一种隧道涌水淹没-抽排水后的结构安全评价方法及系统

技术领域

本发明涉及隧道安全评价领域，具体涉及一种隧道涌水淹没-抽排水后的结构安全评价方法及系统。

背景技术

随着我国交通路网覆盖范围正向遍布喀斯特地貌的云、贵、湘、川等西南地区纵深扩展，势必会遇到大量富水岩溶隧道工程。

由于地质条件的复杂性，地质勘查范围以及勘测技术的局限性等，隧道纵向地质条件难以完全准确掌握，隧道施工过程中难免揭露地下暗河、溶腔溶洞、断层破碎带以及贯通管道等。雨季施工过程中，容易出现涌水淹没情况，在隧道后期抽排水过程中，隧道衬砌结构会发生局部掉块、裂缝、整体式垮落等不同形态的结构破坏模式。

为此，亟需提出一种隧道涌水淹没-抽排水后的结构安全评价方法，进而实现隧道涌水淹没-抽排水后的结构安全评价，从而为结构处治措施的制订与实施提供理论依据。

发明内容

为解决上述背景中的技术问题，本发明利提了一种新型的结构安全评价方法及系统，用于实现隧道涌水淹没-抽排水后结构安全性能的科学评价，本发明将承载能力与服役能力分开后单独逐次评价定级，使得评价结果更加科学准确。

为实现上述目的，本发明提供了以下方案：

一种隧道涌水淹没-抽排水后的结构安全评价方法，步骤包括：

获取被涌水淹没，并排抽水后隧道的结构参数；

基于所述结构参数，对待评价隧道进行结构承载能力评价，得到评价结果；

当所述评价结果满足结构承载能力要求时，对待评价隧道进行结构服役性能评价。

优选的，获取所述结构参数的步骤包括：

对待评价隧道进行纵向分段；

对待评价隧道进行分段采集，得到所述结构参数。

优选的，进行所述结构承载能力评价的步骤包括：

基于所述结构参数，进行室内基础力学试验，得到实验结果；

基于所述结构参数，确定承载能力要求的阈值；

基于所述实验结果，分析隧道结构的力学性能；

对比所述力学性能及所述阈值，完成所述结构承载能力评价。

优选的，进行所述结构服役性能评价的方法包括：

构建结构服役性能的评价指标；

对每一项所述评价指标进行定性打分与定量打分，得到定性结果与定量结果；

对所述定性结果与所述定量结果进行融合，得到每一项所述评价指标的综合得分；

基于所述综合得分，计算每一项所述评价指标的权重，并最终得到评价结果。

本发明还提供了一种隧道涌水淹没-抽排水后的结构安全评价系统，所述系统应用于上述任一项所述的方法，包括：采集模块、结构承载评价模块和结构服役性能评价模块；

所述采集模块用于获取被涌水淹没，并排抽水后隧道的结构参数；

所述结构承载评价模块用于基于所述结构参数，对待评价隧道进行结构承载能力评价，得到评价结果；

所述结构服役性能评价模块用于当所述评价结果满足结构承载能力要求时，对待评价隧道进行结构服役性能评价。

优选的，所述采集模块的工作流程包括：

对待评价隧道进行纵向分段；

对待评价隧道进行分段采集，得到所述结构参数。

优选的，所述结构承载评价模块的工作流程包括：

基于所述结构参数，进行室内基础力学试验，得到实验结果；

基于所述结构参数，确定承载能力要求的阈值；

基于所述实验结果，分析隧道结构的力学性能；

对比所述力学性能及所述阈值，完成所述结构承载能力评价。

优选的，所述结构服役性能评价模块的工作流程包括：

构建结构服役性能的评价指标；

对每一项所述评价指标进行定性打分与定量打分，得到定性结果与定量结果；

对所述定性结果与所述定量结果进行融合，得到每一项所述评价指标的综合得分；

基于所述综合得分，计算每一项所述评价指标的权重，并最终得到评价结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明可以实现隧道涌水淹没-抽排水后结构安全性能的科学评价，评价过程中将结构安全分为承载能力与服役性能两个方面，并进行主次分离，单独逐次评价定级，进而为后续结构处治措施的制订与实施提供理论依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的方法流程示意图；

图2为本发明实施例的评价指标示意图；

图3为本发明实施例的系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在进行说明之前，首先对一些专业术语进行解释。

承载能力：指结构承载外部压力的能力，如承载围岩自重、岩溶地下水压力等。

服役性能：指结构提供隧道内列车通行的能力，如渗漏水不能太严重，裂缝不能太大，不能发生无征兆的掉块等。

隧道结构的承载能力是服役性能的前提，如果隧道结构不能承载外部压力，则可能会发生整体坍塌的危险，则不存在隧道内列车通行的可能。即承载能力决定隧道是否存在，服役性能决定隧道是否可用。如果隧道不复存在，则不存在是否可用一说。

基于此，本实施例公开的隧道（主要为富水岩溶隧道）涌水淹没-抽排水后的结构安全评价分为承载能力评价与服役性能评价两个方面。对结构安全进行承载能力评价，当承载能力不满足要求时，则一票否决，不执行后面的服役性能评价；只有当结构承载能力评价满足要求后，才对结构进行服役性能评价，即结构的承载能力评价满足要求是后续结构服役性能评价的前提。

实施例一

如图1所示，为本实施例的方法流程示意图，步骤包括：

S1.获取被涌水淹没，并排抽水后隧道的结构参数。

首先，对待评价隧道进行纵向分段，在本实施例中，分段间隔为1.0m到1.5m。

之后，对待评价隧道进行分段采集，得到所述结构参数。具体步骤包括：

先采用三维激光扫描等仪器对每段结构进行表面扫描，获取结构表观性能，包括：裂缝分布、蜂窝麻面、表明孔洞。

再采用人工或机械巡检，对每段结构进行二次检测，重点记录每段结构的脱落掉块情况（掉块位置、掉块尺寸等）；渗漏水情况，如渗漏水方式（点滴、线状渗漏、面状渗漏等）、水流大小、水流是否持续等。

S2.基于结构参数，对待评价隧道进行结构承载能力评价，得到评价结果。

首先基于结构参数，进行室内基础力学试验，得到实验结果；具体采用无侧限单轴压缩试验、有侧限单轴压缩试验、三轴压缩试验以及剪切试验，进而获取对应的基础力学性能，包括：单轴抗压强度、三轴抗压强度、泊松比以及粘聚力。

基于结构参数，确定承载能力要求的阈值；具体的，

基于隧道结构的设计文件，确定混凝土结构的设计等级，如C35；根据混凝土结构设计规范的相关要求，选择C35混凝土的极限抗压强度35.0 MPa、极限抗拉强度3.5 MPa、抗弯强度5.0 MPa等。

基于实验结果，分析隧道结构的力学性能；具体步骤包括：

通过三维数值软件（如FALC、ABAQUS、GTSNX以及ANSYS等），构建隧道几何尺寸，施加结构的外部受力情况，赋予结构涌水淹没-抽排水后的基础力学性能参数，分析隧道结构的力学性能。具体步骤包括：

1)采用三维数值软件构建模型；

2)给模型赋予相应的力学参数；

3)设定模型的边界条件；

4)模型初始计算，获取初始地应力；

5)隧道开挖模拟，模型运行至不平衡力小于10

6)隧道支护结构施作，并赋予支护结构相应的力学参数，并模拟隧道淹没过程，模型运行至不平衡力小于10

7)隧道淹没模拟结束后，获取隧道支护结构的应变与应力云图，并进行变形受力分析；

8)隧道抽排水模拟，模型运行至不平衡力小于10

9)隧道抽排水后，获取隧道结构的应变与应力云图，并进行变形受力分析。同时，与隧道淹没后及抽排水前的结构变形受力特征进行对比分析；

10)结合对比分析的结果，综合分析隧道结构淹没与抽排水之后的结构变形与受力性能。

最后，对比力学性能及阈值，完成结构承载能力评价。

在获取隧道结构的抗压强度、抗拉强度以及弯曲强度之后，将其与相应的阈值进行比较，当分析结果小于阈值时，则该段结构的承载能力不满足要求，建议跟换处治；当分析结果不小于阈值时，则该段结构的承载能力满足要求，建议对结构的服役性能进行评价。

S3.当评价结果满足结构承载能力要求时，对待评价隧道进行结构服役性能评价。

首先，构建结构服役性能的评价指标。

结构服役性能的评价指标体系如图2所示，图中：

之后，对每一项评价指标进行定性打分与定量打分，得到定性结果与定量结果。

①评价指标的定性打分X

②评价指标的定量打分L

对定性结果与定量结果进行融合，得到每一项评价指标的综合得分，融合公式：

（1）

式中：

基于综合得分，计算每一项评价指标的权重，并最终得到评价结果。

评价指标的权重计算，采用层次分析法，计算并确定蜂窝麻面、脱落掉块、渗漏水、孔洞空洞以及裂缝裂隙的权重值

具体步骤包括：

I、采用“1-9标度方法”来构造比较判断矩阵P如下：

II、最大特征值

表1

III、相应的指标权重分别为0.587、0.072、0.218、0.123。

评价结果计算采用如下公式：

(2)

式中，S代表结构服役性能评价结果。

然后，对照表2对结构安全进行等级划分，并采取相应的应对措施。其中，正常使用代表无需对涌水淹没-抽排水后的结果进行处治；加强监测代表需要对结构增加监测内容，缩短监测频率；局部处治代表需要对结构局部表面进行处治，如打锚杆、挂钢筋网等；整体加强代表需要增加护拱或套衬来保证隧道服役安全。

表2

实施例二

本实施例为两车道公路隧道，断面形式为单心圆，内轮廓半径为5.5m，隧址区在我国西南富水岩溶地区，施工过程中发生涌水淹没事故，待抽排水后，对隧道已施工结构的安全性进行评价。

（1）获取参数：隧道涌水淹没-抽排水后的结构纵向分段间隔取值1.2 m；每段取试样20个；采用三维激光扫描器对每段结构表面进行扫描，进而获取隧道结构的表观性能；通过地质勘察报告、施工图设计文件以及现场测量等方法，确定隧道的埋深、功能以及重要程度；确定隧道结构的抗压强度的阈值为45MPa，抗拉强度的阈值为5.0MPa，弯曲强度的阈值为6.5MPa。

（2）结构承载能力评价：受限，通过单轴、三轴以及剪切试验，获取试样的基础力学参数。然后，采用FLAC3D对隧道结构的受力性能进行分析，结果表明隧道涌水淹没-抽排水后的结构抗压强度为40MPa，抗拉强度为4.6MPa，弯曲强度为6.3MPa，均小于对应的阈值。

（3）评价结果：因隧道涌水淹没-抽排水后的结构承载能力不满足要求，则无须对结构的服役性能进行评价。建议直接对相应的隧道结构进行更换处治。

实施例三

本实施例为标准的单洞双线高速铁路隧道，隧道净空断面积为100.0 m2，采用盾构法施工，隧址区在我国西南富水岩溶地区，施工过程中发生涌水淹没事故，待抽排水后，对隧道已施工结构的安全性进行评价。

（1）获取参数：隧道涌水淹没-抽排水后的结构纵向分段间隔取值1.5 m；每段取试样30个；采用三维激光扫描器对每段结构表面进行扫描，进而获取隧道结构的表观性能；通过地质勘察报告、施工图设计文件以及现场测量等方法，确定隧道的埋深、功能以及重要程度；确定隧道结构的抗压强度的阈值为52 MPa，抗拉强度的阈值为4.6 MPa，弯曲强度的阈值为5.3 MPa。

（2）结构承载能力评价：受限，通过单轴、三轴以及剪切试验，获取试样的基础力学参数。然后，采用FLAC3D对隧道结构的受力性能进行分析，结果表明隧道涌水淹没-抽排水后的结构抗压强度为55 MPa，抗拉强度为5.3 MPa，弯曲强度为5.9 MPa，均大于对应的阈值，表明隧道涌水淹没-抽排水后的结构承载能力满足要求。

（3）结构服役性能评价：

①评价指标的定性打分Xm，通过采用专家打分法，对蜂窝麻面X

②评价指标的定量打分Ln，在三维激光扫描、人工以及机械巡检的基础上，计算各评价指标的定量峰值，数值分别为0.89、0.69、0.75、0.88以及0.78。

③评价指标的综合得分，采用公式（1）对定量与定性得分进行融合，定性与定量评价指标综合得分中的权重

④评价指标的权重计算，采用德尔福法确定

⑤采用公式（2）计算评价结果为0.716。

（4）评价结果：综合表1可知，评价结果值为0.716时，隧道结构的安全等级为III级，需要进行局部处治才能满足服役性能的要求。

实施例四

如图3所示，为本实施例的系统结构示意图，包括：采集模块、结构承载评价模块和结构服役性能评价模块；采集模块用于获取被涌水淹没，并排抽水后隧道的结构参数；结构承载评价模块用于基于结构参数，对待评价隧道进行结构承载能力评价，得到评价结果；结构服役性能评价模块用于当评价结果满足结构承载能力要求时，对待评价隧道进行结构服役性能评价。

其中，采集模块的工作流程包括：对待评价隧道进行纵向分段；对待评价隧道进行分段采集，得到结构参数。结构承载评价模块的工作流程包括：基于结构参数，进行室内基础力学试验，得到实验结果；基于结构参数，确定承载能力要求的阈值；基于实验结果，分析隧道结构的力学性能；对比力学性能及阈值，完成结构承载能力评价。结构服役性能评价模块的工作流程包括：构建结构服役性能的评价指标；对每一项评价指标进行定性打分与定量打分，得到定性结果与定量结果；对定性结果与定量结果进行融合，得到每一项评价指标的综合得分；基于综合得分，计算每一项评价指标的权重，并最终得到评价结果。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。