基于结构可靠性的隧道衬砌维修效益模型分析.doc

1、基于结构可靠性的隧道衬砌维修效益模型分析摘 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砌结构。由于设计、施工及地下水长期侵蚀等原因

2、 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 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(Routine Maintena

3、nce，简称 RM)、预防性维修(Preventive Maintenance，简称 PM)和维修加固(Essential Maintenance，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。 若在时间 T1 点对衬砌结构进行维修 EM，结构可

4、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

5、析 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：降低衬砌结构对

6、同岩的承载能力；使隧道净空变小，侵入建筑限界，影响车辆安全通过；拱部衬砌掉块，影响行车和人身安全；裂缝漏水，造成洞内设施锈蚀，道床翻浆；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：腐蚀介质的存在；易腐蚀物质的存在；地下水的存在且具有活动性。衬砌结构安全性综合评

7、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 4 Branco&Brito 于 1995 年提出成本有效指数(

8、Cost Effectiveness Index，CEI)，用于比较采取维修措施与不采取维修措施之间的成本效益差值的比值，并以此来对各种维修方案进行选择。 (1) 式中：CEI 为成本有效指数，该值越大，说明该种维修措施越值得采取，并以具有最大值的维修措施作为最优维修方案； 为衬砌生命周期内维修成本；为衬砌结构破坏的损失值；B 为采取该种维修措施带来的效益(如提高通行能力等)。 成本有效指数 CEI 可以在三个层次得到应用： 单条隧道某具体病害的不同处理措施的选择。 单条隧道各病害之间处理优先级别的选择。 路网中各隧道之间的维修次序的选择。 (2)Frangopol 维修模型 美国 Color

9、ado 大学的 Frangopol DM于 1997 年提出了如下维修模型： (2) 式中 为生命周期(设计基准期)内的预期成本；为新建结构成本(工程造价)：为生命周期内预防性养护成本；为生命周期内衬砌检测成本；为生命周期内维修成本，为衬砌结构破坏的损失。 按 Frangopol 维修模型，衬砌在整个生命周期内维修优化应满足： (3) 式中：为衬砌结构可靠度；为目标可靠度；为整个生命周期(设计基准期)内的预期成本。即在满足的前提下，最小。 (3)BRIME 维修模型 欧洲桥梁管理系统是欧盟国家桥梁研究实验室的研究项目。该研究提出了维修指数 (RI)的概念，并以此对不同的维修方法选择。维修指数越

10、小，则该种维修措施越有利。 (4) 式中：为新建结构成本(工程造价)；为生命周期内预防性养护成本；为生命周期内维修成本；为衬砌结构破坏的损失；为生命周期内使用成本；为其他成本；为衬砌破坏的抢修成本。 (4)THESE 维修模型 THESE 在 2002 年提出基于累计破坏概率的维修成本及效益的计算模型： (5) 上两式中：为时结构累计破坏概率；，r 为资金利息；为维修措施效益；为不采取维修措施时结构的损坏成本；为采取维修措施时结构的破坏成本；为维修实施时间；为设计基准期。 5. 维修模型的改进 从以上模型比较可以看出，Frangopol 模型强调维修应满足目标可靠度，并在此前提下，使维修成本最

11、小化。在其模型中，维修成本只考虑了结构检查、维修和破坏的直接成本，而没有考虑结构由于采取维修措施而带来的效益(破坏风险的减少等)，使维修成本效益分析中只有成本分析，而无效益分析。 Branco&Brito 模型和 BRIME 模型中把结构免于破坏作为维修措施的效益，而没有考虑到实际破坏概率的存在，同时也忽略了目标可靠度这一重要指标。 THESE 模型提出了累计破坏概率这一重要概念，使生命周期内的成本分析更具有现实意义，然而同样忽略了目标可靠度对维修方案选择的约束，缺乏可操作性。 (5)综合目标可靠度维修模型 由于以上维修模型存在的种种不足，以现有模型为基础，提出维修模型如下： (6) 式中：为

12、维修措施效益；为不采取维修措施时衬砌结构的破坏 成本；为采取维修措施时结构的破坏成本；为维修实施时间；为设计基准期。式(6-27)中衬砌结构的(不)采取维修措施时衬砌结构的破坏成本可用公式(6-28)求得。 (7) 式中：为考虑资金利息 r 的维修成本，包括检查和预防性养护的成本。则可应用式(6-29)进行维修方案选择。 (8) 式中：为目标可靠度。 参考文献 1 Watston I. An Introduction to Case 2based Reasoning M . London : Springer Verlag , 1995.1994 : 3 17. 2关宝树编译. 隧道维修管理手册 Z . 日本铁路综合技术研究所 , 2000 : 70 78. 3董维扬，金明新高速隧道沥青衬砌快速养护及其养护机械应用研究初探中国隧道养护技术大会论文集2004，22：53-57 4徐光胜综合目标可靠度和维修成本效益分析J中国市政工程2006(4)：7980 作者简介：杨飞，男，1980 年出生，工程师，隧道工程方向