运营隧道结构监测技术以及健康安全评价体系

1 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]。

表1-1 2001年至2012年我国运营隧道结构安全事故统计表

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。

1.2 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，

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

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

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。

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

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（Safely and Security Certification）报告，接下来就是制定安全标准，并不断地优化。各个标准都要结合前一步的影响因素，以便站在结合实际情况的角度进行判断。

我国的健康安全评价虽然发展的的时间较短，但其在公路、航空以及电子等领域缺相对成熟。鉴于我国城市轨道交通的起步较晚，运营地铁隧道的健康安全评价获得到的重视程度并不高。近些年来，国内的一些学者和科研单位也对地铁的风险评估进行了研究，收获了一定的成果，为我国地铁风险评价理论的发展打下了许多基础，也对地铁隧道的安全运营管理和科学养护具有比较好的指导意义。

北京交通大学的任星辰[27]分析了我国近年来发生的轨道交通运营事故，总结出设施设备的原因占事故总数的 70%以上。此文全面研究与分析了地铁隧道设施设备的安全风险，并确立了个指标因素的权重，最后并对设施设备安全评级的进行指标集的划分，最后在工程实例中运用综合模糊评价法，验证改方法的可行性。

香港的张伟[28]分析对比了内地、香港以及台湾地铁隧道安全评价的模式其各自的优缺点，通过对深圳地铁3号线的进行分析研究，总结了进行其中评价的经验，为我国城市轨道交通风险评价拓宽了思路。

然而，在隧道健康安全状况的评价过程中，常会出现各类指标因素之间互相矛盾，并且监测指标值具有随机性和概率分布的特征，以及定量信息、定性信息串联在一起等很多问题，上述已有方法并不能妥善处理这些复杂的情况。而本文基于蒙

特卡洛方法的运营隧道结构健康安全评价与传统的确定性数值方法不同，其用以解决概率统计或者随机性中非确定性问题，解决指标之间互相矛盾以及定量、定性共存问题。

1.5 研究思路和框架

对超高层建筑物、大型桥梁、地下工程、隧道等土木结构的结构健康监测（Structural Health Monitoring，SHM）体现了一个国家土木工程建设和管理的水平。国内外这些领域的学者专家自上世纪90 年代起便孜孜不倦地研究针对上述大型工程结构的监测系统技术，在工程实践中，相关的成果正逐渐得以应用[30- 35]。

运营隧道结构健康监测(Operational Tunnel Structural Health Monitoring Survey，OTSHMS)涉及土木工程、监测技术、分析技术及信息科学等多个学科领域，是SHM在运营隧道领域所应用的一个综合性系统工程。

监测技术和结构健康安全评价是OTSHMS的关键的核心技术。监测技术要求达到实时监测和定期监测相结合，可长期准确地采集到隧道结构体和它所处环境的关键参数( 如水、土压力和结构受力、应变等)，进而依据实测的参数特征变化，通过运营隧道结构健康安全评价体系，来判断隧道结构的安全与健康状况；结构健康安全评估分析技术探索隧道运营过程中的长期安全性评价，并对此提出相应的评估分析方法和体系。要建立一个OTSHMS，关键要获取与隧道结构相关的各类动静态的数据，而要提供这些数据的及时性与准确性，就必须强化运营隧道的监测方法与技术。

本文针对目前我国隧道工程结构健康安全评价在隧道运营时期的不足，基于运营隧道结构健康监测系统(OTSHM)的相关理论与优势，运用实时定期与长期相结合的检测手段，对运营隧道结构进行长期监控并及时提供反馈，对这一系统中存在的健康安全性事故进行充分辨识与定性、定量分析，得到综合且客观的评价指标，建立了科学的运营隧道结构健康安全评估指标体系。同时，结合城市轨道交通运营健康安全的评价理论，采用有针对性的、适用的安全评价方法，对正确评价地铁隧道结构系统运营安全现状、修正可能出现的偏差、确定合适的养护措施、提高隧道结构系统安全水平具有重要的理论意义与实用价值[35]。

1、第1章绪论主要内容

主要介绍研究背景、目的及研究意义，并结合当前国内外对运营隧道结构监测系统和运营隧道健康安全的研究现状，提出当前研究存在的不足，以此构建本文的研究内容、方法和技术路线。

2、第2章运营隧道结构监测技术以及健康安全评价体系的主要内容

主要介绍光纤传感技术的三种分类，以及光纤传感技术在运营隧道健康监测中的运用。运营隧道结构监测技术以及在运营隧道中的应用。

根据相关的规范和参考资料选取影响运营隧道结构健康安全的主要指标因素，构建运营隧道结构健康安全（OTSHM）评价模型，确定完整指标体系，

3、第3章蒙特卡洛模拟方法

通过融合权重法确定各指标权重，并对其权重进行验证，以期构建更为完善的评价方法。

建立基于蒙特卡洛模拟方法进行运营隧道安全评价的步骤，以及各指标敏感性分析的方法。

4、第4章运用蒙特卡洛模拟对工程案例进行分析和健康安全评价

根据3中建立的运营隧道结构健康安全状况评价体系，对武汉四大工程实例的安全状态进行评估，并进行敏感性分析，在实际的项目中验证该评价体系的正确性和实用性。

5、第5章结论与展望主要内容

主要得出论文的结论，总结成果，并指出本论文研究尚存的不足之处，指导未来进一步的研究方向。