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行业动态

水下隧道结构长寿命安全保障对策及 思考
发布时间:2022年05月31日

从隧道建设、结构性能退化、自然灾害、突 发事故灾害等方面探寻隧道结构长寿命安全保障对 策,确保隧道全寿命周期内乃至长寿命要求下结构 的服役安全。

(一)隧道建设方面的结构安全保障对策

目前,我国正处于隧道建设的高速发展阶段, 地铁、高速铁路、电力管廊等水下隧道工程急剧增 多,水下勘测、设计荷载、机械施工、新材料、安 全保障等方面均面临重大挑战。

(1)新型勘测手段的推广、应用与探索。随着 现代信息技术和智能化的发展,地震反射、瞬变电 磁法、测井、孔内电视等新型勘测手段采用从整体 宏观控制与微观测试相结合的勘察、测试等方法, 获取地质信息,修正地层参数,弥补传统地质钻孔 勘察的局限性。通过地质分析与工程物探相结合、 地震方法与地磁方法相结合,共同解决隧道不良地 质构造的超前预报问题。

(2)改进并完善隧道结构的荷载理论。分析既 有隧道衬砌结构的常用荷载计算方法发现,当前大 多数隧道衬砌结构在设计时仅考虑静态恒定荷载, 未对施工全工序过程中的荷载演变进行仔细考量, 如在施工期的特定环境下,结构可能处于最危险的 状态,其安全风险未得到全面、准确的控制。因此, 应完善现有隧道的荷载理论,突出建设全过程中的 荷载演变,考虑施工期荷载、运营期的特殊荷载、 结构劣损后“减载效应”的影响。

(3)开发隧道工程整体化、全寿命设计方法。 综合考虑隧道建设环境条件、技术标准、使用功能 与防灾救援、施工技术与安全风险等因素,进行考 虑多类多因素的隧道整体化设计;运用“系统最 优”“全寿命成本”等新理念和全寿命时变性分析 方法进行隧道结构的全寿命设计,使隧道在全寿命 周期中的总体结构性能(安全、适用、耐久、经济、 美观、环保等)达到优秀或优化。

(4)机械化、信息化施工的推广。目前我国隧道施工方法已从传统的钻爆法、明挖法,向盾构法 优先、钻爆与明挖相结合的方向发展,随着我国制 造水平的不断提高,以及地铁盾构、铁路隧道等施 工经验与技术的累积,我国已具备了使用盾构、掘 进机修建高难度隧道工程的技术能力。随着人类不 断地开发地下资源,城市深部地下空间开发、地下 城市及地下综合管廊建设等不断进步,机械化、信 息化施工技术将必然得到深入发展,应优先为地下 空间的开发创造有利条件。

(5)突破重大隧道结构的安全评价系统方法。 研究隧道结构安全状态评价方法,形成风险评价 模型并进行风险等级划分,建立区域针对性、地 质条件针对性、结构针对性的隧道结构安全评价 体系。

(6)开发隧道结构安全性与健康状态智能评价 与预警软件系统。研究开发隧道结构安全性和健康 状态智能评价与预警软件系统,可以实现对隧道结 构安全性与健康状态的智能评价,并能对结构安全 性进行预测预警。

(二)结构性能退化方面的结构安全保障对策

为转变工程界存在的“重建设、轻维护”现象, 忽视隧道结构劣化、老化对隧道结构长期安全性与 耐久性的不利影响,亟需转换思维,从结构全寿命 安全性及经济性成本分析的角度,变被动维修为主 动控制和主动预防,全面系统地从可靠度和耐久性 设计、质量控制技术、综合性防护体系、全寿命防 腐蚀等方面出发,防控重大隧道结构劣化、老化等 安全风险。

(1)研究重大隧道建成初期及运营期的结构性 能。在隧道结构建造和运营的全过程中,其结构性 能将随着内外环境的不同,发生不同类型的响应。建成初期,荷载及结构量化较为准确,对其结构性 能判定较为准确,但由于运营期荷载的不确定性、 随机性以及外部作用的持续性,服役隧道结构性能 的准确评价面临大的挑战。为此,应采用理论分 析、室内试验、数值模拟等手段,结合有代表性的 点、线乃至区域隧道现场测试结果,建立重大隧道 结构全寿命性能评价方法和理论体系。

(2)加快修订定量设计、可靠度量的耐久性 设计规范。以可靠性理论为基础,综合考虑隧道 结构的岩土环境、腐蚀环境以及服务运营环境的 特点,构建全面、考虑多因素耦合影响的隧道结 构耐久性定量设计理论,从国家及行业监管层面 制定隧道结构耐久性设计规范,从预可行性研究、 设计阶段起,全面持续重视隧道结构的长期安全 性及耐久性。

(3)建立隧道结构全寿命周期的质量控制标准 与防护体系。加强施工期隧道结构的施工质量控制 标准和监控,对混凝土水灰比、混凝土保护层厚度、 混凝土氯离子扩散系数等关键结构的耐久性的重要 参数进行重点控制,配制高耐久性混凝土;采用全 寿命成本分析理论,开展隧道结构防腐蚀方案设计, 增加结构安全储备。

(4)加强新材料、新型防腐蚀技术、信息化耐 久性监测技术的研究。加强新型耐久性材料的研发 与应用推广;开展混凝土防腐、钢筋主动防腐等新 技术、新工艺研究;加强全寿命耐久性监测技术和 监控体系研发;从产学研相结合的角度推广新成果 快速应用。

(三)自然灾害作用下隧道结构的安全保障对策

隧道作为地下结构具有较好的抗震性能,一 般情况下其震害并不如地面结构严重,但其作为 交通运输的生命线工程,特别是隧道破坏后的修 复与重建工作,从难度、经济性、工期等各个方 面相比地面建筑的震害处理都处于劣势,因此, 隧道工程尤其是重大隧道的地震安全保障显得 尤为重要。

(1)建立地震作用下隧道结构安全保障体系的 核心目标。确保设防烈度地震作用下隧道结构不发 生或者发生轻度破坏,稍作修复便可继续使用;关 键线路隧道在震后能够通过修复手段恢复原设计使 用功能;建立健全隧道震后震害辨识、评估和应急 机制,使地震时相关隧道的地震响应及震害特征能 迅速被反馈和评估,并投入到抢险救灾和灾后重建 工作中去;形成完整的震后隧道修复和重建的评定 标准、技术措施和方案比选准则体系,为震后隧道 结构的修复或重建以及修复或重建的方案和技术提 供参考。

(2)隧道的抗震规划、设计和施工。对于在规 划建设中的隧道结构,从规划、设计到施工阶段均 应按规范要求进行隧道结构的抗减震设计,并充分 考虑震后隧道的震害反馈和应急预案。在规划设计 阶段,充分考虑我国的地质、地形条件,尽量避免 隧道处于高烈度地震区、活动断裂带、不稳定边坡 等位置,从场地、地震烈度等多个方面进行方案比 选,对于高烈度地震区、重要隧道工程、穿越特殊 地质条件的隧道应进行专门的抗震设计研究。

(3)抗震设防技术。在抗震设防技术上,大力 研发适用于隧道结构抗减震的措施、材料和技术, 将地下结构抗减震技术从理论阶段推广到广泛应用 阶段,并逐渐形成针对浅埋、偏压、断层等地震易 损地质段的隧道抗减震技术体系。

(四)突发事故灾害作用下隧道结构的安全保障 对策

隧道在运营过程中面临爆炸、火灾、车辆撞击 等灾害事故,影响结构安全。

(1)加快推进重大隧道结构的安全保障体系 的建立及完善。以风险理论为基础,综合考虑隧 道运营环境、地区经济、国家战略等因素,统筹 公共安全、交通运输、建筑等行业,广泛吸纳设计、 建设、运营、科研、装备、材料等机构和单位的 意见,加快完善隧道结构的安全保障标准和规范 体系。

(2)对危险化学品车辆等重大危险源的防范。 隧道在运营的过程中,液化石油气车辆、重型货 车等重大危险源是可能造成隧道结构破坏的重要 风险源之一,应加强采用新技术、法律、法规等 多方面措施,禁止危险化学品运输车辆进入重大 隧道结构。

(3)加强隧道结构损伤致害机理、防护技术、 设备设施以及新材料的科学研究。开展重特大火灾、 爆炸、列车撞击等作用下重大隧道结构损伤机理及 力学行为研究;研究既有劣化、老化结构在突发灾害(爆炸、火灾等)下的结构安全保障技术;加强 对重大灾害的预警、探测、防护技术及设备的研发 工作;加强推进新型防火涂料、防火板等隧道结构 安全防护材料的研发。