發布時間：2022-03-11 02:03:55
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們為您精選了8篇的鐵道安全論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發，請盡情閱讀。
關鍵詞：高速公路隧道；下穿；機場；監控量測
0 引言
一直以來，下穿問題的研究都是隧道建設者的重要課題。如何保障既有建筑物的安全，以及新建隧道的安全修建是這類工程問題的關鍵點。隨著數學、力學和數值模擬計算的發展[1]，對近接問題的研究越來越深入。為許多高難度的工程修建提供了有力的條件。國外一些學者研究了一些隧道下穿建筑的課題，并取得了不錯的成果，解決了許多技術難題，確保了工程的順利進行[2]。國內許多隧道專家在近接方面做了很多工作，總結了前人的研究成果，并提出了比較系統的近接力學理論，為解決下穿問題奠定了力學基礎[3~4]。雙孔分離式隧道正交下穿機場跑道，工程施工過程對機場建筑的影響是工程的難點。為保障機場的正常運營，避免造成重大的損失，應加強隧道施工的安全工作。控制地表沉降、拱頂下沉等工程參數，預防、避免重大安全事故的發生。
1 工程概況
某隧道工程位于某市城區，隧道采用雙孔雙向四車道布置型式，為左、右兩個分離式隧道。線路向北避開右側監獄，進入機場范圍，左、右線先下穿機場停車場、航站樓，然后正交下穿機場停機坪、機場滑行道、機場跑道，從機場邊坡的農田出地面，以路基型式連接另一面大道。
本工程范圍左線SZKO+000~SZK1+490.445，右線為SYKO+000~SYKI+486.798。道路采用城市主干道Ⅱ級標準，雙向四車道：設計速度為40km/H；建筑限界：隧道單向寬度（2×3.75m+2×0.25m+1.5m+0.75m）。
2 監控量測方案
安全是工程的生命，為保障工程建設順利進行，針對工程問題的具體性質，采取相應的策略，做到早發現、早治理，將危險從根源上清除，避免損失。根據工程的特點，對地表沉降、拱頂下沉等重要安全指標采取相應的技術保障措施，指導施工，確保工程安全。
2.1地表沉降
由于高速公路隧道下穿機場工程的特殊性，控制地表的下沉狀況，確保機場工程的安全是隧道修建必須保障的工程指標。如何控制隧道修建引起的地表建筑物下沉，尤其是對機場敏感建筑物的影響控制在允許的范圍內，是工程的難點和重點。做好地表下沉的測量作業，將結果應用在指導施工上，為工程的安全建設提供必要的指導。
地表下沉量測主要在隧道淺埋處、機場航站樓及下穿機場跑道范圍的地表建筑物和跑道進行，地表下沉量測應在開挖面前方（h+9）m處開始（h為隧道覆蓋層厚度），直到襯砌結構封閉，下沉基本停止時為止。根據觀測數據匯總表，繪制出主要沉降點的沉降過程線，它可以明顯地反映出沉降的趨勢、規律和幅度。沉降趨勢預報是沉降測量的重要環節；通過大量的沉降觀測后，獲得對地表沉降規律的理性認識，確定未來的沉降趨勢，這是確保地表建（構）筑物安全運營的可靠保證。
2.2拱頂下沉
隧道開挖后，由于圍巖自重和應力調整造成隧道頂板向下移動。拱頂下沉量是隧道安全的重要控制因素，做好拱頂下沉量的測量工作，根據測量結果指導施工工作是工程建設的重要環節。拱頂下沉量測斷面的間距為：Ⅳ級圍巖不大于25m，Ⅴ級圍巖應小于20m。圍巖變形處應適當加密，在各類圍巖的起始地段增設拱頂下沉測點1~2個。當發生較大涌水時，Ⅴ級圍巖量測斷面的間距應縮小至5~10m。各測點應在避免爆破作業破壞測點的前提下，盡可能靠近工作面埋設，一般為0.5~2.0m，并在下一次爆破循環前獲得初始讀數。初讀數應在開挖后12h內讀取，最遲不得超過24h，而且在下一循環開挖前，必須完成初期變形值的讀數。對監測結果進行分析，可以得出累計沉降、單次沉降等曲線，并可對其進行擬合，進而可以對其最終沉降做出預測，來指導施工。
2.3周邊收斂
周邊收斂量測和拱頂下沉量測應布置在同一個斷面，是衡量隧道開挖后圍巖變化的另一個重要參數。測量時將收斂計一端連接掛鉤與測點錨栓上不銹鋼環（鉤）相連，展開鋼尺使掛鉤與另一測點的錨栓相連。張力粗調可把收斂計測力裝置上的插銷定位于鋼尺穿孔來完成。張力細調則通過測力裝置微調至恒定拉力為止。在實施中，隧道開挖后在設計的監測點位埋置監測掛鉤，測量初始值，然后根據施工的進程監測收斂值，直到穩定為止。將量測結果進行分析，可以得出累計洞周凈空收斂與時間的關系曲線，對曲線進行擬合分析，可以對隧道洞室的最終變形進行預測，從而達到指導施工的目的。
2.4 地質勘探
在地下工程中，開挖前的地質勘探工作很難提供非常準確的地質資料，所以，在隧道過程中對前進的開挖工作面附近圍巖的巖石性質、狀態應進行觀察，對開挖后動態進行觀察。地質勘探主要目的：（1）預測開挖面前方的地質條件；（2）為判斷圍巖、隧道的穩定性提供地質依據；（3）根據噴層表面狀態及錨桿的工作狀態，分析支護結構的可靠程度。地質勘探包括洞內觀察和洞外觀察。洞內觀察分開挖工作面觀察和已施工區段觀察兩部分，開挖工作面觀察應在每次開挖后進行一次，內容包括節理裂隙發育情況、工作面穩定狀態、涌水情況及底板是否隆起等。初期支護完成區段觀察內容包括：噴混凝土是否產生裂隙或剝離，要特別注意噴混凝土是否發生剪切破壞的現象等。洞外觀察包括洞口及洞身淺埋段地表情況、地表沉陷、邊坡及仰坡的穩定、地表水滲透的觀察。
2.5 其他重要指標
隧道安全控制指標除了上述4個指標以外，還包括圍巖的位移、錨桿應力、后行洞襯砌鋼筋應力、圍巖與支護結構界面及初期支護與模筑襯砌界面壓應力等。這幾個主要是隧道結構的安全指標，其中，為了探明支護系統上承受的荷載，進一步研究支架與圍巖相互作用之間的關系，不僅需要量測支護空間產生的相對位移(或空間斷面的變形)，而且還需要對圍巖深部巖移進行監測和掌握。錨桿應力、后行洞襯砌鋼筋應力、圍巖與支護結構界面和初期支護與模筑襯砌界面壓應力主要反映支護措施的作用效果，屬可控認為可控因素，做好測量反饋工作，尋找相應的規律，最大限度地發揮支護作用，為地表建筑物指標控制工作提供更寬松的操作條件。
3 結言
針對工程的特殊情況，對地表沉降、拱頂下沉等工程重要指標進行嚴密監控，并及時根據測量結果進行分析，指導施工工作。地表沉降沉降等指標能合理反應隧道施工對地表建筑物的影響，監控方案科學、可靠。
參考文獻：
潘昌實．隧道力學數值方法[M]．中國鐵道出版社．北京：1995
K.W.Lo,L.F.Leung,S.L.Lee.H.Makino,H.Tajima,Field Instrumenta-tion of a Multiple Tunnel Interaction Problem,Tunnels & Tunnelling,July,1998
關鍵詞：隧道工程 軟弱圍巖 技術
中圖分類號：U45 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0039-02
1 軟弱圍巖
軟弱圍巖是地下工程對于地質條件的一個綜合性的界定，在地下隧道工程與巖土工程施工中，圍巖的性質與基本條件將決定著工程所應使用的施工方法與工程本身的技術難度。因此，對于隧道工程首先要明確圍巖的基本條件，掌握圍巖的基本性質，在此基礎上才可以在后期的施工進程中準確把握施工要點，以達到順利施工的目標。
一般而言，在地下鐵道、巖土及隧道等工程中，圍巖的種類如何界定是根據圍巖本身的強度及穩定性、風化程度及完整性等因素進行綜合考慮，進而分成不同等級和種類的圍巖，在現實施工的前期勘察階段，通過一定的技術手段對圍巖進行勘測與性質的測定，結合工程的特點得出圍巖的具體類別。隨著施工技術的不斷發展，施工工程具有相對復雜的趨勢，施工人員對地質條件的判斷與界定也有了更深層次的認識，對于圍巖的分類與認識也在不斷加深，靠簡單的感性判斷不夠科學，需要借助一些新的設備與技術才可以準確得知圍巖的具體物理性質。因此對于圍巖的認識，不同階段、不同的地質條件、不同的工程特點，圍巖的特殊性很難一概而論，需要具體問題具體解決。
2 隧道工程施工方法與理論
對于地下空間的探索，實際上歷史已經久遠，從遠古時期人們以地為穴的居住方式就形成了地下空間施工的雛形。隨著目前我國大規模的地下工程建設，包括地鐵、地下隧道、公路的地基施工等都涉及到地下工程的施工。一般而言，針對地下隧道工程，常用的基本方法有礦山法、新奧法、地質工程施工法。
2.1 礦山法
作為一種傳統的地下隧道施工方法，其基本原理是在隧道爆破后，造成周圍巖石穩定性與強度下降，受力上整體處于松弛狀態，是一種軟弱性質的圍巖，在該條件下，進行邊支護邊施工，以防止圍巖坍塌對于隧道穩定性與安全的影響。在支護的環節上，對于軟弱圍巖主要是利用剛性襯砌作為支撐，剛性襯砌最大程度地防止隧道斷面的變形，并有效地抵擋了擾動后的圍巖對開挖面的荷載。礦山法是一種暗挖法，以爆破的方式形成開挖面，并借以剛性襯砌作為臨時支撐，在實際隧道開挖的施工過程中，采用分部開挖的方式，邊開挖，邊修筑襯砌，邊支護。開挖時，首先要開挖導坑，為了最小限度減少圍巖的擾動，以導坑作為開挖的基礎向周分部擴大開挖，尤其對于軟弱具有坍塌可能的圍巖就需要結合開挖斷面的尺寸，在分部開挖中具體采取何種順序與方式進行仔細衡量才可以確定。
2.2 新奧法
新奧法是在礦山法的基礎上發展而來，其施工原理在于強調圍巖的自承重能力，以錨桿、鋼筋網、噴射混凝土等柔性手段進行主要支撐，以此抵抗圍巖的變形。實際在此過程中圍巖作為了支護系統的重要組成部分與受力部分。與傳統的礦山法相比，在手段與施工概念上而言都是一種突破。新奧法通過錨桿而形成的加固拱與噴射混凝土層形成內外兩層襯砌，混凝土同時以強大的噴射力注入到圍巖土層的縫隙中，與土層進行了結合，圍巖的穩定性與抗變形能力得到進一步提升。此外，新奧法減少了圍巖擾動的強度、頻率與持續周期，新奧法的支護手段一般不需要拆除，作為永久性支撐，嵌入到開挖面中，減少了施工的程序，相對較小的噴射層厚度又可以保證開挖的工作量，節省了開挖跨度對工程周期與穩定性的影響。
2.3 地質工程施工
地質工程施工是在隧道開挖面進行開挖與圍巖擾動前期對地質條件進行主動加固的一種方法。如常利用在隧道開挖洞口的大管棚支護技術和地面注漿技術。地質工程施工主要采用一定的工程措施，以主動方式去控制圍巖的變形與穩定性，平衡圍巖和支護的共同強度，以保住一開始就為隧道順利掘進與開挖創造一個相對寬松的施工環境。
隨著工程難度的差異性，一般在地下隧道工程中常常根據特定的地質綜合條件、水文狀況、圍巖的性質、工程性質與復雜程度，采取不同的隧道施工方法，有時候為了保障工程的安全性與穩定性常常綜合幾種方法共同發揮作用而不是單純采用其中一種。對礦山法、新奧法、地質工程施工法的分析中，筆者得知不同的方法都有其各自的優勢與不足，在實際施工中應該相互借鑒，取長補短。例如在礦山法施工的過程中常常借鑒新奧法對于支護的安全度進行監測與控制。對于地質條件比較特殊的情況，新奧法的施工比礦山法更加成熟有效，對于襯砌的要求也更加嚴格。而地質工程的施工則結合了新奧法與礦山法的優勢，從前期就開始對影響隧道施工的各種因素進行預測與準備，從宏觀上與整體施工戰略上給隧道工程一些指導。
3 軟弱圍巖下隧道工程施工方法與技術
在隧道實際施工工程中，主要涉及開挖與襯砌兩道施工工序，其次涉及到一些輔助工程如防水排水等工藝技術。在上節對三種主要隧道施工方法進行闡述的基礎上，該節重點討論對于軟弱圍巖條件下隧道工程的施工技術與方法。
首先對于實際工程的地質特征，圍巖的性質必須有個明確的認識。對地質條件與圍巖特征進行詳細的預測與勘察是在隧道工程的設計階段與施工階段首先要解決的現實問題。如在施工中采取超前地質預報、地質素描、圍巖彈性波速等對圍巖進行全面的了解與接觸，在此基礎上才可以精準確定隧道施工方案，事先做好預案工作。
其次，施工的最開始應堅持地質工程施工的基本理念，盡量做好基礎性支護工作，如對開挖洞口的大管棚超前支護、地面注漿技術等對圍巖進行事先的預應力主動防護，此舉可以有效保證后期隧道開挖中圍巖受力更加合理，并可以提高軟弱圍巖的基本力學屬性。
第三，在實際開挖的進程中，應盡量采取新奧法，對圍巖避免過多的擾動，采取光面爆破技術，保證圍巖基本受力面的均衡。對若軟圍巖應盡量增強圍巖的自穩能力，必要條件下，可以輔助配合礦山法施工，將兩者的優勢充分結合。在新奧法施工的指導下，進行分部施工，根據開挖工作面尺寸與地坑深度選擇正確的分部施工方法，如對單側壁導坑法、雙側壁導坑法、臺階法的合理運用。在軟弱圍巖受到大擾動的情況下，要盡量做好及時的防護工作，應盡量采用柔性支護技術。開挖時還應做好圍巖的監測工作，對支護系統的穩定性進行實時的反饋與控制。
第四，軟弱圍巖條件下的隧道施工，常常由于地質條件的不確定性，同一隧道不同跨度與進尺的圍巖特征存在差異性變化，對于軟弱圍巖新奧法配合礦山法往往有時候更加有效保證了隧道的順利施工。
4 結語
軟弱圍巖是隧道施工中常常碰到的地質情況，該情況下，隧道保證正常施工需要對圍巖首先有個比較全面的認識，并盡可能做好圍巖的超前支護措施，實際開挖過程中要根據工程的實際特點選擇正確的施工方法，對礦山法與新奧法進行有選擇的運用，保證隧道圍巖的自穩能力和抗變形能力。圍巖在施工擾動后，為了抵抗其松弛變形盡可能綜合運用柔性支護與剛性襯砌結合的支護手段，同時做好圍巖的實時監測與控制措施。
參考文獻
[1] 王建紅.淺談軟弱圍巖隧道施工技術[J].鐵道建筑，2006（12）：54-55.
關鍵詞:隧道工程 超前地質預報 綜合預報技術
中圖分類號:TU74文獻標識碼:A 文章編號:1007-3973 (2010) 05-001-02
1前言
隨著我國公路建設規模日益擴大,公路隧道建設也取得了迅猛發展,但由于技術手段、經濟狀況等方面的原因,在隧道設計階段所獲得的地質資料有限,導致預設計階段做出的隧道設計圖常會遺漏一些只能在隧道掘進過程中才能發現的不良地質體;由此而導致在隧道工程施工過程中,由于前方地質情況不明,常常出現塌方、涌水、巖爆、泥石流等各種地質災害,這些問題的發生嚴重影響了工程的進展,增加了工程造價,有時甚至會產生重大的事故。因此在隧道施工時,對隧道掘進方向的地質情況通過技術手段進行超前預報、預測,以便提早、及時地采取有效的施工方法,就顯得尤為重要。近幾年各級工程管理部門,已經認識到隧道施工過程中超前地質預報的重要性,開始在國內隧道施工中逐漸采用地質超前預報工作 。本文以肇興隧道為依托,通過采用地質超前預報技術,較好的避免了地質災害的發生,為隧道安全施工和提高施工進度起到了不可估量的作用。
2肇興隧道工程概況
肇興隧道是廈蓉高速公路(貴州境)水格段的一項控制性工程,目前是貴州第一公路長隧;左幅全長4752米,右幅全長4755米,最大埋深357m。隧道穿越云貴高原東部斜坡地帶,受侵蝕-剝蝕影響,地形條件復雜;隧道場區屬一級構造單元華南褶皺帶,場地構造有斷層及褶皺,巖性為變余砂巖、變余砂狀、層狀結構 。
3超前地質預報所用儀器及基本原理
肇興隧道超前地質預報 主要采用地質雷達法、陸地聲納法、瞬變電磁法相結合探測方法,并結合水平鉆孔進行探測,幾種技術手段相輔相成,相互驗證并與地面地質調查成果緊密結合,提高預報精度。
地質雷達法是探地雷達(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)方法,一種用于確定地下介質分布的廣譜電磁波技術,采用儀器為拉脫維亞地質Zond-12e型地質雷達及配套分析軟件對掌子面前方圍巖破碎情況進行探測。基本原理是在檢測范圍無大量鐵磁性物體干擾的情況下,利用探地雷達天線向地下發射電磁脈沖,并接收由地下不同介質界面的反射波,根據電磁波在介質中傳播時,其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質(如介電常數 r)及幾何形態的變化而變化。根據接收到的回波時間、幅度和波形等信息,可判定地下介質的結構與埋藏體的位置與形態。其測試原理如圖1所示。
陸地聲納法所用儀器為鐵道部科學研究院鐵建所研發生產的LDS-1陸地聲納儀及配套分析軟件對掌子面前方圍巖破碎情況進行探測;其原理(圖2)為在被測對象表面用錘擊產生震動彈性波,彈性波在巖體中傳播,遇到波速和密度不同的界面可產生反射,用在錘擊點近旁設置的檢波儀接收這一系列反射波。沿一測線上許多測點逐一測取后,將各測點的記錄(時間曲線) 繪成一張圖――時間剖面(其縱坐標為反射時t,以毫秒(ms)表示;橫坐標為測點,或水平距離、長度),從圖中可以連成一條線的同一反射面的反射波,就可判斷出各反射界面。以其反射時t,以及在巖體表面測的彈性波速度V,就可以算出反射面深度h。
h=Vt/2
本方法用錘激震源以及檢波器和儀器結合,可激發和接收從10Hz～4000Hz的波,然后可通過分窗口帶通濾波提取不同頻段的反射波,高頻段的反射波可反映薄層和大節理等和小溶洞,低頻段的反射波可反映較大的斷層、較厚的巖脈、巖層和大溶洞,通過不同頻段反射的圖像對比,可以分辨不同的不良地質體。
瞬變電磁法采用設備為IGGETEM-20瞬變電磁儀,該法原理(圖3)是利用不接地線向地下發射一次脈沖磁場,在一次脈沖磁場的間歇期間(斷電),觀測二次渦流場的方法。當發射回線中的電流突然斷開時,在介質中激勵出二次渦流場(激發極化場),在二次渦流場的衰減過程中,早期反映淺層信息,晚期反映深層信息,研究瞬變電磁場隨時間的變化規律,通過對二次場接收回線觀測,對所觀測的數據進行分析和處理,據此,解釋地下介質及相關物理參數。
在隧道(洞)中探測時,一般采用3m的方形線框,探測距離80m左右,如圖,在掌子面上掛一個方形電纜發射接收天線,采用中心裝置,接收用探頭,發射機線圈給一個脈沖電流,由瞬變電磁儀接收,測量脈沖電流斷去后,不同時刻的感應電動勢值,以e(t)/I表示,式中I為脈沖電流強度(以安為單位),e(t)表示脈沖電流斷去(t)秒的場強,以微伏表示。經數值處理,繪制成瞬變電磁多測道圖、視電阻率斷面等值線圖、視縱向電導斷面圖、視縱向電導微分成像圖。
4工程實例
現以肇興隧道出口端右幅YK21+524～YK21+424段所采用三種方法探測的結果與隧道開挖的地質情況進行對比分析。 (圖4-1、圖4-2、圖4-3為陸地聲納測試成果圖)
對采集陸地聲納時間剖面計算分析認為:掌子面前方100米范圍內(YK21+524～YK21+424),圍巖為變余砂巖,炭化較嚴重,巖體較破碎、圍巖滲水。其中: 掌子面前方0～43m段為炭質巖及其影響帶,該段圍巖破碎,且遇水軟化;60～74m、94～100m兩區段圍巖節理裂隙發育,局部可能出現軟弱夾層,圍巖破碎。
采用瞬變電磁進行探測位置為YK21+524,圖5為瞬變電磁測試成果圖
圖5瞬變電磁探測視電阻率等值線圖
對視電阻率等值線圖分析認為:掌子面(YK21+524)前方5～45米范圍內圍巖整體視電阻不低,推測前方45米內滲水。其中掌子面前方30～45m范圍內低電阻相對較低,推測該段圍巖裂隙發育,巖體較破碎,且含水較多,局部水量較大。
通過陸地聲納法和瞬變電磁法所測得數據,并結合地質情況綜合分析得出肇興隧道出口右洞YK21+524前方100范圍裂隙發育,圍巖較破碎,特別提出YK21+524前方0～45米為炭質巖及其影響帶,且圍巖滲水。
根據兩種方法所測結果,采用地質雷達法進行短距離探測印證(圖6),從電磁波的反射振幅變化來看,掌子面前方0～20m,電磁波信號衰減總體較快,且局部反射信號強烈,推測前方圍巖破碎,節理裂隙發育。該段圍巖破碎,裂隙很發育,圍巖自穩能力差。
根據超前地質預報結果,業主、監理、設計及施工方相當重視,制定了應急預案,要求隧道在開挖施工時密切注意掌子面地質變化情況,并及時匯報。當肇興隧道掘進至YK21+524時,掌子面巖體破碎,節理裂隙發育,自穩能力較差,3/4斷面發現炭質帶,并有延伸擴大的趨勢,且掌子面整體滲水,伴有小股流水,巖體遇水即軟化分裂,開挖時極易發生坍塌。針對開挖地質情況,業主立即召集設計、監理、施工等部門召開專題會議,按照事先準備的預案落實了各項處理應對措施,及時調整了施工參數,避免了地質災害的發生,保證了隧道正常施工及人員安全。在肇興隧道施工過程中, 超前地質預報曾多次成功探明巖體破碎帶等不良地質體,使施工人員做到心中有數,提前采取施工措施,修正支護參數,確保了隧道的施工安全,進一步提高了隧道施工的工作效率。
5結論及建議
(1)隧道及洞室地下工程地質情況具有復雜性和不可見性,通過采用超前地質預報,可以減少隧道施工過程中的盲目性,能較好的避受地質災害的發生;并根據現場預報結果,及時調整或修正設計參數及施工方法,正確指導施工,使施工快速、安全、經濟、合理。因此,在地質條件復雜的情況下,以地質分析為主線,采用多種預報方法進行綜合地質預報是解決隧道的超前預報問題重要方法,只有通過綜合分析預報才能獲得更加科學的超前預報成果。精確的地質預報成果不但可以提前采取相應的措施來預防地質災害的發生,而且可以提高隧道施工的工作效率,更進一步確保隧道施工和人員安全,提高經濟效益和社會效益。
(2)根據我國隧道施工現狀,地質預報工作起步較晚,目前的超前預報尚處于技術的發展階段,由于當前技術水平和其它因素的影響,超前地質預報的準確率還有待進一步提高。同時,地質預報工作也應在工程施工得到重視,在施工過程中應將超前地質預報工作納入施工管理程序,真正做到先預報后施工,以達到安全施工和優化設計的目的。
(3)隧道的超前地質預報是避免施工災害事故、保證隧道施工順利進行、提高隧道科學化、信息化施工水平的有效手段,但任何一種物探手段都不是萬能的,應充分利用各自的特點,發展綜合超前地質預報技術,使得超前地質預報水平越來越高;同時進行新技術新方法的研究和現有設備軟件處理水平的提高,不斷提高我國的超前地質預報水平,使超前地質預報逐漸成為工程地質學的一個重要組成部分。
注釋:
李志厚 云南山嶺公路隧道修筑技術研究[D].長安大學博士學位論文,2009,2.
關鍵詞：液體粘滯阻尼器；抗震加固； 實用性；應用前景
中圖分類號：U445.2 文獻標識碼:
Application of Research and Practicability Analysis of FVD in Municipal Bridge Seismic Strengthening
Qin Zhiyuan1, Chen Yongqi2
(1.Beijing University of Civil Engineering and Architecture, 100044；2. Beijing QITAI Shock Control and Scientific Development Co.,Ltd, Beijing 100037)
Abstract: This paper firstly make analysis of the bridge's seismic vulnerability and seismic strengthening methods, and then summarize experiences on the practical designing of seismic strengthening of municipal bridges, such as Fu Cheng Men bridge, De Sheng Men bridge, An Ding Men bridge, etc.. The summarize shows the designing method of municipal bridges strengthening when using the FVD, and also, it is compared with the conventional reinforcement technology, which reveals the advantages of reinforcement measures in engineering cost, traffic impact, and implementation. In addition, it analyses the optimization analysis method of the damper parameters. Finally, it propose problems of dampers has existed in our nation and the dampers' prospect and market. Among the cases studied, the research results show that: The bridges without seismic designing always have the shortages of having no enough ductility in the rare earthquakes. However, the method of seismic reduction and isolation reinforcement, especially the technical measures of viscous damper applied between the pier, girder and abutment, provides a good solution for the reinforcement of bridges. Not only effect of the reinforcement is obvious and the cost is low, but also, the practicability is high and the traffic impact is low. In addition, it is suitable for application. Also, the optimization of the dampers' location and design parameter need to be taken into account during the designing process of dampers. It needs to be noticed that the target displacement should be distinct and the increased partial demand of force caused by the connection components in the process of reinforcement designing.
Keywords: fluid viscous damper; seismic strengthening; practical application; application prospect
作者簡介：陳永祁，男，美國，CE0&高級工程師，美國紐約州立布法羅分校工程博士，主要研究方向為地震結構保護系統(E-mail: )
1前言
截至2011年底，我國在役的公路橋梁總數達 68.9 萬座。這些橋梁按建造年代考慮，1990 年全國橋梁總數約為16.8萬座，2000 年約為23.1萬座，到2008 年底為59.5 萬座． 1990年之前橋梁( 占總數的 24%) 絕大多數位于等級較低的公路上，這些橋梁建造時有的沒有進行抗震設計，有的是按照早期房屋建筑規范中抗震相關條文或 1977《公路工程抗震設計規范》試行稿進行抗震設計的; 1990 ～2008 年期間建造的橋梁，大約 42.7 萬座橋梁( 占總數的 62%) 基本都是依據 1989 年頒布的《公路工程抗震設計規范》( 簡稱 89 規范) 進行抗震設計的。2009 年起建造的橋梁，基本都是按照 2008年頒布的《公路橋梁抗震設計細則》( 簡稱 08 細則) 設計的。隨著《公路08細則》[1]《城市橋梁抗震設計規范》[2]的頒布，城市防災規劃要求的提升，對城市立交橋的抗震性能繼而提出更高要求，即城市橋梁應保證在罕遇地震下維持正常交通功能[9]。
因此，公路橋梁應盡快展開維修加固，使城市交通基礎設施在地震災害中保證使用功能，維護人民生命財產安全。
2既有橋梁地震易損特點和抗震加固原則
截至2008 年底，我國建造并運營的公路橋梁總數大約有59.5 萬座橋梁，占當前既有公路橋梁總數的62%。這些橋梁大部分是依據“89 規范”進行抗震設計的。與“08 細則”相比，這些既有公路橋梁存在的地震易損特點主要體現在以下幾個方面: 1) 既有公路橋梁是依照單一水準即多遇地震進行抗震計算、設計和檢算的，而我國當前公路橋梁是依據兩級設防地震水準進行抗震設計的。2) 與“08 細則”相比較，上述年代建造的既有橋梁在延性構造如箍筋約束、縱筋間距、縱筋搭接、錨固長度、抗剪和蓋梁配筋、框架橋墩節點區域構造要求均存在一定不足，將導致橋墩延性能力不足，框架節點區域也可能遭受破壞。 3) “08 細則”對防落梁裝置和擋塊設置提出了更高要求，特別是對跨徑小于 40 m 的梁式橋，這意味著既有橋梁的防落梁搭接長度相對不足，存在較高的落梁破壞風險。
另外，根據專家在北京設計的經驗在城市立交橋梁中看出，存在以下問題：1) 高墩縱向鋼筋配置不均時，在變截面處加密箍筋，否則會導致抗彎能力不足，發生彎曲破壞。2) 矮橋墩要保證抗剪力足夠，否則會發生脆性斷裂。3) 目前抗震擋塊的抗沖擊力不足，應適當予以提高。4) 馬甸橋、東便門橋、天寧寺橋等市政橋梁，均不同程度存在設防地震或罕遇地震下橋墩抗彎承載能力不足[4]。
根據以上易損性地特點，如下橋梁抗震加固原則被提出：
首先，應從體系抗震加固角度出發，依據識別的抗震薄弱部位或構件，討論經濟有效的加固方案，并從提高橋梁各構件的抗震能力( 強度和延性能力) 和減低地震對橋梁結構的地震需求( 減隔震) 兩方面出發，來探討各種可能的有效加固方案。
其次，在體系抗震加固方案比選的基礎時需同時考慮橋梁正常使用條件的限制。
3橋梁抗震加固方法
目前從橋梁結構體系角度出發的抗震加固方法主要有：（1）梁連續化、質量輕型化方法（2）常規抗震加固方法（3）減、隔震加固技術（4）改變現有結構體系加固法（5）防落梁構造加固方法。雖然抗震加固有種種方法，但對某具體工程，往往需要在技術、經濟、施工等的可行性中進行反復論證，才能提出合理可行的方案。另外，于2014年2月21日由住房城鄉建設部推出關于房屋建筑工程推廣應用減隔震技術的條文中提出，近年來，隨著建筑工程減震隔震技術研究不斷深入，我國一些應用了減隔震技術的工程經受了汶川，蘆山等地震的實際考驗，保障了人民生命財產安全，產生了良好社會效益。實踐證明，減隔震技術能有效減輕地震作用， 提升房屋建筑工程抗震設防能力。并且提出了加強宣傳指導，做好推廣應用工作，加強設計管理，提高減隔震技術應用水平，加強施工管理，保證減隔震工程質量的等具體要求。可見未來的抗震加固趨向將主要圍繞減隔震加固技術展開[10]。
4市政橋梁粘滯阻尼器加固的典型案例
這部分，筆者將之前參與的三個工程即北京的阜成門橋，德勝門橋，安定門橋進行有關粘滯阻尼器抗震加固方案的研究進行分析，并且其中阜成門橋。筆者主要側重于抗震效果和經濟性分析方面展開，德勝門和安定門主要就抗震的參數優化方面進行分析。
4.1案例一北京阜成門橋[4]
4.1.1模型建立
采用空間結構有限元建立該橋的有限元動力計算模型，以順橋向為x軸，橫橋向為y軸，豎向為z軸。主梁、墩柱、單樁采用梁單元模擬，樁周圍采用土彈簧模擬樁土相互作用。全橋計算模型如圖1。
圖1 阜成門橋抗震分析模型
Fig.1 the FEA model of Fu Cheng Men Bridge
4.1.2現況橋梁抗震能力分析
根據《公路08細則》，可確定E1地震（50年超越概率63％）、E2地震（50年超越概率2％）設計水平加速度反應譜如下圖2所示。以設計反應譜為目標譜，生成人工地震波如圖3、4所示。并得出現況橋梁地震反應如表1。
圖2 阜成門橋設計地震反應譜（2008年版抗震細則）
Fig.2 The earthquake response spectrum of Fuchengmen Bridge
圖3 E1工地震時程 圖4 E2人工地震時程
Fig.3 The artificial waves of E1-level earthquake Fig.4 The artificial waves of E2-level earthquake
表1 現況橋梁地震反應
Table 1 Seismic responses of the current bridge
地震水平 墩柱名稱 剪力（kN） 抗剪能力（kN） 彎矩（kN?M） 抗彎能力（kN?M） 梁端位移（cm）
E1縱向+豎向 固定墩 264 178 1256 1080 4
活動墩 17 116 51 689
固定墩樁 691 304 1569 1012
活動墩樁 36 247 84 530
E2縱向+豎向 固定墩塑性轉鉸 不滿足現行延性構件的構造要求 15
4.1.3阻尼器加固后抗震能力分析
經過設計經驗總結，采用減震技術對整體結構進行抗震加固。即在橋梁兩端的主梁與橋臺之間安裝液態粘滯阻尼器，通過阻尼器耗散地震能量，使固定墩分擔的地震力顯著減小。達到即使在罕遇地震作用下，固定墩在原有配筋條件下處于彈性階段，確保地震中不損傷。由單柱墩抗彎能力與墩頂位移的相關關系，可以確定墩頂的極限位移為1.5cm。以此作為罕遇地震下結構目標位移，結合主梁橫斷面情況，按照工程經驗在兩側橋臺各設置10個阻尼器，初步擬定阻尼器參數選取范圍：C=700～1200kN•(s/m) α，α=0.2～0.6，在此范圍進行阻尼器參數比選分析。最終確定阻尼器參數為：C=1000 kN•(s/m) α，α=0.3。采用此方案，結構地震反應計算結果如表2所示。
表2阻尼器加固橋梁抗震能力分析
Table 2 seismic resistance analysis of bridge with dampers
地震水平 墩柱名稱 剪力（kN） 抗剪能力（kN） 彎矩（kN?M） 抗彎能力（kN?M） 梁端位移（cm）
E1縱向輸入 固定墩 8 178 37 1080 0.1
活動墩 18 116 51 689
固定墩樁 20 304 48 1012
活動墩樁 36 247 84 530
E2縱向輸入 固定墩 62 178 508 1080 1
活動墩 62 116 182 689
固定墩樁 260 304 568 1012
活動墩樁 123 247 287 530
另外，注意到應用粘滯阻尼器會增加橋臺受力，應進行復核驗算。
4.1.4加固方案經濟性及可實施性分析
將阻尼器加固方案與常規加固方案進行比較表明，如表3所示：該方法可以降低維修加固成本38%左右，且交通影響很小（只須占輔路非機動車道安裝阻尼器施工），因而可操作性強，施工過程可見圖11。
表3 加固方案比較
Table 3 the comparison of strengthen scheme
項目名稱 常規加固方案 阻尼器加固方案
主要工作內容 更換中墩支座；增大墩柱截面，并外包鋼板；對原承臺進行加寬處理，在承臺加寬部分下施工樁基礎 在主梁及橋臺表面安裝阻尼器基座及錨筋
交通影響 二環主輔路各斷行一個車道 對二環輔路有一定影響，但不斷路
施工周期 約90天 約60天
總造價 1220萬 760萬
4.2案例二德勝門東橋[5]
4.2.1模型建立
對德勝門原橋進行抗震性能評估：結構建模采用三維空間有限元模型，主梁、橋墩采用空間梁單元，橋面板采用均勻布置在主梁上梁單元的，邊跨兩側在順橋向以及橫橋向采用彈簧單元模擬支座；圖5為德勝門橋有限元模型。
圖5德勝門橋計算模型
Fig.1 The Caculation Model Of Deshengmen Bridge 圖6E2級的地震下頻譜數據
Fig.2 the frequency spectrum data of E2-level earthquake
4.2.2現況橋梁抗震能力
對現況橋梁進行反應譜分析，采用《公路橋梁抗震設計細則JTG/T B02-01―2008》[5]中的阻尼比為0.05的設計加速度反應譜。E1地震下，水平設計加速度反應譜最大值取為0.19g；E2地震下，水平設計加速度反應譜最大值取為0.59g，如圖6。橋臺前墻應力狀況如表4；橋墩控制截面受力如表5。
表4橋臺前墻應力狀況 表5墩底彎矩（kN?M）
Table 4 the stress of front wall of abutment Table 5 the moment of the bottom of the pier
階段 正常使用 E1地震 E2地震 階段 正常使用 E1地震 E2地震 抗彎承載能力
前墻前應力(Mpa) -0.83(壓) -0.89(壓) -1.77(壓) 墩底彎矩 (kN?M)
73.77
147.8
447.9 235
前墻背應力(Mpa) 0.35(拉) 0.47(拉) 2.2(拉)
中墩及分界墩在E1地震作用下處于彈性工作狀態，如不進行減隔震設計，E2地震作用下墩柱將進入塑性狀態，需要對墩柱抗剪及基礎進行能力保護設計，但現況橋梁不能滿足延性要求。
4.2.3阻尼器優化設計
以E1及E2下的反應譜為目標譜，各生成三條人工地震波作為地震輸入進行時程反應分析，對阻尼器進行優化。阻尼器優化是布置位置，阻尼器個數，阻尼系數和速度指數等參數不斷組合優化選取的過程，本工程優化時速度指數a選取了介于0.2-1之間的數值，C值取500-2000kN（s/m）a之間的數值。在設計中主要進行布置位置的優化和設計參數的優化。
4.2.3.1布置位置優化
圖7加固方案剪力響應對比 圖8加固方案彎矩響應對比圖9加固方案相位移響應對比
Fig.7 comparison of shear force response of Fig.8 comparison of moment response of Fig.9 comparison of displacement response of
reinforcement schemereinforcement schemereinforcement scheme
結合德勝門橋結構形式提出兩種阻尼器布置方案。方案一：橋臺與主梁之間布置阻尼器8套，阻尼系數C=500kN（s/m），速度指數a=0.3；方案二：分界墩和主梁之間布置阻尼器8套，C=500kN（s/m），a=0.3。在E2地震作用下，采用非線性振型疊加法進行施加阻尼器結構關鍵響應的地震反應分析。對其進行地震反應對比如上圖7~圖9。
由上圖可見：在橋臺處布置粘滯阻尼器后，分界墩，中墩受力及位移可取得可觀的減震效果， 但在E2地震下，橋臺受力仍較大，仍然需要驗算加強；若在分界墩處布置阻尼器，橋臺受力大幅降低，可無需再加固橋臺，但阻尼器參數還應適當優化，以確保分界墩及中墩的受力滿足要求。見下文。
4.2.3.2設計參數優化
根據橋梁結構的實際情況，初步選用橋墩處布置阻尼器的方案。此外在上述分析中可以發現，橋墩處布置阻尼器時墩底剪力是地震控制響應。為此，文章選出了幾種設計方案（方案A：8套C=500kN（s/m）；方案B：16套C=500kN（s/m）0.3；方案C：16套C=1000kN（s/m）0.3）；方案D：16套C=1500kN（s/m）0.3），對關鍵響應進行比較分析，對設計參數進行優化，如表6。
表:6不同阻尼參數方案墩底關鍵響應的比較
Table 6 comparison of key response of different damper parameters of pier’s bottom
墩柱 地震波 方案A 方案B 方案C 方案D 未布置阻尼器
左墩 人工波1 36.9 24.4 8.4 4.9 77.5
人工波2 44.1 28.8 7.9 4.9 78.5
人工波3 42.1 27.9 6.3 4.9 82.3
中墩 人工波1 36.9 24.4 8.4 4.8 77.5
人工波2 44.2 28.8 7.9 4.8 78.5
人工波3 42.1 27.9 6.3 4.8 82.3
右墩 人工波1 36.9 24.4 8.4 3.8 77.6
人工波2 44.2 28.8 7.9 3.8 78.5
人工波3 42.1 27.9 6.3 3.9 82.3
由上表可以看出，阻尼器布置越多對橋梁抗震越是有利，但是造價較高，可實施性也會較差。可以根據每種方案之間減震率的差值，分別為12.7%，22.2%，16.2%，因此阻尼器選擇16套阻尼系數為1000KN（s/m）0.3 時，減震率增加幅度最大，經濟性也較好。因此本橋最終選用方案為：兩側分界墩處，每側各布置8套粘滯阻尼器，共計16套，其參數為C=1000 kN（s/m），a=0.3。
4.2.4阻尼器加固后減震率分析
采用該方案后，其減震率如下表所示（篇幅限制，僅以橋臺剪力為例）：
表7橋臺剪力最大值（kN）
Table 7 the maximum shear force of abutment
地震波 原模型時程結果 減震后 減震率
左側 人工波1 943.8 108.6 88.5%
人工波2 1000.17 183.48 81.7%
人工波3 1039.36 134.12 87.1%
右側 人工波1 943.79 108.6 88.5%
人工波2 1000.15 183.47 81.7%
人工波3 1039.35 134.12 87.1%
橋臺剪力減震率達60%以上，效果顯著。
經粘滯阻尼器減震后，所有墩柱的最大彎矩值均小于其承載力限值，保證了橋墩在遭遇罕遇地震工況下的承載安全，滿足了要求。同時通過布置位置及阻尼參數的優化設計，其減震率和可實施性得到了良好的保證，取得了很好的經濟效益和社會效益。
4.3案例三安定門東橋 [5]
鑒于安定門的設計及阻尼器的優化方案方法相似，本文不再贅述。主要對阻尼器加固后的減震率進行分析：
關鍵構件的地震響應如下所示（篇幅限制，僅以墩柱墩底內力為例）。
表8各墩柱墩底內力（kN）
Table 13 the maximum shear force of the base of boundary and intermediate pier
地震波 原模型墩底剪力 加固方案墩底剪力 減震率
分
界
墩 左 人工波1 252.44 16.27 93.6%
人工波2 239.25 25.35 89.4%
人工波3 230.51 18.76 91.9%
右 人工波1 252.43 16.27 93.6%
人工波2 239.24 25.35 89.4%
人工波3 230.50 18.76 91.9%
中墩 人工波1 58.91 15.27 74.1%
人工波2 58.99 14.50 75.4%
人工波3 53.25 14.25 73.2%
經粘滯阻尼器減震后，所有墩柱的最大彎矩值均小于其承載力限值，保證了橋墩在遭遇罕遇地震工況下的承載安全，滿足了要求。
4.4 工程案例現場施工圖
圖10現場施工圖
Fig. 10 Pictures of Site Operation
4.4案例經驗總結
根據前面的案例，以得到以下經驗：
（1）沒有進行抗震設計、或按照77規范進行抗震設計的現役城市橋梁，一般而言普遍存在罕遇地震下延性能力不足等缺陷，應盡快開展抗震加固。
（2）減、隔震加固方法，特別是在墩梁、橋臺主梁之間施加粘滯阻尼器的技術措施，為在交通擁堵嚴重的城市中進行立交橋抗震加固提供了一個很好的解決方案。
（3）減震加固時，需進行阻尼器布置位置及設計參數的優化，在達到控制目標位移的基礎上，確保與阻尼器連接關鍵構件能滿足承載力及正常使用極限狀態的要求。
當然通過上述實例可發現，采用液體粘滯阻尼器對城市立交橋進行減、隔震加固，只要布置位置恰當，參數選擇合理，則無論在墩臺受力方面，還是防落梁方面，都具有顯著地減震效果；與常規加固方法相比，無論是對交通的影響，或者是施工的復雜性和時間，還是造價方面也都有較大優勢，易于在同類橋梁中推廣應用。
5阻尼器在我國應用存在的問題及其前景（市場走向）
5.1阻尼器在我國應用存在的問題及其前景
近些年來,隨著我國基礎建設的加強,大型公共建筑和橋梁的飛速發展,阻尼器在我國土木工程界的發展很快,還將有更大的發展空間。在美國阻尼器的大量應用是經過十幾年的發展過程。這是一個從基礎研究到工程鑒定、從大量的試驗到設計規范、直到140多個大型工程的應用過程。在我國,基礎研究和大量的使用比起來就顯得不足。不少問題有待我們去改進和提高，例如，缺少相應的設計規范和阻尼器驗收規程，減隔震設備的測試手段和測試規程欠缺以及阻尼器基本知識的普及等。
5.2抗震阻尼器未來的市場走向
在國際上，阻尼器的應用已經十分廣泛，迎來了自身發展的“新紀元”。國內市場前景很好。也正因國內市場前景可觀，一些山寨產品、甚至是假冒偽劣產品的發展速度驚人，它的低價位成為了主要的市場競爭手段。我們只能面對這種形勢，在阻尼器產品的介紹宣傳和工程實際應用上更加努力，提高大家對這種產品的認識，并通過自己的國際優勢，將世界上最先進的理論、最優良的產品推廣到國內。
總之,近十幾年來,隨著橋梁工程、抗震工程等在我國的發展,阻尼器在我國土木工程界應用越來越廣泛,隨著我國基礎建設力度的加大,阻尼器在我國有十分廣闊的應用空間。我們已有了一個很好的開始。隨著進一步的完善,一定會有更加廣闊的發展前景。
參考文獻
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