运营隧道结构监测技术以及健康安全评价体系 - 图文

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1 绪 论

1.1 研究背景

随着我国城市化进程越来越快，城市建设的快速发展，城市规模持续扩大以及城市人口的聚集增长，许多大城市存在着人口集聚、建筑空间狭小、交通拥挤、城市绿化减少、环境污染加重等诸多问题，其中交通阻塞问题在我国很多城市尤为突出。一方面为了适应经济与社会的发展，必须加强城市集约化程度和提高效率才能；另一方面由于城市建设长足发展，使得城市中心可供利用的地面面积越来越少。要解决城市建设与土地资源短缺的矛盾，从而促进城市的可持续发展和环境保护，合理地开发利用城市地下空间资源，大力发展城市地下交通工程是一条非常有效的解决这些问题的途径。

城市地下交通工程不同于高架道路，它不影响城市景观，噪音、震动等环境污染较小。目前地下运行的地铁、交通隧道、各种市政地下隧道等为城市地下交通工程的重要组成部分，对缓解交通拥堵、提高城市效率、提升城市现代化水平发挥着巨大的作用。其中地铁项目的建设在我国日趋广泛，数量和规模都在成倍扩大。目前我国有28个城市有城市轨道交通在建或运营，其中12个城市已有城市轨道交通运营线路，预计到2014年底拥有运营线路达1600公里，比去年增加200多公里。在建城市轨道交通线路约1400公里，预计\十二五\末，我国城市轨道交通运营里程将拥有3000多公里运营线路，全国城市规划交通总投资将达万亿元。到2020年，我国将有40个城市建设地铁，总规划里程达7000公里，是目前总里程的4.3倍。

自第一条地铁建成并投入运营以来，世界的地铁建设历史己经近150年。纵观这一百多年来，世界各地城市的发展经验，大力采用快速轨道交通系统，是完城巿客运这项艰巨任务的有效手段。但同样地，地铁也成为一个危及范围最广以及事故伤害率较高建设项目之一，表1-1列举了近十年来我国主要的运营地铁隧道结构安全事故[1,2]。

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表1-1 2001年至2012年我国运营隧道结构安全事故统计表 地点 台北地铁淡水线士林站 台湾高雄捷运线大勇路 台湾高雄捷运线 临海路 广州地铁4号线新造站 北京苏州街地铁10号线 广州地铁5号线 深圳龙岗区地铁3号线 杭州地铁1号线 湘湖站 深圳地铁3号线 西安地铁1号线洒金桥站 天津地铁3号线 解放站北路 深圳地铁5号线 上水径 站 大连地铁201标段 大连地铁211标段 上海地铁12号线 事故类型 轨道结构裂缝 隧道渗水 结构渗水、渗沙 隧道坠物 结构裂缝，塌方 结构涌水 隧道模板坍塌 基坑坍塌 隧道内管道破裂 坍塌 结构透水 山体滑坡/塌方 坍塌 坍塌 坍塌 事故后果 降速，停摆 50栋建筑物塌方 4栋居民楼塌陷 2人死亡,1人重伤 6人死亡 无 3人死亡,2人受伤 100多户居民撤离 2人死亡 地面楼体裂缝 1人失踪 1人死亡 无 5人死亡,18人受伤 时间 2001-05-22 2004-05-29 2004-08-09 2005-11-03 2007-03-02 2007-01-17 2008-04-01 2009-03-05 2009-08-02 2009-09-23 2009-10-1 2011-03-10 2011-08-29 2012-12-31 21人死亡,24人受伤 2008-11-15 这些突发的事故不但引起重大的人员伤亡和财产损失，更对社会化造成了极坏的极坏影响，并且造成了不同程度的恐慌，因此得到了各国政府及科研机构的高度重视。其中，运营地铁隧道结构安全，尤其是人们关注的焦点。理论上讲，经过合适的设计、施工和维护管理，地铁工程应具有良好的承载性、耐久性以及与耐久性相匹配的使用寿命。然而，由于地铁隧道内自身结构复杂而特殊，在长期运营过程中将受到各种因素的影响，诸如地质、地形条件，水文条件，气候条件等及设计、施工、运营过程等，最终导致在使用过程中出现各种各样的病害。地铁隧道的病害不仅会对隧道结构的稳定性产生破坏，降低了其使用过程中可靠性与安全性，这会极大地影响了隧道作为快捷、安全交通运输通道的功能，与此同时，由于未达隧道结构设计的基准期就需要大修，也会额外耗费国家大量的资金，这些并不符合建设隧道的初衷[3]。

隧道，特别是长大隧道的建设需要巨大投资。越来越多的隧道管理养护单位开始重视如何科学有效地养护这些隧道，并在使用过程中维持合理的服务水平。为了确保隧道使用安全，保障人民生命、国家财产安全，对运营隧道结构健康安全问题开展系统深入的研究，具有重要的学术价值和现实意义。

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1.2 研究目的

我国各类地铁隧道正在如火如荼的进行。隧道跨度越来越大，长度越来越长，埋深也越来越深，隧道结构也变得越来越多样化，而伴随着地铁隧道的长期运营，在长期的使用条件与所处自然环境的双重作用下，隧道内由于结构的原因而发生的安全性事故越来越多，这不仅要求精确严密的计算理论和先进的施工技术，同时也对隧道建成后的安全维护提出更高的要求。

本文通过借鉴近年来兴起的地铁隧道结构健康监测，主要达到以下两个目的：一是针对运营隧道结构形式、施工方法和所处环境等工程特点，构筑长期监控及隧道健康安全评价体系，对长期监控中实时采集的数据进行分析与研究，及时了解隧道工程在运营期间主体结构的受力状况、荷载等。

第二点是通过对运营隧道健康安全状态影响因素的全面系统的分析，建立运营隧道结构健康安全状态的指标体系以及判定标准，同时结合城市轨道交通运营健康安全的评价方法，对运营隧道健康安全状态进行定量和定性的综合评价，从而了解运营隧道结构物的健康安全状况以及评估使用寿命，在结构病害产生的早期及时的发现并做出相应的预警机制，并研究是否采取相应的措施和对策，为运营隧道的管理和养护提供有效的决策支撑，以保证隧道的结构安全，延长隧道的寿命，提高隧道的服务功能[4]。同时，本文以工程实例为依托，采用蒙特卡洛模型对实际情况下运营隧道结构安全进行长期监测，对该区间运营隧道的安全状态进行预测和评价，并采用全局敏感性分析方法找出运营隧道结构健康安全的主要影响因素，以便在有针对性的采取相应的措施和对策避免结构损坏带来危害，保障运营地铁隧道工程的安全运营。

1.3 研究意义

目前我国各地城市的地铁隧道陆续建成并运营，但是我国隧道养护技术起步较晚，养护的经验较为欠缺，综合评价运营隧道健康安全状况仍处于定性评价这一阶段，较少有系统的诊断以及定量和定性相结合评价方法。笔者通过查阅大量的文献，

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对隧道工程安全监测系统、隧道安全交通安全评价技术方法和预测、预警模型等方面进行了解，发现目前对隧道结构健康安全评价的研究仍存在着不足之处，主要体现在以下几个方面：

1、现今我国隧道结构健康安全评价的相关研究主要集中在隧道的建设阶段，主要集中在隧道结构物自身的安全设计，和对隧道的施工安全、施工方法等方面做出安全评价，仅有很少的研究涉及到对运营隧道的结构进行健康安全评价；

2、目前运营隧道健康安全评价的研究内容大多是隧道的消防、通风以及照明等单个方面，因此对隧道自身结构在运营时期的状况进行综合评判非常有必要，从而对隧道结构的整体健康安全评价体系作进一步的研究；

3、与国外相比，国内在隧道结构健康安全监控方面缺乏比较成熟的监控标准和规范。

4、目前许多隧道健康安全评价的相关研究，主要集中在公路与铁路隧道，地铁隧道健康安全研究的较少，虽然地铁隧道与公路、铁路隧道有相似之处，但是由于地铁隧道的工程地形、水文地质以及周边环境等客观条件的制约，研究内容与评价方法跟公路、铁路隧道并不完全一致，因而对地铁隧道的结构进行健康安全评估体系是非常必要。

综上所述，研究适合我国国情的地铁隧道结构安全检测与监测技术，建立运营隧道结构健康安全状态评价体系，综合运用评价方法，对结构进行健康监测与评估，从而科学合理的管理运营隧道，并进行及时的养护维修，对保证隧道的结构安全，延长隧道的寿命，提高隧道的服务功能[4]，具有重要的学术价值和现实意义，也是本课题未来要深入研究的方向。

1.4 国内外相关研究

对于运营隧道，病害是不可避免的。隧道的病害分为两部分，其一是先天性造成的，另外是由于在运营使用的过程，其逐渐老化产生的。对于运营隧道工程的结构监测，国内外学者作了大量的研究，取得了一定的研究成果[5-6]。针对运营隧道结

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构健康安全评价已有研究大致可分为两类，其一在运营隧道结构监测；其二是运营隧道健康安全的研究现状。 1.4.1运营隧道结构监测研究现状

上个世纪70年代起，日本颁布了《铁路隧道维修技术标准》，在隧道检查和诊断的工作方法及流程、隧道内病害的科学技术检测、隧道病害等级划分、针对各种隧道病害的养护技术、病害隧道诊断专家系统、以及网络无缝对接技术的隧道健康安全监测等方面进行了大量系统的研究工作[7-11]。

美国《高速公路和铁路交通隧道检测手册》是美国在公路和铁路隧道管理中评估隧道技术状态的重要依据。该手册对运营隧道的检测周期、检测方法、隧道病害等级划分以及病害等级评定依据作了细致的规定。美国开发的一种非接触式的空气耦合天线的雷达探测系统，可用于隧道结构体系深部病害信息探测，为运营隧道衬砌检测速度的提高提供了基本的条件[12]。

德国公路署发布的《无损伤检测隧道内壳的规范》，给出了检测隧道内壳的合适测量法，即如何进行对隧道进行测量、描述和评价结果等等，然而，此规范只对评判检测结果的方法进行了说明，并未给出如何通过检测结果，进行定量的评判隧道的安全性[13]。

目我国目前针对运营隧道结构监测的研究主要包括如下几个方面[14]： 1、隧道的检查

为对运营期的公路隧道进行检查和调查，以便尽早发现隧道劣化、损伤、缺陷等病害，从而真实地掌握结构物的性能状况。参照我国2003年制定与实施的《公路隧道养护技术规范》，对隧道等土建结构的检查工作分为四类：日常检查、定期检查、特别检查和专项检查，各类检查的检查频率、内容和判定标准不一[15-16]。

2、隧道的检测

隧道的健康检测主要包含衬砌裂缝的调查与分析，衬砌混凝土强度、衬砌厚度及背后回填状况检测以及隧道断面检测等方面。2004 年，我国在《铁路隧道衬砌质量无损检验规程》中详细说明了铁路隧道衬砌质量无损检验的技术要求，同时，介

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绍了如地质雷达法、声波法等检测衬砌混凝土强度、厚度及背后回填状况的方法。此规程也为公路隧道的衬砌质量检验提供了借鉴[17]。任晓菲等[18]介绍了衬砌断面的检测方法，以及隧道激光断面仪在隧道断面净空检测中的应用。柴聚奎等[19]分析了衬砌裂缝的产生原因，介绍了裂缝的主要检测内容及裂缝检测仪器的原理和检测方法。

1. 病害原因分析

运营隧道变异的产生是在各种因素的综合作用下的结果。关宝树等[20]认为，产生隧道病害的原因主要分为两类，其一是外因，即环境条件以及外力等外部因素，其中是内因，即设计、施工以及材料等构造上的方面的影响，具体见图1-1。

外力外因环境隧道病害产生原因外因材料施工设计 图 1-1 隧道病害产生的原因

樊永杰等[21]研究了襄渝县的大巴山隧道，对导致隧道病害的地下水的化学成分、补给特点以及滞留时间等因素进行了重点分析与研究。

2. 病害等级评估

在《公路隧道养护技术规范》当中，隧道按其检查结果分为三个方面，首先是外荷载作用、其次是材料劣化，最后是渗漏水，并对这三种主要情况进行判定与分类。运营隧道的安全评估是对隧道健康状态进行的综合评价，依据隧道病害的检测结果，结合隧道健康状态综合评价方法，利用评价指标和评价模型来完成。 1.4.2 运营隧道健康安全研究现状

国外的运营地铁隧道健康安全评价起源很早，综合评价的方法也较为领先。在欧美等国家，由于其城市轨道交通运营史较长，在运营的同时通常会建有为定量评

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价提供足够数据支持的数据库，能够为定量评价提供足够充足的数据，同时可以准确地运用者数值或图形将计算出来事故危险性进行清晰的表达。与此同时，在评估中也提出了最优化的风险预防方案[22-23]。

伦敦城市轨道交通风险评价 [24]是通过对工作人员和乘客可能产生的伤害的各种危险因素进行预测与分析，它的基本思路是建立人主要危险因素员跟人员伤亡之间的定量关系，从而划定风险因素的伤害等级，目的是全面了解产生危险有害因素的起源，并有针对性进行改进。

纽约地铁[25]由美国运管部和交通部进行综合安全评定，评定的程序是首先找出地铁中所有影响人员安全的因素，然后明确上述因素的影响范围，并对这些因素逐一进行安全认证，在验证完成之后，提交一份报告，最终生成 SSC（Safely and Security Certification）报告，接下来就是制定安全标准，并不断地优化。各个标准都要结合前一步的影响因素，以便站在结合实际情况的角度进行判断。

我国的健康安全评价虽然发展的的时间较短，但其在公路、航空以及电子等领域缺相对成熟。鉴于我国城市轨道交通的起步较晚，运营地铁隧道的健康安全评价获得到的重视程度并不高。近些年来，国内的一些学者和科研单位也对地铁的风险评估进行了研究，收获了一定的成果，为我国地铁风险评价理论的发展打下了许多基础，也对地铁隧道的安全运营管理和科学养护具有比较好的指导意义。

北京交通大学的任星辰[27]分析了我国近年来发生的轨道交通运营事故，总结出设施设备的原因占事故总数的 70%以上。此文全面研究与分析了地铁隧道设施设备的安全风险，并确立了个指标因素的权重，最后并对设施设备安全评级的进行指标集的划分，最后在工程实例中运用综合模糊评价法，验证改方法的可行性。

香港的张伟[28]分析对比了内地、香港以及台湾地铁隧道安全评价的模式其各自的优缺点，通过对深圳地铁3号线的进行分析研究，总结了进行其中评价的经验，为我国城市轨道交通风险评价拓宽了思路。

然而，在隧道健康安全状况的评价过程中，常会出现各类指标因素之间互相矛盾，并且监测指标值具有随机性和概率分布的特征，以及定量信息、定性信息串联在一起等很多问题，上述已有方法并不能妥善处理这些复杂的情况。而本文基于蒙

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特卡洛方法的运营隧道结构健康安全评价与传统的确定性数值方法不同，其用以解决概率统计或者随机性中非确定性问题，解决指标之间互相矛盾以及定量、定性共存问题。

1.5 研究思路和框架

对超高层建筑物、大型桥梁、地下工程、隧道等土木结构的结构健康监测（Structural Health Monitoring，SHM）体现了一个国家土木工程建设和管理的水平。国内外这些领域的学者专家自上世纪90 年代起便孜孜不倦地研究针对上述大型工程结构的监测系统技术，在工程实践中，相关的成果正逐渐得以应用[30- 35]。

运营隧道结构健康监测(Operational Tunnel Structural Health Monitoring Survey，OTSHMS)涉及土木工程、监测技术、分析技术及信息科学等多个学科领域，是SHM在运营隧道领域所应用的一个综合性系统工程。

监测技术和结构健康安全评价是OTSHMS的关键的核心技术。监测技术要求达到实时监测和定期监测相结合，可长期准确地采集到隧道结构体和它所处环境的关键参数( 如水、土压力和结构受力、应变等)，进而依据实测的参数特征变化，通过运营隧道结构健康安全评价体系，来判断隧道结构的安全与健康状况；结构健康安全评估分析技术探索隧道运营过程中的长期安全性评价，并对此提出相应的评估分析方法和体系。要建立一个OTSHMS，关键要获取与隧道结构相关的各类动静态的数据，而要提供这些数据的及时性与准确性，就必须强化运营隧道的监测方法与技术。

本文针对目前我国隧道工程结构健康安全评价在隧道运营时期的不足，基于运营隧道结构健康监测系统(OTSHM)的相关理论与优势，运用实时定期与长期相结合的检测手段，对运营隧道结构进行长期监控并及时提供反馈，对这一系统中存在的健康安全性事故进行充分辨识与定性、定量分析，得到综合且客观的评价指标，建立了科学的运营隧道结构健康安全评估指标体系。同时，结合城市轨道交通运营健康安全的评价理论，采用有针对性的、适用的安全评价方法，对正确评价地铁隧道

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结构系统运营安全现状、修正可能出现的偏差、确定合适的养护措施、提高隧道结构系统安全水平具有重要的理论意义与实用价值[35]。

1、第1章绪论主要内容

主要介绍研究背景、目的及研究意义，并结合当前国内外对运营隧道结构监测系统和运营隧道健康安全的研究现状，提出当前研究存在的不足，以此构建本文的研究内容、方法和技术路线。

2、第2章运营隧道结构监测技术以及健康安全评价体系的主要内容

主要介绍光纤传感技术的三种分类，以及光纤传感技术在运营隧道健康监测中的运用。运营隧道结构监测技术以及在运营隧道中的应用。

根据相关的规范和参考资料选取影响运营隧道结构健康安全的主要指标因素，构建运营隧道结构健康安全（OTSHM）评价模型，确定完整指标体系，

3、第3章蒙特卡洛模拟方法

通过融合权重法确定各指标权重，并对其权重进行验证，以期构建更为完善的评价方法。

建立基于蒙特卡洛模拟方法进行运营隧道安全评价的步骤，以及各指标敏感性分析的方法。

4、第4章运用蒙特卡洛模拟对工程案例进行分析和健康安全评价

根据3中建立的运营隧道结构健康安全状况评价体系，对武汉四大工程实例的安全状态进行评估，并进行敏感性分析，在实际的项目中验证该评价体系的正确性和实用性。

5、第5章结论与展望主要内容

主要得出论文的结论，总结成果，并指出本论文研究尚存的不足之处，指导未来进一步的研究方向。

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2 运营隧道结构监测技术以及健康安全评价体系

简单说来，隧道是由围岩与支护结构组成的综合体，周围的地质介质和支护结构中隐含着许多影响隧道健康结构安全的因素。它们之间的相互关系十分复杂，导致监测和获得这些数据困难重重。无法获得准确及时的监测数据直接影响了运营隧道结构健康监测系统（OTSHM）的建立和应用。因此，提高运营隧道结构的监测技术是运营隧道结构健康监测系统（OTSHM）的首要课题。

2.1 光纤传感技术

当前，光传导纤维和光通信发展迅速，形成了新型的尖端检测技术，它的载体是光、媒介则为光纤、能够感知并传输各种信号，它就是光纤传感技术。光纤既可以作为传输介质，也可以作为传感介质。

自20世纪90年代以来，欧美等国家在高层建筑物、桥梁、大坝以及电站等大型民用基础设施的安全检测中纷纷运用光纤监测技术，取得了令人振奋的进展，展示了光纤监测应用的光明前景[36-38]。在我国，部分科研机构和重点高校在土木工程结构健康监测与诊断系统方面进行了光纤监测技术应用研究 [39-44]。

由于光纤传感技术测量敏感性高、性能稳定、在传输过程中不易受电磁干扰、信号损失量较小等突出优点，引起了各方面的广泛重视。本文将重点介绍三种主流的光纤传感监测技术。 2.1.1 SOFO点式光纤传感器

SOFO取自法语“surveillance d’Ouvrages par Fibres Optiques”，翻译为“光纤结构监测”，是一种点式光纤传感器，由瑞士联邦工学院应力实验室开发。

SOFO点式光纤传感器基本思路是低相干干涉：LED发出的激光光束通过耦合器分为两束初相位、偏振方向和频率相同的光线，其中一条进到参考光纤，另一条则进到测量光纤。后者跟待测结构进行物理接触，会随结构变形，从而改变自身的光程长度；前者放在旁边，目的是补偿温度变化而导致的硅光纤折射率的改变。由

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于两束光线经过的路线不同，存在一定的光程差，通过它们相遇时发生干涉所形成的干涉图像，能计算出在受测量光纤结构变形的影响，光发生改变量值，求得结构变形量。

M t. Terri隧道是瑞士一条在建的隧道，为了监测修建此隧道时土石等的受压力情况，在不远处另外一条已经建成，且通向M t. Terri隧道的小孔洞中，安装了9个彼此间距不等的SOFO伸长计。测量结果显示，距离拟建新隧道钻孔机所在位置比较近的光纤伸长计，会产生较大的应变，但随着与拟建新隧道垂直距离的越大，伸长计的变形量会呈指数下降的趋势。

采用明挖法施工的瑞士N5隧道，其墙面与墙脚的厚度并不均匀，两者的差异收缩可能会降低隧道的张力与挠度。在钢筋上安装SOFO点式光纤传感器，将其随同混凝土一并浇筑在隧道结构内，目的是监测各截面的膨胀收缩。数月之后，观察隧道截面，根据监测结果表明，不同区域的混凝土收缩形式各不相同，湿度与温度等环境条件的变化也会影响混凝土变形。 2.1.2 FBG准分布式光纤传感器

FBG准分布式光纤，又称为布拉格光纤光栅，其英文名称是Fiber Bragg Grating，它是特种传感光纤，可以永久性、周期性调制光纤芯区的折射率，用紫外光照射单模掺锗光纤之后，运用光纤成栅技术，让其满足以下方程：

λ= 2nΛ

式中 λ为Bragg波长；n为光纤模式的有效折射率；Λ为光栅栅距周期。 根据光栅理论，满足Bragg条件的入射光会在光纤内部产生全反射效应，在Bragg波长λ处，其反射光谱会在出现峰值。另外，因为有效折射率n和写入光纤的光栅栅距周期Λ均非常数，当应力、应变或者温度等外界因素作用在光栅时，n和Λ也会随之发生改变，以此会使得反射光谱中出现峰值的波长λ发生改变。

在同一个光纤上串联许多个不同波长的FBG准分布式光纤传感器时，FBG彼此间相不干涉，因其只反射各自特定波长的光波。那么为了完成光纤光栅传感器的多

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传感器复用，实现应力、应变以及温度等物理量的准分布测量[46]，只需使用一个波长检测系统，同时对所有FBG反射的布拉格波长的变化进行检测即可。

当前，在桩基、管道、桥梁、高速公路、建筑物以及海底油田开采等方面，FBG准分布式光纤传感器因为其优异性能和准分布式的特点得到了广泛应用。而在隧道监测方面，近些年来的应用比较少，但也有一定的应用进展。

英国University of Birmingham的科研员将布拉格光纤光栅在隧道衬砌和其接缝的变形监测中加以应用，从而在很大程度上提高了监测的准确性，并且利用布拉格光纤光栅应用于高频响应之中的优点，进行了行车的动静态荷载作用对运营隧道结构影响的监测。与此同时，该研究将布拉格光纤光栅与锚杆技术进行结合，能够清楚地测量到运营隧道的支护结构内锚杆的应力和应变，如果将光信号通过光缆引到控制室里面，能进一步实现对运营隧道结构内部状况的远程监测。图2-2表示FBG光纤传感器在隧道、桥梁、大坝等当中的应用。 2.1.3 BOTDR分布式光纤传感技术

BOTDR的英文名称是“Brillouin Op-ticalTime-Domain Reflectometry”，其传感技术是一种基于单一脉冲的布里渊散射获取外界环境因素信息的分布式光纤应变测量技术，其中文名称译为“布里渊散光时域反射仪”。

布里渊散射光不仅会受到应力、应变的影响，而且也与温度的变化有关，如果隧道的轴向位置发生应力、应变或者分布在隧道沿线的光纤传感器的温度变化的时候，光纤中的背向Brillouin scattering light的频率将会发生漂移，其频率的漂移量与光纤的应力、应变以及温度的改变有关。另外，由于BOTDR分布式光纤传感技术采用了单端入射，其结构简单，能够相当便利的在实际工程中进行应用，因此国内外有很多关于此方案技术的研究。

南京长江公路隧道在其运营期内，于公路隧道中安装了BOTOR布里渊散光时域反射仪这种分布式光纤传感器，并且构建了基于BOTDR分布式光纤传感技术的隧道应力与应变监测评价系统（见图2-3），目的是监测隧道衬砌结构面上的应力、应变等多项隧道安全指标因素[47]。

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图2-1 南京市长江公路隧道的光纤布设示意图

根据对南京长江公路隧道的监测结果，表明了BOTDR分布式光纤传感技术在隧道的应力与应变的监测当中是非常行之有效的。另外在监测期间，业主还组织了深入研究如何更好的铺设光纤、怎样对光纤进行更好地保护、周边环境的温度及温度对光纤监测的影响以及变形的计算等等课题，这些研究为光纤传感监测技术在运营隧道结构健康安全评价中的应用铺平了道路。

综上所述，光纤传感监测技术是一个整体系列科学技术，它包括很多种类，本文列举了其中的三种：SOFO点式光纤传感器、FBG准分布式光纤传感器以及BOTDR分布式光纤传感等，它们特性及其适用范围各有不同，具体见表2-1。由此可见，在建立运营隧道结构健康安全评价的时候可以在其中取长补、搭配结合使用。

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表2-1 三种光纤传感监测技术各性能指标的对比

监测 技术 点式 准分布式 分布式 传感器类型 SOFO FBG BOTDR 物理量 位移 应变 应变/温度 线性响应 是 是 否 分辨率 2μm 1με 30με/1°C 监测范围/με ±10 000 ±5000 ±10 000 调制方法 相位 波长 强度 根据上表可见，SOFO点式光纤传感器的分辨率相对比较高，但监测布点的数量被其使用成本与信号传输方式的所限制，因此在对隧道的重点部位裂缝监测当中使用较多；BOTDR分布式光纤传感的分辨率较低，但其能够进行长距离的监测，并且能够覆盖大量的面积，因此在对隧道整体结构的应力、应变(或者温度)进行大范围监测时相当适用，例如监测隧道衬砌的表面裂缝长度与宽度； FBG准分布式光纤传感器则介于SOFO与BOTDR之间，测量精度较高，而且可以在实际使用的时，可以将许多个FBG传感器进行串联，因此对一些关键部位的应变监测非常适用，例如钢筋应力差控制系数等。

随着SOFO、FBG和BOTDR等光纤传感器的成功应用，光纤监测技术的发展必将为运营隧道结构健康安全评价奠定坚实的技术基础。

2.2 光纤传感技术在运营隧道健康安全监测中的运用

从上述光纤传感监测技术的基本思路以及其在工程领域的广泛应用表明，光纤传感技术的各种优势，是很多传统的隧道监测方法所不具备的，它比传统方法更适合于在恶劣的隧道环境下工作和进行长距离、大面积的远程监测，它正逐渐发展成为一个贯穿于隧道施工与运营两大阶段的长短期相结合的科学监测手段。 2.2.1运营隧道健康监测安全系统需求分析

根据运营地铁隧道的工程特点，可以利用光纤传感技术实现实时监测与定期检测相结合的监测手段，以及预警报警、隧道的结构健康安全状况评估以及远程管理等功能，并且以上的功能能够在运营隧道结构健康安全各项信息的收集、分析、处理以及应用等环节连续运用。同时参照运营地铁隧道在其施工期的特点，有针对性

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地解决运地铁隧道在施工过程中对光纤传感器的埋设、运营前后各项监测数据的采集以及数据的分析处理方法等关键技术[48]。 2.2.2光纤监测重点部位的选择和监测内容

需要合理地布置重点隧道内个监测部位，从而在有限的光纤传感监测点当中，顺利地获取到反映运营隧道结构健康安全状况的各项关键信息。合理地进行监测断面的选择要考虑以下几点：隧道沿线的地层变化状；隧道地基的承载力、基础的内砂石土的液化情况、水压、土压、隧道进出洞口段、纵坡变坡点以及变形缝设置等的分布；隧道的结构应力、应变、受力和结构变形的纵向、横向分布。根据以上几点综合考虑，从而确定监测断面位置。

监测断面上的传感器布设以隧道结构的横断面计算为依据，考虑各监测断面荷载特点和横向分布，对管片衬砌主体结构与地层的相互作用关系，对管片尤其是连接螺栓附近的结构内力分布和断面变形等进行分析，共出23个监测参数和相应采用的监测仪器，见表2-2

表2-2 运营隧道结构健康安全监测内容及仪器

监测内容 拱顶土压力 管片钢筋受力 钢筋应力差控制系数 管片混凝土 管片混凝土受力 环向接缝宽度 纵向接缝宽度 管片（变形） 接缝张开度 环向错台 径向错台 环缝错齿 纵缝错齿 结构温度分布监测 管片接缝 链接螺栓受力

监测参数 拱顶土压力增大系数 管片钢筋应力 监测仪器 光纤光栅土压力盒 光纤光栅钢筋应力计 光纤光栅应变计 连通管线形监测系统 光纤光栅微小位移计 结构温度 管片接缝法向接触力 螺栓应力与强度之比 15 光纤光栅温度传感器 接触压力传感器 光纤光栅应变传感器

续表2-2

裂缝宽度 裂缝密度 隧道衬砌表面 剥落区域直径 衬砌强度降低比 沉降及不均匀沉降 累积沉降值 差异沉降值 每100m2 渗漏点 单点浸湿面积 渗漏水 渗漏水量 PH值中性偏离量 水质分析仪 水准仪 光纤光栅渗压计 水质监测仪 光纤光栅微小位移计 连通管线监测形系统 本文通过综合分析运营隧道自身机构特点和周边环境，来明确各监测对象、监测项目的具体内容、监测参数，参照层次分析法的基本原理，将运营隧道结构健康安全监测按照外荷载、隧道应力结构变形、材质劣化以及渗漏水划分为四个方面，一共19个监测参数。如表2-3所示监测内容和监测参数。根据各监测为评价指标 ，建立运营隧道结构健康安全状况的第二级、和第三级评价指标体系。

表2-3 运营隧道结构健康安全监测各级评价指标分布

二级 三级/监测内容 沉降及不均匀沉降 外荷载作用 拱顶土压力 管片钢筋受力 监测参数 累积沉降值 差异沉降值 拱顶土压力增大系数 钢筋应力差控制系数 环向接缝宽度 纵向接缝宽度 管片（变形） 隧道结构 接缝张开度 应力变形 环向错台 径向错台 环缝错齿 纵缝错齿 链接螺栓受力

16 螺栓应力与强度之比

续表2-3

裂缝宽度 材质 隧道衬砌表面 劣化 剥落区域直径 衬砌强度降低比 每100m2 的渗漏点 单点浸湿面积 渗漏水 隧道结构 渗漏水量 PH值中性偏离量 裂缝密度 在确定监测重点部位的基础上，根据对上述三层指标体系的分析评估，确定各监测参数及具体检测内容，充分考虑运营隧道的结构特点以及会造成其损伤的模式，重点监测与分析引起隧道结构变形或受力变化的特殊地段，例如：水文、地质等环境与条件，以此作为监测参数和内容的参考依据并进行对其进行科学合理地优化。

2.3 运营隧道结构健康安全评价体系

健康安全评价的是通过运用系统工程的基本思路与原理，对系统或者工程中存在的有害、风险因素以及可能导致的危害、危险后果及危害程度进行寻找、判断、解析预警，预测和综合评价系统或工程中存在的危险性，并根据其形成事故的风险等级大小，提出科学合理可行的安全对策措施，并指导建议对危险源进行监控，预防事故的发生，从而有效的降低事故率、减少损失以及获得最优的安全投资效益。

体系中评价指标的选取是否恰当，将直接影响到评价体系的准确性以及综合评价的结论，而指标选取太多了，重复的指标就会对评价结果有干扰；如果选取的过少，所选的指标可能缺乏足够的代表性，将会带来片面性影响。由此看来，在运营隧道健康安全状况综合评价指标的选取时要遵循一定的原则，使得所选取的指标具有足够代表性和能更好地反映运营隧道的健康状态，原则如下： （1）系统性原则

运营隧道结构健康安全评价系统是一个复杂的一人交互系统，预测、分析和解决运营隧道的安全问题需要以整个系统工程的集成思想来思考。

17

（2）定量为主，定性为辅的原则

构建综合评价体系时，要达到定量与定性相结合的原则，在已有的定性分析基础上，能够对各项指标进行进一步的量化处理，从而使指标具有较好的可量度性，更能代表评价对象某一方面的具体特征，以便更加科学、客观以及合理的评价。 （3）指标之间的独立性原则

评价体系中所选取的指标的内涵应该非常明确，不能多个指标的表达含义相互混杂或者内容的含义类似的，要确保同一个层次里，各项评价指标之间互相独立，这样才能够保证结构健康安全评价结果的全明性与真实性。 （4）科学性与可靠性原则

进行运营隧道结构健康安全评价目的，是为了提高运营隧道的安全管理水平，保证隧道运营的安全，那么评价指标的必须具备可靠性和科学性。

1．运营隧道健康安全评价体系指标的选取

在充分考虑运营隧道健康安全的丰富内涵以及其显著特征的基础上，为了使得运营隧道健康安全这一多指标多层次的复杂问题能够得到科学合理有效地解决，本文根据层次分析的基本思路来确立健康安全指标评判基准与评价指标体系，具体实现步骤如下。

首先将运营隧道常见总病害成因归纳为外荷载作用、隧道结构应力变形、材质劣化以及渗漏水4个二级子系统病害，然后对每个二级子系统构建了各自的三级病害指标，从工程应用的角度出发 ，从中选取了 19 个可定量化的指标因素作为评价指标。

另外，由于各评价指标原始数据的度量方法、取值范围以及计量单位各不相同，为了便于计算和统一评价，因此需采用极差变换进行量归一化处理。

2．运营隧道健康安全评价体系的建立

本文参照影响隧道结构安全的外在环境因素和内在作用机理因素，同时根据工程的实际情况，运用层次分析法原理，将运营隧道结构健康安全评价体系，自下而上地分解为若干个层次，从而合理有效地确定各层次的评价项目，①代表具体的“ 三级评价项目 ”，即可以通过检测、监测等方法能够在实际工程中获取的指标数据[5]；

18

② 代表“ 二级评价项目 ” ，代表若干具体指标可以归于一类的项目，即以某类准则划分因素的大的门类；③代表 “区段情况的综合评价， 亦即宏观角度评价盾构隧道的健康状况，从而形成一个包含多个评价子项目多级评价指标的分层次评价系统，如图2-4，

运营隧道结构健康安全评价 H③ 外荷载作用L1隧道结构应力变形S1材质劣化M1渗漏水W1②累积沉降值差异沉降值拱顶土压力增大系数钢筋应力差控制系数环向接缝宽度纵向接缝宽度环向错台径向错台环缝错齿 纵缝错齿螺栓应力与强度之比裂缝宽度裂缝密度剥落区域直径衬砌强度降低比每单点浸湿渗面漏积点 渗透水量我PH100m2中性偏离量① L112.4 安全评价体系模糊评价集的建立和区间量化

在传统的多目标决策法中，指标的值是确定的，可以通过仿真分析、解析计算和专家评估等方法获得。实际上，由于数据来源的限制、数据的性质不同、计量单位不一、计算模型的差异化，专家评估的主观差异等，很难获得各个指标的准确值。实际工程应用中，经常通过给定指标参数的变化区间或概率分布来解决指标的不确定性问题。参照层次分析法的相对重要性[49]和技术成熟度的等级量度术[50] ，本文建立[0-1]区间的模糊评语集。具体实现步骤如下，

L12L13 L14 S11S12S13S14S15S16S17M11 M12M13M4W11W12W13W14图2-4 运营隧道结构健康安全评价体系

19

首先确定运营隧道结构健康安全状况评价的量化值，然后根据本文建立的区间模糊评语集，确定综合评价值所处的模糊区间，获得该运营隧道结构健康安全的实际评价状况，最后根据其健康安全状况，给出相应的建议指导，并采取科学合理有效的措施对策。

由于现阶段缺乏统一的运营隧道结构健康安全等级的划分，本文拟从相关的工程规范和标准入手，参考如：GB 50299-1999《 地下铁道工程施工及验收规范 》，GB50157-2013《地铁设计规范》，《南京地铁桥梁养护技术标准》以及《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》，并参照相关文献[52-54]以及地铁工程安全管理实践等，最后结合现行的应用较多的分级办法，以达到满足工程管理和维护保养为目的，来确定运营隧道结构健康安全评价等级。见表2-4，通过整合地铁数据资源和养护规范、标准以及文献，建立了运营隧道健康安全状态等级划分表，将运营隧道健康安全状况划分为5个等级，从 A 到 E，运营隧道结构病害的严重等级依次递增。

表2-4 运营隧道健康安全状态等级划分表

健康等级 A B C D E 评级区间 0.6—1 0.4—0.6 0.4—0.3 0.3—0.1 0.1—0 健康安全状况 结构无破损 结构存在轻微破损 结构存在破坏 结构存在较严重破坏 结构存在严重破坏 对策 保持正常监测和观察 保持正常监测和准备采取措施 采取对策措施 尽快采取对策措施 立即采取对策措施 2.5 本章小结

运营隧道的健康安全状况反映的是隧道结构的损伤或是破坏状态，对运营隧道健康安全状况的综合评价就是要考虑运营隧道结构的各种损伤或破坏状态对隧道运营、通行安全的影响程度的过程。而运营隧道结构的损伤或破坏形态的状况可以通过现场调查和监测测取得，所以，采用隧道结构的损伤或破坏形态作为运营隧道健康状态的综合评价指标是可行的。

20

本章对影响运营隧道结构健康安全状况的因子进行了详细研究与分析，并根据层次分析法的原理和基本思路综合选取了主要的影响指标，从而建立了运营隧道结构健康安全综合评价指标体系，见图2-4，本指标体系即是对运营隧道结构健康安全状况作综合评价的基础，与此同时，这些指标状态地集合也能全面科学地反映运营隧道的结构健康安全状况。

21

3 基于蒙特卡洛模拟的运营隧道结构健康安全健康安全评价

3.1 确定健康安全评价体系中各指标的融合权重

作为健康安全评价的关键内容，其指标的权重分配是否合理将直接影响到健康安全评价结果的准确性和科学性。在当前，主观赋权法与客观赋权法是两大主要的确立权重的方法。其中，主观赋权法也称为专家赋权法，即专家等主观评价者通过一定的方法对各指标因素进行打分，从而达到对各指标权重赋权的目的，它的缺点是具有较强的主观随意性, 客观性不好, 受对主观决策者的影响较大；客观赋权法是通过提炼与分析各评价指标因素的数据集本身所涵盖的客观信息，从中寻找规律，以确定指标的权重，但其过度依赖于足够的样本数据，通用性和可参与性差，计算方法较为复杂，并且不能体现评价者对不同属性指标因素的主观重视程度，而有时所确定的权重会与指标因素自身属性的实际重要程度相差过大。因此，本文为了更好地确定指标因素的权重，既兼顾决策者的丰富经验，又充分获取客观数据的有效信息，采用融合权重法，达到主观赋权与客观赋权相结合，使得健康安全评价结果更为可靠、客观与真实。 3.1.1 主观赋权法

主观赋权法主要有三类，如层次分析法、Delphi专家调查法以及最小二乘法。本文最终利用最小二乘法的原理，建立公式（3-1）中所示的最小二乘法模型，使得指标权重的主观赋值与客观赋值的决策结果与最终结果的偏差更小。

使用最小二乘法进行权重赋值优化时，需要对最终各指标因素的权重取值进行假设。现在，假设最终各指标的权重表示为W??w1w2...wn?。

T

22

n?22??????minHW???w???w?jjjj?j?1???n （3-1） ??wj?1?j?1?w?0,j?1,2,...,n?j????3.1.2 客观赋权法

客观赋权法主要有三类，有熵权法、标准离差法以及CRITIC法，本文采用具有数百年发展历史的熵权法，熵是能够非常好的测量“不确定性”的问题，该方法的本质是充分利用指标因素的信息效用值，效用值越高，说明对评价的重要性也越大，能避免权重赋予的时候的主观性，因此本文采用熵权法计算指标因素的权重。计算步骤如下：

首先确定已有的指标决策矩阵A=（dkj）mｘn 。其次用公式（3-1）来计算得出确定pkj，根据信息论使用公式（3-2）可以得到指标Bj的信息熵为Hj，当pkj=0时，规定pkjln pkj=0。指标Bj的客观赋值权重ωj可以用公式（3-3）计算得出，最后将n个指标的客观权重用向量表示为ω=(ω1 ω2 … ωn)T。

pkj?dkj?dk?1mkj,k?1,2,...,m;j?1,2,...,n （3-2）

1 Hi = —

lnmωj= ?pk?1mkjlnpkj ，j=1,2,…n （3-3）

1?Hj?(1?H)jj?1n，j=1,2,…n （3-4）

23

3.1.3 融合权重法

为了满足主观偏好和客观真实性的双重需求，本文采用主观赋权法与客观赋权法相结合的融合权重法，计算融合权重ωi （i=1，2，…， n），可用simple additive weight method，即简单线性加权组合方法进行确定，具体计算步骤如下

ωi = uω1i＋(1-u) ω2i （3-5）

式中u为主观偏好系数，(1-u)为客观偏好系数，ω1i当为主观权重，ω2i为客观权重。当u＜0.5时，即客观权重在融合权重中所占的比例相对较大，那么主观权重就会较小，反之客观权重所占比例较小而主观权重则会较大。由此认为以上两种赋权方法具有同等的重要性，因此健康安全评价指标因素的融合权重为

ωi =

11ω1i + ω2i （3-6） 22最终，通过公式（3-1）求得运营隧道结构健康安全评价的各二级评价指标因素的主观权重分别为：外荷载作用（0.200）、隧道结构应力变形（0.300）、材质劣化（0.200）、渗漏水（0.200）；通过（3-2）、（3-3）及（3-4）求得各二级评价指标因素的客观权重分别为：外荷载作用（0.172）、隧道结构应力变形（0.328）、材质劣化（0.172）、渗漏水（0.328），最后根据公式（3-5）、（3-6）得到各二级评价指标因素的融合权重如表3-1所示：

表3-1 二级评价指标的融合权重

二级评价指标 外荷载作用 隧道结构应力变形 材质劣化 渗漏水 主观权重 0.200 0.300 0.200 0.300 客观权重 0.172 0.328 0.172 0.328 融合权重 0.186 0.314 0.186 0.314 同理，通过公式（3-1）求得运营隧道结构健康安全评价的各三级评价指标因素的主观权重，另外通过（3-2）、（3-3）及（3-4）求得各二级评价指标权的客观权

24

重，最后根据公式（3-5）、（3-6）得到各三级评价指标的融合权重，即监测项目层的融合权重如表3-2所示：

表3-2 三级评价指标的融合权重

三级评价指标 累积沉降值 差异沉降值 拱顶土压力增大系数 钢筋应力差控制系数 环向接缝宽度 纵向接缝宽度 环向错台 径向错台 环缝错齿

纵缝错齿 螺栓应力与强度之比 裂缝宽度 裂缝密度 剥落区域直径 衬砌强度降低比 每100m2 渗漏点 单点浸湿面积 渗漏水量 PH值中性偏离量 0.1428 0.1432 0.2 0.2 0.3 0.3 0.32 0.26 0.28 0.14 0.1426 0.1444 0.18 0.18 0.32 0.32 0.29 0.27 0.26 0.18 0.1427 0.1438 0.19 0.19 0.31 0.31 0.305 0.265 0.27 0.16 主观权重 0.29 0.21 0.29 0.21 0.1428 0.1428 0.1428 0.1428 0.1428 客观权重 0.249 0.251 0.249 0.251 0.1426 0.1426 0.1426 0.1426 0.1426 融合权重 0.2695 0.2305 0.2695 0.2305 0.1427 0.1427 0.1427 0.1427 0.1427 同理，本文得到三级指标的实际权重为，其所在二级指标的融合权重乘以三级指标的融合权重，例：L11累积沉降值的实际权重=外荷载作用 L1的融合权重（0.186）乘以L11累积沉降值的融合权重（0.2695）=0.050127，同理求得19个三级评价指标的实际权重，如表3-3所示，

表3-3 各三级评价指标的实际权重

外荷载作用 L1 评价指标 L11累积沉降值 L12差异沉降值 L13拱顶土压力增大系数 25 权重 ω1 ω2 ω3 实际权重 0.050127 0.042873 0.050127

L14钢筋应力差控制系数 S11环向接缝宽度 S12纵向接缝宽度 隧道结构应力变形 S1 S13环向错台 S14径向错台 S15环缝错齿 S16纵缝错齿 S17螺栓应力与强度之比 M11裂缝宽度 材质劣化 M1 M12裂缝密度 M13剥落区域直径 M14衬砌强度降低比 W11每100m2 渗漏点 渗漏水 W1 W12单点浸湿面积 W13渗漏水量 W14PH值中性偏离量 ω4 ω5 ω6 ω7 ω8 ω9 ω10 ω11 ω12 ω13 ω14 ω15 ω16 ω17 ω18 ω19 0.042783 0.0448078 0.0448078 0.0448078 0.0448078 0.0448078 0.0448078 0.0451532 0.03534 0.03534 0.05766 0.05766 0.09577 0.08321 0.08478 0.05024 3.2 蒙特卡洛方法

蒙特卡洛方法与传统的确定性数值方法不同，其用以解决概率统计或者随机性中非确定性问题的数值方法。蒙特卡洛方法（Monte Carlo Method），也称为统计试验法，融合了理论物理学的两大主要学科：即用来处理布朗运动或者是随机游动试验的随机过程的概率统计理论，另外一门主要学科是位势理论，用以研究均匀介质的稳定状态，它的基本思路是通过寻找一种概率统计的相似体，采用实验取样的过程来，并且使用一系列的随机数来近似解决数学问题的方法。 3.2.1 蒙特卡洛方法的原理

蒙特卡洛（MCM）方法称为随机模拟，也称为随机模拟（Random simulation）方法。它的研究思路是：首先需要构建一个随机模拟或者概率分布模型的过程，让它的参数等于所求问题的解；其次观察并抽样、试验与计算该概率分布模型或随机模拟过程所输入参数的统计特征，最后得到这个所求解的近似值。

26

具体数学过程是，随机变量ξ的数学期望E(ξ)是所要求的的量x，可以对ξ进行N次重复性的抽样试验，从而近似确定该x，然后产生相互独立的ξ值的序列ξ1，ξ2，?ξN，并且计算其算术平均值：

1?N?N??n?1NN ??采用柯尔莫哥罗夫加强大数定理，有P?lim?N?x??1，由此可见，当N足够大?n???时，?N?E(?)?x成立的概率就是1，也可以用?N作为所求量x的估值。

用蒙特卡洛方法进行求解时，模拟一个随机事件B，假设其发生概率为q。有随机变量为ξ，如果在一次随机试验中，事件B出现，那么取值为1；假如事件B不出现，则取值为0。令p=1—q，则随机变量ξ的数学期望E(?)?q，这个就是该一次试验中事件B出现的概率值。ξ的方差D(?)?pq。另外，假设事件B在M次试验中出现M次，则其观测频数y也是随机变量，其数学期望E(y)?Mq，它的方差

y，表示它的观察频率，那么按照柯尔莫哥罗夫定理，当M足Myy?E(?)=q成立的概率为1。因此由上述模型得到的频率Q?够大时，D?近似MMD(y)?Npq。令D?地等于所求量q。上述数学分析表示概率被频率收敛，并可以用样本方差

D(q)?q(1?q)作为理论方差D(q)的估计值。 M?1总体说来，蒙特卡洛方法可以根据其涉及随机过程的形态与结果，解决各种数学、物理、工程技术以及生产管理等方面的问题。使用该方法解决和处理的问题可分为两类：

27

3.2.2 蒙特卡洛方法的特点

蒙特卡洛方法是用某个随机变量X的简单t2子样x1,x2,...,xn的算术平均值

1N根据柯尔莫哥罗夫加强大数定量，当E(x)?I时，xN??xn作为所求解I的近似值。

Nn?1它的算术平均值

? 以概率1收敛到I，即P?limx?1???1N?n???2按照中心极限定理,对于任何???0有P(xn?1?)?N2?这表明，不等式

xn?1???????e01?t22dt?1??=1-α

???N （3-7）

近似地以概率1一α成立。通常当α非常小时，α被称为显著水平，1一a被称为置信水平。σ为随机变量X的标准差。结果（3-7）表明，为O（

）。

收敛到I的速度的阶

如果σ≠0，那么Monte Carlo方法的误差ε为

?????N （3-8）

上式中的正态??与a相互之间一一对应。

分析公式（3-8），可以得出，蒙特卡洛方法的误差是由ε，σ和

所共同决定

的。在σ不变的情形下,提高一位数字的精确度,则要付出一百倍的工作量。那么从另外的视角来看,在误差ε不变以及通过抽样实验产生一个x的平均费用C固定的情形下,要达到减少一百倍工作量的目的，减小σ十倍即。若费用C是变化的，会随着

????????方法的改变而改变时，因为N????，NC?????2C，所以，蒙特卡洛方法

??????

28 22

的效率跟?2C成线性的正比关系。总而言之,增加抽样数N或者是简单的减小标准差σ，并非是提高蒙特卡洛方法效率的重要方向，为了真正提高蒙特卡洛模拟方法的效率，正确的做法是一方面减小标准差，另一方面兼顾考虑费用的大小，从而使方差与费用C的乘积达到最小。

通过以上的介绍可以看出，蒙特卡洛数值计算方法的步骤、结果精度以及收敛性方面都具有独特风格。另外，下文将从三个方面来介绍蒙特卡洛方法的优点和其与一般数值方法的不同：

（1） 实现蒙特卡洛方法简单 例如用平均值方法计算定积分

的数值，其计算步骤为：

i. 产生均匀分布在[0，1]上随机数rn(n=1，2，…，N)； ii. 计算g(rn) (n=1，2，…，N)；

1Niii. 用平均值=I??g(rn)作为I的近似值。

Nn?1从上述计算程序可以看出，通过大量重复而简单的抽样试验来实现蒙特卡洛方法计算积分的基本原理，故其程序、方法均较简单。在求解椭圆形差分方程边值问题时，可以使用随机游动方法，只用求解所需要的某个点上的值，不用求出所有网格点上的值。

（2） 收敛的速度和概率性跟问题的维数无关

概率意义下的收敛才是蒙特卡洛方法的收敛的本质。也就是说，蒙特卡洛方法 的误差并不能确定其不超过某个具体值，但是能清晰地指明其误差概率接近1，并且不超过某个具体的界限。从这一点看,一般数值方法的收敛意义是一致收敛或者说是一般意义下的收敛，这是蒙特卡洛方法与一般数值方法的区别所在。蒙特卡洛方法的主阶仅仅是O(N)，它的收敛速度比一般数值方法要慢，由此可见，对于精度要求很高的问题并不能采用的蒙特卡洛方法了解决。由公式（3-8）可见，标准差σ与

12

29

样本容量N是蒙特卡洛方法误差σ的两个决定性因素，而其他数值方法则大多与样本中元素所在空间有关由此可见，蒙特卡洛方法能够解决多维问题。

（3） 蒙特卡洛方法的适应性强

蒙特卡洛方法具有非常强的实用性，主要体现在解决问题时，受问题条件的限 制影响比较较小。假设某空间的维度是s,用

来表示其在某一区域的积分，

I??g(x1,x2,....,xn)dx1dx2...dxn?Ds

只要描述清的几何条件，不管其形状如何特殊,总可以通过平均值方法，计算

出I的近似估值：

DI?sN?g(xn?1N(1)n(2)(n),xn,....,xn)

(1)(2)(n)其中点(xn,xn,....,xn)?Ds，且均匀分布在

上，但其他数值方法受问题的条

件限制影响比较大。

3.2.3 蒙特卡洛方法的研究内容

目前比较广泛使用的方法是在计算机中使用数学方法产生随机数，它具有产生数据速度快、易于重复产生，占用内存少、且不受计算机自身条件的所限的特点。但是通过这种确定的递推公式求得的随机数具有周期性的现象，因为其在确定初值之后所有的随机数便被唯一确定了下来了，由此可见这种通过数学方法产生的，并能不满足真正随机数的要求的，称为伪随机数。

蒙特卡洛计算方法需要的数值序列具有以下特点：是随机选取、可得的并且服从特定概率分布。但是在实际中，概率分布是各式各样的，常见的分布主要有两类，其一是离散型分布，其二是连续型分布。二项分布与Possion分布等都是离散型分布的典型代表；而均匀分布、指数分布以及正态分布等都是作为连续型分布典型代表。

假设随机事件出现的概率为 (i=1，2，?，n)。为了抽样，首先构成累积概率

30

P(l)??Pl,l?1,2....n

i?1l产生随机数r，如条件P(l?1)?r?P(l),l?1,2,...,n满足，则认为事件发生。从随机事件当中进行抽样与在离散分布随机变量当中抽样意义相同。

由此可见，随机变量的抽样的多样性是现实分布的千差万别所导致的，但也有共同的一点，即可以通过适当的数学方法，对于产生了的随机数，实现其对任意己知分布随机变量的抽样，这种所有方法非常严格。

3.2.4 蒙特卡洛应用于运营隧道结构健康安全评价的基本步驟

根据上文光纤传感监测技术，得到各评价指标的数据值，如果将这些原始数据直接进行输入，会因为输入的各评价指标数据的量值千差万别，导致其中相对较小的数据不能被蒙特卡洛模拟方法很好的识别，一些重要的因素特征也会因此被忽略。本文采用模糊技术对通过光纤监测技术所获得的原始数据进行归一化处理，以便充分挖掘原始数据里的有效信息。

运用蒙特卡洛方法进行模拟时，首先得产生各评价指标概率分布的随机变量。通常把[0，1]分布随机变量的抽样值称为随机数，因为在[0，1]上分布的随机变量既简单基本又非常重要。获取随机变量的样本值最首要的是确定随机变量的概率分布，几种常用的概率分布如表3-4所示：

表 3-4常用的概率分布表

名称 参数 公式 特征 适合于在某区间内，预测给定范围内的变量的可能取值。 以均值为中心对称分布，适合于描述一般经济变量的概率。 均匀分布 [a，b] ?1(a?x?b)? f(x)??b?a?0,其他?１２?(x)＝ｅ２? ２??(???X???) ?x－??２正态分布 (μ，σ) 2

31

三角分布 (a，b，c） 由最大值，最可能值以及?2(x?a)(a?x?b)?(b?a)(c?a)最小值构成对称或者不对称?? f(x)??2(b?x)(a?x?b)三角分布 ?(b?a)(b?c)???0,其他在最大值的两边呈不对r(r?s)(r?a)r?1(b?s)s?1f(x)? 称分布，贝塔分布 (a，b，?，c） 用来描述不对称分布(b?a)r?s?1?(r)?(s)a?x?b,r?0,s?0变量。

根据上文可知，确定目标变量的数学模型和模型中各个变量的概率分布是应用蒙

特卡洛方法的前提。如果这两点确定了，接了来通过已经给定的概率分布生成大量的随机数，并将这些随机数代入到已确定的数学模型中，来获得这些目标变量的可能结果，于是便得到了所求目标变量的统计学特征。下面是运用蒙特卡洛模拟法对

运营隧道结构健康安全进行模拟的基本步骤。

1. 定义假设单元

首先将各评价指标因素的监测数据进行数据归一化处理，即所谓数据归一化，就是将原始数据按特定的规则进行缩放，使之落入一个相对小的区间，如-1.0到1.0或0.0 到1.0。归一化可以防止具有较大初始值域的属性与具有较小初始值的属性相比，权重过大。从而确定各评价指标因素随机变量取值区间，称作为确定蒙特卡洛分析模型的主要风险变量；

令原始的监测数据指标，即低优指标： Xij(i=1，2，?，n；j=1，2，?，m) 首先，通过Xij?=

，使原有的低优指标转化成高优指标，其次构建同趋势化

后的原始数据表，然后归一化处理这些同趋势化后的原始监测数据矩阵，并构建相对应的矩阵。其指标转换公式为：hij=

32

上式中代表经过倒数转换之后，第i个评价目标在第j个指标上的取值。

由此得出经归一化后处理的H矩阵为：

?a11?a21H=?????an1a12a22?an2?a1m??a2m??

?????anm?然后根据经验和监测数据，可求出各个指标因素风险变量的概率分布，本文采用均匀分布这种数学模型，见图3-1，将监测数据的最小值、最大值分别进行输入；

图3-1 蒙特卡洛模拟定义风险变量的概率分布图

2. 定义预测单元

完成了定义假设单元后，即可进行下一步操作：定义预测单元。所谓的预测单 元就是对运营隧道结构健康安全状况值在单元格中进行预测设置，作为模拟过程中的输出变量。根据本文第二章建立的运营隧道结构健康安全状况评价体系，确定运营隧道结构健康安全状况与若干影响指标因素之间的数学公式，称作为蒙特卡洛分析模型。如图3-2，点中已经构建完毕的函数单元格：运营隧道结构健康安全评价。

确定运营隧道结构健康安全状况H与其各个指标因素(变量)之间的函数关系：

33

H=L11'*ω11+, ?，+W14'* ω19

L11,…,W14为19个三级评价指标，归一化后的取值，ω11,…, ω19为这19个三级评价指标的实际权重。点击蒙特卡洛模拟Crystal Ball方法中菜单栏的“Define”，然后选择其工具栏下面的“Define Forecat”，如图3-2所示，会出现定义预测单元对话框，

图3-2 定义预测单元的对话框

3. 模拟运行相关参数设置

Crystal Ball运行蒙特卡洛模拟方法的前提条件是在工作表中建立指标模拟模型以及至少定义一个假设单元和至少定义一个预测单元。本文定义的假设单元有19个，即19个三级评价指标，包括L11累积沉降值，L12差异沉降值，L13拱顶土压力增大系数，L14钢筋应力差控制系数，S11环向接缝宽度，S12纵向接缝宽度，S13环向错台，S14径向错台，S15环缝错齿，S16纵缝错齿，S17螺栓应力与强度之比，M11裂缝宽度，M12裂缝密度，M13剥落区域直径，M14衬砌强度降低比，W11每100m2 渗漏点，W12单点浸湿面积，W13渗漏水量，W14PH值中性偏离量。定义的预测单元是运营隧道结构健康安全状况值。在完成了上述这十九项假设单元的定义之后，需要对运行过程中所涉及到的各种参数进行预先设置，从而完善运营模拟的准备过程。首先，点击Crystal Ball “Run”菜卑下的“Run Preference”项，打开运行参数对话框，见图3-3；其次，在“Number of trials to run”即模拟次数中输入本文所确定的模拟次数，一万次，在“Confidence level”中输入置信度，即当置信度达到某一百分比时，系统会自动停止蒙特卡洛模拟，本文置信度设为95%。

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图3-3 蒙特卡洛模拟运行参数选抒对话框

4. 运行蒙特卡洛方法

在完成定义假设单元，定义预测单元以及运行参数的设置之后，点击蒙特卡洛模拟Crystal Ball方法中“Run”菜单中的“Start”键，根据之前构建的指标分析模型，计算机会根据已经给定的概率分布来生成大量的随机数，然后在分析模型中将这些大量的随机数作为各个变量的参数代入其中，这样经过大量、反复的模拟计算，就可以得到目标变量的概率分布及统计特征，在该方法模拟运行完成之后，将生成一系列的图表，从而预测得出在众多指标因素影响下的运营隧道结构健康安全状况值及其概率分布。

3.3 基于蒙特卡洛模拟的各指标的敏感性分析

敏感性分析，其英文翻译为Sensitivity Analysis，它的模型用数学公式可以表示为b=f（a1，a2，?，am）（该模型的第i个属性值用ai表示），在可能的取值范围内变动该模型的每个属性，预测与研究该模型输出值的受这些属性的变动的影响程度。该属性的敏感性系数即指这种影响程度的大小。敏感性系数越小，表明这个属性对模型输出的影响越大小，反之系数越大，则表明该属性对模型输出的影响越大。通过对模型的属性进行分析，得到各属性敏感性系数的大小，并且在实际应用中根

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据经验去掉敏感性系数很小的属性，重点分析与考虑敏感性系数较大的属性，这就是敏感性分析的核心目的。这样的作用是既可以在一定程度上极大地降低模型的复杂度，也可以达到减少处理数据分析工作量的目的，并且在极大地提高了模型的精度。另外，研究人员可根据对这些属性敏感性系数的进行排序，根据排序的结果，解决相应的问题[55]。

本文第二章提到影响运营隧道结构健康安全的诸多指标因素均具有不确定性，这些因素包括累积沉降值，差异沉降值，拱顶土压力增大系数，钢筋应力差控制系数，环向接缝宽度，径向错台，环缝错齿，裂缝宽度、密度，单点浸湿面积，渗漏水量等等。这些不确定的影响因素在在蒙特卡洛模拟方法中被称之为随机变量。首先建立这些因素值跟随机变量之间的函数关系，其次针对这些随机变量，结合工程实际当中的监测数据，运用蒙特卡洛Crystal Ball方法算出其概率分布，然后利用计算机产生随机数并对其进行抽样试验，最后再将抽样试验得到的样本数据代入到函数关系式当中，就可以模拟出运营隧道结构健康安全评价值的的概率分布特征值。通过对模拟结果的分析，得出运营隧道结构健康安全状况。

影响运营隧道结构安全的诸多因素在取值时具有随机性，这种随机不确定性的存在会直接影响健康安全评价值，最终可能造成评价值的改变。蒙特卡洛模拟可以直接模拟几个评价指标的不确定性，并能通过建立指标值函数模型把这种不确定性对其运营隧道结构健康安全的影响，运用概率分布的方式反映。蒙特卡洛模拟敏感性分析方法能克服了传统的敏感性方法中，多因素均会变化以及这些因素发生的概率各不同的问题，因此，这种方法对求解多因素敏感性分析问题行之有效。

下面是运用蒙特卡洛模拟法方法对运营隧道结构健康安全评价指标因素进行敏感性分析的基本步骤：

1. 构建运营隧道结构健康安全指标的数学模型，确定随机变量和其概率分布； 2. 通过模拟抽样试验，抽取随机数，并使该随机数符合既定的概率分布。根据 已经确定的随机变量X1、X2、X3、?Xn的分布参数，随机抽取一组与X1、X2、X3、?Xn相对应的随机数X1ˊ、X2ˊ、X3ˊ、?Xnˊ。

3. 运用蒙特卡洛Crystal Ball方法对符合特定分布的随机变量进行抽样试验，并

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将这一系列的抽样值代入到步骤1建立的数学模型中进行模拟计算，获得运营隧道结构健康安全评价指标值的观测值。

4. 重复步骤2与步骤3，经过N次计算，就可以得到N个随机样本值，N就是 模拟次数。

5. 统计处理该模拟的试验结果，对所求问题的解和解的精度的进行估算。利用 蒙特卡洛方法模拟敏感性分析的具体步骤如图3-4所示：

评价指标随机变量概率分布产生随机数健康安全评价指标数学模型No.随机目标值对目标值做统计分析

图3-4 蒙特卡洛模拟敏感性分析基本步骤示意图

综上所述，敏感性分析方法是通过对多个不确定因素的波动与变化幅度来确定对运营隧道结构健康安全评价值的影响程度，也称为敏感性系数，它一种项目管理者常用的对不确定性进行分析的方法。根据本章前面内容的分析，运营隧道结构健康安全的影响因素多具有不确定性，敏感性分析的过程是找出对评价值影响较大的几个因素。 具体而言，运营隧道结构健康安全敏感性分析的目的主要体现在以下两个方面：

（1） 分析运营隧道结构健康安全的状况；

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（2） 通过敏感性分析来判断指标值对各不确定因素的敏感程度，在找出影响 结构健康安全状况的最主要因素，项目管理者对这几个影响较大因素釆取有针对性的措施，从而达到降低风险，保障安全运营的目的。

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4 工程实例解析

4.1 工程背景介绍

武汉位于国家地理位置的中心，既是我国重要的工业基地和科教基地，也是重要的交通枢纽，具有“九省通衢”的美称。为了适应新时期城市快速发展的要求，缓解城市交通拥堵被武汉市政府列为为一号工程，力争做到加快轨道交通建设步伐，解决市民长距离出行的困扰，缓解城市过江难的现状，强化公共交通的主体地位，实现多种交通方式的一体化换乘，确保线网总体建设任务的有序推进。轨道交通建设对落实总规，科学引导城市空间结构拓展，支撑城市新的功能区和大型支柱产业集群区的发展，促进“两型社会”建设有着重大战略意义。

武汉市是国家首批轨道交通建设规划获批的 8 个城市之一，是国内第 7 座开通轨道交通的城市。自八十年代起，武汉就开始轨道交通研究工作，目前已经开通运营的地铁线路里程达78.4公里，包括轨道1号线、2号线一期和4号线一期，总长达72.7公里；已批在（拟）建线路约139.5公里，其中3号线一期、4号线二期、6号线一期、8号线一期工程已开工建设，1、2号线延长线的工作也在积极推进之中。

截止2015年4月，已经展开三轮轨道交通建设规划。其中，武汉市城市轨道交通近期建设规划（2014‐2020年）的规模：新增（延伸）线路15条、长度合计226.9公里，地下线178.1公里、地面线1.7公里、高架线47.1。这15条地铁线中，有6条与火车站或飞机场紧密相连，武汉今后的地铁网中，将会形成六大综合交通枢纽，分别位于天河机场，现有的武昌、汉口、武汉火车站，以及将新建的新汉阳火车站和流芳火车站。这些综合交通枢纽除飞机、火车、长途客车及地铁外，还将有公交车、BRT快速公交、有轨电车、出租车等紧密聚合，实现多种交通工具的“无缝对接”。

本轮轨道交通建设规划的目标是：以目前正在实施的7条轨道交通线为基础，以远景线网为依据，贯彻落实“中部崛起”战略，实现国家中心城市和国际化大都市建设的宏远目标，构建“1+6”城市发展空间格局，加快四大工业板块和两江四岸

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城市重点功能区建设，实施“公交优先”战略，推进“两型社会”和“公交都市”建设，实现城市交通发展战略目标，在满足城市财力、客流需求和建设能力的前提下，新增轴向放射轨道线路支撑六大新城组群建设，强化空间拓展支撑力，完善主城中心区内轨道骨架网络。

至2020年形成总规模439.1公里的轨道交通网络体系，基本形成覆盖武汉三镇的轨道交通网络体系。随着该规划的实施，武汉市轨道交通线网规模将达到440公里左右，这对于优化交通结构、构建完善的大都市公共交通体系，提升城市功能，推进国家中心城市建设，打造全国性综合交通枢纽，具有重要意义。

图4-1 武汉市已开通运营的轨道交通线路示意图

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图4-2 武汉市城市轨道交通建设规划图

4.1.2武汉地铁二号线江汉路站

武汉地铁二号线江汉路站是武汉市轨道交通2号线一期工程的中间站点，是轨道交通2号线和 6号线的换乘站，该站点处于江汉路地下，东面是花楼街，南边是交通路，西起中山大道，北至江汉路步行街。该处地势较为平坦，地面标高约25.1m（绝对标高）。站台的设计型式为地下四层三跨框架结构岛式，并采用明挖顺作法施工，车站主体建筑面积达11770m2，长和宽分布约为153.4m，20m。

1. 工程地质

根据岩土工程勘察报告[57]，该站点所在位置的地下土层分布如下：下部基岩是泥质粉砂岩、砾岩和泥岩互层，中部的组成土层为稍密－中密－密实粉细砂，中上

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部可能存在液化土层，上部的组成则是是软－可塑粉质粘土。

2. 水文地质条件

江汉路站点区间内地下水主要有两种，分别是孔隙承压水与上层滞水。孔隙承压水主要分布在汉江与长江两岸的一级阶地，主要赋存于粉细砂层中，其底板为基岩，承压水头高度在15m至20m之间，而它的含水层顶板是上部一般粘性土；而上层滞水主要赋存于粘性土层和人工填土当中，水位不连续，没有统一的自由水面，水位埋深在0.6m至1.6m之间，主要接受大气降水和地表水的补给；

3. 周边环境

武汉轨道交通2号线江汉路站与周边的商业用房同时建设，地面建筑物覆盖整个基坑，其地上为7层框架结构，地面建筑总高度约30 m(商业用房，层高较高)

外景图 内景图

图4-3 武汉地铁二号线江汉路站示意图

4.1.3 武汉地铁二号线虎泉站

武汉地铁二号线虎泉站一名都站区间全长为1272.359m，是广埠屯至名都站区段的核心和视点区间，其设计线路起止里程分别为右DK24+913.890和右DK26+186.249。线路从虎泉站出来后，以12m线间距沿着卓刀泉路（即虎泉街）往前，线间距逐渐增大至13m，左右线均由R=700m和R=350m的两条曲线连接而成，其中在半径曲线为R=700m上设置了L=60m长的缓和曲线，在半径曲线为R=350m

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上设置了L=60m长的缓和曲线，该区间为地下工程区间，设计成为为人字型坡的线路纵坡，线路自虎泉站到名都花园站设为4.36%。上坡720m和4?降坡40Om。最小竖曲线半径R=S000m。该区间的最大埋深是15m，最小埋深是6.5m。

虎泉站一名都站区间隧道分左右双线，采用矿山法施工，总长2503m。该区间隧道洞顶为滞水发育的浅埋覆盖层，其中人工杂土超浅埋洞段长达680m，粘土层最薄处厚度不足0.5m，洞底岩溶、溶沟及溶槽发育，地质十分复杂，施工难度极大。

1. 场区地形、地貌

虎泉站穿越的地貌单元位于剥蚀堆积垄岗，相当于长江三级阶地。线路所处地形略有起伏，区域内有褶皱及断层现象发育，地面高程28.5~33.8m，相对高差5.3m。

2. 水文地质

虎泉站的地下水根据按埋藏条件划分为三种：承压水、潜水和上层滞水。根据其赋存方式也可划分为三种：岩溶裂隙水、孔隙水和裂隙水。

依据不同的隔水边界和水位，区内岩溶地下水大致分为两个水文地质区：炭系黄龙组、二叠系栖霞组高水位区和三叠系大冶组低水位区：

虎名站区间穿越的地貌单元为长江三级阶地，地表由第四系土层组成。根据区域地质资料和相关勘察报告，其所在地的地层岩性为：第四系近代人工填土层(Qml)、第四系中更新统冲积层(Q2al)、冲、洪积层(Q2al+Pl)、第四系残坡积层(Qel+dl)及洞穴堆积物；下伏基岩主要为:三叠系下统大冶组(Tld)、二叠系上统龙潭组(Pzl)、二叠系下统栖霞组(Plq)、二叠系下统马鞍组(Plm)。

3. 周边环境

虎泉站一名都站区间线路两旁各种建筑物密布，高层建筑林立，虎泉道路，车流量大，交通非常繁忙，路灯线、污水管道、自来水管道、天然气管道和光缆等各种地下管线沿主干道两侧的慢车道和人行道分布，它们的埋深在1m与2m之间。

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外景图 内景图

图4-4 武汉地铁二号线虎泉站示意图

4.1.3武汉地铁四号线岳家嘴站

岳家嘴站是武汉地铁四号线和七号线的换乘站，位于中北路和徐东大街的交叉路口，岳家嘴互通式立交桥的匝道内，该站位离周边居宅较远，其规划为绿地。四号线站点为地下一层单柱双跨侧式车站，沿中北路走向设置；七号线站点为为地下二层双柱三跨岛式车站，沿徐东路走向设置。四号线有效站台端部和七号线中部相连，形成“丁”字侧岛的换乘形式。四号线岳家嘴站设计里程从YKD21+505.996～YDK21+690.996，站台中心里程：YDK21+585.996。站台宽6m，站中心顶板覆土2.7m，主体结构标准段基坑开挖深度为10.71m；七号线岳家嘴站（第一期实施）外包总长（含围护结构）为95m，宽30m，标准段结构高度14.12m，站台宽度为14m，站中心顶板覆土2.7m，主体结构的基坑开挖深度为17.02m。 1. 场区地形、地貌

岳家嘴站位于武汉市武昌区，中北路和徐东大街交叉路口下，该处地势略有起伏，是长江冲洪积三级阶地，其下密布市政管线，涉及水务、煤气、电力、电信、军用光缆等多种市政管线，其上有岳家嘴大型立交桥穿越场地，地面标高在23.64m与29.38m之间（以孔口标高计）。 2. 水文地质

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勘探孔所显示范围内，场地地层主要由5层构成，自下至分别为1层层白垩～下第三系（K-E）风化泥岩、砂岩，；2层第四系上更新统冲洪积（Q3al+pl）的圆砾、砾砂层（Qel）；3层第四系上更新统冲洪积（Q3al+pl）的老粘性土层；第4层第四系全新统冲积（Q4al）的一般粘性土层；第5单元人工填土层（Qml）。

岳家嘴站的地下水类型分为两种，孔隙承压水与上层滞水。

（1）孔隙承压：赋存于第2层圆砾及中粗砂中， 承压水水量丰富。长江水位涨落影响其水位的变化幅度，因为岳家嘴的承压水与长江有着较为密切的水力联系。参照施工现场的抽水试验结果，实测承压水位埋深处于在4.92 m与5.10m之间，相当于标高20.10m左右。

（2）上层滞水：赋存于第5层人工填土层中，没有统一的自由水面且主要来源于周边湖塘的渗透补给与大气降水，其水位与水量随大气降水和周边湖塘储水量的大小而有所波动，勘察期间测得场地上层滞水的初见水位在地面以下0.90m与2.60m之间，静止水位在地面下0.80—2.90m。 3. 周边环境

岳家嘴站周围的主要建筑物为岳家嘴立交桥，站点位于立交桥下方的绿化带上，根据管线资料及现场调查显示，施工场地内的地下管线错综复杂。包括污水、雨水、给水、电信、电力、热力、燃气、高压、路灯、军用光缆等管线，其中部分管线直接位于车站主体、出入口和风道结构上方。管线迁改工作量较大，工序也较为复杂。部分地下管线距离车站基坑较近，施工过程中应加强监测，并在给水、雨污水等重要管线的下方预埋跟踪珠江管。

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外景图 内景图

图4-5 武汉地铁四号线岳家嘴站示意图

4.1.4武汉地铁四号线王家湾站

王家湾站为武汉地铁四号线与三号线的换乘站，长240m，总建筑面积65000m2，车站结构为地下三层。其主体结构部分采用明挖法施工，而龙阳大道和汉阳大道路口下方局部则采用盖挖顺作法施工。地铁四号线为地下三层岛式车站，总长约234m，宽23.9m，地下一层为站厅层，地下二层为设备层，地下三层为站台层。

工程地质及水文地质

王家湾站岩土工程勘察报告显示，场地分布地层自上而下可分为以下几个岩土层，各岩土层又根据不同岩性及工程性能分为了若干亚层，其分布情况及工程地质特征如下：

（1-1）填土（Q4ml）； （6-1）粉质粘土（Q4al）； （10-1）粉质粘土（Q2-3al+pl）；

（10-1-1）粉质粘土（Q2-3al+pl）；（10-2）粘土（Q2-3al+pl）； （11-1） 含粘性土细砂（Q2al+pl）； 周边环境

王家湾站点的地形东西向起伏较大、南北向相对平坦，周围房屋密集，是武汉

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外景图 内景图

图4-6 武汉地铁四号线王家湾站示意图

南北与东西向交通要道的交叉路口。由于部分规划目前尚未实现，路边场地比较宽阔，但道路下方地下管线较为密集。站点路口以南约350m，西侧为正在营业的武汉摩尔城，有2层地下室，支护型式为桩加预应力锚索，由于部分锚索已进入了车站基坑内，在施工前应将锚索凿除；站点路口以东武汉富豪4S店，双层钢结构，人工挖孔墩基础，埋深6-8m。

4.2 工程实例数据的分析和计算

本文通过对上述四个工程实例，即运营隧道的现场进行勘查搜集工作，采集了大量现场监测数据 ，得出各区间站点的指标监测数据如表4-1所示。

表4-1 站点指标的监测数据

监测参数/单位 累积沉降值（mm） 差异沉降值（mm） 拱顶土压力增大系数(mm/100m) 钢筋应力差控制系数 环向接缝宽度/mm 纵向接缝宽度/mm 环向错台/?D 径向错台/pt

江汉路 41.31~45.12 19.7~25.8 0.63~0.87 0.24~0.43 2.57~3.58 2.92~3.14 4.45~7.24 5.07~7.21 47 虎泉 27.03~33.21 14.53~18.47 0.45~0.61 0.18~0.27 1.72~2.29 2.01~2.51 3.25~4.93 3.93~6.19 岳家嘴 25.81~31.56 13.72~19.82 0.48~0.58 0.27~0.38 1.65~2.07 1.92~2.38 3.17~5.82 4.15~5.78 王家湾 51.27~65.23 27.03~37.14 0.87~0.99 0.36~0.52 3.31~4.64 3.47~4.65 6.78~9.67 9.27~11.34

环缝错齿/ps 纵缝错齿/pd 螺栓应力与强度之比 裂缝宽度/mm 裂缝密度/mm 剥落区域直径/mm 衬砌强度降低比de 每100m2 渗漏点 单点浸湿面积/sw 渗漏水量/m3 PH值中性偏离量/sph 1.67~3.47 2.09~4.53 0.45~0.67 0.053~0.115 1.3~2.1 30.42~44.12 0.12~0.16 0.77~1.13 0.15~0.18 0.23~0.31 0.16~0.27 2.13~4.11 3.19~3.79 0.34~0.54 0.024~0.075 0.9~1.7 20.36~30.73 0.08~0.11 0.52~0.81 0.1~0.15 0.16~0.25 0.11~0.19 1.93~3.92 2.17~3.56 0.29~0.47 0.011~0.064 0.7~1.4 19.71~28.54 0.08~0.12 0.49~0.77 0.11~0.14 0.15~0.23 0.10~0.21 2.29~4.15 3.27~5.12 0.53~0.71 0.09~0.134 1.5~2.2 41.59~56.63 0.16~0.23 1.03~1.51 0.2~0.27 0.31~0.44 0.19~0.33 根据本文第三章蒙特卡洛方法应用于运营隧道结构健康安全评价的基本步驟，通过计算得出各指标的数据归一化结果如表4-2所示：

表4-2 站点各指标的监测数据归一化结果

监测参数 累积沉降值 差异沉降值 拱顶土压力增大系数 钢筋应力差控制系数 环向接缝宽度 纵向接缝宽度 环向错台 径向错台 环缝错齿 纵缝错齿 螺栓应力与强度之比 裂缝宽度 裂缝密度 剥落区域直径 衬砌强度降低比 每100m2 渗漏点 单点浸湿面积 渗漏水量

江汉路 0.391~0.432 0.406~0.438 0.438~0.469 0.406~0.438 0.377~0.400 0.404~0.458 0.435~0.436 0.474~0.481 0.559~0.588 0.455~0.601 0.412~0.428 0.184~0.37 0.370~0.419 0.403~0.406 0.406~0.431 0.401~0.420 0.420~0.469 0.409~0.454 虎泉 0.586~0.597 0.582~0.617 0.560~0.614 0.666~0.679 0.590~0.597 0.573~0.587 0.596~0.640 0.561~0.611 0.461~0.472 0.394~0.544 0.531~0.546 0.407~0.567 0.518~0.535 0.583~0.602 0.609~0.627 0.586~0.594 0.563~0.630 0.563~0.588 48 岳家嘴 0.617~0.626 0.575~0.616 0.575~0.610 0.444~0.482 0.622~0.652 0.542~0.611 0.541~0.608 0.579~0.600 0.495~0.509 0.579~0.56 0.61~0.64 0.664~0.888 0.629~0.688 0.622~0.628 0.575~0.609 0.617~0.630 0.573~0.604 0.620~0.628 王家湾 0.299~0.315 0.307~0.313 0.317~0.357 0.333~0.353 0.291~0.310 0.309~0.340 0.286~0.326 0.259~0.306 0.429~0.468 0.384~0.403 0.35~0.404 0.109~0.317 0.321~0.400 0.295~0.317 0.300~0.305 0.300~0.315 0313~0.315 0.304~0.320

PH值中性偏离量 0.396~0.433 0.576~0.615 0.556~0.633 0.333~0.354 4.3 工程实例健康安全评价结果

根据本文第三章中，蒙特卡洛方法应用于运营隧道结构健康安全评价的基本步驟，基于上文的各工程实例的监测数据，得出各工程实例的评价结果如图4-7所示：

江汉路 (0.432) 虎泉(0.604)

岳家嘴(0.612) 王家湾(0.343)

图4-7 各运营隧道健康安全评价值

蒙特卡洛方法模拟得出，江汉路：0.432，虎泉：0.604，岳家嘴：0.613，王家湾：0.343。将四个工程案例的蒙特卡洛模拟数值代入本文第二章中区间模糊评级语中，可以得出各工程实例的健康安全状态如表4-3所示，并建议采取相应的对策

表4-3 各工程实例的健康安全状状态和对策

健康安全等级 B

评级区间 0.432 站点 江汉路 49 健康安全状况 结构存在 对策 保持正常监测

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/b9xo.html