大準鐵路塔哈拉川橋梁監(jiān)測分級評估研究

范 永 維

(神華準能集團有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

1 概述

大準鐵路是國家“八五”計劃重點建設(shè)項目“準格爾項目一期工程”三大主體工程之一，大準鐵路東起山西省大同市，西至內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準格爾旗薛家灣，途經(jīng)兩省六旗縣(市)，是已形成的“西煤東運”大通道——大秦線的向西延伸，屬一級單線電氣化鐵路。大準鐵路正線全長473.27 km，所處地形主要為丘陵與山岳，地質(zhì)情況局部有軟土與風(fēng)積砂，屬于水土流失嚴重地段。全線共有橋梁165座，涵洞818座，隧道48處。路基高填方地段高度達30 m左右，邊坡最大高度達47 m，深挖方地段塹坡最高達46 m。洪水、沙塵暴等災(zāi)害性自然現(xiàn)象時有發(fā)生，災(zāi)害主要表現(xiàn)為多數(shù)橋梁支座經(jīng)常偏斜，水土流失嚴重地段橋涵隧淤積嚴重，路基在雨季存在翻漿冒泥、下沉外擠現(xiàn)象，在冬季存在凍脹現(xiàn)象，這些災(zāi)害嚴重威脅著大準鐵路的安全運行。大準鐵路初設(shè)發(fā)運量1 500萬t，改擴建后運量為4 900萬t，2013年大準鐵路計劃煤炭發(fā)運量8 300萬t，遠遠超出了設(shè)計范圍，伴隨運輸需求量的不斷增加，大準鐵路的運輸壓力還會進一步加大。隨著發(fā)運量的逐年加大，檢修時間也由每周兩個天窗減為旬天窗加狀態(tài)修，而且大準鐵路現(xiàn)采取的人工巡檢措施相對落后。亟待解決大準鐵路橋、涵、隧、高大邊坡、地基存在的安全隱患和落后的巡檢手段，對鐵路沿線進行長效綜合治理，為大準鐵路的安全運行提供安全和技術(shù)保障。

大準鐵路因環(huán)境條件等因素影響行車的事例很多，有的甚至達到了中斷通車的程度。比如1996年7月份，K206+001(2-2 m板涵)洪水沖毀，中斷行車40 d；2003年7月25日，K15+384(5-8 m)青羊嶺中橋，因橋渡設(shè)施不合理，在雨季發(fā)生過水漫梁體事件，并因河道阻塞，水流不能正常通過橋梁，淹沒附近農(nóng)田；2007年發(fā)生危石攔停列車3次；2008年K244+550～K244+600右側(cè)塌方泥土淹埋線路5 m。本文針對大準鐵路塔哈拉川大橋安全監(jiān)測，開展數(shù)據(jù)分析、閾值設(shè)置與預(yù)警分級、預(yù)警模型構(gòu)建與綜合評價、分級預(yù)警應(yīng)對措施制定等，對橋梁目前運營情況進行總體健康診斷，為大準鐵路安全運行提供了理論依據(jù)與技術(shù)支撐[1]。

2 塔哈拉川橋梁監(jiān)測目標與需求

2.1 研究目標

通過監(jiān)測手段獲取在自然環(huán)境、交通載荷下大準鐵路塔哈拉川橋梁重點部位的安全、劣化信息，并利用試驗和理論分析等手段實現(xiàn)對大準鐵路重點部位的技術(shù)及安全狀況評價，然后依據(jù)評價結(jié)果提出相應(yīng)處治對策和處理技術(shù)。具體包括：結(jié)合大準鐵路橋梁重點部位的現(xiàn)況調(diào)研成果，深化分析重點部位的現(xiàn)存安全隱患，確定所需監(jiān)測的重點部位，并建立能反映其工作性能的監(jiān)測指標體系；根據(jù)監(jiān)測指標的特點及數(shù)據(jù)特征，提出適用的監(jiān)測方法、儀器設(shè)備、現(xiàn)場布設(shè)模式以及數(shù)據(jù)采集傳輸方式；針對不同重點部位的感知系統(tǒng)特點，提出基于監(jiān)測結(jié)果的狀態(tài)評價分析模型以及不同危險狀態(tài)下的預(yù)警模型；結(jié)合重點部位的檢查和監(jiān)測結(jié)果，對重點部位的安全性能進行綜合分析評估；提出不同預(yù)警等級的劃分標準以及不同安全性能等級下重點部位管理維護的處治對策；開發(fā)大準鐵路重點部位監(jiān)測評價與預(yù)警系統(tǒng)。

2.2 研究方法

1)通過在檔案室和現(xiàn)場工段調(diào)取查閱大準鐵路的設(shè)計、改擴建以及監(jiān)測檢修報告等基礎(chǔ)文件，詳細獲得項目所涉及的大準鐵路橋梁結(jié)構(gòu)物以及其他研究路段的地質(zhì)條件、氣象條件、基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)、供電條件、通信條件、災(zāi)害情況和事故統(tǒng)計等資料，并將相關(guān)文字和圖紙文件轉(zhuǎn)制為電子檔以便后期項目使用。通過專家咨詢、網(wǎng)絡(luò)檢索等方法查閱收集與本項目類似或相關(guān)的技術(shù)、工程等文獻，為后期項目開展提供參考資料。

2)對大準鐵路橋梁重點結(jié)構(gòu)物進行踏勘，調(diào)查了解這些重點部位地質(zhì)地形、水文、氣候等條件的現(xiàn)狀變化。利用基礎(chǔ)的測量和觀測工具對大準鐵路橋梁重點結(jié)構(gòu)物的主要災(zāi)害現(xiàn)狀進行實地勘察了解，尤其是對已出現(xiàn)事故的災(zāi)害部位進行重點探勘。對所要研究線路的周邊情況進行踏勘，調(diào)查了解線路周邊所實際具備的供電、通信、材料供給等施工條件，為后期施工方案設(shè)計調(diào)整做基礎(chǔ)準備。將所有的現(xiàn)場調(diào)查情況進行分類匯總，編寫形成現(xiàn)場探勘報告。

3)對大準鐵路沿線橋梁進行現(xiàn)場踏勘調(diào)查，尤其是針對安全隱患已經(jīng)暴露和比較突出的橋梁。結(jié)合對大準鐵路沿線重點橋梁現(xiàn)場調(diào)查所獲取的相關(guān)資料，統(tǒng)計大準鐵路沿線橋梁現(xiàn)存病害類型及所在橋梁、部位信息，并對統(tǒng)計結(jié)果和所收集到的地質(zhì)、設(shè)計、施工、運營等資料進行梳理、分析。對大準鐵路沿線重點橋梁的安全隱患進行排查，統(tǒng)計分析橋梁存在安全隱患的部位。根據(jù)橋梁隱患調(diào)查結(jié)果、地質(zhì)分析結(jié)果，結(jié)合橋梁設(shè)計、施工資料、運營情況、外部環(huán)境等方面的因素，分析確定重點對橋梁病害和安全起到重要影響的因素。

4)通過進行地質(zhì)環(huán)境分析，建立橋梁力學(xué)計算模型，通過結(jié)構(gòu)靜力分析求解外載荷引起的位移、應(yīng)力變化，通過結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。求解大準鐵路橋梁不同重載條件下橋墩及支座的靜力和動力特征、重點受力部位、破壞機理，探索橋梁病害的根源。

5)對于鐵路橋梁的病害分級劃分缺少統(tǒng)一的規(guī)范，僅能通過參照“鐵路橋涵檢定規(guī)范”“鐵路橋隧建筑物劣化評定標準”等的相關(guān)規(guī)定，借鑒國內(nèi)外有關(guān)橋梁病害的統(tǒng)計資料和相關(guān)項目研究成果，根據(jù)對大準鐵路橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合對代表性結(jié)構(gòu)的理論分析，采用專家系統(tǒng)的方式，將大準鐵路橋梁的病害類型具體劃分為：存在嚴重安全隱患、正常使用性能退化較嚴重橋梁、基本可保持正常使用、完好橋梁等。對于前3類橋梁需要進行檢查、評定其技術(shù)狀況；并選取重點橋梁結(jié)構(gòu)或危險程度較大的橋梁結(jié)構(gòu)進行長期在線實時監(jiān)測。

2.3 監(jiān)測設(shè)計

大準鐵路橋梁重點部位狀態(tài)感知和評價系統(tǒng)包括大準鐵路重點部位狀態(tài)感知系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)等。系統(tǒng)通過對大準鐵路主要結(jié)構(gòu)物的重點部位的關(guān)鍵指標進行監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)實時處理分析，反映大準鐵路重點部位的健康狀態(tài)可分為四層：

1)第一層大準鐵路重點部位狀態(tài)監(jiān)測儀器感知層，由各重點部位監(jiān)測傳感器和數(shù)據(jù)感知采集子系統(tǒng)構(gòu)成，完成各監(jiān)測項目(參數(shù))的測量、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集。

2)第二層為網(wǎng)絡(luò)傳輸層，介于物理感知層和數(shù)據(jù)核心層之間，由光纖傳輸系統(tǒng)、專用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，完成采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器系統(tǒng)。

3)第三層為數(shù)據(jù)核心層，由大準鐵路重點部位基本數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)組成大準鐵路重點部位綜合狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，主要完成數(shù)據(jù)分類存儲、交換查詢管理。

4)第四層為業(yè)務(wù)應(yīng)用層，由各業(yè)務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、預(yù)警、顯示和輸出等，通過監(jiān)控中心將重要部位狀態(tài)信息發(fā)布到用戶終端。

3 分級評估理論與方法

分級評估方法主要采用層次分析法，該方法是美國運籌學(xué)家Saaty于20世紀70年代時提出的一種定量與定性相結(jié)合的決策系統(tǒng)分析法。原理是把一種復(fù)雜的系統(tǒng)分解成為目標、方案、準則等層次，并進行定性、定量分析決策。這是一種把人的決策思維過程層次化、模型化、數(shù)量化，采用數(shù)學(xué)手段為分析和決策提供定量的方法，適合多準則、多目標或者無結(jié)構(gòu)特征的問題決策。按照各因子間內(nèi)在支配的關(guān)系，可建立層次結(jié)構(gòu)的模型，通過因子對比，可建立判斷矩陣，并進行層析排序，從而確定各因子的相對重要程度。層次分析法可分為層次結(jié)構(gòu)模型建立、判斷矩陣構(gòu)造、權(quán)重向量計算、檢驗一致性四個步驟。

1)層次結(jié)構(gòu)模型建立。

大準鐵路重點部位的監(jiān)測內(nèi)容構(gòu)成了各類結(jié)構(gòu)安全狀況監(jiān)測指標體系，各類監(jiān)測指標所采用的評定參數(shù)和量綱均不同[2]。

2)判斷矩陣構(gòu)造。

按事前規(guī)定標度進行定量化，構(gòu)成矩陣的形式。各個因子的權(quán)重排序打分采用通用的1-9標度方法，進行層次排序。比如A目標層與B準則層之間關(guān)聯(lián)的判斷矩陣R，rij反映的是Bi相對于Bj在A目標層內(nèi)的重要性程度[2]，對稱位置的標度值互為倒數(shù)。

3)權(quán)向量的計算。

據(jù)判斷矩陣結(jié)果，采用線性代數(shù)可準確求出R的最大特征根對應(yīng)的評價因素的重要性排序，即特征向量。經(jīng)歸一化后就是同一層次相對應(yīng)的因素[2]。采用根法進行求解評價，其方法分為：

a.判斷矩陣每一列進行求積并開方：

b.進行計算結(jié)果歸一化:

依次所得到的W=(ω1,ω2,…,ωm)T即為權(quán)重向量。

c.矩陣的最大特征根為:

d.一致性檢驗：層次排序的目的是計算所有因子的重要性權(quán)重,計算的實質(zhì)則是求解判斷矩陣的最大特征根及相應(yīng)的特征向量滿足:

RW=λmaxW。

由于人們主觀認識的復(fù)雜性和矩陣自身的客觀性，需要避免其他因素的影響，在應(yīng)用過程中，應(yīng)判斷矩陣滿足大體上一致性，故引入一致性指標：

CI=(λmax-n)/(n-1)。

保證矩陣的一致性，CI越大，矩陣的一致性越差。引進隨機一致性指標RI，若一致性指標CR=CI/RI≤0.1時，認為滿足一致性要求，否則需要重新構(gòu)造判斷矩陣。

4 塔哈拉川大橋預(yù)警分級評估

4.1 監(jiān)測指標層次體系

建立橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況監(jiān)測指標體系以及橋梁安全狀態(tài)預(yù)警報警，不同層次采用的評定參數(shù)不同，根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)傳感器的布置和項目的監(jiān)測需要，確定橋梁預(yù)警分級的指標。塔哈拉大橋不同部位狀態(tài)感知指標共5個，包含溫度、濕度、橋墩沉降、傾斜、支座橫向位移。

4.2 指標權(quán)重計算

根據(jù)層次分析法對各類型指標確定各指標權(quán)重W=(ω1,ω2,…,ωn)T，保證一致性檢驗滿足要求即可，如表1所示。判斷矩陣的最大特征值：λmax=5，一致性指標CI=(λmax-n)/(n-1)=0，一致性比例CI/RI=0<0.1滿足要求。

表1 塔哈拉川大橋健康狀態(tài)評價預(yù)警體系判斷矩陣標度和排序

4.3 評價結(jié)果的確定

根據(jù)所監(jiān)測指標權(quán)重和隸屬度向量構(gòu)成的矩陣計算得到最終的評價向量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)，最終得到的評價結(jié)果向量中數(shù)值最大的對應(yīng)的下標等級即為其所在等級。

5 塔哈拉川大橋算例評價

5.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)的選取

根據(jù)傳感器位置和監(jiān)測數(shù)據(jù)時效，在進行評價時的原則是針對最不利位置或各監(jiān)測數(shù)據(jù)的最不利數(shù)值進行評估，確定各重點部位的分級。塔哈拉川大橋的5項指標選取采用如下方法：在時間上針對2018年6月30日的數(shù)據(jù)進行分析，在位置上具體指標具體分析。

1)溫度：由于在夏季，選取各監(jiān)測位置指標的最大值。針對冬季則需要選取最小值評價。2)濕度：選取各監(jiān)測位置指標的最大值。3)橋墩沉降：選取各橋墩沉降的每天最大變化差值做分析。4)傾斜：選取各墩X方向和Y方向的最大傾斜值。5)支座橫向位移：選取各支座的最大橫向位移變化量。以2018年6月30日數(shù)據(jù)為例各項指標如表2所示。

表2 塔哈拉川大橋6月30日評價監(jiān)測數(shù)據(jù)一覽表

5.2 模糊綜合評價結(jié)果

按照最大隸屬度原則，塔哈拉川大橋健康狀態(tài)預(yù)警等級為四級偏安全。

6 裂縫病害處理方法

1)墩臺存在防水層部分漏水，墩身存在污跡，處理過程中先進行墩身污跡的清理，然后采用聚氨酯防水涂料及氯化聚乙烯防水卷材，進行防水加固方法處理，并對橋面基層干燥及平整進行檢驗，以避免基層出現(xiàn)坑洼、凹凸、麻面、蜂窩等現(xiàn)象。

2)墩身上部部分漏水，表面部分泛白漿，防排水設(shè)施部分失效，梁體表面泛白漿。進行排水設(shè)施檢查，選擇氯化聚乙烯防水卷材和聚氨酯防水涂料進行防水加固處理。

3)墩身下部存在部分輕微開裂現(xiàn)象，橫向裂縫進行壓漿處理，處理過程中保證有足夠灌漿壓力、壓漿時間和壓漿量。

4)橋墩下部砂漿存在少量空洞及麻面，會影響混凝土外觀，對較大面積的部位進行修補，采用清水沖洗麻面部位，然后充分濕潤1 d，用1∶2水泥砂漿抹面和壓實。針對孔洞，剔除松動的石子，并用水沖洗干凈，然后濕潤，后刷一道素水泥漿，并用摻量為12%膨脹劑的高一標號強度等級的混凝土澆筑，支模凸出空洞要大于3 cm，當修補混凝土達到設(shè)計強度，需將高出的混凝土鏟除，并振搗密實，養(yǎng)護并保持濕潤狀態(tài)大于7 d。

7 結(jié)語

本文采用層次分析法，選取溫度、濕度、橋墩沉降、傾斜、支座橫向位移參數(shù)作為分級評價指標，構(gòu)建了大準鐵路塔哈拉川橋梁分級結(jié)構(gòu)模型，提出了大準鐵路塔哈拉川橋梁監(jiān)測分級評估方法及裂縫等病害相應(yīng)處置措施。