隧道路面類型選擇及調查研究＊

許 濤 黃曉明 趙永利

(東南大學交通學院 南京 210096)

由于隧道路面處于相對封閉的環(huán)境內,直接受外界自然因素影響較少,隧道內溫度、濕度、基礎強度與一般公路差別較大[1],且渠化交通嚴格、加減速頻繁,隧道路面的使用性能及荷載作用下的力學響應也有其自身的特點.因此,不同隧道路面類型決定了其使用性能差別也較大[2].目前,國內外關于隧道工程的研究主要集中在隧道洞體的結構設計、施工技術、通風、照明、隧道安全等方面[3-5],而隧道和道路工程中對隧道路面的研究都較少涉及,更缺乏針對大型隧道路面類型選擇方面的研究.本文基于灰靶理論對隧道路面類型選擇進行了研究,結合實體工程,對國內具有代表性浙江、貴州、重慶、廣東、江蘇等地區(qū)的近100座隧道的路面進行了實地調查,對理論研究結果進行驗證,為實體工程路面類型選擇提供依據(jù).

1 灰靶理論

灰靶理論[6]是一種處理模式序列的灰關聯(lián)分析理論.按命題信息域的要求,在一組模式序中,找出最靠近子命題目標值的數(shù)據(jù)構造標準模式,然后各模式與標準模式一起構成灰靶,則標準模式便是灰靶的靶心,按子命題的含義,遠離靶心的模式為靶邊,往上遠離的模式稱上靶邊,往下遠離的模式稱下靶邊.上靶邊也就是數(shù)據(jù)大的靶邊,下靶邊為數(shù)據(jù)小的靶邊.每一個灰關聯(lián)差異信息空間中的模式與靶心的灰關聯(lián)度稱靶心接近度,簡稱靶心度.最后可根據(jù)靶心度計算綜合系數(shù),綜合系數(shù)值越大則相對應的選擇方案越具優(yōu)勢.

2 基本模型的建立

2.1 灰模式

灰模式實際上是一個指標序列,是某一命題的某一種解決方案的關鍵因素序列.

即任意兩指標列不恒具相同極性.稱ω(k)= (ω1(k),ω2(k),…ωm(k))為k指標模式列,簡稱k指標列.

2.2 標準模式

令POL(max),POL(min),POL(mem)分別為極大值極性、極小值極性、適中值極性,則

2.3 灰靶變換

若T ωi(k)=xi(k),則

式中：T為灰靶變換;xi(k)為統(tǒng)一測度變換值.

2.4 灰關聯(lián)因子集與灰關聯(lián)差異信息空間

灰關聯(lián)因子集為

灰關聯(lián)差異信息空間為

2.5 靶心系數(shù)

2.6 靶心度

3 原始序列的確定

此灰靶分析的命題為隧道路面類型的選擇.分析的模式有兩個,即瀝青路面和水泥路面.根據(jù)隧道在路網中的重要地位及隧道路面特殊的工作環(huán)境,為了滿足隧道路面舒適性、安全性、耐久性等需要,隧道路面應具有如下各項性能：(1)整體強度.在行車荷載的直接作用下,如果路面結構層的整體強度不足,難以適應不同圍巖級別變化,在路面層內部產生較大的應力、應變,使路面出現(xiàn)斷裂、沉陷、波浪或車轍病害,導致路面使用狀況惡化,服務水平降低[7];(2)耐久性.隧道內空間有限、維修困難,因此要有足夠的耐久性,盡量減少隧道路面在其服務期內的維修次數(shù),保證行車暢通[8];(3)表面平整度.表面平整度直接影響行車舒適性、安全性及運輸效益.不平整的路面不僅會造成行車顛簸,影響行車速度、行車安全、駕駛平穩(wěn)、乘客的舒適性,而且會對路面形成沖擊力,加劇路面和車輛部件的磨損;(4)表面抗滑性能.隧道內路面濕度相對較大,車輛的制動、加速比較頻繁,路面抗滑性能不足則易引發(fā)交通事故;(5)表面耐磨性能.隧道路面的表面不但要抗滑,而且要耐磨,也就是要隧道路面長時間的保持較高的抗滑性能;(6)修復與重建難度.隧道往往是公路交通的咽喉,隧道內路面修復與維修要求簡單、快速,以免影響正常交通.

對于瀝青和水泥路面而言,經過多年的建設及使用,建設、管理及使用方對其基本性能都有了一定的了解,但是針對上述六方面性能,長期以來并沒有形成具體的定量分析.為對上述兩種路面類型進行系統(tǒng)比較,優(yōu)選出比較適合隧道內使用的路面類型,對灰靶分析中的原始數(shù)據(jù)通過邀請科研、設計、建設等有關方面人員按照設計的表格和規(guī)定的評定等級對評判對象進行評價.然后統(tǒng)計各因素評價等級1,2,…,n)的頻數(shù)dik,則ωi(k)=dik/n.式中：n為參與評價的專家人數(shù);ωi(k)為指標值.

4 標準模式的確定

為了對兩種路面結構型式進行適應性比較,需要確定一個標準的模式,作為兩者比較的參量,針對本文指標列的具體型式,本文中取灰靶分析的標準模式為：ωo=(1,1,1,1).在靶心度計算中為了體現(xiàn)不同評價等級的優(yōu)先度,對幾種等級分別取權重系數(shù)如表1.

表1 權重分配表

4.1 原始數(shù)列的確定

本文選擇了具有代表性的30多位專家及有關人員來進行隧道路面選型因素權重的確定.被咨詢人員包括公路界科研、設計方面的人員,施工、管理、養(yǎng)護方面的人員.他們均有中、高級職稱,經驗豐富,熟悉路面專業(yè)技術和管理,因此具有充分的代表性,評價結果具有較高的可信度.對回饋的各評價表進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理后得到的各指標列數(shù)據(jù)如表2所列.

4.2 灰靶變換

依據(jù)下式對表2進行灰靶變換,經灰靶變換后的結果如表3.

表2 灰靶分析的原始數(shù)列

表3 灰靶變換后數(shù)據(jù)值

4.3 灰關聯(lián)差異信息空間

首先根據(jù)下式確定差異信息集Δ,計算結果如表4.

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù),則灰關聯(lián)差異信息空間為

表4 差異信息集

4.4 靶心系數(shù)

對于瀝青混凝土路面

對于水泥混凝土路面為

則將表4中的數(shù)據(jù)代入上述兩式可得靶心系數(shù)值,如表5.

4.5 靶心度

根據(jù)式與表6中的數(shù)據(jù)可計算得到各因素的靶心度如表6.

表5 靶心系數(shù)值

表6 靶心度值

4.6 綜合系數(shù)

表7 綜合系數(shù)值

計算結果表明,瀝青路面的綜合系數(shù)要大于水泥路面的綜合系數(shù),也就是說,對幾項基本性能綜合考評后可知,瀝青混凝土路面的性能更加優(yōu)越,更適合用于隧道路面.

5 隧道路面結構類型調查研究

本文結合隧道路面科研項目,對國內具有代表性浙江、貴州、重慶、廣東、江蘇等地區(qū)的近100座隧道的路面進行了實地全面調查.浙江省是一個多山的省份,本文重點對該省的隧道路面類型進行調查、分析.筆者對寧杭高速、滬杭甬高速、上三高速、甬臺溫、金麗溫高速、杭金衢高速等進行了實地調查,共調查79座隧道,調查隧道路面總里程63.9 km[9].其中,目前還在使用的水泥混凝土隧道路面長17.9 km,占調查隧道路面總長的28%;為了提高原路面抗滑性能,在原水泥路面上加鋪瀝青面層或進行微表處的隧道路面長18.3 km,占調查隧道路面總長的28.6%;瀝青混凝土隧道路面27.7 km,占調查隧道路面總長的43.4%.同時,調查結果表明,2001年以前修建的水泥混凝土隧道路面總長34.8 km,占調查隧道路面總長54.5%;2001年及以后修建的水泥混凝土路面總長1.4 km,僅占調查隧道路面總長2.3%,瀝青混凝土隧道路面占97.7%.其主要原因是瀝青路面具有抗滑性能好,行駛舒適,噪音小,施工簡單、維修方便等優(yōu)點[10].可見,瀝青路面越來越多被隧道路面所采用.

6 結束語

本文采用理論分析和實際調查相結合的方法,針對隧道路面特殊的工作條件,基于灰靶理論從整體剛度、耐久性、平整度、抗滑性能、耐磨性能及修復難易程度六個方面對瀝青和水泥兩種路面進行綜合評價.理論分析結果表明,在隧道中采用瀝青路面具有更好的適用性.經對近百座隧道路面實地調查、分析,驗證了理論分析的正確性,說明基于灰靶理論分析的方法來選擇隧道路面具有可行性.隨著施工技術、阻燃技術的進步,瀝青路面將逐漸取代水泥路面而在隧道內得到廣泛應用.

[1]楊 良,郭忠印.公路隧道路面工作環(huán)境調研與分析[J].公路,2004,(2)：148-150.

[2]楊 群,郭忠印.考慮水平荷載的公路隧道復合式路面表面拉應力分析[J].公路交通科技,2006,23(2)：16-19.

[3]Carvel R O,Beard A N,Jowitt P W.The influence of tunnel geometry and ventilation on the heat release rate of fire[J].Fire Technology,2004,40(1)：5-26.

[4]Gao P Z,Liu S L,Chow W K.Large eddy simulations for studying tunnel smoke ventilation[J].Tunnel and Underground Technology,2004,19(6)：577-586.

[5]Wu Y,Baker M Z A.Control of smoke flow in tunnel fires usinglongitudinal ventilation aystems：a study of critical velocity[J].Fire Safety Journal, 2000,35(1)：363-390.

[6]鄧聚龍.灰理論基礎[M].武漢：華中科技大學出版社,2002.

[7]丁春林,周順華.重載汽車對既有盾構隧道路面板及支撐結構強度和變形的影響[J].中國公路學報, 2000,13(1)：44-46.

[8]吳少鵬王家主陳太泉.長大縱坡瀝青路面應力分析[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版,2006, 30(6)：969-972.

[9]黃曉明,趙永利,許 濤.特大斷面隧道瀝青路面關鍵技術研究[R].南京：東南大學交通學院,2008.

[10]程英偉,劉麗萍.湖北省高等級公路瀝青路面面層材料選用研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版,2005,29(4)：575-578.