地下工程耐久性风险的非确定性
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作者：潘洪科 唐文宣 杨林德 单位：中原工学院 湖南科技学院 同济大学
大型地下工程建设投资巨大且工程复杂，在建设及营运过程中都存在着大量的不确定性及不可预见的影响因素，即易遭遇各种风险，如：因土质条件而导致的结构纵向不均匀沉降风险，火灾风险，地震风险，长距离隧道通风风险，使用环境影响的风险，重要机具在设计和使用上的适用性与可靠性风险，各种外部环境因素引起的耐久性风险，遇到穿越大江大河等水域时需考虑的风险等．因此，应充分考虑建设和营运过程中的各种可能风险，并对其进行综合性的研究分析和评估，提出相应措施和建议，以确保工程的安全性、适用性和耐久性．考虑到所研究内容的复杂性，本文拟就其中的一部分即地铁工程建设的耐久性风险展开分析研究，以建立耐久性风险分析的一般性研究方法与理论依据，以及进行耐久性风险评估的一整套方法体系，并依据风险分析与评估结果提出了最大限度地降低风险、提高耐久性的措施．混凝土结构的耐久性问题已引起人们的普遍关注，但对其研究仍不够深入，目前取得的一些研究成果主要集中在地面及水工结构，而且其研究方法主要还停留在材料的层次上．对于地下结构（地铁）耐久性的研究极少有人涉及，并往往认为地铁工程结构不会因为耐久性问题而破坏；在研究的层面上很少考虑到结构力学层次方面的因素．此外，研究的角度也多是开展单因素影响下的耐久性研究，而极少考虑工程中几种因素综合作用下的耐久性破坏情形．事实上，随着近几十年来地铁工程的大量建设，地铁混凝土结构的耐久性问题表现比较突出，而且由于地铁结构相对于地面结构的特殊性，其耐久性问题更有其独特性和复杂性．因此，地铁结构的耐久性研究方法也将有别于一般地面结构的研究方法，尤其是在研究角度方面须考虑多个因素的综合交叉影响．此外，地铁结构的设计使用年限要求至少100年，故对地铁工程有必要在立项论证阶段进行量化风险分析，以便为项目决策及采取相应的防治措施提供依据．地铁工程的耐久性失效风险可以通过其失效概率来定量表示．本文拟针对地铁工程所处特定环境，在分析耐久性失效风险因素的基础上，根据可靠度理论，对其耐久性失效风险提出分析与计算的方法，并从影响地铁工程结构耐久性诸多风险因素的归纳与规律分析、风险因素影响指标的测定与评估及各因素组合作用的典型情形等几方面对此专题进行全面的分析论证．文中列举了所有影响因素，对典型影响因素的作用机理进行了详尽分析，并参照有关设计标准对其影响程度给予确定性评价．
1耐久性影响因素及分析
地铁混凝土结构埋置于岩土体中，其耐久性影响因素相对于地面结构更具复杂性和不确定性．作者将地铁结构耐久性影响因素分为环境因素、材料因素、力学物理因素和施工及管理因素4大类，同时，这些因素还相互交错影响．这些影响因素可由结构树图表示，（图略）．对于上述各因素对地铁结构的耐久性影响情形均可展开详细的分析，但因篇幅所限，此处仅列举几种典型因素进行探讨．
1．1沉船荷载的影响穿越江河的地铁隧道存在这一风险因素影响．江河中一旦发生沉船事件，将对隧道结构产生重大影响，因此，应对沉船荷载加以考虑．首先应对江河通航状况及沉船类型的风险进行分析，通航状况可通过调查获取，对沉船类型的风险分析可按照大型船只和中小型船只分别讨论．大型沉船事件发生概率较小，但后果严重．如果在结构设计中计入大型船只沉没荷载，将大大增加工程结构的造价，但若采取相应的措施进行预防和控制，隧道结构灾难性后果将不会发生．因此对这种类型的风险应以预防为主，加强结构设计为辅．另外，还可以于隧址处设立禁沉区标志，一旦船只失事，应尽快将其驶离，可避免隧道结构的灭顶之灾．中小型船只沉船是沉船事件发生的主要类型，其发生的概率较高，对隧道结构的危害易于控制，因此沉船荷载主要根据此种船型并参考国外有关资料计算确定，并在结构设计中按照此荷载分析确定沉船造成的危害．如果船只失事后沉没在隧道顶上，其产生的危害与船只的类型、吨位、装载情况、沉没方式、覆土厚度及隧顶土面是否突出于两侧河床地面等因素有关．沉船事故一旦发生，结构与周围土层将共同承受冲击荷载，隧道结构及注浆层组合结构相对于软土层刚度较大，承受较多冲击荷载．因此，钢筋混凝土管片结构在此冲击荷载作用下内力必须计算校核，以确保其结构安全．盾构隧道为装配整体式结构，且为纵向线形结构，其抵抗冲击荷载的能力必然较整体现浇结构差，在沉船冲击荷载作用下，可能导致纵横向失稳．防水接缝采用的是遇水自膨胀有机材料，抗冲击性较差，一旦失效，将导致江水渗漏，如大面积漏水，可能造成隧道停用，且难以修复．
1．2纵向不均匀沉降的影响地铁隧道广泛采用的盾构隧道为装配整体式一维线状结构，其纵向刚度较差，对纵向不均匀沉降的影响极为敏感．尤其是越江通道隧道结构，建于饱和含水、灵敏度较高的软土地区，施工阶段对土的扰动、地下水下降引起的区域性沉降、河势变迁引起的河床变动、使用阶段沿线新建工程的影响等均可使得隧道纵向变形达到不可忽略的程度．隧道纵向变形不仅导致隧道纵向轴应力变化及纵向接头张开值增大，同时也给隧道横断面带来附加内力，成为隧道管片设计上不可忽略的重要因素．由于种种原因，发生过量的纵向不均匀沉降，将会引发隧道渗水漏泥或结构局部破坏，或内部结构（如地铁轨道）发生纵向扭曲变形，影响隧道的正常运营，进而影响到周围及地表各类构筑物的使用，给地铁运营管理部门和国家造成巨大的经济损失．有些部门或地方的设计规范建议软土盾构隧道在设计时宜穿越单一土层，对不均匀地层或不同结构引起的隧道纵向不均匀沉降，一般通过设置纵向变形缝来缓解．但由于纵向沉降的影响因素较为复杂，仅仅通过设置纵向变形缝措施远远不够，因此，应采取计算分析辅以适当的构造加以解决．具体措施宜采取专门的研究方法．
1．3侵蚀性环境的影响侵蚀性介质对地铁工程结构耐久性的影响较大，主要包括CO2的碳化作用及Cl－、SO42－、Mg2＋等盐类或酸类物质的侵蚀引起的腐蚀破坏．首先讨论碳化作用．导致混凝土内钢筋锈蚀的前提条件为混凝土的中性化．混凝土的中性化是指混凝土中的氢氧化钙与大气中的酸性气体（主要为CO2）相互作用，生成弱碱性的碳酸钙，从而使其碱性程度降低．由于混凝土内钢筋表面钝化膜的存在须在较高的碱性环境下（pH≥10）才保证，而碳化后的混凝土碱性程度往往降到pH＝9甚至以下，故碳化一经发展到钢筋的表面，钝化膜即变得不稳定，钢筋开始锈蚀．而钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂、钢筋与混凝土之间粘结力降低、结构耐久性降低等不良后果．目前，国内外对混凝土碳化的机理、影响因素、碳化深度预测模型、材料性状的改变、力学性能变化等方面都进行了相当多的研究，也取得了较多的成果，但这些研究仍主要集中在材料和构件层次上，而对于综合考虑各影响因素、从宏细观结合角度、运用损伤断裂理论、联系材料细微结构的组成及化学变化与整体结构的力学性状及功能性和耐久性能变异之间关系的研究工作却做得远为不够．作者在文献、中对此有专门的研究．地铁土壤介质中可能存在一定量的氯离子，氯离子是一种高效的活化剂，在较低的浓度下（混凝土重量的0．014％～0．022％）即可破坏钢筋表面的钝化膜，在一定的环境条件共同作用下会引起混凝土内钢筋锈蚀．同时氯离子的存在有利于混凝土内部保持湿润并减小混凝土的电阻率，这些都使得混凝土内钢筋锈蚀速度提高．在一般自然环境中，混凝土的碳化速度相对较为缓慢，而氯离子向混凝土内扩散的速度要高于混凝土的碳化速度．故在某些特殊地区，氯盐引起的混凝土内钢筋的锈蚀相当严重，应引起足够重视．氯离子引起钢筋锈蚀是一个电化学反应过程．在阳极反应区，在氯离子作用下铁原子开始离子化，并经过下述化学反应产生铁锈（氢氧化亚铁）（公式略）
1．4杂散电流引起的电化学腐蚀破坏地铁列车利用电力驱动提供能源．随着时间的推移，由于各种原因，不可避免地存在一定的泄漏电流（迷流）．地铁迷流主要对地铁周围的埋地金属管道、通讯电缆外皮以及车站和区间隧道主体结构中的钢筋产生电化学腐蚀，不仅缩短金属管、线的使用寿命，还会降低地铁钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性，甚至酿成灾难性事故．在杂散电流作用下［7］，作为阳极的铁可被电解（FeFe2＋＋2e），并可生成化合物．其电解过程符合法拉第定律．设在电解质溶液中移动1mol电子所需的电量Q为（公式略）假设在某段由走行钢轨、过渡电阻、结构钢筋（排流网）组成的迷流圈内，杂散电流为I（A），电流流过阳极钢筋的时间为t（s），则杂散电流的电量为It，并等于电解质离子所带的电量，即（公式略）
2耐久性失效风险的非确定性分析方法
耐久性失效风险的研究方法很多．由于决定耐久性影响因素作用程度的各参数在严格意义上讲均为随机变量，存在不确定性（虽结构设计基准期为100年，在基准期内仍然存在失效的概率），因此一般宜采用非确定性的分析方法．目前较成熟且有着较好的科学性和先进性的评价方法主要有：层次分析法、故障树法、蒙特卡罗法等．本文主要以层次分析法为例讲解其分析研究过程．首先将各风险因素进行层次化分析，然后确定各层次风险因素参数，包括各层次风险因素权重、风险概率及后果非效用值的确定，由此可确定总的风险系数R．根据总的风险系数R的大小，可将风险按严重程度分为数级，并可对各级耐久性失效风险进行排序．
2．1风险因素的层次划分以侵蚀性环境引起的耐久性失效为例，风险因素的层次分析（表略）．
2．2各层次风险因素参数的确定
2．2．1各层次风险因素权重的确定构造各级风险因素的判断矩阵，并请专家按表3所示规则对同层因素间的相对重要性给出评判，由此可求出各因素的权重值．
2．2．2风险概率与后果非效用值的确定根据风险概率与后果非效用值表（见表4）的对应关系，由专家打分确定底层各风险因素各级后果出现的概率．
2．2．3各层次风险因素及总的风险系数的确定项目的风险水平可以用总的风险系数R来衡量，R＝Pf＋Cf－PfCf．其中：Pf表示项目失效的概率，即项目各个风险发生概率的平均值，Pf＝（Pf1＋Pf2＋…＋Pfn）／n；Cf表示项目失效的后果非效用值，即项目各风险后果非效用值的平均值，Cf＝（Cf1＋Cf2＋…Cfn）／n，n为风险个数．根据总的风险系数R的大小，可将风险分为四级（表略）．
3耐久性失效风险的定量分析方法
耐久性失效风险的定量分析主要采用蒙特卡罗法．采用半定性半定量的层次分析方法对耐久性影响因素进行排序后，可找出对地铁结构影响较显著的若干因素，依据已有的研究成果及经验建立结构损伤的数学模型及各随机变量的分布．并按地下结构设计基准期100年推出结构耐久性失效的风险数学表达式．依据蒙特卡罗法即可计算结构耐久性失效的定量化风险．蒙特卡罗法的要点在于理论性“模拟”，即借助计算机生成一系列独立的服从标准均匀分布的随机数，根据中心极限定理，可在其中抽取若干构造服从正态分布的随机数．通过大量实验，即可求出有关随机事件的概率．例如，将钢筋锈蚀作为导致管片体系耐久性失效的主要因素，以混凝土碳化深度达到保护层厚度为极限状态，可得地铁混凝土结构在设计基准期100年内耐久性失效的风险表达式：（公式略）最后依据钢筋保护层厚度及混凝土强度的正态概率分布，利用蒙特卡罗法计算得到结构的失效风险值．
4结语
本文讨论了影响地下结构耐久性的一些主要因素，并对主要因素的作用机理及影响方式作了详细分析．随后，基于对钢筋混凝土构件耐久性分析的可靠度理论，针对地下工程结构的特点，提出了一套分析、评价和计算耐久性风险的研究方法．并以层次分析法为例，提出了对各风险因素进行分级排序的具体方法，以此可进而取得地下结构耐久性失效风险分析的量化指标．最后探讨了按照蒙特卡罗法进行结构耐久性失效定量计算的方法．由于各地铁工程所处环境不同，本文提供的仅是一般方法．风险评估在我国尚处于起步阶段．随着国民经济的发展，大型工程的建设量正日趋扩大，在工程建设初期对其进行风险评估，不仅能对其可行性提供辅助论证，而且有利于杜绝浪费和避免发生工程事故．