季冻区隧道冻害风险等级划分及施工处治措施*

张炳涛，张东淼，李 伟，叶 飞，王思宇

(1.吉林省公路管理局，吉林 长春 130021； 2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064)

0 引言

为对隧道冻害进行精准施策，部分学者通过分析隧道冻害的影响因素，建立隧道冻害评价体系[1-7]。

现有隧道冻害分级研究相对较少，且研究成果大都未结合隧道冻害分级情况给出具体的处治方法，导致实际应用中仍存在模糊性及不确定性。鉴于此，本文在借鉴已有研究成果的基础上，针对季冻区隧道冻害情况，采用模糊层次分析法建立评判模型，并基于冻害风险等级评价标准，从隧道保温、排水方面考虑，提出不同冻害风险等级条件下隧道冻害施工处治措施。

1 季冻区隧道冻害评价体系

综合考虑评价体系模型建立适用性、可行性、真实性及可靠性等多因素，本文借鉴已有研究成果[6-7]，采用模糊层次分析法建立评判模型。

1.1 建立因素集

季冻区极端低温气候和冻融循环特征严重威胁该地区隧道运营安全，以温度条件(U1)、水文条件(U2)、围岩条件(U3)、衬砌质量(U4)和工程措施(U5)作为准则层，将影响隧道冻害情况的各因素组成因素集，季冻区隧道冻害评价体系如图1所示。

图1 隧道冻害评价体系

1.2 建立评语集

现有研究一般将冻害等级分为4～5级[3,6]，JTG H12—2015《公路隧道养护技术规范》[8]根据隧道土建结构技术状况进行评分，将隧道分为5类。本文将隧道冻害分级情况与土建结构技术状况进行评定，如表1所示。

表1 冻害风险等级评价标准

1.3 确定隶属函数

1.3.1函数介绍

图1选定的23个影响隧道冻害情况的因素中，定量指标有12个：洞外气温、围岩地温、年平均日交通量、洞内风速、年降水量、外水压强、排水管堵塞率、隧道埋深、围岩裂隙率、衬砌强度合格率、衬砌厚度合格率、衬砌背后空洞；定性指标有11个：单/双向行车、三缝防水、围岩温度响应、围岩溶侵性、是否配筋、有无仰拱、运营维护投入、养护加固设计、养护加固施工、新材料新工艺、智能化监测。其中围岩温度响应指围岩在外界温度扰动下发生的温度变化，与围岩级别、种类、组分有关，具体表现为围岩热物性参数存在差异。单/双向行车指标即隧道内每点车辆均单向行车时取1，隧道内每点车辆均双向行车时取0；单洞双向隧道可根据实际情况，在0～1取值。

1.3.2定量指标

将定量的12个指标分为正向指标和负向指标，正向指标(洞外气温、年平均日交通量、洞内风速、年降水量、外水压强、排水管堵塞率、围岩裂隙率、衬砌背后空洞)的指标量值越大，表示隧道冻害越严重；负向指标(围岩地温、隧道埋深、衬砌强度合格率、衬砌厚度合格率)的指标量值越大，隧道冻害越轻微。参照文献[6-8]，定量指标隶属函数采用半梯形分布函数，具体参数如下。

1)根据正向型定量指标隶属函数，得到正向型隶属函数参数如表2所示。

表2 正向型隶属函数参数

2)根据负向型定量指标隶属函数，得到负向型隶属函数参数如表3所示。

表3 负向型隶属函数参数

3)定性指标 参照文献[6-7,9]，定性指标隶属函数采用梯形分布函数，具体如下所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：μ1，μ2，μ3，μ4，μ5分别表示影响因素的评价隶属函数；x表示影响因素的具体量化值。

1.4 确定权重集

采用层次分析法中的1～9标度法，对各准则指标建立两两判断矩阵，并计算矩阵最大特征值及相应归一化的特征向量，最后得到准则层与指标层的权重关系，如表4所示。

表4 准则层及指标层的权重关系

1.5 模糊综合评判

模糊综合评判模型分为第一级和第二级模型，其中第一级模糊综合评判结果为Bk，第二级模糊综合评判结果为R，具体如下。

Bk=Ak·Rk=(bk1,bk2,bk3,bk4,bk5)

(6)

(7)

B=A·R

(8)

式中：Ak为指标层权重；R为第一级模糊关系矩阵；A为准则层权重。

采用最大隶属度原则对评判指标进行处理，即B中哪个值最大，隧道冻害属于哪一级别。

2 冻害处治措施

由表4可知，温度条件和水文条件所占准则层权重最大，均为0.351 1。因此，季冻区隧道冻害处治应充分考虑渗漏水处治和隧道保温，并以防水、排水、保温结合综合治理为隧道冻害施工处治原则。JTG/T 5440—2018《公路隧道加固技术规范》 中，根据隧址区气候条件不同，列举寒冷地区隧道冻害处治方法、措施，如表5所示。

表5 隧道冻害处治措施

由表5可知，不同气候条件根据《公路隧道加固技术规范》给出的处治方法较笼统。由于未对冻害特征进行等级划分，导致应用过程中，无法确定具体施工处治方法，使处治设计存在很大盲目性。

鉴于此，借鉴JTG/T D31—06—2017《季节性冻土地区公路设计与施工技术规范》中对季节性冻土地区隧道抗冻设防等级划分标准，基于冻害风险等级评价标准，从隧道保温、排水方面考虑，提出不同冻害风险等级条件下隧道冻害处治措施。隧道冻害处治措施与冻害等级关系如表6所示。

表6 隧道冻害处治措施与冻害等级关系

3 实例分析

3.1 工程概况

1)基本情况 板石岭隧道位于S207省道辉三线(原长白线)，白山市境内，为单洞双向两车道隧道，全长1 262m，洞内纵坡2.7%，设计行车速度为40km/h。隧址区年平均降水量为813.6mm，年平均气温4.6℃，极端最高气温为36.5℃，极端最低气温为-42.2℃，地下水较丰富。

2)主要病害 从现场检测情况来看，板石岭隧道主要病害为衬砌裂缝、渗漏水等，根据JTG H12—2015《公路隧道养护技术规范》[8]，评为二类隧道。

3.2 建立模糊评判模型

根据板石岭隧道地质资料，结合现场监测数据，板石岭隧道各指标层取值如表7所示。

表7 隧道冻害影响因素取值

将表7代入隶属函数，得到模糊关系矩阵Rk(k=1,2,…,5)。计算第一级模糊综合评判结果后，得到第二级模糊综合结果：

B=A·R=(0.307 0,0.354 1,

0.303 3,0.027 2,0.008 4)

B中第2个数0.354 1最大，则板石岭隧道冻害风险等级为二级，冻害处治措施为保养维修。板石岭隧道运营至今，除洞口段轻微结冰现象外，隧道运营状态较好，与模糊评判模型得到的冻害风险等级一致。

3.3 冻害施工处治措施

1)及时修补裂缝，并设立观测标记进行跟踪观测，运用信息化手段监测隧道温度改变，从而有效预防隧道结构温差过大，保证隧道结构始终具有良好的保温性能。

2)衬砌的渗漏水应接引水管，将水导入边沟。选择韧性较好的优质防水材料，并且运用正确方式设置止水带，避免止水带渗水。技术人员应将保温层敷设于表面的环状排水管部位，并合理选择出水口位置，运用全面的保温与防寒措施进行处理。

3)冬季应及时清除洞顶挂冰等。衬砌混凝土在进行施工养护时，应充分结合隧道冻胀作用力与围岩压力导致的隧道施工影响，据此设计科学的隧道衬砌结构。工程技术人员应视情况运用加厚隧道衬砌方法进行处理，或运用加筋混凝土及钢筋混凝土材料布置隧道衬砌构造。

4 结语

1)温度条件和水文条件所占准则层权重最大，隧道冻害处治可从隧道保温、排水进行考虑。

2)根据权重关系表，温度条件、水文条件、围岩条件、衬砌质量和工程措施中最大的影响因素分别为洞外气温、外水压强、隧道埋深、衬砌背后空洞和运营维护投入。

3)在模糊综合评判的基础上，通过隧道冻害处治措施与冻害等级关系表，实现从冻害原因分析→指标权重计算→冻害风险分级→冻害处治决策的全过程。

4)隧道冻害处治措施与冻害等级关系表可指导实际冻害处治决策，降低工程应用中的模糊性和不确定性，提高冻害处治措施的科学性。