大准铁路塔哈拉川桥梁监测分级评估研究

范 永 维

(神华准能集团有限责任公司科学技术研究院，内蒙古 鄂尔多斯 010300)

1 概述

大准铁路是国家“八五”计划重点建设项目“准格尔项目一期工程”三大主体工程之一，大准铁路东起山西省大同市，西至内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗薛家湾，途经两省六旗县(市)，是已形成的“西煤东运”大通道——大秦线的向西延伸，属一级单线电气化铁路。大准铁路正线全长473.27 km，所处地形主要为丘陵与山岳，地质情况局部有软土与风积砂，属于水土流失严重地段。全线共有桥梁165座，涵洞818座，隧道48处。路基高填方地段高度达30 m左右，边坡最大高度达47 m，深挖方地段堑坡最高达46 m。洪水、沙尘暴等灾害性自然现象时有发生，灾害主要表现为多数桥梁支座经常偏斜，水土流失严重地段桥涵隧淤积严重，路基在雨季存在翻浆冒泥、下沉外挤现象，在冬季存在冻胀现象，这些灾害严重威胁着大准铁路的安全运行。大准铁路初设发运量1 500万t，改扩建后运量为4 900万t，2013年大准铁路计划煤炭发运量8 300万t，远远超出了设计范围，伴随运输需求量的不断增加，大准铁路的运输压力还会进一步加大。随着发运量的逐年加大，检修时间也由每周两个天窗减为旬天窗加状态修，而且大准铁路现采取的人工巡检措施相对落后。亟待解决大准铁路桥、涵、隧、高大边坡、地基存在的安全隐患和落后的巡检手段，对铁路沿线进行长效综合治理，为大准铁路的安全运行提供安全和技术保障。

大准铁路因环境条件等因素影响行车的事例很多，有的甚至达到了中断通车的程度。比如1996年7月份，K206+001(2-2 m板涵)洪水冲毁，中断行车40 d；2003年7月25日，K15+384(5-8 m)青羊岭中桥，因桥渡设施不合理，在雨季发生过水漫梁体事件，并因河道阻塞，水流不能正常通过桥梁，淹没附近农田；2007年发生危石拦停列车3次；2008年K244+550～K244+600右侧塌方泥土淹埋线路5 m。本文针对大准铁路塔哈拉川大桥安全监测，开展数据分析、阈值设置与预警分级、预警模型构建与综合评价、分级预警应对措施制定等，对桥梁目前运营情况进行总体健康诊断，为大准铁路安全运行提供了理论依据与技术支撑[1]。

2 塔哈拉川桥梁监测目标与需求

2.1 研究目标

通过监测手段获取在自然环境、交通载荷下大准铁路塔哈拉川桥梁重点部位的安全、劣化信息，并利用试验和理论分析等手段实现对大准铁路重点部位的技术及安全状况评价，然后依据评价结果提出相应处治对策和处理技术。具体包括：结合大准铁路桥梁重点部位的现况调研成果，深化分析重点部位的现存安全隐患，确定所需监测的重点部位，并建立能反映其工作性能的监测指标体系；根据监测指标的特点及数据特征，提出适用的监测方法、仪器设备、现场布设模式以及数据采集传输方式；针对不同重点部位的感知系统特点，提出基于监测结果的状态评价分析模型以及不同危险状态下的预警模型；结合重点部位的检查和监测结果，对重点部位的安全性能进行综合分析评估；提出不同预警等级的划分标准以及不同安全性能等级下重点部位管理维护的处治对策；开发大准铁路重点部位监测评价与预警系统。

2.2 研究方法

1)通过在档案室和现场工段调取查阅大准铁路的设计、改扩建以及监测检修报告等基础文件，详细获得项目所涉及的大准铁路桥梁结构物以及其他研究路段的地质条件、气象条件、基础设计参数、供电条件、通信条件、灾害情况和事故统计等资料，并将相关文字和图纸文件转制为电子档以便后期项目使用。通过专家咨询、网络检索等方法查阅收集与本项目类似或相关的技术、工程等文献，为后期项目开展提供参考资料。

2)对大准铁路桥梁重点结构物进行踏勘，调查了解这些重点部位地质地形、水文、气候等条件的现状变化。利用基础的测量和观测工具对大准铁路桥梁重点结构物的主要灾害现状进行实地勘察了解，尤其是对已出现事故的灾害部位进行重点探勘。对所要研究线路的周边情况进行踏勘，调查了解线路周边所实际具备的供电、通信、材料供给等施工条件，为后期施工方案设计调整做基础准备。将所有的现场调查情况进行分类汇总，编写形成现场探勘报告。

3)对大准铁路沿线桥梁进行现场踏勘调查，尤其是针对安全隐患已经暴露和比较突出的桥梁。结合对大准铁路沿线重点桥梁现场调查所获取的相关资料，统计大准铁路沿线桥梁现存病害类型及所在桥梁、部位信息，并对统计结果和所收集到的地质、设计、施工、运营等资料进行梳理、分析。对大准铁路沿线重点桥梁的安全隐患进行排查，统计分析桥梁存在安全隐患的部位。根据桥梁隐患调查结果、地质分析结果，结合桥梁设计、施工资料、运营情况、外部环境等方面的因素，分析确定重点对桥梁病害和安全起到重要影响的因素。

4)通过进行地质环境分析，建立桥梁力学计算模型，通过结构静力分析求解外载荷引起的位移、应力变化，通过结构动力学分析求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。求解大准铁路桥梁不同重载条件下桥墩及支座的静力和动力特征、重点受力部位、破坏机理，探索桥梁病害的根源。

5)对于铁路桥梁的病害分级划分缺少统一的规范，仅能通过参照“铁路桥涵检定规范”“铁路桥隧建筑物劣化评定标准”等的相关规定，借鉴国内外有关桥梁病害的统计资料和相关项目研究成果，根据对大准铁路桥梁结构现场调查，结合对代表性结构的理论分析，采用专家系统的方式，将大准铁路桥梁的病害类型具体划分为：存在严重安全隐患、正常使用性能退化较严重桥梁、基本可保持正常使用、完好桥梁等。对于前3类桥梁需要进行检查、评定其技术状况；并选取重点桥梁结构或危险程度较大的桥梁结构进行长期在线实时监测。

2.3 监测设计

大准铁路桥梁重点部位状态感知和评价系统包括大准铁路重点部位状态感知系统、网络传输系统、数据库系统、业务系统等。系统通过对大准铁路主要结构物的重点部位的关键指标进行监测，通过数据实时处理分析，反映大准铁路重点部位的健康状态可分为四层：

1)第一层大准铁路重点部位状态监测仪器感知层，由各重点部位监测传感器和数据感知采集子系统构成，完成各监测项目(参数)的测量、转换和数据采集。

2)第二层为网络传输层，介于物理感知层和数据核心层之间，由光纤传输系统、专用网络构成，完成采集数据传输到远端数据库服务器系统。

3)第三层为数据核心层，由大准铁路重点部位基本数据和状态监测数据组成大准铁路重点部位综合状态数据库，主要完成数据分类存储、交换查询管理。

4)第四层为业务应用层，由各业务系统构成，完成监测数据的分析、预警、显示和输出等，通过监控中心将重要部位状态信息发布到用户终端。

3 分级评估理论与方法

分级评估方法主要采用层次分析法，该方法是美国运筹学家Saaty于20世纪70年代时提出的一种定量与定性相结合的决策系统分析法。原理是把一种复杂的系统分解成为目标、方案、准则等层次，并进行定性、定量分析决策。这是一种把人的决策思维过程层次化、模型化、数量化，采用数学手段为分析和决策提供定量的方法，适合多准则、多目标或者无结构特征的问题决策。按照各因子间内在支配的关系，可建立层次结构的模型，通过因子对比，可建立判断矩阵，并进行层析排序，从而确定各因子的相对重要程度。层次分析法可分为层次结构模型建立、判断矩阵构造、权重向量计算、检验一致性四个步骤。

1)层次结构模型建立。

大准铁路重点部位的监测内容构成了各类结构安全状况监测指标体系，各类监测指标所采用的评定参数和量纲均不同[2]。

2)判断矩阵构造。

按事前规定标度进行定量化，构成矩阵的形式。各个因子的权重排序打分采用通用的1-9标度方法，进行层次排序。比如A目标层与B准则层之间关联的判断矩阵R，rij反映的是Bi相对于Bj在A目标层内的重要性程度[2]，对称位置的标度值互为倒数。

3)权向量的计算。

据判断矩阵结果，采用线性代数可准确求出R的最大特征根对应的评价因素的重要性排序，即特征向量。经归一化后就是同一层次相对应的因素[2]。采用根法进行求解评价，其方法分为：

a.判断矩阵每一列进行求积并开方：

b.进行计算结果归一化:

依次所得到的W=(ω1,ω2,…,ωm)T即为权重向量。

c.矩阵的最大特征根为:

d.一致性检验：层次排序的目的是计算所有因子的重要性权重,计算的实质则是求解判断矩阵的最大特征根及相应的特征向量满足:

RW=λmaxW。

由于人们主观认识的复杂性和矩阵自身的客观性，需要避免其他因素的影响，在应用过程中，应判断矩阵满足大体上一致性，故引入一致性指标：

CI=(λmax-n)/(n-1)。

保证矩阵的一致性，CI越大，矩阵的一致性越差。引进随机一致性指标RI，若一致性指标CR=CI/RI≤0.1时，认为满足一致性要求，否则需要重新构造判断矩阵。

4 塔哈拉川大桥预警分级评估

4.1 监测指标层次体系

建立桥梁结构安全状况监测指标体系以及桥梁安全状态预警报警，不同层次采用的评定参数不同，根据现有监测数据传感器的布置和项目的监测需要，确定桥梁预警分级的指标。塔哈拉大桥不同部位状态感知指标共5个，包含温度、湿度、桥墩沉降、倾斜、支座横向位移。

4.2 指标权重计算

根据层次分析法对各类型指标确定各指标权重W=(ω1,ω2,…,ωn)T，保证一致性检验满足要求即可，如表1所示。判断矩阵的最大特征值：λmax=5，一致性指标CI=(λmax-n)/(n-1)=0，一致性比例CI/RI=0<0.1满足要求。

表1 塔哈拉川大桥健康状态评价预警体系判断矩阵标度和排序

4.3 评价结果的确定

根据所监测指标权重和隶属度向量构成的矩阵计算得到最终的评价向量B=W×R=(ω1,ω2,…,ω5)×(r1,r2,r3,…,r5)T=(b1,b2,b3,b4)，取bx=max(b1,b2,b3,b4)(x=1,2,3,4)，最终得到的评价结果向量中数值最大的对应的下标等级即为其所在等级。

5 塔哈拉川大桥算例评价

5.1 监测数据的选取

根据传感器位置和监测数据时效，在进行评价时的原则是针对最不利位置或各监测数据的最不利数值进行评估，确定各重点部位的分级。塔哈拉川大桥的5项指标选取采用如下方法：在时间上针对2018年6月30日的数据进行分析，在位置上具体指标具体分析。

1)温度：由于在夏季，选取各监测位置指标的最大值。针对冬季则需要选取最小值评价。2)湿度：选取各监测位置指标的最大值。3)桥墩沉降：选取各桥墩沉降的每天最大变化差值做分析。4)倾斜：选取各墩X方向和Y方向的最大倾斜值。5)支座横向位移：选取各支座的最大横向位移变化量。以2018年6月30日数据为例各项指标如表2所示。

表2 塔哈拉川大桥6月30日评价监测数据一览表

5.2 模糊综合评价结果

按照最大隶属度原则，塔哈拉川大桥健康状态预警等级为四级偏安全。

6 裂缝病害处理方法

1)墩台存在防水层部分漏水，墩身存在污迹，处理过程中先进行墩身污迹的清理，然后采用聚氨酯防水涂料及氯化聚乙烯防水卷材，进行防水加固方法处理，并对桥面基层干燥及平整进行检验，以避免基层出现坑洼、凹凸、麻面、蜂窝等现象。

2)墩身上部部分漏水，表面部分泛白浆，防排水设施部分失效，梁体表面泛白浆。进行排水设施检查，选择氯化聚乙烯防水卷材和聚氨酯防水涂料进行防水加固处理。

3)墩身下部存在部分轻微开裂现象，横向裂缝进行压浆处理，处理过程中保证有足够灌浆压力、压浆时间和压浆量。

4)桥墩下部砂浆存在少量空洞及麻面，会影响混凝土外观，对较大面积的部位进行修补，采用清水冲洗麻面部位，然后充分湿润1 d，用1∶2水泥砂浆抹面和压实。针对孔洞，剔除松动的石子，并用水冲洗干净，然后湿润，后刷一道素水泥浆，并用掺量为12%膨胀剂的高一标号强度等级的混凝土浇筑，支模凸出空洞要大于3 cm，当修补混凝土达到设计强度，需将高出的混凝土铲除，并振捣密实，养护并保持湿润状态大于7 d。

7 结语

本文采用层次分析法，选取温度、湿度、桥墩沉降、倾斜、支座横向位移参数作为分级评价指标，构建了大准铁路塔哈拉川桥梁分级结构模型，提出了大准铁路塔哈拉川桥梁监测分级评估方法及裂缝等病害相应处置措施。