧道设计化程度低；3.重衬砌、轻初期支护或超前支护；4.软弱破碎围岩的设计方法不完善；5.防排水设计和施工是薄弱环节；6.环境意识薄弱7.设计、施工分离的体制8.没有真正实现动态设计，必须建立设计－施工检验－地质预测－量测反馈－修正设计一体化的设计施工管理体系.1.3隧道设计的基本理念围岩是主体支护是手段实践是基础解析是检验。2.结构可靠性设计方法目前许多同家在隧道设计中都开始从过去的容许应力法转变为极限状态设计法，日本在新的盾构法隧道、明挖法隧道以及矿山法隧道中全面推行了极限状态设计方法，法国在混凝土衬砌的设计中也建议采用极限状态设计方法，我国在单线铁路隧道中也推荐采用以概率为基础的极限状态设计方法。因此，了解和认识隧道极限状态设计方法定有必要的。基本概念规范中将可靠度设计称为概率极限状态设计法，比较完整的表述可以是以概率论为基础的极限状态设计法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用以分项系数的设计表达式进行设计。Z＝R-S，R与S的比较结果Z值为判断结构合格与否的根据。对安全系数K有不同加法：容许应力法的表达式S≤R／K＝［σ］破损阶段法的表达式R／S≥K式中S、R仍为广义的作用效应及抗力可靠度的概念概率极限状态，就是把许多模糊、波动的因素而导致的结构不安全程度，用概率理论处理的方法加以量化，得出安全（或不安全）的程度值，也即是可靠度的概念。例如：外荷载的变化图形如果设计中荷载取平均值qav，那么出现实际荷载q大于qav的机会将有50％，这将导致结构不安全的程度概率也是50％，qs和qav的关系用下式表示：qs＝σqav（4-2）式中，σ称取值系数，qs称为对应q多少几率的分位值。以上对单一参数的简化分析，把它推广到整个结构。即分别分析结构设计的主要参数，如各种荷载、结构尺寸、材料强度等等。画出各概率分布图形，各取分位值，再组合到结构整体，作概率运算。可最终得到这样取值导致不安全的程度（概率）。在可靠度设计理论中，把上述不同取值设计出来的结构，在规定使用期（称设计基准期）内能够安全的程度，称为可靠概率（Ps）。相对应不安全的程度，称失效概率（Pf），两者互补。实际工作中是先按照建筑物的重要性及损坏将造成的后果，确定一允许的失效概率Pi(比如万分之一)，通过运算，把它反映到各参数的取值（如qs）上，再反推到参数的σ值上，σ是对各项参数都要算定的，故称分项系数，即前述的：“采用以分项系数的设计表达式进行设计”。规范中表面反映出来的，是在通常的检算公式中增加了一些分项系数，其实它们是经过相当复杂计算才得到的。现实计算中并不直接使用失效概率Pf这一物理量，而是再引进一新物理量β，称可靠指标，它和Pf一一对应，有了Pf，即可转化为β，可见表4-1。规范所说“以可靠指标度量结构构件的可靠度”，即指此。2.1我国单线铁路隧道可靠性设计方法采用以概率为基础的以分析系数表达的可靠度设计方法。工程结构的可靠度是指结构在规定的时间、规定的条件下，完成其预定功能的概率。“规定的时间”：一般指设计中根据结构的有效使用期所规定的时间，称为设计基准期；“规定的条件”：是指结构在正常施工、运营维护环境下承担外力和变形应能满足的条件；“预定功能”：包括结构安全性、结构耐久性和结构适用性的要求。铁路隧道结构根据结构的重要性和复杂程度划分为3个安全等级：一级：大跨度及复杂结构，如三线以上大跨度隧道、明洞和其他新型结构等；二级：单、双线铁路隧道结构；三级：单、双线铁路明洞及棚洞等结构。铁路隧道结构设计采用的目标可靠指标βnom值：正常使用极限状态（一级～三级）：1.0～2.5承载能力极限状态：脆性破坏一级：4.7；二级：4.2；三级：3.7。延性破坏一级：4.2；二级：3.7；三级：3.2。结构设计基准期，是指工程结构均在正常维护和使用条件下能满足一定可靠度的时间，考虑铁路隧道结构实际的使用寿命大于100年，因此设计准期规定为100年。1．结构设计应按两种极限状态设计：（1）承载能力极限状态：当结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形的下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑动等）结构构件或连接因材料破坏而破坏；结构或结构构件丧失稳定。（2）正常使用极限状态：当结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值的下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：·影响正常使用或外观的变形；·影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；·影响正常使用的其他特定状态。2．隧道结构设计时，应根据在施工和使用中的环境条件和影响分为三种设计状况：（1）持久状况：在结构使用过程中一定出现且持续期很长的状况，持续期一般与使用期为同一数量级；（2）短暂状况：在结构施工和使用过程中出现概率较大，且持续期较短的状况；（3）偶然状况：在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况。3．对偶然状况，结构承载能力极限状态设计，应符合下列原则（1）按作用效应的偶然组合进行设计或采取防护，使主要承重结构不致因偶然事件而丧失承载能力；（2）允许主要承重结构因偶然事件而局部破坏，但结构的其余部分仍应具有在一段时间内不发生继发性破坏的可靠度。4．正常使用极限状态计算对正常使用极限状态，结构构件应分别按荷载作用的短期效应组合、长期效应组合、短期效应组合并考虑长期效应组合的影响进行验算，并应保证变形、裂缝、应力等计算值不超过相应的规定限值。裂缝控制等级，一级——严格要求不出现裂缝的构件，按荷载短期效应组合进行计算时。二级——一般要求不出现裂缝的构件，按荷载长期效应组合进行计算时，不应产生开裂，按荷载短期效应组合进行计算时，构件受拉边缘允许产生拉应力，但拉应力不应超过设计值。三级——容许出现裂缝的构件，最大裂缝宽度按荷载的短期效应组合并考虑长期效应影响进行计算，其计算值不应超过允许值。5.隧道结构设计采用的承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计表达式查有关规范。结构构件需进行计算和验算的内容：①承载力及稳定；②变形；③抗裂及裂缝宽度：2.2日本采用的极限状态设计方法1．极限状态的定义隧道衬砌是以轴力为主并承受地层反力的拱形结构物，即使在产生弯曲开裂和钢筋屈服而使构件刚性降低的场合，弯矩也会向刚性没有降低的周围构件分配，某一处构件破坏不会立即造成整个结构物的破坏。铁路隧道的使用极限状态主要指：·衬砌掉块，妨碍运行；·发生对列车运行安全性有影响的轨道变异；·产生妨碍建筑限界的变形。而最终极限状态指：·衬砌断面破坏，混凝土块体崩落；·隧道结构体系丧失稳定性而崩塌；·产生需要改建隧道的轨道变异；·净空断面缩小，与列车接触。2．荷载作用在隧道上的主要荷载，一般除自重外，有地下水位恢复后的水压、接近施工影响产生的荷载以及地震荷载等。一般在城市条件下采用矿山法修建的隧道，土压原则上由初期支护完全承受，二次衬砌可不考虑土压的作用。但二次衬砌要考虑水位恢复后的水压作用，与极限状态相适应的荷载组合列于表3－453.二次衬砌和仰拱的安全系数二次衬砌和仰拱的安全系数采用各种分项系数表示，这些系数包括荷载系数、结构解析系数、材料系数、构件系数、结构物系数、地层调查系数等。目前结构物设计已经不单纯是强度设计，而是性能设计。所谓性能设计包括：安全性、使用性、耐久性美观·景观3.结构耐久性设计方法3.1耐久性设计的思路及应用结构物的要求性能——安全性能——承载性能其他安全性能使用性能——有关使用性的性能有关功能性的性能对第3者影响的性能美观·景观耐久性能——与安全性能有关的——与使用性能有关的——与第3者影响有关的——与美观·景观有关的从现有的资料看，目前。满足结构物功能要求的混凝土的耐久性可能只有60年左右。喷混凝土就更低些。只能满足30年不维修的要求。而一般混凝土结构物的使用寿命，都应该在100年以上。这样，要求提高混凝土的耐久性，就成为当务之急了。建立“把劣化构件或构件的性能恢复到设计意图的使用水准以上的补修、补强”的概念。构筑一个把设计、施工、维修管理统合到一起的设计体系。这也是目前各国土建工程设计的重要发展趋势。例如，日本在“建筑工程标准规格—钢筋混凝土结构”结构物或构件的计划使用期间2混凝土的耐久设计基准强度（JASS5，1997年）            图1-1结构物寿命与维修管理的关系概念 工程结构一般都是可维修的，在隧道结构物中建立“少维修”的概念是非常重要的。结构物的寿命与维修管理的关系示意于图1-1。在设计基准期内，受到劣化外力作用（环境条件的变化等），设计时把劣化状态控制在容许水准以内为目标。同时，根据经济性，来设定材料规格、设计基准和施工工艺，并决定相应的维修管理基准。所谓的劣化外力有：活荷载、地震、风、气温、湿度、日射、炭化、冻融、盐害等等。这些都是造成混凝土结构劣化的原因。也就是说，结构物的劣化，决不单纯的决定与于过去概念上的荷载。在有些情况下环境条件的影响可能是主要的。这种设计概念就是耐久性设计的概念。3.2混凝土结构耐久性设计的基本方法首先，要确定耐久性的评价基准在进行耐久性设计时，确定耐久性基准是是极为重要的，这是设计的基础。这里的耐久性基准是用耐久性指数表达的。1)把结构的耐久性水准设定两个阶段，以此为基准，使各结构的耐久性定量化。.即耐久性指数取100和0；2)混凝土结构的标准目标是：具有95%的可靠度，50年间不维修。而且其后的维修费用也不应很大。这里所谓不维修是指：根据目视观察判断耐久性时，勿需补修的状态。此时,耐久性指数取100；3)不维修期间，预计在10～15年以下的情况，耐久性指数取10。而后根据确定的基准核查结构物的耐久性。用下式定义耐久性指数TTp=50∑Tp(I.J)(1)此时，Tp(I.J)由表3.3求出。表3.3中的项目和数值是暂定的，需今后不断地加以充实。表2耐久性指数T 2)为把环境因素定量化用下式定义环境指数SpSp=So+∑△Sp此时∑△Sp由表3求出。表3的项目和数值也完全是暂定的。So一般取100，视耐久性的长短，增减此值。耐久性核查,应满足下式：Tp≥Sp表3环境指数Sp 3.3二次衬砌的开裂与治理(1）因材料、环境的开裂隧道结构物的技术特性对隧道结构物的要求是由其特殊的性质所决定的。隧道结构物与一般工程结构物，在性质上有很大的不同，不了解这一点，就不可能真正地认识隧道。隧道结构物的性质，概括地说，有以下几点是需要我们关注的。·隐蔽性：地下结构与其他结构最大的不同就是它的隐蔽性；隐蔽性同时伴随巨大的风险性；·力学状态的不确定性：它的力学状态受到施工方法的极大影响，也是其他工程结构物所不可比拟的；·地下环境影响的严重性：其他结构物主要受自然条件的影响，而地下结构除自然条件外，还受到地下环境，主要指围岩和地下水条件的影响；·可维修性差，这是不言而愉的；·施工条件和环境条件的约束。正是由于隧道结构物的这种与众不同的性质，对隧道结构物的耐久性、可靠性及可维修性提出了不同的要求。从现有的资料看，目前。满足结构物功能要求的混凝土的耐久性可能只有60年左右。喷混凝土就更低些。只能满足30年不维修的要求。而一般混凝土结构物的使用寿命，都应该在100年以上。这样，要求提高混凝土的耐久性，就成为当务之急了。最近日本一些有识之士提出“2020年的警钟”。即“日本将从土建大国变成修缮大国”。2020年的结构物维护费和改建费，仅建设省就超过2兆亿（日元），是今天的3倍，维护费用将成为国家财政的巨大负担。因此，不管是新建还是既有结构物，都要消除“免维修或不能维修”的误解。而建立起“把劣化构件或构件的性能恢复到设计意图的使用水准以上的补修、补强”的概念。也就是说，要构筑一个把设计、施工、维修管理统合到一起的设计体系。这也是目前各国土建工程设计的重要发展趋势。坑道稳定性、支护体系与围岩级别的关系从根本上说，在坑道开挖过程中，都要回答一个关键性的问题，即：围岩具有多大的自支护能力？，是否需要人工支护？、用什么类型的人工支护结构和怎样支护？这样一个问题。因为在坑道工程中，如何保证坑道的暂时稳定（施工期间）和长期稳定（运营期间）始终是一个基本的、关键性的问题。而要做到这一点，就要从理论上、实践上解决坑道稳定性、围岩分级与支护结构之间的相互关系这样一个问题。2）因施工方法产生的开裂模式4.信息化设计施工系统的开发一个完善的系统应该包括：1）信息收集和通信子系统；2）信息整理、分析和评价子系统；3）决策及实施子系统；4）施工管理子系统。这几个子系统，有机地构成了一个用电子网络联系在一起的大系统。关键问题的开发出一个能够收集情报、分析·评价、决策以及实施作业的情报化系统。信息化设计施工系统的功能1）信息收集、通信子系统信息形式及内容：应包括：隧道设计施工文件及图表、超前地质预报、施工监控量测、掌子面地质、压注设计及参数、地下水及掌子面涌水量、施工管理（质量、进度、材料消耗、成本核算等）、工程实验及试验等信息。2）分析、评价子系统对各种信息进行分析，根据分析结果作出评价的系统。重点在：超前地质预报信息的分析和评价；压注实验效果的分析和评价；量测数据的分析和评价；施工管理数据的分析和评价；3)决策、实施子系统应包括：设计反馈系统：根据信息决策的建议，反馈到设计中的系统。施工反馈系统：根据信息决策的建议，反馈到施工中实施的系统。因为有的需要设计后，才能实施的，有的可以直接反馈到施工中实施的。这2种情况应分别予以考虑。4）施工管理子系统施工管理子系统是对隧道施工质量、进度、成本、劳动卫生环境及安全进行管理的系统。此系统应考虑施工单位的实际情况，进行编制。在管理中，为了能够实现信息的公共性，应该对获取信息的方法作出规定；5.可维修性设计5.1概述5.1.1隧道工程维修管理的基本认识维修管理是指混凝土结构物在使用期间，保持结构物性能在容许范围内的技术行为。在合适的设计、施工和维修管理条件下，隧道结构物会具有良好的承载性、耐久性和满足耐久性要求的使用寿命。隧道工程维修管理工作的基本原则是确保隧道的功能和运营环境的质量，为此应对影响隧道结构物安全性、耐久性的变异进行检查及调查，并采取适当的对策和措施。隧道结构物的要求是由其特殊的性质·隐蔽性：·环境影响：·可维修性差：·既有结构物的状态：对隧道结构物的耐久性、可靠性及可维修性提出了不同的要求。因此，要消除“免维修或不能维修”的误解，建立起“把劣化构件或构件的性能恢复到设计意图的使用水准以上的补修补强”的概念。构筑一个把设计、施工、维修管理结合到一起的体系。这也是目前各国土建工程技术的重要发展趋势。在结构物中如何考虑维修管理的作用，目前大体上有三种观点：①能完全防止劣化现象发生，不需进行维修管理的观点；②容许某些劣化现象发生，同时采取有计划的维修管理保证结构物的使用年限的观点；③以维修管理为前提，劣化现象发生时，进行补修、补强的观点。目前大多数结构物基本上是按第②种观点进行设计与施工的。各国采取的维修管理基本模式是：检查→发现变异→推定变异原因→明确变异后的结构物的健全度→制订相应的整治措施→整治。也就是采用“早期发现-及时维护”或者说是“勤检查、早发现、少维修”的维修管理模式。5.1.2隧道工程维修管理现状和存在的问题研究主要集中在以下几个方面：·维修管理的基本模式；·隧道结构变异现象的分类及其标准化；·结构变异的原因、变异现象和变异原因的因果关系；·结构变异程度的分级及其判定；·结构变异的防治措施（整治、对策）等。目前在维修管理方面存在的主要问题有：（1）没有真正地把维修管理的理论和方法运用到隧道的维修管理中，（2）缺乏早期发现变异现象的检查和检测方法。（3）对既有隧道功能状态的判定和评价方法有待提高。（4）我国有近百年历史的铁路隧道已经进入“高维修”管理期。（5）我国铁路隧道变异的整治方法落后。5.1.3隧道工程维修管理的基本理念隧道维修管理的要点就是“预防为主”、“早期发现”、“及时维护”“对症下药”。要大力提高我国隧道工程的维修管理技术水平。5.2隧道工程维修管理的基本原则5.2.1维修管理等级的划分维修管理的定义是：在结构物使用期间内，维持结构物在要求性能水准以上的全部的技术行为。有两点需要加以解释：一点是结构物使用期间的概念；一点是全部技术行为的概念。结构物的使用期间与结构物的耐用期间是有区别的图5.2中的预定使用期间是根据对末来结构物要求性能的种类和水准以及社会、经济方面考虑，配合设计耐用期间由设计决定的。如图所示，目前一般都是按设计耐用期间比预定使用期间长进行设计的。设计耐用期间比预定耐用期间短时，就要采用补修、补强的方法进行维修管理。耐用期间是受到劣化种类和劣化程度影响的。实际的耐用期间有的比设计耐用期间长，也有的比设计耐用期间短，是由劣化程度决定的。全部技术行为包括设计、施工、初次检查、劣化预测、检查、评价及判定，对策等行为也是维修管理的基本内容。日本把维修管理划分为四级，即：（1）预防维修管理（A级）：以不引起结构物性能降低为目的而进行的维修管理，也称为预防保护。（2）事后维修管理（B级）：对应结构物性能降低而实施的维修管理，为事后保护。（3）观察维修管理（C级）：以目视观察的检查为主，对结构物不采取补修、补强等直接对策的维修管理。（4）无检查维修管理（D级）：不对结构物进行直接的检查，而根据围岩和周边结构物的变异检查进行的维修管理。5.2.2结构物要求的性能大体上分为安全性能、使用性能、对第三者影响的性能和美观、景观及耐久性。5.3维修管理的步骤一、第一步在新建结构物中就是在开始使用前进行初次检查，在既有结构物中把最初的检查作为初次检查收集结构物的情报。这是实现“预防为主”的基础，也是以后分析结构变异和整治的基础。二、第二步应从初次检查出来的变异中选定劣化现象，并根据结构物的特征，基于劣化因素的外因和变异的特征进行劣化机理的推定。三、第三步对检查中发现的劣化现象要进行劣化预测，推定结构物的性能是否达到满足要求的水准，推定结构物残存的使用期间和是否要采取进一步检查和对策。四、第四步在劣化预测的同时进行预定使用期间的结构物性能的评价和判定。五、第五步根据初次检查、劣化预测、调查、评价及判定的结果，进行对应的设计和施工，治理结构物的变异。5.2.4变异对策的基本原则对变异有以下判定和评价时，应采取合适的对策进行整治：·结构物具有的性能，·即使当前没有问题，但根据劣化预测，残存使用期间中结构物性能降低会成为问题的场合；·与最初的劣化预测有很大出入，劣化速度迅速发展，性能降低成为问题的场合。目标性能基准的分类a）介于建设时和现状之间的性能；b）建设时的性能；c）比建设时更高的性能结构物维修管理的对策主要有补修、补强、修景、恢复使用性、提高功能性等几类，此外还有强化检查、使用限制、解体拆除等，