高速公路涵洞安全性評估方法與應用研究

梁炳新，謝卓利

（重慶交通大學 河海學院，重慶 400074）

1 概述

涵洞作為高速公路橫跨溝谷、河流、人工水渠以及排除路基內(nèi)測邊溝水流的構(gòu)造物，是高速公路的重要組成部分之一，與高速公路的安全穩(wěn)定密相關(guān)[1]。因此對高速公路涵洞進行安全性評估是確保公路安全穩(wěn)定的重要一環(huán)。近年來，馮忠居[2]等采用現(xiàn)場加數(shù)值分析研究了高填方涵洞地基承載力與穩(wěn)定性；宋丁豹[3]等使用模型試驗研究高填方減載式剛性涵洞受力特性；陳寶國[4]等研究軟土地基上高填方剛性涵洞地基承載力。根據(jù)現(xiàn)有的涵洞安全性評級方法可分為定性分析法與定量分析法。但在涵洞安全性評估方面均以定性分析為主，定量分析未曾涉及，文章結(jié)合2017 年3 月份重慶市長涪路涵洞檢查資料[5]，詳細研究影響涵洞安全各種因素，提出一套簡單的量化涵洞安全性評估方法，目的是通過安全評估工作，掌握當前涵洞安全狀況，分析其病害原因，及時地為涵洞病害處治及后續(xù)養(yǎng)護提供有效的建議。

2 高速公路涵洞安全性評估方法的建立

2.1 涵洞安全性等級劃分

為了降低評估人員因主觀臆測判斷帶來評價結(jié)果的偏差，現(xiàn)通過量化涵洞安全性各因素的方法進行評價，涵洞安全性劃分若干等級。對于評價的涵洞，都僅有一個等級與之對應。筆者借鑒《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTGH11-2004）[6]將涵洞安全性等級劃分為五個，分別表示為：I、II、III、IV、V，與之對應好、較好、較差、差、危險五個等級。具體的分類及分界點取值詳細，見表1。其中，分界點取值是通過上述方法計算長涪路87 座涵洞安全性評估分析得到。

表1 高速公路涵洞安全性分類指標

2.2 涵洞安全評估方法

本方法參考文獻[7]在于簡化其計算過程，使計算更簡單方便，并定量地分析涵洞安全性。該方法考慮不同因素對涵洞安全性的影響，并根據(jù)影響涵洞安全性因素的大小對其賦予不同的權(quán)重，將定性問題轉(zhuǎn)化成定量問題。通過計算公式量化出各涵洞最終的安全分數(shù)SS（Safety Score，下同），確定涵洞安全性等級的劃分，以便達到按輕重緩急、優(yōu)先處理安全性較差涵洞的決策要求。

2.3 涵洞安全評估指標

為了更好地闡述如何計算涵洞總分數(shù)TS以及涵洞安全性分數(shù)SS的值，根據(jù)相關(guān)規(guī)范將影響涵洞安全狀況因素用英文字母表示出來?，F(xiàn)將各個影響因素賦予字母如下：A 為涵洞滲水及泛堿情況；B 為涵底泥淤積及積水情況；C 為洞口附近回填土情況；D 為進出水口堵塞及排水情況；E 涵洞破損情況。

（1）高速公路涵洞安全性采用安全分數(shù)SS來表示。

（2）高速公路涵洞安全性評估包括總分數(shù)Ts（Total Score）和結(jié)構(gòu)形式修正系數(shù)F（Structural correction factor）兩個部分，涵洞安全分數(shù)SS簡單的表示為：

式中：A、B、C、D、E 各字母與設定含義同，TS為總分數(shù)；F 為結(jié)構(gòu)形式修正系數(shù)，是根據(jù)涵洞結(jié)構(gòu)形式安全性確定。在本次檢查涵洞中，根據(jù)涵洞結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點綜合考慮，以石拱涵洞安全性最差，鋼筋混凝土板+石拱涵洞次之，鋼筋混凝土板（管）涵洞再次之。以此為順序，根據(jù)總分數(shù)TS的最大值（100 分）人為設定，每個結(jié)構(gòu)形式安全性設定差距為0.001 具體的F 取值按表2 進行。

總分數(shù)TS與結(jié)構(gòu)形式修正系數(shù)相乘即可得到涵洞安全分數(shù)SS。SS分數(shù)越高，表示邊坡風險性越大；SS分數(shù)越低，邊坡風險性越小。

2.4 涵洞安全性影響因素

在新建的安全評價體系中，列舉了包括：涵洞滲水泛堿情況、涵底泥淤積及積水情況、洞口附近回填土情況、進出水口堵塞及排水情況、涵洞破損情況等5 個影響因素，各因素得分分為嚴重、中度、輕微、無明顯病災四個級別。為計算方便，各因素得分借鑒文獻[7]給予賦值，假設將各因素對涵洞穩(wěn)定性的影響均等，均是以嚴重、中度、輕微、無明顯病災四個級別來劃分，將每個等級間5 分為差距均勻賦值。以涵洞積水及破損情況為例，涵洞嚴重積水、嚴重破損并可能引起變形為最大，賦予20 分；中度積水、中度破損為次之，賦予10 分；少量或為積水、輕微破損，賦予5 分；未積水、未破損，賦予0 分。以涵洞滲水泛堿情況為例，見表3，其他各因素均類似。

3 重慶長涪路高速公路涵洞安全風險評估實例

3.1 項目概況

在2017 年檢查重慶市渝涪高速公路的長涪路段涵洞共計87 座，其中石拱涵洞44 座，占總數(shù)的 50.57%；鋼筋混凝土板涵洞38 座，占總數(shù)的 43.68%；鋼筋混凝土管涵洞2 座，占總數(shù)的2.30%；鋼筋混凝土板+石拱涵洞3座，占總數(shù)的3.45%。

為及時調(diào)查涵洞出現(xiàn)的病害，分析病害原因，并提供可靠的決策依據(jù)，受重慶渝涪高速公路有限公司的委托，于 2017 年 1 月～2017 年 3 月對渝涪高速（長涪路）范圍內(nèi)的87 座涵洞進行定期檢查。通過收集涵洞相關(guān)資料和現(xiàn)場踏勘調(diào)查，對全線87 座涵洞進行風險檢查及技術(shù)評價，并提出相應的安全防控措施與治理工程建議，為下一步涵洞日常養(yǎng)護、病害整治及加固提供依據(jù)。

3.2 主要病害

表2 結(jié)構(gòu)形式修正系數(shù)取值

表3 涵洞滲水泛堿取分標準

表4 K5+471 涵洞具體檢查詳情

本次安全風險檢查結(jié)果顯示，沿線路塹涵洞大部分情況良好，未發(fā)現(xiàn)大的變形破壞情況，涵洞整體穩(wěn)定性狀況較好，但局部或既有防護支護工程存在一些病害或缺損，主要病害有：

（1）進出水口淤泥阻水或雜物堆積。

（2）涵洞底面淤泥、雜物堆積或鋪砌破損。

（3）涵洞身兩側(cè)開裂或滲水泛堿。

（4）涵洞頂部局部滲水、泛堿或破損露出鋼筋與存在掉塊現(xiàn)象。

（5）洞附近填土進、出口翼墻開裂。

3.3 安全性評估結(jié)果與維護建議

以編號為K5+471 涵洞作為代表，具體檢查詳情見表3?；诒?，計算可得Ts=50；根據(jù)資料知，K5+471 涵洞為石拱涵洞，則 F=0.01；由此，Ss=F×Ts=0.01×50=0.5，根據(jù)表2 涵洞安全性等級分類指標，評定為III 級，即較差。

全線各涵洞算法與其一致。通過對長涪路高速公路87 處涵洞現(xiàn)場踏勘，根據(jù)檢查項目認真觀測并錄入數(shù)據(jù)，經(jīng)過室內(nèi)資料整理，計算總分數(shù)TS和涵洞安全分數(shù)SS，最終實現(xiàn)對這87 處涵洞進行安全性評價，結(jié)果見圖1。

圖1 重慶長涪路高速公路涵洞安全性評估結(jié)果

評估結(jié)果見圖1，長涪路涵洞共87 座，技術(shù)狀況為I類的31 座，占總數(shù)35.63%；技術(shù)狀況為II 類的44 座，占總數(shù)的 50.58%；技術(shù)狀況為III 類的11 座，占總數(shù)的12.64%；1 座涵洞已被人工封閉，不參與評定，占總數(shù)的1.15%。未發(fā)現(xiàn)IV 類、V 類涵洞。該結(jié)果與實際評價結(jié)果評價為I 類涵洞少2 座，評價為II 類涵洞多2 座，該方法對于長涪路高速公路涵洞安全性評估準確率達到97.70%。

4 結(jié)論

（1）提出一套簡單的量化高速公路涵洞安全評估方法，將定性分析問題轉(zhuǎn)變?yōu)槎糠治觥?/p>

（2）在長涪路的87 座涵洞安全性評估中，準確率達到97.70%。對于病害情況較差為III 類涵洞共11 座，其災害可分為兩類。第一類：結(jié)構(gòu)破損。此類涵洞需要采取勾縫、表面抹漿或噴漿等措施進行加固。第二類：涵洞受阻。如雜物、淤泥、洞口石塊堆積等導致排水不暢，此類涵洞當及時清理涵洞底部淤泥，清理涵洞內(nèi)堆積的柴火、垃圾以及涵洞進出口石塊。