水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)

水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)1水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（一）水下隧道結(jié)構(gòu)安全保障的目標(biāo)

我國(guó)《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50153-2008）明確規(guī)定：

結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)應(yīng)使結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)以適當(dāng)?shù)目煽慷惹医?jīng)濟(jì)的方式滿足規(guī)定的各項(xiàng)功能要求。并規(guī)定結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足下列功能要求：1）能承受在施工和使用期間可能出現(xiàn)的各種作用；2）保持良好的使用性能；3）有足夠的耐久性能；4）當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可保持足夠的承載力；5）當(dāng)發(fā)生爆炸、撞擊、人為錯(cuò)誤等偶然事件時(shí)，結(jié)構(gòu)能保持必需的整體穩(wěn)固性，不出現(xiàn)與起因不相稱的破壞后果，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。第1、4、5項(xiàng)是對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的要求，第2項(xiàng)是對(duì)結(jié)構(gòu)適用性的要求，第3項(xiàng)是對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的要求，三者概括為對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的要求。水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（一）水下隧道結(jié)構(gòu)安全保障的目標(biāo)

對(duì)于水下隧道，結(jié)構(gòu)安全是所有功能要求中最為主要的，因?yàn)?，隧道?nèi)各種功能的實(shí)現(xiàn)都是建立在結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)之上。因此，對(duì)于交通用途的水下隧道，其功能要求和結(jié)構(gòu)安全保障目標(biāo)可適當(dāng)高于規(guī)范，同時(shí)結(jié)合我國(guó)《建設(shè)工程勘察設(shè)計(jì)管理?xiàng)l例》的要求——“工程勘察、設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相適應(yīng)”，安全保障目標(biāo)也不宜定得過高，建議對(duì)第4）條和第5）修改如下：4）當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可保持足夠的承載力，且滿足災(zāi)后可修復(fù)的要求；5）當(dāng)發(fā)生爆炸、撞擊、人為錯(cuò)誤等偶然事件時(shí)，結(jié)構(gòu)能保持必需的整體穩(wěn)固性，不出現(xiàn)與起因不相稱的破壞后果，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌，且破壞范圍和破壞后果與工程經(jīng)濟(jì)代價(jià)相比處于可接受水平。水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（二）水下隧道結(jié)構(gòu)安全保障的方法

結(jié)構(gòu)安全與功能的實(shí)現(xiàn)本身是建立在正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用的基礎(chǔ)上，因此，必須高度重視運(yùn)營(yíng)期的結(jié)構(gòu)使用、維護(hù)與監(jiān)測(cè)。水下隧道結(jié)構(gòu)安全保障是多維度的，應(yīng)通過以下方法實(shí)現(xiàn)：（1）結(jié)構(gòu)安全保障貫穿于勘察設(shè)計(jì)施工運(yùn)營(yíng)全過程（2）水下隧道結(jié)構(gòu)安全需要全方位的保障

▲設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的合理性影響結(jié)構(gòu)安全；▲工程布置（平縱斷面、襯砌選型、防災(zāi)疏散、運(yùn)營(yíng)設(shè)施等）各方面均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響；▲結(jié)構(gòu)與防水設(shè)計(jì)的合理性▲施工組織與工藝等；▲施工作業(yè)環(huán)境（如施工通風(fēng)、防塵、降溫、應(yīng)急預(yù)案等）對(duì)結(jié)構(gòu)安全也有影響；

▲工期、造價(jià)等也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（二）水下隧道結(jié)構(gòu)安全保障的方法

比如，進(jìn)行結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)時(shí)，需要一個(gè)合適的火災(zāi)規(guī)模，而不是火災(zāi)規(guī)模越大越好，對(duì)于危險(xiǎn)品運(yùn)輸，可以采取專項(xiàng)制度與措施，避免其在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)；

再如，進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)時(shí)，也需要一個(gè)合適的爆炸當(dāng)量，不要越大越好，超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的炸藥量需要從社會(huì)管理和運(yùn)營(yíng)管理上加以規(guī)避。

也就是說，對(duì)于一些偶然事件，結(jié)構(gòu)安全保障需要采用風(fēng)險(xiǎn)分析的方法確定其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，使破壞范圍和破壞后果與工程經(jīng)濟(jì)代價(jià)相比處于可接受水平。（3）結(jié)構(gòu)安全保障不是保守，是安全度與經(jīng)濟(jì)性的合理平衡水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（二）水下隧道結(jié)構(gòu)安全保障的方法

由于水下隧道的特殊性，目前的科學(xué)技術(shù)水平還不能將隧道的全部?jī)?nèi)容徹底搞清楚，工程的勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理與維護(hù)很多還是基于經(jīng)驗(yàn)，無法完全進(jìn)行定量化的計(jì)算分析，甚至還有一些目前還沒有認(rèn)識(shí)到的問題存在。因此，需要隧道工作者不斷深入探索，不斷深化研究，不斷提高理論和技術(shù)水平，也就是說，結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)是不斷發(fā)展和進(jìn)步的。（4）結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)長(zhǎng)期的深化與進(jìn)步過程水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（三）設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)安全保障方法

（1）充分收集與工程安全相關(guān)的各種原始資料；

（2）分析影響結(jié)構(gòu)安全的各種潛在因素；

（3）制定符合規(guī)范和業(yè)主要求的安全標(biāo)準(zhǔn)；

（4）采用整體耦合設(shè)計(jì)方法，做好總體設(shè)計(jì)；

（5）對(duì)于具體結(jié)構(gòu)，從以下多個(gè)方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全保障設(shè)計(jì)：1）結(jié)構(gòu)工作環(huán)境與荷載分析；2）計(jì)算模型選擇；3）模型計(jì)算參數(shù)選擇；4）安全性校核方法；5）工程材料選擇；6）結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施；7）防排水設(shè)計(jì)；8）耐久性設(shè)計(jì)；9）抗災(zāi)性分析；10）施工方法與關(guān)鍵裝備選擇；11）監(jiān)控量測(cè)與信息化動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)；12）運(yùn)營(yíng)管理與維護(hù)要求。

設(shè)計(jì)方面的主要內(nèi)容水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（四）結(jié)構(gòu)耐久性安全保障技術(shù)

1）結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限、環(huán)境類別及其作用等級(jí)；2）有利于減輕環(huán)境作用的結(jié)構(gòu)形式、布置與構(gòu)造；3）混凝土結(jié)構(gòu)材料的耐久性質(zhì)量要求；4）鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度；5）混凝土裂縫控制要求；6）防排水措施；7）嚴(yán)重環(huán)境作用下合理采取防腐蝕附加措施或防護(hù)策略；8）耐久性所需的施工養(yǎng)護(hù)制度與施工質(zhì)量驗(yàn)收要求；9）結(jié)構(gòu)使用階段的維護(hù)、修理與檢測(cè)要求。1.水下隧道耐久性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（四）結(jié)構(gòu)耐久性安全保障技術(shù)

1）拉應(yīng)力對(duì)混凝土抗碳化性能的試驗(yàn)研究拉應(yīng)力水平低于37.5%時(shí)，低水膠比混凝土梁和試塊碳化加速系數(shù)隨拉應(yīng)力水平增加而增大速度較慢，隨著拉應(yīng)力水平的進(jìn)一步增加，碳化加速系數(shù)增大明顯加速。2.結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與內(nèi)部環(huán)境對(duì)耐久性的影響水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（四）結(jié)構(gòu)耐久性安全保障技術(shù)

2）公路隧道內(nèi)酸性氣體條件下混凝土中性化試驗(yàn)隧道內(nèi)部復(fù)合酸性氣體在加速試驗(yàn)條件下混凝土中性化速度最快，比單純二氧化碳作用下碳化速度快12%左右。2.結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與內(nèi)部環(huán)境對(duì)耐久性的影響水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（四）結(jié)構(gòu)耐久性安全保障技術(shù)

即使地下水本身無侵蝕性，但由于噴射混凝土厚度較?。ㄒ话阈∮?0cm），當(dāng)水壓力較大時(shí)，滲漏溶蝕將非常嚴(yán)重。滲漏溶蝕對(duì)噴射混凝土材料性能的影響與水壓力、噴射混凝土厚度、圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育程度、地下水和圍巖中各種侵蝕性離子類型、含量等有關(guān)。3.地下水對(duì)復(fù)合襯砌初期支護(hù)耐久性的影響水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（五）結(jié)構(gòu)抗災(zāi)性分析

不同施工方法有不同的抗減震措施。1.地震水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（五）結(jié)構(gòu)抗災(zāi)性分析

采用熱—力耦合有限元分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力與變形分析。采用RABT標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線時(shí)，溫度沿管片厚度方向分布見圖：受火125min后，300℃等溫線距受火面的距離為8.04cm，即管片受損深度為8.04cm。高溫后極限承載力損失達(dá)78%以上，如考慮通風(fēng)因素，火災(zāi)最高溫度會(huì)顯著減小，通風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)安全極為有利。2.火災(zāi)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響及災(zāi)后承載能力分析水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（五）結(jié)構(gòu)抗災(zāi)性分析

1）撞擊所造成的應(yīng)力影響主要分布在撞擊點(diǎn)附近，如設(shè)置二次襯砌，管片的應(yīng)力平均值可消減約20%；位移可消減約30%。

2）雙層襯砌可提高軟弱地層盾構(gòu)隧道的抗撞擊安全性，但由于問題復(fù)雜，合適的二襯厚度需要更精確的模型與理論進(jìn)行分析。3.列車脫軌撞擊對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響分析管片襯砌各分析點(diǎn)MISES峰值應(yīng)力頭車MISES應(yīng)力云圖水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（五）結(jié)構(gòu)抗災(zāi)性分析

以某隧道為例，爆炸發(fā)生在軟弱地層時(shí)，無內(nèi)襯時(shí)，在50kg當(dāng)量TNT炸藥爆炸情況下，結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生破壞，而20kg或10kg的炸藥爆炸時(shí)，結(jié)構(gòu)不會(huì)造成破壞；當(dāng)設(shè)置內(nèi)襯時(shí)，即使發(fā)生50kg當(dāng)量TNT炸藥爆炸情況，結(jié)構(gòu)仍是安全的。4.爆炸事故對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響分析TNT質(zhì)量爆炸超壓無內(nèi)襯時(shí)內(nèi)襯厚0.25m時(shí)50kg0.379MPa2.60MPa1.73MPa20kg0.212MPa0.93MPa0.61MPa10kg0.156MPa0.37MPa0.24MPa

爆炸作用下側(cè)墻部位的拉應(yīng)力水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（六）基于結(jié)構(gòu)安全保障的防排水技術(shù)

（1）滲漏水可能引發(fā)電路或牽引失效，危及運(yùn)行安全。1.防排水病害對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響

（2）對(duì)結(jié)構(gòu)安全可靠性和耐久性的影響：滲漏水增加空氣濕度，引起金屬設(shè)備及鋼軌銹蝕；侵蝕性地下水影響結(jié)構(gòu)耐久性；滲漏水可能帶走軟弱地層中的細(xì)顆粒，使結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降、開裂；隧底的涌水往往造成道床基底被軟化或掏空，引起翻漿冒泥，破壞道床。

（3）軟弱地層中，可能由于長(zhǎng)期排水或水土流失造成地面建筑物和地下管線產(chǎn)生不均勻沉降甚至破壞。（4）良好的防排水效果對(duì)減少隧道運(yùn)營(yíng)維修成本有重要的作用。水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（六）基于結(jié)構(gòu)安全保障的防排水技術(shù)

在下列條件時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用防水型抗水壓襯砌：

1）地面生態(tài)環(huán)境和社會(huì)環(huán)境敏感，要求嚴(yán)格限制排水以免對(duì)其造成影響，特別是在隧道周邊分布密集建筑物或存在地下水供水水源，大量排水會(huì)對(duì)環(huán)境等造成重大影響的場(chǎng)合；

2）地層軟弱、地表下沉影響較大，從而可能危及結(jié)構(gòu)物正常使用及周邊環(huán)境的場(chǎng)合；

3）地下水具有腐蝕性，需要將地下水與混凝土隔離的場(chǎng)合。同一個(gè)隧道工點(diǎn)，可分段選擇防排水類型。2.鉆爆法隧道

水下隧道為凹形縱坡，運(yùn)營(yíng)期需進(jìn)行長(zhǎng)期的機(jī)械排水，因此應(yīng)考慮運(yùn)營(yíng)期排水費(fèi)用，當(dāng)水壓力較?。ㄒ话悴怀^0.6MPa）時(shí)，應(yīng)對(duì)采用排水型結(jié)構(gòu)與全封閉防水抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)的全壽命周期費(fèi)用進(jìn)行比較（含圍巖止水與運(yùn)營(yíng)排水費(fèi)）。水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（六）基于結(jié)構(gòu)安全保障的防排水技術(shù)

一般采用單道防水，根據(jù)具體條件，可以選擇以下防水加強(qiáng)方式：

1）雙道防水；

2）非封閉內(nèi)襯加強(qiáng)防水；

3）全封閉內(nèi)襯加強(qiáng)防水。3.盾構(gòu)法隧道水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（六）基于結(jié)構(gòu)安全保障的防排水技術(shù)

沉管隧道防水的關(guān)鍵是接頭和施工縫，管段制作過程中的混凝土防裂措施也很重要。4.沉管法隧道采用整體式模板臺(tái)車進(jìn)行管段制作減小施工縫常用的接頭防水圖水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（七）施工中的結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)

隧道施工中由于各種誤差、工藝、荷載的時(shí)間效應(yīng)、開挖方法、材料差異等方面的原因，均可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)階段的計(jì)算結(jié)果有較大差異，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的永久安全狀態(tài)產(chǎn)生影響，需要施工中加以控制，使結(jié)構(gòu)的完工狀態(tài)盡可能與設(shè)計(jì)相一致。1.盾構(gòu)法隧道

1）千斤頂推力的影響；

2）盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制與掘進(jìn)要求不匹配；3）同步注漿對(duì)隧道受力狀態(tài)的影響；4）先期拼裝成環(huán)管片誤差及變形的影響。水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（七）施工中的結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)

沉管法隧道由于施工導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)主要有：1）管節(jié)混凝土出現(xiàn)早期裂縫風(fēng)險(xiǎn)；2）混凝土保護(hù)層厚度不足引起耐久性風(fēng)險(xiǎn)；3）管節(jié)制作精度不足引起起浮困難或抗浮安全系數(shù)不足的風(fēng)險(xiǎn)；4）端部鋼殼制作精度不足引起止水帶壓縮量不足的風(fēng)險(xiǎn)；5）基槽開挖精度不足引起沉放困難或基底軟硬不均的風(fēng)險(xiǎn)；6）基槽回淤清理不干凈造成運(yùn)營(yíng)沉降風(fēng)險(xiǎn)；7）管節(jié)沉放施工誤差過大導(dǎo)致接頭止水帶壓縮量不足的風(fēng)險(xiǎn)；8）基礎(chǔ)處理填充不密實(shí)或有空洞引起軟硬不均的風(fēng)險(xiǎn)。2.沉管法隧道水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（七）施工中的結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)

鉆爆法隧道由于施工導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)主要有：1）開挖面不平整或爆破對(duì)周邊圍巖損傷較大，影響圍巖的自承載能力；2）預(yù)留變形量不足造成初期支護(hù)侵限影響二次襯砌的厚度；3）鋼架、錨桿保護(hù)層厚度不足影響耐久性及承載能力；4）噴射混凝土厚度不足影響耐久性及承載能力；5）防排水施工質(zhì)量不到位影響二次襯砌結(jié)構(gòu)安全與耐久性；6）二次襯砌存在質(zhì)量缺陷影響結(jié)構(gòu)安全與耐久性。3.鉆爆法隧道水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（八）水下隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與運(yùn)營(yíng)維護(hù)技術(shù)

運(yùn)營(yíng)期由于地質(zhì)條件惡化、環(huán)境作用、火災(zāi)等事故影響，可能威脅結(jié)構(gòu)安全與運(yùn)營(yíng)安全，而由于水下的處置難度大，有必要通過監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的健康及安全狀態(tài)，預(yù)防突發(fā)性事故。同時(shí)，科學(xué)合理的養(yǎng)護(hù)也需要在信息化的指導(dǎo)下進(jìn)行。1.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的必要性水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（八）水下隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與運(yùn)營(yíng)維護(hù)技術(shù)

1）隧道結(jié)構(gòu)的特殊性從廣義上說“隧道結(jié)構(gòu)”為“地層結(jié)構(gòu)”。2）監(jiān)測(cè)時(shí)機(jī)的連續(xù)性包括施工期和運(yùn)營(yíng)期，二者要結(jié)合并延續(xù)。3）結(jié)構(gòu)敏感度隧道外部荷載的變化大部分必須通過地層才能反映到結(jié)構(gòu)上，因此，隧道結(jié)構(gòu)對(duì)外荷載的敏感度不直接，可適當(dāng)降低監(jiān)測(cè)頻率。4）監(jiān)測(cè)儀器的耐久性與埋設(shè)問題（全壽命健康監(jiān)測(cè)）隧道大部分監(jiān)測(cè)元件必須預(yù)埋，且不可更換。5）健康監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)的研究不成熟荷載取值和計(jì)算模型均存在一定的精度問題。2.隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（八）水下隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與運(yùn)營(yíng)維護(hù)技術(shù)

3.隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成由3部分組成：監(jiān)測(cè)、診斷、評(píng)價(jià)。水下隧道多維度結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)（八）水下隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與運(yùn)營(yíng)維護(hù)技術(shù)

1）隧道位移變形：隧道凈空