范 永 維

(神華準(zhǔn)能集團(tuán)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(zhǔn)鐵路是國(guó)家“八五”計(jì)劃重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目“準(zhǔn)格爾項(xiàng)目一期工程”三大主體工程之一，大準(zhǔn)鐵路東起山西省大同市，西至內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗薛家灣，途經(jīng)兩省六旗縣(市)，是已形成的“西煤東運(yùn)”大通道——大秦線的向西延伸，屬一級(jí)單線電氣化鐵路。大準(zhǔn)鐵路正線全長(zhǎng)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(yán)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(dá)30 m左右，邊坡最大高度達(dá)47 m，深挖方地段塹坡最高達(dá)46 m。洪水、沙塵暴等災(zāi)害性自然現(xiàn)象時(shí)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(yán)重地段橋涵隧淤積嚴(yán)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(yán)重威脅著大準(zhǔn)鐵路的安全運(yùn)行。大準(zhǔn)鐵路初設(shè)發(fā)運(yùn)量1 500萬(wàn)t，改擴(kuò)建后運(yùn)量為4 900萬(wàn)t，2013年大準(zhǔn)鐵路計(jì)劃煤炭發(fā)運(yùn)量8 300萬(wàn)t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)范圍，伴隨運(yùn)輸需求量的不斷增加，大準(zhǔn)鐵路的運(yùn)輸壓力還會(huì)進(jìn)一步加大。隨著發(fā)運(yùn)量的逐年加大，檢修時(shí)間也由每周兩個(gè)天窗減為旬天窗加狀態(tài)修，而且大準(zhǔn)鐵路現(xiàn)采取的人工巡檢措施相對(duì)落后。亟待解決大準(zhǔn)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(duì)鐵路沿線進(jìn)行長(zhǎng)效綜合治理，為大準(zhǔn)鐵路的安全運(yùn)行提供安全和技術(shù)保障。

大準(zhǔn)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(dá)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(duì)大準(zhǔn)鐵路塔哈拉川大橋安全監(jiān)測(cè)，開展數(shù)據(jù)分析、閾值設(shè)置與預(yù)警分級(jí)、預(yù)警模型構(gòu)建與綜合評(píng)價(jià)、分級(jí)預(yù)警應(yīng)對(duì)措施制定等，對(duì)橋梁目前運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行總體健康診斷，為大準(zhǔn)鐵路安全運(yùn)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(cè)目標(biāo)與需求

2.1 研究目標(biāo)

通過監(jiān)測(cè)手段獲取在自然環(huán)境、交通載荷下大準(zhǔn)鐵路塔哈拉川橋梁重點(diǎn)部位的安全、劣化信息，并利用試驗(yàn)和理論分析等手段實(shí)現(xiàn)對(duì)大準(zhǔn)鐵路重點(diǎn)部位的技術(shù)及安全狀況評(píng)價(jià)，然后依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出相應(yīng)處治對(duì)策和處理技術(shù)。具體包括：結(jié)合大準(zhǔn)鐵路橋梁重點(diǎn)部位的現(xiàn)況調(diào)研成果，深化分析重點(diǎn)部位的現(xiàn)存安全隱患，確定所需監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)部位，并建立能反映其工作性能的監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系；根據(jù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的特點(diǎn)及數(shù)據(jù)特征，提出適用的監(jiān)測(cè)方法、儀器設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)模式以及數(shù)據(jù)采集傳輸方式；針對(duì)不同重點(diǎn)部位的感知系統(tǒng)特點(diǎn)，提出基于監(jiān)測(cè)結(jié)果的狀態(tài)評(píng)價(jià)分析模型以及不同危險(xiǎn)狀態(tài)下的預(yù)警模型；結(jié)合重點(diǎn)部位的檢查和監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)重點(diǎn)部位的安全性能進(jìn)行綜合分析評(píng)估；提出不同預(yù)警等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)以及不同安全性能等級(jí)下重點(diǎn)部位管理維護(hù)的處治對(duì)策；開發(fā)大準(zhǔn)鐵路重點(diǎn)部位監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)與預(yù)警系統(tǒng)。

2.2 研究方法

1)通過在檔案室和現(xiàn)場(chǎng)工段調(diào)取查閱大準(zhǔn)鐵路的設(shè)計(jì)、改擴(kuò)建以及監(jiān)測(cè)檢修報(bào)告等基礎(chǔ)文件，詳細(xì)獲得項(xiàng)目所涉及的大準(zhǔn)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(jì)參數(shù)、供電條件、通信條件、災(zāi)害情況和事故統(tǒng)計(jì)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(xiàng)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(xiàng)目類似或相關(guān)的技術(shù)、工程等文獻(xiàn)，為后期項(xiàng)目開展提供參考資料。

2)對(duì)大準(zhǔn)鐵路橋梁重點(diǎn)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行踏勘，調(diào)查了解這些重點(diǎn)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(cè)量和觀測(cè)工具對(duì)大準(zhǔn)鐵路橋梁重點(diǎn)結(jié)構(gòu)物的主要災(zāi)害現(xiàn)狀進(jìn)行實(shí)地勘察了解，尤其是對(duì)已出現(xiàn)事故的災(zāi)害部位進(jìn)行重點(diǎn)探勘。對(duì)所要研究線路的周邊情況進(jìn)行踏勘，調(diào)查了解線路周邊所實(shí)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(jì)調(diào)整做基礎(chǔ)準(zhǔn)備。將所有的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況進(jìn)行分類匯總，編寫形成現(xiàn)場(chǎng)探勘報(bào)告。

3)對(duì)大準(zhǔn)鐵路沿線橋梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)查，尤其是針對(duì)安全隱患已經(jīng)暴露和比較突出的橋梁。結(jié)合對(duì)大準(zhǔn)鐵路沿線重點(diǎn)橋梁現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查所獲取的相關(guān)資料，統(tǒng)計(jì)大準(zhǔn)鐵路沿線橋梁現(xiàn)存病害類型及所在橋梁、部位信息，并對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果和所收集到的地質(zhì)、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等資料進(jìn)行梳理、分析。對(duì)大準(zhǔn)鐵路沿線重點(diǎn)橋梁的安全隱患進(jìn)行排查，統(tǒng)計(jì)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(jì)、施工資料、運(yùn)營(yíng)情況、外部環(huán)境等方面的因素，分析確定重點(diǎn)對(duì)橋梁病害和安全起到重要影響的因素。

4)通過進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境分析，建立橋梁力學(xué)計(jì)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(dòng)力學(xué)分析求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。求解大準(zhǔn)鐵路橋梁不同重載條件下橋墩及支座的靜力和動(dòng)力特征、重點(diǎn)受力部位、破壞機(jī)理，探索橋梁病害的根源。

5)對(duì)于鐵路橋梁的病害分級(jí)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(píng)定標(biāo)準(zhǔn)”等的相關(guān)規(guī)定，借鑒國(guó)內(nèi)外有關(guān)橋梁病害的統(tǒng)計(jì)資料和相關(guān)項(xiàng)目研究成果，根據(jù)對(duì)大準(zhǔn)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)合對(duì)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(zhǔn)鐵路橋梁的病害類型具體劃分為：存在嚴(yán)重安全隱患、正常使用性能退化較嚴(yán)重橋梁、基本可保持正常使用、完好橋梁等。對(duì)于前3類橋梁需要進(jìn)行檢查、評(píng)定其技術(shù)狀況；并選取重點(diǎn)橋梁結(jié)構(gòu)或危險(xiǎn)程度較大的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.3 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

大準(zhǔn)鐵路橋梁重點(diǎn)部位狀態(tài)感知和評(píng)價(jià)系統(tǒng)包括大準(zhǔn)鐵路重點(diǎn)部位狀態(tài)感知系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)等。系統(tǒng)通過對(duì)大準(zhǔn)鐵路主要結(jié)構(gòu)物的重點(diǎn)部位的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理分析，反映大準(zhǔn)鐵路重點(diǎn)部位的健康狀態(tài)可分為四層：

1)第一層大準(zhǔn)鐵路重點(diǎn)部位狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀器感知層，由各重點(diǎn)部位監(jiān)測(cè)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(cè)項(xiàng)目(參數(shù))的測(cè)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(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器系統(tǒng)。

3)第三層為數(shù)據(jù)核心層，由大準(zhǔn)鐵路重點(diǎn)部位基本數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)組成大準(zhǔn)鐵路重點(diǎn)部位綜合狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，主要完成數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)、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(cè)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(jí)評(píng)估理論與方法

分級(jí)評(píng)估方法主要采用層次分析法，該方法是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty于20世紀(jì)70年代時(shí)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(biāo)、方案、準(zhǔn)則等層次，并進(jìn)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(zhǔn)則、多目標(biāo)或者無(wú)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(duì)比，可建立判斷矩陣，并進(jìn)行層析排序，從而確定各因子的相對(duì)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(jì)算、檢驗(yàn)一致性四個(gè)步驟。

1)層次結(jié)構(gòu)模型建立。

大準(zhǔn)鐵路重點(diǎn)部位的監(jiān)測(cè)內(nèi)容構(gòu)成了各類結(jié)構(gòu)安全狀況監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，各類監(jiān)測(cè)指標(biāo)所采用的評(píng)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(biāo)度進(jìn)行定量化，構(gòu)成矩陣的形式。各個(gè)因子的權(quán)重排序打分采用通用的1-9標(biāo)度方法，進(jìn)行層次排序。比如A目標(biāo)層與B準(zhǔn)則層之間關(guān)聯(lián)的判斷矩陣R，rij反映的是Bi相對(duì)于Bj在A目標(biāo)層內(nèi)的重要性程度[2]，對(duì)稱位置的標(biāo)度值互為倒數(shù)。

3)權(quán)向量的計(jì)算。

據(jù)判斷矩陣結(jié)果，采用線性代數(shù)可準(zhǔn)確求出R的最大特征根對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)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(duì)應(yīng)的因素[2]。采用根法進(jìn)行求解評(píng)價(jià)，其方法分為：

a.判斷矩陣每一列進(jìn)行求積并開方：

b.進(jìn)行計(jì)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(yàn)：層次排序的目的是計(jì)算所有因子的重要性權(quán)重,計(jì)算的實(shí)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(rèn)識(shí)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(biāo)：

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(jìn)隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，若一致性指標(biāo)CR=CI/RI≤0.1時(shí)，認(rèn)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(jí)評(píng)估

4.1 監(jiān)測(cè)指標(biāo)層次體系

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

4.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

根據(jù)層次分析法對(duì)各類型指標(biāo)確定各指標(biāo)權(quán)重W=(ω1,ω2,…,ωn)T，保證一致性檢驗(yàn)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(biāo)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(píng)價(jià)預(yù)警體系判斷矩陣標(biāo)度和排序

4.3 評(píng)價(jià)結(jié)果的確定

根據(jù)所監(jiān)測(cè)指標(biāo)權(quán)重和隸屬度向量構(gòu)成的矩陣計(jì)算得到最終的評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)結(jié)果向量中數(shù)值最大的對(duì)應(yīng)的下標(biāo)等級(jí)即為其所在等級(jí)。

5 塔哈拉川大橋算例評(píng)價(jià)

5.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的選取

根據(jù)傳感器位置和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)效，在進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)的原則是針對(duì)最不利位置或各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的最不利數(shù)值進(jìn)行評(píng)估，確定各重點(diǎn)部位的分級(jí)。塔哈拉川大橋的5項(xiàng)指標(biāo)選取采用如下方法：在時(shí)間上針對(duì)2018年6月30日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在位置上具體指標(biāo)具體分析。

1)溫度：由于在夏季，選取各監(jiān)測(cè)位置指標(biāo)的最大值。針對(duì)冬季則需要選取最小值評(píng)價(jià)。2)濕度：選取各監(jiān)測(cè)位置指標(biāo)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(xiàng)指標(biāo)如表2所示。

表2 塔哈拉川大橋6月30日評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一覽表

5.2 模糊綜合評(píng)價(jià)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(jí)為四級(jí)偏安全。

6 裂縫病害處理方法

1)墩臺(tái)存在防水層部分漏水，墩身存在污跡，處理過程中先進(jìn)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(jìn)行防水加固方法處理，并對(duì)橋面基層干燥及平整進(jìn)行檢驗(yàn)，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(jìn)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(jìn)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(jìn)行壓漿處理，處理過程中保證有足夠灌漿壓力、壓漿時(shí)間和壓漿量。

4)橋墩下部砂漿存在少量空洞及麻面，會(huì)影響混凝土外觀，對(duì)較大面積的部位進(jìn)行修補(bǔ)，采用清水沖洗麻面部位，然后充分濕潤(rùn)1 d，用1∶2水泥砂漿抹面和壓實(shí)。針對(duì)孔洞，剔除松動(dòng)的石子，并用水沖洗干凈，然后濕潤(rùn)，后刷一道素水泥漿，并用摻量為12%膨脹劑的高一標(biāo)號(hào)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土澆筑，支模凸出空洞要大于3 cm，當(dāng)修補(bǔ)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，需將高出的混凝土鏟除，并振搗密實(shí)，養(yǎng)護(hù)并保持濕潤(rùn)狀態(tài)大于7 d。

7 結(jié)語(yǔ)

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(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建了大準(zhǔn)鐵路塔哈拉川橋梁分級(jí)結(jié)構(gòu)模型，提出了大準(zhǔn)鐵路塔哈拉川橋梁監(jiān)測(cè)分級(jí)評(píng)估方法及裂縫等病害相應(yīng)處置措施。