既有铁路隧道衬砌裂损维修决策研究

刘晓伟

摘 要：铁路事业发展的过程中，既有的铁路隧道也越来越多，但是既有铁路隧道会受到很多因素的影响，出现各种病害，例如腐蚀、渗漏水、错台、开裂、衬砌结构变形等。针对这种情况，必须制定科学的既有铁路隧道衬砌裂损维修决策。本文简要探讨了既有铁路隧道衬砌开裂的基本形态和造成衬砌开裂的主要原因，以此为基础立足于多层次灰色综合评判法、专家评判法、可辨识矩阵启发式简约算法等多种算法，建立既有铁路隧道衬砌列索维修方案决策模型，供相关人员参考借鉴。

关键词：决策；既有铁路隧道；衬砌裂损

中图分类号： U457 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）16-82-2

0 引言

近年来，我国的铁路事业得到了飞速的发展，增加了铁路隧道的通车里程，不断提高铁路的运营速度。但是单线运载能力的提高和铁路提速会受到既有铁路隧道病害的制约，而最常见的既有铁路隧道病害就是衬砌裂损，衬砌裂损又会导致隧道的其他病害，例如渗漏、开裂、腐蚀、结构变形等，从而使铁路隧道的使用寿命缩短，结构的安全储备降低。这就需要制定科学的维修方案，对既有铁路隧道的衬砌裂缝进行维修，在制定方案时应该了解衬砌开裂的具体原因，并通过建立模型的方式来保障维修方案的科学性。

1 既有铁路隧道衬砌裂损的形态和原因

1.1 既有铁路隧道衬砌裂损的形态

通过调查发现，隧道衬砌裂损在我国既有铁路隧道中非常普遍。本文以裂缝走向为依据，将由铁路隧道衬砌裂损的形态分为3种，分别为环向裂缝、斜向裂缝和纵向裂缝。①环向裂缝。造成环向裂缝的主要原因是沉降缝处理不当、围岩的地层变化和纵向布局与荷载环向裂缝一般发生在完整岩石与不良地质地带，或者洞口的交界处。②斜向裂缝。纵向受力与混凝土衬砌的环向应力又会共同造成一种拉应力，从而产生斜向裂缝。斜向裂缝与隧道纵轴之间的夹角约为45度，具有较大的危害。③纵向裂缝。纵向裂缝是既有铁路隧道衬砌裂损中危害性最大的一种裂缝，裂缝走向平行于隧道轴线，如果不对纵向裂缝进行处理，可能会造成边墙坍塌、边墙断裂和隧道掉拱[1]。

1.2 造成既有铁路隧道衬砌裂损的主要原因

1.2.1 地质环境原因

铁路隧道所处的地形和地质环境往往比较复杂，断面的里程不同，隧道所处的上覆盖层情况和围岩等级也有所不同，可能会造成衬砌的不均匀受力，从而形成纵向沉降差。与此同时，既有铁路的隧道中也存在着不对称的地质和地形条件，例如断层、节理、偏压等，容易产生结构性裂缝。特别是在地质突变段、滑坡段、洞口段表现得更为突出。衬砌裂缝也会受到地下水环境的影响，不良的地下水环境可能会催生各种裂缝。

1.2.2 设计原因

当前的很多具有铁路隧道使用的年限较长，在设计时受到各种勘测设计条件的限制，未能进行科学的设计。加之隧道所处的水文地质条件和山体工程条件，具有一定的多变性，在设计时往往没有收集完整的地质资料，从而造成了围岩的实际荷载和衬砌结构不符、衬砌类型选择不当、围岩级别划分不准的问题，容易造成衬砌的裂损。同时对于一些断层破碎带、偏压地段也没有进行科学的设计，由于承载力不足或受力不均，这些地段的衬砌也可能出现不同程度的裂损[2]。

1.2.3 施工原因

既有铁路隧道的施工过程中要面临很多难以预料的突发状况，处理不当也可能造成隧道的衬砌裂损。例如管理不当、没有选择合适的施工方法、技术条件有限等，无法对施工质量进行有效的控制，可能会出现衬砌的强度不足、厚度不足、压力增大、围岩松动等问题。或者在施工时没有完全、及时的回填塌方和超挖的地段，或者没有密实的回填衬砌的背后。与此同时，如果混凝土的质量存在问题也可能造成衬砌裂损，例如没有严格地控制原料中的截骨料含量，造成了截骨料反应的膨胀效应。

1.2.4 运维原因

既有铁路隧道需要长期、科学的运维管理，如果运营和维护不当，就可能导致一些微小裂缝发展成为衬砌裂损。如果在维护的过程中没有及时的发现和处理衬砌的裂损病害，或者没有查明病害的原因，没有使用合理的手段来对其进行处理，都会造成涌水裂缝、渗漏水、贯通性裂缝等严重的裂损。

1.2.5 其他原因

一些不可预知的因素也会造成，只有铁路隧道的衬砌裂缝，例如火车脱轨而造成隧洞内发生火灾或者地震等。同时混凝土衬砌还会受到隧道进出口地段的冻融循环和温度应力的影响。

2 既有铁路隧道衬砌裂损维修决策的制定

通过上文分析，可以发现造成既有铁路隧道衬砌裂损的原因比较复杂，针对不同原因造成的衬砌裂损，应该选择不同的维修方案。除此之外维修方案的选择还会受到施工难易程度、自然环境和投资成本的影响。由于既有铁路隧道，衬砌维修方案所获得的指标数据所含的信息量较少，而且具有模糊性和离散性，为了保障自有铁路隧道衬砌裂缝维修方案的科学性，本文运用了灰色理论、粗糙集等理论，来对不确定性复杂系统进行处理，并引入了专家评判定权法，尽可能地提高评价结果的准确性和真实性。

2.1 指标体系的建立

由于既有铁路隧道衬砌维修决策所涉及的领域较多，因此以指标属性为依据对其进行分类，将其分为三个层次，第一层为总目标层（U）， 第二层为子目标层，包括质量保证（U4）、施工文明程度（U3）、施工方便程度（U2）、施工经济性（U1）；第三层为指标层，包括延长的使用年数（U41）、工作安全程度（U34）、噪声与环境污染（U33）、列车对人的影响（U32） 、次级灾害的可能性（U31）、设备要求（U24）、列车运营的影响 （U23）、工期（U22）、技术要求（U21）、成本（U11）。

2.2 建立指标权重

本文的知识表达系统为s=（ U，A，V，f），为了得到离散值，可以使用等频率区间法，对指标进行离散，将其离散为优、良、一般、差4个值，用4、3、2、1来表示。

以离散值为依据，对各自目标知识表达系统的可辨识矩阵进行计算。根据相关研究可以发现，随着指标出现的频率增大，指标的潜在区分能力也在不断增大。在计算频率时应该使用加权计算，以指标出现的分辨矩阵的长度为依据，来确定加权的大小，并计算分辨矩阵的重要度w（a）。

计算出各子目标下的指标之后，应该对其重要度进行归一，将指标的权重向量计算出来。以此为基础，还要对既有铁路隧道衬砌裂缝维修方案中的子目标权向重进行计算，引入专家判断法。

2.3 对决策进行排序

2.3.1 对灰类进行确定评价

灰数的白化值可以使用离散值，通过对灰类的白化权函数、等级数、灰数进行确定来对灰类进行评价。评价灰类共有4个，分别为差、一般、良、优，分别用4、3、2、1来表示。

2.3.2 对矩阵和灰类评价权向量进行计算

各个指标的评价权都包括4个回灰类，综合评价灰类的灰色评价权向量，从而将评价灰类的灰色评价权矩阵建立起来。最后要综合评价第s个受评方案的UI，并计算其综合评价结果，并对综合评价值进行计算。

2.4 模型的实际应用

以我段张集线旧堡隧道为例，该隧道为双线电气化重载铁路，全长9585米，该铁路隧道受到隧道内山体渗水的影响，其隧道围岩出现了比较严重的裂隙病害，在调查中发现该隧道内多处出现掉块裂损情况，部分衬砌的边墙拱部也出现了严重裂损，隧道内漏水严重，2014年与2015年经过工程整治后该隧道状态大为改观。根据分析，造成衬砌裂损的主要原因是渗漏水和偏压。针对这一情况共制定了4个维修方案，方案一为注浆维修，方案二为排水管+挂网，方案三是注浆+挂网，方案四是注浆+锚杆。立足于实际情况，并结合专家分析，用频率区间法对指标层进行离散化，对重要度进行计算，然后将指标层的权重计算出来，从而对4个方案的综合评价值进行计算，根据计算结果选择了方案四。

3 结语

既有铁路隧道的使用年限较长，受到各种因素的影响可能会出现衬砌裂损的情况，必须对其进行维修。本文使用了多种数学方法，结合定性和定量，尽可能地提高汽油铁路隧道衬砌裂损维修决策的科学性，该计算方法所得的结果符合实际情况，值得同类工程参考借鉴。

参 考 文 献

[1] 颜练刚.隧道衬砌裂损与防治对策分析[J].科技创新与应用，2013（13）.

[2] 裴涛涛，陈礼伟，史宪明，师亚龙.既有铁路隧道衬砌裂损整治措施研究[J].铁道建筑，2013（04）.