CN112036734B - 一种隧道主体结构健康状态评价及养护对策确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道主体结构健康状态评价及养护对策确定方法，包括：根据隧道主体结构形式以及隧道地质数据，确定隧道主体结构的基本单元、区段划分范围以及单一指标分级标准；收集监测及病害数据，结合单一指标分级标准，确定隧道主体结构的单点健康状态评价结果；基于单点健康状态评价结果，依次确定基本单元、区段和总体健康状态评价结果；依据单点健康状态评价结果和基本单元健康状态评价结果，确定单一病害维修及综合维修对策；依据区段健康状态评价结果和总体健康状态评价结果，确定隧道运营管理对策。与现有技术相比，本发明能够对基本单元健康状态进行可靠评价，以解决评价不准确导致后续决策错误、维修不到位或过度维修的问题。

Description

一种隧道主体结构健康状态评价及养护对策确定方法

技术领域

本发明涉及隧道运营养护技术领域，尤其是涉及一种隧道主体结构健康状态评价及养护对策确定方法。

背景技术

隧道投入运营后，受施工质量缺陷、周边环境变化等多方面因素影响，病害问题逐年突出，影响了隧道的健康状态与服役性能。隧道运营过程中，适时开展监测、检查(测)，定量评价隧道的健康状态极为重要。

目前针对隧道主体结构的健康状态评价，主要有以下公开技术及相关标准规范可供参考：

《公路隧道养护技术规范》JTG H12—2015

针对隧道土建结构(含洞口、洞门、主体结构、路面等分项)，采用点-段-分项-总体的分层综合评估体系，采用单一指标法评价单点状态，依据单点评价状态结果的最大值确定区段状态，依据区段评价结果的最大值确定分项状态，依据权重打分法确定总体状态；最后依据单点评价结果、总体状态评价结果确定养护对策。在本公开方法中，采用技术状况值标识健康状态。

1)依据单点病害评价结果JGCI_ijx确定各分项检查段落的状况值JGCI_ij和分项状况值JGCI_i，即JGCI_i＝max(JGCI_ij)＝max(JGCI_ijx)。其中，JGCI_ijx的值域为0～4，以衬砌破损为例示意，评定标准如表1：

表1衬砌破损技术状况评定标准

2)总体技术状况值按下式计算：

其中，ω_i为分项权重，取值按表2确定。

表2土建结构各项分项权重表

3)总体技术状况评分标准按表3确定，划分5类，见表3。

表3土建结构总体技术状况评定分类界限值

4)依据总体状态评价结果，确定养护对策，见表4。

表4土建结构总体技术状况类别及养护对策

杭州、宁波、江苏等地方标准《城市隧道养护技术规程》、《江苏省城市隧道建设、运行与维护指南》等均采用了这种方法。

上海市地方标准《盾构法隧道结构服役性能鉴定规范》DG/TJ08-2123-2013也基本沿用了这一技术思路，针对主体结构建立“构件(单点)-区段-整体”的分层综合评定体系，在采用单一指标评价方法确定单点状态的基础上，利用概率统计、极值原则确定区段和总体的状态，并依据总体状态评价结果确定养护对策。

《城市轨道交通隧道结构养护技术标准》CJJ/T 289—2018

针对主体结构，采用单一指标法评价单点状态，依据单点评价结果的最大值，提出病害处治对策。

单一指标评价分级标准与表1类似，各地城市轨道交通区间隧道养护作业即采取了这种方法。

现有的其他技术大多采用层次分析、模糊综合计算理论，或可拓学理论、贝叶斯网络等方法，以对单一指标的分级标准和总体评价时的指标体系及指标独立性、指标权重进行确定。比如CN201910485336.4公开了“一种基于大数据的公路隧道服役性能评价方法”，通过模糊计算获取各级指标评价值，从而实现对公路隧道设施服役性能的评价，该技术针对的是单一指标的评价方法和总体性能的评价方法；CN201911190545.2公开了一种基于综合评价指标对输变电设施服务水平进行评价的方法及系统，同样针对的是单一指标的评价方法和总体性能的评价方法；CN202010066911.X提供了一种基于层次-可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法，主要是基于层次分析法和可拓学理论，以计算评价指标与评价等级的关联度，从而确定隧道衬砌结构病害评价等级；CN201810811112.3公开了一种基于贝叶斯网络的隧道衬砌结构服役状况评价方法；CN201710198139.5公开了一种高速铁路结构状态的评价方法，主要采用三级模糊综合评价法确定高速铁路隧道结构受各因素综合影响结果；CN201310110269.0则公开了一种基于可变模糊集理论的公路隧道健康状态动态评价方法。

综上所述，现有技术可以归纳为单点病害评价、区段状态评价、总体状态评价三种，养护对策依据单点病害评价结果、总体状态评价结果确定，然而隧道工程以环(盾构隧道)、节(沉管、明挖法隧道)、模(钻爆法隧道)为最小的基本单元进行修建，基本单元内包括多个构件(单点)，以盾构隧道为例，一个基本单元(管片环)是由1块封顶块、2块邻接块、多块标准块、数十根螺栓和多处结构缝组成的。若干基本单元组成一个区段(受地质、线位、结构形式等因素的约束，不同区段结构形式有所差异)，最后再由若干区段汇总形成隧道总体。隧道结构的健康状态及养护对策不仅与单点病害部位的健康状态密切相关，也与各基本单元、区段、总体的健康状态息息相关。由于变形缝、结构缝等的存在，各个基本单元相对独立，病害在基本单元内发育、发展，病害影响的评价、特别是处治应以基本单元为对象开展。但是当前的技术方案均没有涉及到隧道结构基本单元的健康状态评价，此外也没有清晰地区分开如何依据评价结果确定病害处治和运营管理两方面的养护对策。

依据现有的单点或总体状态评价结果确定的养护对策极易造成维修不到位或过度维修的问题。具体如下：

1)单点病害评价无法考虑基本单元内多个病害的相互影响问题，导致评估结果过于乐观，基于单点病害评价确定的养护对策也会存在维修不到位的问题。例如对于某一盾构隧道环，同时存在处于严重状态的渗漏水、变形、裂损3类病害时(技术状况值均为3，对应“严重破损状态”)，真实状态已达到“危险状态”，如果仅依据单点评价，评价结果为“状况值为3、处于严重破损状态”，将会忽视3类病害之间的恶性影响，无法得到结构已处于“危险状态”的实际结论，由此确定的养护对策自然也无法满足实际维修需求。

在现有技术、方法中增加“基本单元健康状态评价”这一重要步骤后，如何评价是当前亟待解决的一个问题。如直接将现有的用于区段、总体评估的模糊综合或贝叶斯网络等评估方法应用于基本单元健康状态评价，则面临操作方法流程繁琐、效率低、不便于养护技术人员执行和多指标权重确定困难、容易忽略最危险病害影响的问题。

2)总体状态评价结果是对全线状态的反映，包括了不同形式的主体结构以及洞口洞门、路面、吊顶及预埋件等其他土建结构，基于总体状态评价结果确定养护对策，一方面容易造成维修范围过大，另一方面会导致个别分项的维修决策错误。

以某一公路隧道进行举例说明：假设分项吊顶及预埋件评定结果为2(该分项技术状况值为2，对应中等破损状态，原则上需要进行维修)，其他分项(洞口、洞门、衬砌、路面等)为0，则总体技术状况值JGCI＝100-2/4×10＝90，相当于1类隧道，即只需要进行正常养护即可，不需要维修，这一评估结果和养护对策显然与实际不符；

再假设交通标志、标线已全部损毁(分项状况值为4)，而其他分项依旧完好，则总体技术状况值JGCI＝100-4/4×5＝95，相当于1类隧道，即只需要进行正常养护即可，不需要维修，而实际上需要尽快封闭隧道、对隧道交通标志、标线实施修复。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种隧道主体结构健康状态评价及养护对策确定方法，能够对隧道主体结构的基本单元进行健康状态评价，并以单点、基本单元评价结果为依据确定病害处治对策，以区段和总体状态评价结果为依据确定隧道运营管理对策。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种隧道主体结构健康状态评价及养护对策确定方法，包括以下步骤：

S1、根据隧道主体结构形式以及隧道地质数据，确定隧道主体结构的基本单元、区段划分范围以及单一指标分级标准；

S2、开展现场监测及检测工作，以收集监测及病害数据；

S3、根据收集的监测及病害数据，结合单一指标分级标准，确定隧道主体结构的单点健康状态评价结果；

S4、基于单点健康状态评价结果，依次确定基本单元健康状态评价结果、区段健康状态评价结果和总体健康状态评价结果；

S5、依据单点健康状态评价结果和基本单元健康状态评价结果，确定单一病害维修及综合维修对策；

S6、依据区段健康状态评价结果和总体健康状态评价结果，确定隧道运营管理对策。

进一步地，所述步骤S1中隧道主体结构的基本单元具体为：

若隧道主体结构以盾构法修建，则对应的基本单元为环；

若隧道主体结构以明挖法或沉管法修建，则对应的基本单元为节；

若隧道主体结构以钻爆法修建，则对应的基本单元为模；

所述步骤S1中区段划分范围的确定方法包括：

独立划分施工期事故段落：施工期间记载有突水冒泥、塌方等事故区段，施工期进行过专项修补的区段；

独立划分运营期周边施工影响段落：根据施工具体特征及影响范围，结合运营监测及病害调查结果确定区段范围；

独立划分运营期历史维修段落：根据以往实际维修区域确定区段长度；

独立划分联络通道及其两侧延伸10m、工作井两侧延伸30～50m、小半径曲线段；

独立划分病害成因不明、病害种类多且相对集中段落；

所述步骤S1中单一指标分级标准具体将健康状态等级划分为5级，其中，1级对应的健康状态分值为0、健康状态为完好；

2级对应的健康状态分值为1、健康状态为轻微破损；

3级对应的健康状态分值为2、健康状态为中等破损；

4级对应的健康状态分值为3、健康状态为严重破损；

5级对应的健康状态分值为4、健康状态为危险。

进一步地，所述步骤S2中收集的监测及病害数据包括：

勘察及施工阶段实际揭露的地质条件、有害气体赋存情况、不良地质发育情况；

施工期检测发现的结构质量缺陷、结构及地表土体的变形监测数据；

运营检查到的病害特征、长期监测数据。

进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、对收集的监测及病害数据进行前期处理，具体是将施工期检测的结构变形数据与建成投运后检测的结构变形数据进行叠加处理，以得到用于评价单点健康状态的结构变形数据；

S32、结合现行标准、工程经验或通过有限元分析模型的方式，基于单一指标分级标准，对前期处理后的监测及病害数据进行判定，得到单点健康状态评价结果。

进一步地，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41、基于单点健康状态评价结果，确定基本单元健康状态评价结果；

S42、基于基本单元健康状态评价结果，确定区段健康状态评价结果；

S43、基于区段健康状态评价结果，确定总体健康状态评价结果。

进一步地，所述步骤S41具体包括以下步骤：

S411、统计所有单点健康状态评价结果所对应的病害类型；

S412、以单点健康状态评价结果的最大健康状态分值所对应的病害类型作为关键病害；

S413、根据预设的影响附加值规则，计算得到统计的其余病害类型对应的影响附加值，之后采用影响附加值方法考虑其他病害类型的影响，以关键病害对应的单点健康状态评价结果为基数，叠加其他病害类型的影响附加值，计算得到基本单元健康状态评价结果。

进一步地，所述预设的影响附加值规则具体为：

若病害类型的单点健康状态评价结果的最大健康状态分值为0，则该病害类型的影响附加值为0；

若病害类型的单点健康状态评价结果的最大健康状态分值为1，则该病害类型的影响附加值为0.1；

若病害类型的单点健康状态评价结果的最大健康状态分值为2，则该病害类型的影响附加值为0.3；

若病害类型的单点健康状态评价结果的最大健康状态分值为3，则该病害类型的影响附加值为0.5；

若病害类型的单点健康状态评价结果的最大健康状态分值为4，则不考虑该病害类型的应向附加值；

所述基本单元健康状态评价结果的计算公式为：

其中，THI_Rj为第j个基本单元的健康状态分值，THI_p-max为该基本单元最大的单点健康状态分值，即为关键病害对应的单点健康状态评价结果，ω_i为统计的其余病害类型中第i种病害对应的影响附加值，n为统计的所有病害类型的数量；

所述基本单元的健康状态分值THI_Rj按照四舍五入的方法取整，若THI_p-max＝4或THI_Rj＞4时，则基本单元的健康状态分值确定为4。

进一步地，所述步骤S42中区段健康状态评价结果具体为区段内基本单元健康状态评价结果的最大值，即：

THI_Dk＝THI_R-max

其中，THI_Dk为第k个区段的健康状态分值，THI_R-max为该区段内最大的基本单元健康状态分值；

所述步骤S43中总体健康状态评价结果具体为区段健康状态评价结果的最大值，即：

THI＝THI_D-max

其中，THI为总体健康状态分值，THI_D-max为最大的区段健康状态分值；

或者基于所有区段健康状态评价结果，采用概率统计或权重打分的方式确定总体健康状态评价结果。

进一步地，所述步骤S5的具体过程为：

若基本单元的健康状态分值为0时，即处于完好状态，正常养护即可；

若基本单元的健康状态分值为1或2时，即处于轻微或中等破损状态，则依据单点健康状态评价结果，对单一病害部位实施维修处治；

若基本单元的健康状态分值为3或4时，即处于严重破损或危险状态，则以基本单元为对象，划分对策段落，按对策段落实施综合维修措施，所述综合维修措施包括粘钢加固、注浆堵漏；

所述区段内对策段落的划分方法具体为：

1)依据基本单元的健康状态分值，按照由高到低的顺序划分对策段落，当基本单元健康状态分值为3或4时，向两侧分别延伸一个基本单元，确定一个对策段落；

2)将健康状态分值相同的相邻基本单元划为同一对策段落，并可向两侧分别延伸1～2个基本单元，将基本单元健康分值的最大值作为该对策段落的健康状态评价结果；

3)对间距小于1倍洞径、且健康状态分值相同的两个基本单元，其中间各基本单元健康状态分值均小于该两个基本单元健康状态分值时，则划为一个对策段落，将两端点基本单元的健康状态分值作为该对策段落的健康状态评价结果，并可向两侧分别延伸1～2个基本单元。

进一步地，所述步骤S6的具体过程为：

若区段健康状态分值的最大值或总体健康状态分值为0、1或2时，则采取正常行车的运营管理措施；

若区段健康状态分值的最大值或总体健康状态分值为3时，表明即将影响行车安全，需在综合评估后采取限制使用措施；

若区段健康状态分值的最大值或总体健康状态分值为4时，表明可能危及行车安全，需立即采取限制使用措施，必要时采取停止行车措施。

上述即为本发明的提出的隧道主体结构健康状态评价及养护对策确定方法，进一步地，可将上述步骤应用于洞口、洞门、路面、吊顶及预埋件其他土建结果(非主体结构)的健康状态评价和隧道总体健康状态评价，并依据各分项的单点、基本单元健康状态评价结果确定病害维修处治对策，依据各分项的总体健康状态评价结果最大值确定运营管理对策。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明针对现有技术的不足，通过影响附加值的方式，充分考虑了基本单元内多种类型病害相互影响的问题，特别是同时存在2种甚至更多处于中等或严重破损的病害，并避免了现有技术可能忽略最严重病害影响的问题，能够可靠地对基本单元健康状态进行评价，克服了依据现有技术容易导致维修不到位的重大缺陷，从而保障隧道结构的服役性能。

二、本发明提出的依据单点和基本单元健康状态评价结果确定单点病害维修和综合维修措施的方法以及对策段落的确定方法，不仅避免了直接依据总体状态评价结果对全线范围进行处置维修所面临的过度维修问题，还避免了直接针对高等级单一病害所在的基本单元实施综合维修的过度维修问题，能够有效降低养护维修经费。

三、本发明提出的依据各区段、分项和总体状态评价结果综合确定运营管理对策的方法，有效的将病害维修、运营管理措施区分开，避免了采用现有技术评价处治时存在的个别分项健康状态评价结果较差、但总体状态较好和由此作出错误决策的问题，可以更加及时地依据评价结果实施交通管制，降低错误评价和处治决策导致的社会与经济损失。

四、现有方法更适用于单点病害的维修处治，对基本单元内多病害、病害密集区段和运营管理对策的制定缺乏有效指导。本发明提出的隧道结构健康状态评价与养护对策确定方法，更符合工程实际需求，对单点病害、基本单元内多病害处治、病害密集区段处治和全线运营管理策略均提出了便于落实的对策，能够可靠地指导病害处治和隧道运营管理。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为实施例应用本发明方法的过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种隧道主体结构健康状态评价及养护对策确定方法，包括以下步骤：

S1、根据隧道主体结构形式以及隧道地质数据，确定隧道主体结构的基本单元、区段划分范围以及单一指标分级标准；

S2、开展现场监测及检测工作，以收集监测及病害数据；

S3、根据收集的监测及病害数据，结合单一指标分级标准，确定隧道主体结构的单点健康状态评价结果；

S4、基于单点健康状态评价结果，依次确定基本单元健康状态评价结果、区段健康状态评价结果和总体健康状态评价结果；

S5、依据单点健康状态评价结果和基本单元健康状态评价结果，确定单一病害维修及综合维修对策；

S6、依据区段健康状态评价结果和总体健康状态评价结果，确定隧道运营管理对策。

将上述方法应用于实际，其具体应用过程如图2所示，包括：

(1)针对不同施工法的隧道，其主体结构基本单元划分方法如下：

对于结构基本单元：盾构法修建的隧道区段，以一环(管片环，含连接螺栓、防水密封垫等)为基本单元；

明挖法、沉管法修建的隧道区段，以一节(框架节段或沉管节段)为基本单元；

钻爆法修建的隧道区段，以一模(模筑二衬，一模约9～12m)为基本单元。

对于主体结构区段范围，划分原则如下：

1、施工期事故段落：施工期间记载有突水冒泥、塌方等事故区段，施工期进行过专项修补的区段；

2、运营期周边施工影响段落：根据施工具体特征及影响范围，结合运营监测及病害调查结果确定区段范围；

3、运营期历史维修段落：根据以往实际维修区域确定区段长度；

4、联络通道及其两侧延伸10m、工作井两侧延伸30～50m、小半径曲线段等；

5、病害成因不明、病害种类多且相对集中段落。

对于主体结构单点、基本单元、区段、总体健康状态的评价结果，均划分为5级，并分别以THI_Pi、THI_Rj、THI_Dk、THI分别表示单点、基本单元、区段、总体的健康状态分值，其中i、j、k分别为单点、基本单元、区段的编号，单点、基本单元、区段、总体的分级标准如表1所示：

表1

健康状态等级	健康状态分值	健康状态
			1级	0	完好状态
2级	1	轻微破损状态
			3级	2	中等破损状态
4级	3	严重破损状态
			5级	4	危险状态

(2)评估前收集的基础数据应包括勘察及施工阶段实际揭露的地质条件、有害气体赋存情况、不良地质发育情况、施工期检测发现的结构质量缺陷、结构及地表土体的变形监测数据、运营检查到的病害特征、长期监测数据；

对于结构变形，应综合考虑施工期的变形状态和建成投运后的变形状态，即应对运营期的变形、受力监测数据进行处理，叠加施工期的对应指标监测数值。

本实施例的隧道主体结构为水下越江盾构隧道，在其穿越粉砂地层区段，施工期监测到的断面收敛值为12mm，建成投运2年后依据自动化监测或人工监测发现断面收敛值为5mm(运营后布设的测点)，则实际上用于评价结构安全状态的断面收敛值为12+5＝17mm，而非工程上常用的5mm，或者5mm+质量验收标准的允许值。

(3)病害部位的单点健康状态，由单一指标分级标准决定，单一指标分级标准可依据现行标准、工程经验确定，也可针对特定工程对象，建立有限元分析模型，综合材料允许强度、极限承载能力、正常使用性能等确定；对于存在多个指标的病害，应按各指标评价结果的最大值确定该部位的健康状态。

本实施例中，隧道外径11.6m，按7+1的分块方式设计，管片混凝土为C50型号、厚55cm，采用10.9级机械性能的螺栓进行连接。综合计算、理论分析结果，确定断面变形、裂缝部位裂缝长度、宽度和深度等的单点病害评价分级标准如表2所示：

表2

(4)基本单元的健康状态以该基本单元内的关键病害类型评价结果为基数(以基本单元内单点健康状态评分最大值所对应的病害类型为关键病害类型)，并采用考虑其他类型病害的影响附加值法确定，具体方法如下：

统计基本单元内检查发现的病害类型数量为n；

确定基本单元内关键病害类型健康状态分值为THI_p-max，即单点健康状态分值的最大值；

计算基本单元内其他各类型病害(除关键病害类型之外)的影响附加值ω_i，ω_i依据不同类型病害单点健康状态分值的最大值确定，如表3所示，其中，i取值为1到n-1。

表3

最终计算得到基本单元的健康状态分值为：

其中，THI_Rj为第j个基本单元的健康状态分值，THI_p-max为该基本单元最大的单点健康状态分值，即为关键病害对应的单点健康状态评价结果，ω_i为统计的其余病害类型中第i种病害对应的影响附加值，n为统计的所有病害类型的数量；

基本单元的健康状态分值按照四舍五入的方法取整，若THI_p-max＝4或THI_Rj＞4时，则基本单元的健康状态分值确定为4。

本实施例中的盾构隧道，其基本单元为管片环，通过检测发现第100环存在多处病害，包括断面变形过大2处裂缝、3处渗漏水、1处材料劣化，具体病害数据见表4：

表4

由上述数据可知，裂缝L1存在3个指标，单一指标评价分值分别为3、3、2，按最大值确定该点的健康状态THI_pi＝3，同理可确定裂缝L2处的状态评价结果为THI_pi＝＝2；该环存在2处裂缝病害，最大值为3，按最大值确定该环裂缝的健康状态评价结果为THI_pi＝＝3；同理可确定该环渗漏水健康状态评价结果为THI_pi＝＝2。

综上，对于该隧道第100环，单点健康状态评价值最大为3，即THI_p-max＝＝3，对应的病害为裂缝；其余病害为断面变形、渗漏水和材料劣化，对应的单点状态评价结果最大值分别为THI_P1-max＝1、THI_P2-max＝2、THI_P3-max＝2，对应的影响附加值分别为w₁＝0.1、w₂＝0.3、w₂＝0.3，则THI_R100＝3+0.1+0.3+0.3＝3.7≈4.0(四舍五入)，因此综合多种病害影响，该环(基本单元)的健康状态评价结果为4，处于危险状态。

(5)隧道主体结构区段健康状态按区段内基本单元健康状态评价结果的最大值确定：

THI_Dk＝THI_R-max

其中，THI_Dk为第k个区段的健康状态分值，THI_R-max为该区段内最大的基本单元健康状态分值。

(6)隧道主体结构总体健康状态可按区段健康状态评价结果的最大值确定：

THI＝THI_D-max

其中，THI为总体健康状态分值，THI_D-max为最大的区段健康状态分值；

或者基于所有区段健康状态评价结果，采用概率统计或权重打分的方式确定总体健康状态评价结果。

(7)隧道主体结构养护对策分为单一病害维修、综合维修和运营管理三部分。单一病害维修和综合维修按下列方法开展：

当基本单元的健康状态评价结果THI_Rj＝0时，即处于完好状态，正常养护即可；

当基本单元的健康状态评价结果THI_Rj＝1或2时，即处于轻微或中等破损状态，可只依据单点健康状态评价结果，对单一病害部位实施维修处治；

当基本单元的健康状态评价结果THI_Rj＝3或4时，即处于严重破损或危险状态，应以基本单元为对象，划分对策段落，按对策段落实施粘钢加固、注浆堵漏等综合维修措施。

区段内对策段落的确定方法如下：

1)依据基本单元健康状态评价结果，按照由高到低的顺序划分对策段落，当基本单元健康状态评价结果THI_Rj＝3或4时，向两侧分别延伸一个基本单元，确定一个对策段落。

2)将健康状态评价结果相同的相邻基本单元划为同一对策段落，并可向两侧分别延伸1～2个基本单元，并将基本单元评价结果最大值作为该对策段落的健康状态评价结果。

3)对间距小于1倍洞径、且健康状态评价结果相同的两个基本单元，其中间各基本单元健康状态评价结果小于该两个基本单元的健康评价结果时，则划为一个对策段落，，将两端点基本单元的健康状态评价结果作为该对策段落的健康状态评价结果，并可向两侧分别延伸1～2个基本单元。

(8)基于隧道区段、总体的健康状态评价结果，按表9确定隧道采取的运营管理措施：

表9

综上所述，本发明建立了四层级的隧道主体结构健康状态评价体系，依次为单点评价、基本单元评价、区段评价、总体评价，考虑了基本单元存在多病害的情况以及关键病害与其余病害之间的相互影响，能够可靠地对基本单元进行健康状态评价，并依据单点和基本单元评价结果，确定病害处治对策；依据区段和总体评价结果，确定运营管理对策，能够避免评价结果过于乐观导致后续确定的养护对策存在维修不到位的问题，同时不再依据总体健康状态评价结果进行养护对策的确定，以此避免发生维修范围过大、增加维修费用以及个别分项维修决策错误的问题。

本发明提出的方法，还可延伸应用至其他分项及隧道总体健康状态的评价与养护对策确定。

1、在实际应用中能够对隧道洞口洞门、路面、吊顶及预埋件等各分项的健康状态进行评价，并采用权重打分法确定隧道总体健康状态；

2、关于病害处治方面的养护对策，依据各分项的单点、基本单元状态评价结果进行确定；

3、关于运营管理决策，则根据隧道主体结构、洞口洞门、路面、吊顶及预埋件等所有分项评价结果的最大值确定；

4、关于评价得到的隧道总体健康状态评价结果，本发明提出方法与现有技术不同，隧道总体健康状态评价结果仅用于定量了解总体运行状况、指导未来养护巡养护和投资规划，不再涉及具体的养护对策。

Claims (7)

1.一种隧道主体结构健康状态评价及养护对策确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据隧道主体结构形式以及隧道地质数据，确定隧道主体结构的基本单元、区段划分范围以及单一指标分级标准；

S2、开展现场监测及检测工作，以收集监测及病害数据；

S3、根据收集的监测及病害数据，结合单一指标分级标准，确定隧道主体结构的单点健康状态评价结果；

S4、基于单点健康状态评价结果，依次确定基本单元健康状态评价结果、区段健康状态评价结果和总体健康状态评价结果；

S5、依据单点健康状态评价结果和基本单元健康状态评价结果，确定单一病害维修及综合维修对策；

S6、依据区段健康状态评价结果和总体健康状态评价结果，确定隧道运营管理对策；

所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41、基于单点健康状态评价结果，确定基本单元健康状态评价结果；

S42、基于基本单元健康状态评价结果，确定区段健康状态评价结果；

S43、基于区段健康状态评价结果，确定总体健康状态评价结果；

所述步骤S41具体包括以下步骤：

S411、统计所有单点健康状态评价结果所对应的病害类型；

S412、以单点健康状态评价结果的最大健康状态分值所对应的病害类型作为关键病害；

S413、根据预设的影响附加值规则，计算得到统计的其余病害类型对应的影响附加值；以关键病害对应的单点健康状态评价结果为基数，叠加其他病害类型的影响附加值，计算得到基本单元健康状态评价结果，其中，所述预设的影响附加值规则具体为：

若病害类型的单点健康状态评价结果的最大健康状态分值为0，则该病害类型的影响附加值为0；

若病害类型的单点健康状态评价结果的最大健康状态分值为1，则该病害类型的影响附加值为0.1；

若病害类型的单点健康状态评价结果的最大健康状态分值为2，则该病害类型的影响附加值为0.3；

若病害类型的单点健康状态评价结果的最大健康状态分值为3，则该病害类型的影响附加值为0.5；

若病害类型的单点健康状态评价结果的最大健康状态分值为4，则不考虑该病害类型的影响附加值；

所述基本单元健康状态评价结果的计算公式为：

其中，THI_Rj为第j个基本单元的健康状态分值，THI_p-max为该基本单元最大的单点健康状态分值，即为关键病害对应的单点健康状态评价结果，ω_i为统计的其余病害类型中第i种病害对应的影响附加值，n为统计的所有病害类型的数量；

所述基本单元的健康状态分值THI_Rj按照四舍五入的方法取整，若THI_p-max＝4或THI_Rj＞4时，则基本单元的健康状态分值确定为4。

2.根据权利要求1所述的一种隧道主体结构健康状态评价及养护对策确定方法，其特征在于，所述步骤S1中隧道主体结构的基本单元具体为：

若隧道主体结构以盾构法修建，则对应的基本单元为环；

若隧道主体结构以明挖法或沉管法修建，则对应的基本单元为节；

若隧道主体结构以钻爆法修建，则对应的基本单元为模；

所述步骤S1中区段划分范围的确定方法包括：

独立划分施工期事故段落：施工期间记载有突水冒泥、塌方事故的区段，施工期进行过专项修补的区段；

独立划分运营期周边施工影响段落：根据施工具体特征及影响范围，结合运营监测及病害调查结果确定区段范围；

独立划分运营期历史维修段落：根据以往实际维修区域确定区段长度；

独立划分联络通道及其两侧延伸10m、工作井两侧延伸30～50m、小半径曲线段；

独立划分病害成因不明、病害种类多且相对集中段落；

所述步骤S1中单一指标分级标准具体将健康状态等级划分为5级，其中，1级对应的健康状态分值为0、健康状态为完好；

2级对应的健康状态分值为1、健康状态为轻微破损；

3级对应的健康状态分值为2、健康状态为中等破损；

4级对应的健康状态分值为3、健康状态为严重破损；

5级对应的健康状态分值为4、健康状态为危险。

3.根据权利要求1所述的一种隧道主体结构健康状态评价及养护对策确定方法，其特征在于，所述步骤S2中收集的监测及病害数据包括：

勘察及施工阶段实际揭露的地质条件、有害气体赋存情况、不良地质发育情况；

施工期检测发现的结构质量缺陷、结构及地表土体的变形监测数据；

运营检查到的病害特征、长期监测数据。

4.根据权利要求3所述的一种隧道主体结构健康状态评价及养护对策确定方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、对收集的监测及病害数据进行前期处理，具体是将施工期检测的结构变形数据与建成投运后检测的结构变形数据进行叠加处理，以得到用于评价单点健康状态的结构变形数据；

S32、结合现行标准、工程经验或通过有限元分析模型的方式，基于单一指标分级标准，对前期处理后的监测及病害数据进行判定，得到单点健康状态评价结果。

5.根据权利要求1所述的一种隧道主体结构健康状态评价及养护对策确定方法，其特征在于，所述步骤S42中区段健康状态评价结果具体为区段内基本单元健康状态评价结果的最大值，即：

THI_Dk＝THI_R-max

其中，THI_Dk为第k个区段的健康状态分值，THI_R-max为该区段内最大的基本单元健康状态分值；

所述步骤S43中总体健康状态评价结果具体为区段健康状态评价结果的最大值，即：

THI＝THI_D-max

其中，THI为总体健康状态分值，THI_D-max为最大的区段健康状态分值；

或者基于所有区段健康状态评价结果，采用概率统计或权重打分的方式确定总体健康状态评价结果。

6.根据权利要求2所述的一种隧道主体结构健康状态评价及养护对策确定方法，其特征在于，所述步骤S5的具体过程为：

若基本单元的健康状态分值为0时，即处于完好状态，正常养护即可；

若基本单元的健康状态分值为1或2时，即处于轻微或中等破损状态，则依据单点健康状态评价结果，对单一病害部位实施维修处治；

若基本单元的健康状态分值为3或4时，即处于严重破损或危险状态，则以基本单元为对象，划分对策段落，按对策段落实施综合维修措施，所述综合维修措施包括粘钢加固、注浆堵漏；

所述区段内对策段落的划分方法具体为：

1)依据基本单元的健康状态分值，按照由高到低的顺序划分对策段落，当基本单元健康状态分值为3或4时，向两侧分别延伸一个基本单元，确定一个对策段落；

2)将健康状态分值相同的相邻基本单元划为同一对策段落，并可向两侧分别延伸1～2个基本单元，将基本单元健康分值的最大值作为该对策段落的健康状态评价结果；

3)对间距小于1倍洞径、且健康状态分值相同的两个基本单元，其中间各基本单元健康状态分值均小于该两个基本单元健康状态分值时，则划为一个对策段落，取两端点基本单元的健康状态分值作为该对策段落的健康状态评价结果，并可向两侧分别延伸1～2个基本单元。

7.根据权利要求2所述的一种隧道主体结构健康状态评价及养护对策确定方法，其特征在于，所述步骤S6的具体过程为：

若区段健康状态分值的最大值或总体健康状态分值为0、1或2时，则采取正常行车的运营管理措施；

若区段健康状态分值的最大值或总体健康状态分值为3时，表明即将影响行车安全，需在综合评估后采取限制使用措施；

若区段健康状态分值的最大值或总体健康状态分值为4时，表明可能危及行车安全，需立即采取限制使用措施，必要时采取停止行车措施。

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