隧道可靠性和耐久性設計技術

1、 1. 概述概述2. 結構可靠性設計方法結構可靠性設計方法3. 結構耐久性設計方法結構耐久性設計方法4. 信息化設計施工系統(tǒng)的開發(fā)信息化設計施工系統(tǒng)的開發(fā)5. 可維修性設計可維修性設計 1 1、概述、概述 1.1隧道工程的設計及特點隧道工程的設計及特點 1.工程環(huán)境的特殊性工程環(huán)境的特殊性 2.結構體系及其形成結構體系及其形成 3.經驗、實踐及設計經驗、實踐及設計 4.荷載結構材料的不可分割性荷載結構材料的不可分割性 5.設計、施工的一體化設計、施工的一體化 隧道結構物的技術特性隧道結構物的技術特性 對隧道結構物的要求是由其特殊的性質所決定的。對隧道結構物的要求是由其特殊的性質所決定的。隧道結

2、構物與一般工程結構物，在性質上有很大的隧道結構物與一般工程結構物，在性質上有很大的不同，不了解這一點，就不可能真正地認識隧道。不同，不了解這一點，就不可能真正地認識隧道。 隧道結構物的性質，概括地說，有以下幾點是隧道結構物的性質，概括地說，有以下幾點是需要我們關注的。需要我們關注的。 隱蔽性：地下結構與其他結構最大的不同就隱蔽性：地下結構與其他結構最大的不同就是它的隱蔽性；隱蔽性同時伴隨巨大的風險性；是它的隱蔽性；隱蔽性同時伴隨巨大的風險性； 力學狀態(tài)的不確定性：它的力學狀態(tài)受到施力學狀態(tài)的不確定性：它的力學狀態(tài)受到施工方法的極大影響，也是其他工程結構物所不工方法的極大影響，也是其他工程結構物

3、所不可比擬的；可比擬的； 地下環(huán)境影響的嚴重性：其他結構物主地下環(huán)境影響的嚴重性：其他結構物主要受自然條件的影響，而地下結構除自然條件要受自然條件的影響，而地下結構除自然條件外，還受到地下環(huán)境，主要指圍巖和地下水條外，還受到地下環(huán)境，主要指圍巖和地下水條件的影響；件的影響； 可維修性差，這是不言而愉的；可維修性差，這是不言而愉的； 施工條件和環(huán)境條件的約束。施工條件和環(huán)境條件的約束。 正是由于隧道結構物的這種與眾不同的性正是由于隧道結構物的這種與眾不同的性質，對隧道結構物的耐久性、可靠性及可維修質，對隧道結構物的耐久性、可靠性及可維修性提出了不同的要求。性提出了不同的要求。 1.2 隧道設計現

4、狀和存在問題隧道設計現狀和存在問題 1.施工前的地質調查不到位，致使大幅度變更施工前的地質調查不到位，致使大幅度變更設計的現象屢有發(fā)生；設計的現象屢有發(fā)生； 2.公路隧道設計標準化程度低；公路隧道設計標準化程度低； 3.重襯砌、輕初期支護或超前支護；重襯砌、輕初期支護或超前支護； 4.軟弱破碎圍巖的設計方法不完善；軟弱破碎圍巖的設計方法不完善； 5.防排水設計和施工是薄弱環(huán)節(jié)；防排水設計和施工是薄弱環(huán)節(jié)； 6.環(huán)境意識薄弱環(huán)境意識薄弱 7.設計、施工分離的體制設計、施工分離的體制 8.沒有真正實現動態(tài)設計，必須建立設計施沒有真正實現動態(tài)設計，必須建立設計施工檢驗地質預測量測反饋修正設計一體工檢

5、驗地質預測量測反饋修正設計一體化的設計施工管理體系化的設計施工管理體系. 1.3 隧道設計的基本理念隧道設計的基本理念 圍巖是主體圍巖是主體 支護是手段支護是手段 實踐是基礎實踐是基礎 解析是檢驗。解析是檢驗。 2. 2. 結構可靠性設計方法結構可靠性設計方法 目前許多同家在隧道設計中都開始從過去的容目前許多同家在隧道設計中都開始從過去的容許應力法轉變?yōu)闃O限狀態(tài)設計法，許應力法轉變?yōu)闃O限狀態(tài)設計法， 日本在新的盾構法隧道、明挖法隧道以及礦山日本在新的盾構法隧道、明挖法隧道以及礦山法隧道中全面推行了極限狀態(tài)設計方法，法隧道中全面推行了極限狀態(tài)設計方法， 法國在混凝土襯砌的設計中也建議采用極限狀法

6、國在混凝土襯砌的設計中也建議采用極限狀態(tài)設計方法，態(tài)設計方法， 我國在單線鐵路隧道中也推薦采用以概率為基我國在單線鐵路隧道中也推薦采用以概率為基礎的極限狀態(tài)設計方法。因此，了解和認識隧礎的極限狀態(tài)設計方法。因此，了解和認識隧道極限狀態(tài)設計方法定有必要的。道極限狀態(tài)設計方法定有必要的。 基本概念基本概念 規(guī)范中將可靠度設計稱為概率極限狀態(tài)規(guī)范中將可靠度設計稱為概率極限狀態(tài)設計法，比較完整的表述可以是以概率設計法，比較完整的表述可以是以概率論為基礎的極限狀態(tài)設計法，以可靠指論為基礎的極限狀態(tài)設計法，以可靠指標度量結構構件的可靠度，采用以分項標度量結構構件的可靠度，采用以分項系數的設計表達式進行設計

7、。系數的設計表達式進行設計。 ZR-S，R與與S的比較結果的比較結果Z值為判斷結值為判斷結構合格與否的根據。構合格與否的根據。 對安全系數對安全系數K有不同加法：有不同加法： 容許應力法的表達式容許應力法的表達式 SRK 破損階段法的表達式破損階段法的表達式 RSK 式中式中S、R仍為廣義的作用效應及抗力仍為廣義的作用效應及抗力 可靠度的概念可靠度的概念 概率極限狀態(tài)，就是把許多模糊、波動概率極限狀態(tài)，就是把許多模糊、波動的因素而導致的結構不安全程度，用概的因素而導致的結構不安全程度，用概率理論處理的方法加以量化，得出安全率理論處理的方法加以量化，得出安全（或不安全）的程度值，也即是可靠度（或

8、不安全）的程度值，也即是可靠度的概念。的概念。 例如：外荷載的變化圖形例如：外荷載的變化圖形 如果設計中荷載取平均值如果設計中荷載取平均值qav，那么出現，那么出現實際荷載實際荷載q大于大于qav的機會將有的機會將有50，這，這將導致結構不安全的程度概率也是將導致結構不安全的程度概率也是50， qs和和qav的關系用下式表示：的關系用下式表示： qsqav （ 4-2） 式中，式中，稱取值系數，稱取值系數，qs稱為對應稱為對應q多少幾率多少幾率的分位值。的分位值。 以上對單一參數的簡化分析，把它推廣到整個以上對單一參數的簡化分析，把它推廣到整個結構。即分別分析結構。即分別分析 結構設計的主要參

9、數，如各種荷載、結構尺寸、結構設計的主要參數，如各種荷載、結構尺寸、材料強度等等。畫出各概率分布圖形，各取分材料強度等等。畫出各概率分布圖形，各取分位值，再組合到結構整體，作概率運算?？勺钗恢担俳M合到結構整體，作概率運算?？勺罱K得到這樣取值導致不安全的程度（概率）。終得到這樣取值導致不安全的程度（概率）。 在可靠度設計理論中，把上述不同取值在可靠度設計理論中，把上述不同取值設計出來的結構，在規(guī)定使用期（稱設設計出來的結構，在規(guī)定使用期（稱設計基準期）內能夠安全的程度，稱為可計基準期）內能夠安全的程度，稱為可靠概率（靠概率（Ps）。相對應不安全的程度，）。相對應不安全的程度，稱失效概率（稱失效

10、概率（Pf），兩者互補。），兩者互補。 實際工作中是先按照建筑物的重要性及實際工作中是先按照建筑物的重要性及損壞將造成的后果，確定一允許的失效損壞將造成的后果，確定一允許的失效概率概率Pi(比如萬分之一比如萬分之一)，通過運算，把它，通過運算，把它反映到各參數的取值（如反映到各參數的取值（如qs）上，再反）上，再反推到參數的推到參數的值上，值上，是對各項參數都是對各項參數都要算定的，故稱分項系數，即前述的：要算定的，故稱分項系數，即前述的：“采用以分項系數的設計表達式進行設采用以分項系數的設計表達式進行設計計”。規(guī)范中表面反映出來的，是在通。規(guī)范中表面反映出來的，是在通常的檢算公式中增加了一些

11、分項系數，常的檢算公式中增加了一些分項系數，其實它們是經過相當復雜計算才得到的。其實它們是經過相當復雜計算才得到的。 現實計算中并不直接使用失效概率Pf這一物理量，而是再引進一新物理量，稱可靠指標，它和Pf一一對應，有了Pf，即可轉化為，可見表4-1。規(guī)范所說“以可靠指標度量結構構件的可靠度”，即指此。 可 靠 指 標 和 失 效 概 率P的 關 系 表 1.00 1.64 2.00 2.70 3.00 3.09 Pf 15.87 10-2 5.05 10-2 2.27 10-2 3.47 10-3 1.36 10-3 1.00 10-3 3.20 3.70 4.00 4.26 4.5 5.0

12、0 Pf 6.87 10-4 1.08 10-4 3.16 10-5 1.02 10-5 3.40 10-6 2.90 10-7 2.1 我國單線鐵路隧道可靠性設計方法我國單線鐵路隧道可靠性設計方法 采用以概率為基礎的以分析系數表達的可靠度采用以概率為基礎的以分析系數表達的可靠度設計方法。設計方法。 工程結構的可靠度是指結構在規(guī)定的時間、規(guī)工程結構的可靠度是指結構在規(guī)定的時間、規(guī)定的條件下，完成其預定功能的概率。定的條件下，完成其預定功能的概率。 “規(guī)定的時間規(guī)定的時間”：一般指設計中根據結構的有：一般指設計中根據結構的有效使用期所規(guī)定的時間，稱為設計基準期；效使用期所規(guī)定的時間，稱為設計基準

13、期； “規(guī)定的條件規(guī)定的條件”：是指結構在正常施工、運營：是指結構在正常施工、運營維護環(huán)境下承擔外力和變形應能滿足的條件；維護環(huán)境下承擔外力和變形應能滿足的條件； “預定功能預定功能”：包括結構安全性、結構耐久性：包括結構安全性、結構耐久性和結構適用性的要求。和結構適用性的要求。 鐵路隧道結構根據結構的重要性和復雜鐵路隧道結構根據結構的重要性和復雜程度劃分為程度劃分為3個安全等級：個安全等級： 一級：大跨度及復雜結構，如三線以上一級：大跨度及復雜結構，如三線以上大跨度隧道、明洞和其他新型結構等；大跨度隧道、明洞和其他新型結構等； 二級：單、雙線鐵路隧道結構；二級：單、雙線鐵路隧道結構； 三級：

14、單、雙線鐵路明洞及棚洞等結構。三級：單、雙線鐵路明洞及棚洞等結構。 鐵路隧道結構設計采用的目標可靠指標鐵路隧道結構設計采用的目標可靠指標nom值：值： 正常使用極限狀態(tài)（一級三級）：正常使用極限狀態(tài)（一級三級）：1.02.5 承載能力極限狀態(tài)：承載能力極限狀態(tài)： 脆性破壞脆性破壞 一級：一級：4.7； 二級：二級：4.2； 三級：三級：3.7。 延性破壞延性破壞 一級：一級：4.24.2；二級：；二級：3.73.7；三級：；三級：3.23.2。 結構設計基準期，是指工程結構均在正常維護和使用條結構設計基準期，是指工程結構均在正常維護和使用條件下能滿足一定可靠度的時間，考慮鐵路隧道結構實件下能滿

15、足一定可靠度的時間，考慮鐵路隧道結構實際的使用壽命大于際的使用壽命大于100100年，因此設計準期規(guī)定為年，因此設計準期規(guī)定為100100年。年。 1 1結構設計應按兩種極限狀態(tài)設計：結構設計應按兩種極限狀態(tài)設計： （1）承載能力極限狀態(tài)：當結構構件達）承載能力極限狀態(tài)：當結構構件達到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形的下列狀態(tài)之一時，應認為超過了承形的下列狀態(tài)之一時，應認為超過了承載能力極限狀態(tài)：載能力極限狀態(tài)： 整個結構或結構的一部分作為剛體失去整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆、滑動等）平衡（如傾覆、滑動等） 結構構件或連接因材料破壞而破壞；

16、結構構件或連接因材料破壞而破壞； 結構或結構構件喪失穩(wěn)定。結構或結構構件喪失穩(wěn)定。 （2）正常使用極限狀態(tài)：當結構或結構）正常使用極限狀態(tài)：當結構或結構構件達到正常使用或耐久性的某項規(guī)定構件達到正常使用或耐久性的某項規(guī)定限值的下列狀態(tài)之一時，應認為超過了限值的下列狀態(tài)之一時，應認為超過了正常使用極限狀態(tài)：正常使用極限狀態(tài)： 影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或外觀的變形； 影響正常使用或耐久性能的局部損壞影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）；（包括裂縫）； 影響正常使用的其他特定狀態(tài)。影響正常使用的其他特定狀態(tài)。 2 2隧道結構設計時，應根據在施工和使隧道結構設計時，應根據在施工和

17、使用中的環(huán)境條件和影響分為三種設計狀用中的環(huán)境條件和影響分為三種設計狀況：況： （1）持久狀況：在結構使用過程中一定）持久狀況：在結構使用過程中一定出現且持續(xù)期很長的狀況，持續(xù)期一般出現且持續(xù)期很長的狀況，持續(xù)期一般與使用期為同一數量級；與使用期為同一數量級； （2）短暫狀況：在結構施工和使用過程）短暫狀況：在結構施工和使用過程中出現概率較大，且持續(xù)期較短的狀況；中出現概率較大，且持續(xù)期較短的狀況； （3 3）偶然狀況：在結構使用過程中出現）偶然狀況：在結構使用過程中出現概率很小，且持續(xù)期很短的狀況。概率很小，且持續(xù)期很短的狀況。 3對偶然狀況，結構承載能力極限狀態(tài)對偶然狀況，結構承載能力極限

18、狀態(tài)設計，應符合下列原則設計，應符合下列原則 （1）按作用效應的偶然組合進行設計或）按作用效應的偶然組合進行設計或采取防護措施，使主要承重結構不致因采取防護措施，使主要承重結構不致因偶然事件而喪失承載能力；偶然事件而喪失承載能力； （2 2）允許主要承重結構因偶然事件而局）允許主要承重結構因偶然事件而局部破壞，但結構的其余部分仍應具有在部破壞，但結構的其余部分仍應具有在一段時間內不發(fā)生繼發(fā)性破壞的可靠度。一段時間內不發(fā)生繼發(fā)性破壞的可靠度。 4正常使用極限狀態(tài)計算正常使用極限狀態(tài)計算 對正常使用極限狀態(tài)，結構構件應分別對正常使用極限狀態(tài)，結構構件應分別按荷載作用的短期效應組合、長期效應按荷載作

19、用的短期效應組合、長期效應組合、短期效應組合并考慮長期效應組組合、短期效應組合并考慮長期效應組合的影響進行驗算，并應保證變形、裂合的影響進行驗算，并應保證變形、裂縫、應力等計算值不超過相應的規(guī)定限縫、應力等計算值不超過相應的規(guī)定限值。值。 裂縫控制等級，裂縫控制等級， 一級一級嚴格要求不出現裂縫的構件，按荷載嚴格要求不出現裂縫的構件，按荷載短期效應組合進行計算時。短期效應組合進行計算時。 二級二級一般要求不出現裂縫的構件，一般要求不出現裂縫的構件， 按荷載長期效應組合進行計算時，不應產生開按荷載長期效應組合進行計算時，不應產生開裂，按荷載短期效應組合進行計算時，構件受裂，按荷載短期效應組合進行

20、計算時，構件受拉邊緣允許產生拉應力，但拉應力不應超過設拉邊緣允許產生拉應力，但拉應力不應超過設計值。計值。 三級三級容許出現裂縫的構件，最大裂縫寬度容許出現裂縫的構件，最大裂縫寬度按荷載的短期效應組合并考慮長期效應影響進按荷載的短期效應組合并考慮長期效應影響進行計算，其計算值不應超過允許值。行計算，其計算值不應超過允許值。 5.5.隧道結構設計采用的承載能力極限狀隧道結構設計采用的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設計表達式查態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設計表達式查有關規(guī)范。有關規(guī)范。 結構構件需進行計算和驗算的內容：結構構件需進行計算和驗算的內容： 承載力及穩(wěn)定；承載力及穩(wěn)定； 變形；變形； 抗

21、裂及裂縫寬度：抗裂及裂縫寬度： 2.2 日本采用的極限狀態(tài)設計方法日本采用的極限狀態(tài)設計方法 1 1極限狀態(tài)的定義極限狀態(tài)的定義 隧道襯砌是以軸力為主并承受地層反力隧道襯砌是以軸力為主并承受地層反力的拱形結構物，即使在產生彎曲開裂和的拱形結構物，即使在產生彎曲開裂和鋼筋屈服而使構件剛性降低的場合，彎鋼筋屈服而使構件剛性降低的場合，彎矩也會向剛性沒有降低的周圍構件分配，矩也會向剛性沒有降低的周圍構件分配，某一處構件破壞不會立即造成整個結構某一處構件破壞不會立即造成整個結構物的破壞。物的破壞。 鐵路隧道的使用極限狀態(tài)主要指：鐵路隧道的使用極限狀態(tài)主要指： 襯砌掉塊，妨礙運行；襯砌掉塊，妨礙運行；

22、發(fā)生對列車運行安全性有影響的軌道變異；發(fā)生對列車運行安全性有影響的軌道變異； 產生妨礙建筑限界的變形。產生妨礙建筑限界的變形。 而最終極限狀態(tài)指：而最終極限狀態(tài)指： 襯砌斷面破壞，混凝土塊體崩落；襯砌斷面破壞，混凝土塊體崩落； 隧道結構體系喪失穩(wěn)定性而崩塌；隧道結構體系喪失穩(wěn)定性而崩塌； 產生需要改建隧道的軌道變異；產生需要改建隧道的軌道變異； 凈空斷面縮小，與列車接觸。凈空斷面縮小，與列車接觸。 2 2荷載荷載 作用在隧道上的主要荷載，一般除自重作用在隧道上的主要荷載，一般除自重外，有地下水位恢復后的水壓、接近施外，有地下水位恢復后的水壓、接近施工影響產生的荷載以及地震荷載等。工影響產生的荷

23、載以及地震荷載等。 一般在城市條件下采用礦山法修建的隧一般在城市條件下采用礦山法修建的隧道，土壓原則上由初期支護完全承受，道，土壓原則上由初期支護完全承受，二次襯砌可不考慮土壓的作用。二次襯砌可不考慮土壓的作用。 但二次襯砌要考慮水位恢復后的水壓作但二次襯砌要考慮水位恢復后的水壓作用，用， 與極限狀態(tài)相適應的荷載組合列于表與極限狀態(tài)相適應的荷載組合列于表3 34545 表 3-45 設計時應考慮的荷載組合 極限狀態(tài)荷載 使用極限狀態(tài) 最終極限狀態(tài) 備注 自重 土壓 襯砌完成后可能增加的場合 低水位 高水位 ：可以考慮 水壓 高水位 異常時 長期的 近接施工后還有影響時 近接施 工影響 短期的

24、近接施工中產生的影響 其他 備注 常時或長時間持續(xù)的荷載 除地震外的荷載 注 ：原則上考慮；：必要時考慮；：只在異常水位時考慮 3.3.二次襯砌和仰拱的安全系數二次襯砌和仰拱的安全系數 二次襯砌和仰拱的安全系數采用各種分項系數二次襯砌和仰拱的安全系數采用各種分項系數表示，這些系數包括表示，這些系數包括 荷載系數、荷載系數、 結構解析系數、結構解析系數、 材料系數、材料系數、 構件系數、構件系數、 結構物系數、結構物系數、 地層調查系數等。地層調查系數等。 目前結構物設計已經不單純是強度設計，而是性能設計。所謂性能設計包括：安全性、使用性、耐久性美觀景觀3. 3. 結構耐久性設計方法結構耐久性設

25、計方法3.1 耐久性設計的思路及應用耐久性設計的思路及應用 結構物的要求性能結構物的要求性能安全性能安全性能 承載性能承載性能 其他安全性能其他安全性能 使用性能使用性能 有關使用性的性能有關使用性的性能 有關功能性的性能有關功能性的性能 對第對第3者影響的性能者影響的性能 美觀美觀景觀景觀 耐久性能耐久性能 與安全性能有關的與安全性能有關的 與使用性能有關的與使用性能有關的 與第與第3者影響有關的者影響有關的 與美觀與美觀景觀有關的景觀有關的 從現有的資料看，目前。滿足結從現有的資料看，目前。滿足結構物功能要求的混凝土的耐久性可構物功能要求的混凝土的耐久性可能只有能只有6060年左右。噴混凝

26、土就更低年左右。噴混凝土就更低些。只能滿足些。只能滿足3030年不維修的要求。年不維修的要求。而一般混凝土結構物的使用壽命，而一般混凝土結構物的使用壽命，都應該在都應該在100100年以上。這樣，要求提年以上。這樣，要求提高混凝土的耐久性，就成為當務之高混凝土的耐久性，就成為當務之急了。急了。 建立建立“把劣化構件或構件的性能恢復到設把劣化構件或構件的性能恢復到設計意圖的使用水準以上的補修、補強計意圖的使用水準以上的補修、補強”的概念。構筑一個把設計、施工、維修的概念。構筑一個把設計、施工、維修管理統(tǒng)合到一起的設計體系。這也是目管理統(tǒng)合到一起的設計體系。這也是目前各國土建工程設計的重要發(fā)展趨勢

27、。前各國土建工程設計的重要發(fā)展趨勢。例如，日本在“建筑工程標準規(guī)格鋼筋混凝土結構” 結構物或構件的計劃使用期間使 用 年 限 劃分 設 計 基 準 年限 結構狀態(tài)1級 100年 不產生承載性能的降低2級65年不產生使用性的降低3級 30年 不產生設計基準期內的劣化 2 混凝土的耐久設計基準強度（JASS 5，1997年）計劃使用期間 耐久設計基準強度 （N/mm2） 一般（預定不需要大規(guī)模補修的期間為30年、使用限界期間為65年） 18標準（預定不需要大規(guī)模補修期間無65年，使用限界期間為100年） 24長期（預定不需要大規(guī)模補修期間為100年） 30 圖1-1 結構物壽命與維修管理的關系概念

28、 工程結構一般都是可維修的，在隧道結構物中建立“少維修”的概念是非常重要的。 結構物的壽命與維修管理的關系示意于圖1-1。 在設計基準期內，受到劣化外力作用（環(huán)境條件的變化等），設計時把劣化狀態(tài)控制在容許水準以內為目標。同時，根據經濟性，來設定材料規(guī)格、設計基準和施工工藝，并決定相應的維修管理基準。 所謂的劣化外力有：活荷載、地震、風、氣溫、濕度、日射、炭化、凍融、鹽害等等。這些都是造成混凝土結構劣化的原因。也就是說，結構物的劣化，決不單純的決定與于過去概念上的荷載。在有些情況下環(huán)境條件的影響可能是主要的。 這種設計概念就是耐久性設計的概念。3.2混凝土結構耐久性設計的基本方法混凝土結構耐久性

29、設計的基本方法 首先，要確定耐久性的評價基準 在進行耐久性設計時，確定耐久性基準是是極為重要的，這是設計的基礎。這里的耐久性基準是用耐久性指數表達的。 1)把結構的耐久性水準設定兩個階段，以此為基準，使各結構的耐久性定量化。.即耐久性指數取100和0； 2)混凝土結構的標準目標是：具有95%的可靠度，50年間不維修。而且其后的維修費用也不應很大。這里所謂不維修是指：根據目視觀察判斷耐久性時，勿需補修的狀態(tài)。此時,耐久性指數取100； 3)不維修期間，預計在1015年以下的情況，耐久性指數取10。 而后根據確定的基準核查結構物的耐久性。用下式定義耐久性指數用下式定義耐久性指數T T T Tp p

30、=50T=50Tp p(I.J)(I.J) (1) (1) 此時，此時，T Tp p (I.J) (I.J)由表由表3.33.3求出。表求出。表3.33.3中的項目和數值是暫定的，需今中的項目和數值是暫定的，需今后不斷地加以充實。后不斷地加以充實。表2 耐久性指數T IJ耐 久 性 設 計 項 目 T（I.J）1 123 混凝土材料 對水泥的考慮 細骨料的吸水率 A2 (%) 粗骨料的吸水率 A 3(%) 粗骨料的粒徑 膨脹材料的合理應用 減低收縮材料的應用 防銹劑的使用 1003(3-A2)5(1-A3)3-3 20105212 混凝土及加固材料 流動性:塌落度B1 (cm) 材料抗離析性

31、堅硬性:水灰比B2 (%) 單位用水量B3 (kg) 不是AE混凝土的情況 氯化物含量:全離子重B4 制造廠的管理狀態(tài) 涂樹脂鋼筋的應用 但T（4.1)=0 (B1 -10)25-25(55-B2 )(160-B3)-155-0.5(10B4 )210-10303 12 設計開裂 溫度開裂指數 C1 彎曲開裂指數 C2 10(1-1/C1 )10(1-2C 2)41 2345678 鋼筋.形狀.圖面 保護層D1 (cm) 鋼筋間隔D2 =最小水平間隔/粗骨料最大徑 D3 =最小垂直間隔/粗骨料最大徑 附加鋼筋D4 =鋼筋斷面積/表面積 構件形狀的好壞 設計圖標示不明確 施工縫伸縮縫標示不明確

32、防排水標示不明確 30( D1 -2)303(D2 -2)102(D3-2)510(D4 -0.2) 15-15-3-3-35123456 混凝土施工 指揮官的好壞 入庫.運送的好 灌注.搗固的好 養(yǎng)護的好壞 施工縫施工的 實施灌注時的土溫度管理 10-105-525-255-1510-15561234鋼筋.模板.支撐等作業(yè) 鋼筋加工的好壞 鋼筋設置精度的好壞 模板.支撐的好壞 拆模時間的好 10-10按D： 增0.5減1.01000-10 2) 為把環(huán)境因素定量化用下式定義環(huán)境指數Sp Sp =So + Sp 此時Sp 由表3求出。表3的項目和數值也完全是暫定的。So 一般取100，視耐久性

33、的長短，增減此值。耐久性核查,應滿足下式： TpSp 表3 環(huán)境指數 Sp 環(huán)境條件環(huán)境條件 S Sp p 鹽分影響大鹽分影響大 鹽分影響極大鹽分影響極大 凍融作用大凍融作用大 1010707030303.3二次襯砌的開裂與治理二次襯砌的開裂與治理 (1(1）因材料、環(huán)境的開裂）因材料、環(huán)境的開裂 隧道結構物的技術特性 對隧道結構物的要求是由其特殊的性質所決定的。隧道結構物與一般工程結構物，在性質上有很大的不同，不了解這一點，就不可能真正地認識隧道。 隧道結構物的性質，概括地說，有以下幾點是需要我們關注的。 隱蔽性：地下結構與其他結構最大的不同就是它的隱蔽性；隱蔽性同時伴隨巨大的風險性； 力學

34、狀態(tài)的不確定性：它的力學狀態(tài)受到施工方法的極大影響，也是其他工程結構物所不可比擬的； 地下環(huán)境影響的嚴重性：其他結構物主要受自然條件的影響，而地下結構除自然條件外，還受到地下環(huán)境，主要指圍巖和地下水條件的影響； 可維修性差，這是不言而愉的； 施工條件和環(huán)境條件的約束。 正是由于隧道結構物的這種與眾不同的性質，對隧道結構物的耐久性、可靠性及可維修性提出了不同的要求。 從現有的資料看，目前。滿足結構物功能要求的混凝土的耐久性可能只有60年左右。噴混凝土就更低些。只能滿足30年不維修的要求。而一般混凝土結構物的使用壽命，都應該在100年以上。這樣，要求提高混凝土的耐久性，就成為當務之急了。 最近 日

35、本一些有識之士提出“2020年的警鐘”。即 “日日本將從土建大國變成修繕大國本將從土建大國變成修繕大國”。20202020年的結構物維護費和改建費，年的結構物維護費和改建費，僅建設省就超過僅建設省就超過2 2兆億（日元），兆億（日元），是今天的是今天的3 3倍，維護費用將成為倍，維護費用將成為國家財政的巨大負擔。國家財政的巨大負擔。 因此，不管是新建還是既有結構物，都要消除“免維修或不能維修”的誤解。而建立起“把劣化構件或構件的性能恢復到設計意圖的使用水準以上的補修、補強”的概念。也就是說，要構構筑一個把設計、施工、維修管理筑一個把設計、施工、維修管理統(tǒng)合到一起的設計體系統(tǒng)合到一起的設計體系。

36、這也是目前各國土建工程設計的重要發(fā)展趨勢?？拥婪€(wěn)定性、支護體系與圍巖級別的關系 從根本上說，在坑道開挖過程中，都要回答一個關鍵性的問題，即：圍巖具有多圍巖具有多大的自支護能力？大的自支護能力？，是否需是否需要人工支護？要人工支護？、用什么類型用什么類型的人工支護結構的人工支護結構和怎樣支護？怎樣支護？這樣一個問題。因為在坑道工程中，如何保證坑道的暫暫時穩(wěn)定時穩(wěn)定（施工期間）和長期長期穩(wěn)定穩(wěn)定（運營期間）始終是一個基本的、關鍵性的問題。而要做到這一點，就要從理論上、實踐上解決坑道穩(wěn)定性、圍巖分級與支護結構之間的相互關系這樣一個問題。 2 2）因施工方法產生的開裂模式）因施工方法產生的開裂模式 一

37、個完善的系統(tǒng)應該包括：一個完善的系統(tǒng)應該包括： 1 1） 信息收集和通信子系統(tǒng)；信息收集和通信子系統(tǒng)； 2 2） 信息整理、分析和評價子系統(tǒng)；信息整理、分析和評價子系統(tǒng)； 3 3） 決策及實施子系統(tǒng)；決策及實施子系統(tǒng)； 4 4） 施工管理子系統(tǒng)。施工管理子系統(tǒng)。 這幾個子系統(tǒng)，有機地構成了一個用電這幾個子系統(tǒng)，有機地構成了一個用電子網絡聯系在一起的大系統(tǒng)。子網絡聯系在一起的大系統(tǒng)。 關鍵問題的開發(fā)出一個能夠收集情報、關鍵問題的開發(fā)出一個能夠收集情報、分析分析評價、決策以及實施作業(yè)的情報評價、決策以及實施作業(yè)的情報化系統(tǒng)?；到y(tǒng)。信息化設計信息化設計施工系統(tǒng)的功能施工系統(tǒng)的功能 隧道工程的信息化

38、設計施工系統(tǒng)收集、通信子系統(tǒng)分析、評價子系統(tǒng)決策、實施子系統(tǒng)施工管理子系統(tǒng)信 息 收 集項目聲音畫像量測數據文字圖表控制數據 信息范圍固定時間移動體間固定移動體間隧道外部目的信息化施工的監(jiān)視控制運行監(jiān)視記錄聯絡 系統(tǒng)輸出文字圖表決策（設計施工的效率化合理化）質量、進度、造價等1 1） 信息收集、通信子系統(tǒng)信息收集、通信子系統(tǒng) 信息形式及內容：應包括：信息形式及內容：應包括： 隧道設計施工文件及圖表、隧道設計施工文件及圖表、 超前地質預報、超前地質預報、 施工監(jiān)控量測、施工監(jiān)控量測、 掌子面地質、掌子面地質、 壓注設計及參數、壓注設計及參數、 地下水及掌子面涌水量、地下水及掌子面涌水量、 施工管

39、理（質量、進度、材料消耗、成本核算施工管理（質量、進度、材料消耗、成本核算等）、等）、 工程實驗及試驗等信息。工程實驗及試驗等信息。 2 2）分析、評價子系統(tǒng)）分析、評價子系統(tǒng) 對各種信息進行分析，根據分析結果作對各種信息進行分析，根據分析結果作出評價的系統(tǒng)。重點在：出評價的系統(tǒng)。重點在： 超前地質預報信息的分析和評價；超前地質預報信息的分析和評價； 壓注實驗效果的分析和評價；壓注實驗效果的分析和評價； 量測數據的分析和評價；量測數據的分析和評價； 施工管理數據的分析和評價；施工管理數據的分析和評價； 3)3)決策、實施子系統(tǒng)決策、實施子系統(tǒng) 應包括：應包括： 設計反饋系統(tǒng)：根據信息決策的建議

40、，設計反饋系統(tǒng)：根據信息決策的建議，反饋到設計中的系統(tǒng)。反饋到設計中的系統(tǒng)。 施工反饋系統(tǒng)：根據信息決策的建議，施工反饋系統(tǒng)：根據信息決策的建議，反饋到施工中實施的系統(tǒng)。反饋到施工中實施的系統(tǒng)。 因為有的需要設計后，才能實施的，有因為有的需要設計后，才能實施的，有的可以直接反饋到施工中實施的。這的可以直接反饋到施工中實施的。這2 2種種情況應分別予以考慮。情況應分別予以考慮。 4 4）施工管理子系統(tǒng)）施工管理子系統(tǒng) 施工管理子系統(tǒng)是對隧道施工質量、進施工管理子系統(tǒng)是對隧道施工質量、進度、成本、勞動衛(wèi)生環(huán)境及安全進行管度、成本、勞動衛(wèi)生環(huán)境及安全進行管理的系統(tǒng)。此系統(tǒng)應考慮施工單位的實理的系統(tǒng)。

41、此系統(tǒng)應考慮施工單位的實際情況，進行編制。際情況，進行編制。 在管理中，為了能夠實現信息的公共性，在管理中，為了能夠實現信息的公共性，應該對獲取信息的方法作出規(guī)定應該對獲取信息的方法作出規(guī)定 ；5. 5. 可維修性設計可維修性設計 5.1 概述概述 5.1.1 5.1.1 隧道工程維修管理的基本認識隧道工程維修管理的基本認識 維修管理是指混凝土結構物在使用期間，維修管理是指混凝土結構物在使用期間，保持結構物性能在容許范圍內的技術行保持結構物性能在容許范圍內的技術行為。為。 在合適的設計、施工和維修管理條件下，在合適的設計、施工和維修管理條件下，隧道結構物會具有良好的承載性、耐久隧道結構物會具有

42、良好的承載性、耐久性和滿足耐久性要求的使用壽命。性和滿足耐久性要求的使用壽命。 隧道工程維修管理工作的基本原則是確隧道工程維修管理工作的基本原則是確保隧道的功能和運營環(huán)境的質量，為此保隧道的功能和運營環(huán)境的質量，為此應對應對 影響隧道結構物安全性、耐久性的變異影響隧道結構物安全性、耐久性的變異進行檢查及調查，進行檢查及調查， 并采取適當的對策和措施。并采取適當的對策和措施。 隧道結構物的要求是由其特殊的性質隧道結構物的要求是由其特殊的性質 隱蔽性：隱蔽性： 環(huán)境影響：環(huán)境影響： 可維修性差：可維修性差： 既有結構物的狀態(tài)：既有結構物的狀態(tài)： 對隧道結構物的耐久性、可靠性及可維對隧道結構物的耐久

43、性、可靠性及可維修性提出了不同的要求。修性提出了不同的要求。 因此，因此， 要消除要消除“免維修或不能維修免維修或不能維修”的誤解，的誤解， 建立起建立起“把劣化構件或構件的性能恢復把劣化構件或構件的性能恢復到設計意圖的使用水準以上的補修補強到設計意圖的使用水準以上的補修補強”的概念。的概念。 構筑一個把設計、施工、維修管理結合構筑一個把設計、施工、維修管理結合到一起的體系。到一起的體系。 這也是目前各國土建工程技術的重要發(fā)這也是目前各國土建工程技術的重要發(fā)展趨勢。展趨勢。 在結構物中如何考慮維修管理的作用，目前大在結構物中如何考慮維修管理的作用，目前大體上有三種觀點：體上有三種觀點： 能完全

44、防止劣化現象發(fā)生，不需進行維修能完全防止劣化現象發(fā)生，不需進行維修管理的觀點；管理的觀點； 容許某些劣化現象發(fā)生，同時采取有計劃容許某些劣化現象發(fā)生，同時采取有計劃的維修管理保證結構物的使用年限的觀點；的維修管理保證結構物的使用年限的觀點； 以維修管理為前提，劣化現象發(fā)生時，進以維修管理為前提，劣化現象發(fā)生時，進行補修、補強的觀點。行補修、補強的觀點。 目前大多數結構物基本上是按第目前大多數結構物基本上是按第種觀點進行種觀點進行設計與施工的。設計與施工的。 各國采取的維修管理基本模式是：各國采取的維修管理基本模式是： 檢查檢查發(fā)現變異發(fā)現變異推定變異原因推定變異原因明確明確變異后的結構物的健全

45、度變異后的結構物的健全度制訂相應的制訂相應的整治措施整治措施整治。整治。 也就是采用也就是采用“早期發(fā)現早期發(fā)現- -及時維護及時維護”或者或者說是說是“勤檢查、早發(fā)現、少維修勤檢查、早發(fā)現、少維修”的維的維修管理模式。修管理模式。5.1.25.1.2隧道工程維修管理現狀和存在的問題隧道工程維修管理現狀和存在的問題 研究主要集中在以下幾個方面：研究主要集中在以下幾個方面： 維修管理的基本模式；維修管理的基本模式； 隧道結構變異現象的分類及其標準化；隧道結構變異現象的分類及其標準化； 結構變異的原因、變異現象和變異原因結構變異的原因、變異現象和變異原因的因果關系；的因果關系； 結構變異程度的分級

46、及其判定；結構變異程度的分級及其判定； 結構變異的防治措施（整治、對策）結構變異的防治措施（整治、對策）等。等。 目前在維修管理方面存在的主要問題有：目前在維修管理方面存在的主要問題有： （1）沒有真正地把維修管理的理論和方）沒有真正地把維修管理的理論和方法運用到隧道的維修管理中，法運用到隧道的維修管理中， （2）缺乏早期發(fā)現變異現象的檢查和檢）缺乏早期發(fā)現變異現象的檢查和檢測方法。測方法。 （3）對既有隧道功能狀態(tài)的判定和評價）對既有隧道功能狀態(tài)的判定和評價方法有待提高。方法有待提高。 （4）我國有近百年歷史的鐵路隧道已經）我國有近百年歷史的鐵路隧道已經進入進入“高維修高維修”管理期。管理期

47、。 （5 5）我國鐵路隧道變異的整治方法落后。）我國鐵路隧道變異的整治方法落后。 5.1.3 5.1.3 隧道工程維修管理的基本理念隧道工程維修管理的基本理念 隧道維修管理的要點就是隧道維修管理的要點就是 “預防為主預防為主”、 “早期發(fā)現早期發(fā)現”、 “及時維護及時維護” “對癥下藥對癥下藥”。 要大力提高我國隧道工程的維修管理技要大力提高我國隧道工程的維修管理技術水平。術水平。 5.2 隧道工程維修管理的基本原則隧道工程維修管理的基本原則 5.2.15.2.1維修管理等級的劃分維修管理等級的劃分 維修管理的定義是：在結構物使用期間維修管理的定義是：在結構物使用期間內，維持結構物在要求性能水

48、準以上的內，維持結構物在要求性能水準以上的全部的技術行為。全部的技術行為。 有兩點需要加以解釋：有兩點需要加以解釋： 一點是結構物使用期間的概念；一點是結構物使用期間的概念； 一點是全部技術行為的概念。一點是全部技術行為的概念。 結構物的使用期間與結構物的耐用期間結構物的使用期間與結構物的耐用期間是有區(qū)別的是有區(qū)別的 圖圖5.2中的預定使用期間是根據對末來結中的預定使用期間是根據對末來結構物要求性能的種類和水準以及社會、構物要求性能的種類和水準以及社會、經濟方面考慮，配合設計耐用期間由設經濟方面考慮，配合設計耐用期間由設計決定的。計決定的。 如圖所示，目前一般都是按設計耐用期如圖所示，目前一般都是按設計耐用期間比預定使用期間長進行設計的。間比預定使用期間長進行設計的。 設計耐用期間比預定耐用期間短時，就設計耐用期間比預定耐用期間短時，就要采用補修、補強的方法進行維修管理。要采用補修、補強的方法進行維修管理。 耐用期間是受到劣化種類和劣化程度影耐用期間是受到劣化種類和劣化程度影響的。響的。 實際的耐用期間有的比設計耐用期間長，實際的耐用期間有的比設計耐用期間長，也有的比設計耐用期間短，是由劣化程也有的比設計耐用期間短，是由劣化程度決定的。度決定的。 全部技術行為包括設計、施工、初次檢全部技術行為包括設計、施工、初次檢查、劣化預測、檢查、評價及判定，對查、劣化預