发布时间：2022-03-11 02:03:55
序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了8篇的铁道安全论文样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。
关键词：高速公路隧道；下穿；机场；监控量测
0 引言
一直以来，下穿问题的研究都是隧道建设者的重要课题。如何保障既有建筑物的安全，以及新建隧道的安全修建是这类工程问题的关键点。随着数学、力学和数值模拟计算的发展[1]，对近接问题的研究越来越深入。为许多高难度的工程修建提供了有力的条件。国外一些学者研究了一些隧道下穿建筑的课题，并取得了不错的成果，解决了许多技术难题，确保了工程的顺利进行[2]。国内许多隧道专家在近接方面做了很多工作，总结了前人的研究成果，并提出了比较系统的近接力学理论，为解决下穿问题奠定了力学基础[3~4]。双孔分离式隧道正交下穿机场跑道，工程施工过程对机场建筑的影响是工程的难点。为保障机场的正常运营，避免造成重大的损失，应加强隧道施工的安全工作。控制地表沉降、拱顶下沉等工程参数，预防、避免重大安全事故的发生。
1 工程概况
某隧道工程位于某市城区，隧道采用双孔双向四车道布置型式，为左、右两个分离式隧道。线路向北避开右侧监狱，进入机场范围，左、右线先下穿机场停车场、航站楼，然后正交下穿机场停机坪、机场滑行道、机场跑道，从机场边坡的农田出地面，以路基型式连接另一面大道。
本工程范围左线SZKO+000~SZK1+490.445，右线为SYKO+000~SYKI+486.798。道路采用城市主干道Ⅱ级标准，双向四车道：设计速度为40km/H；建筑限界：隧道单向宽度（2×3.75m+2×0.25m+1.5m+0.75m）。
2 监控量测方案
安全是工程的生命，为保障工程建设顺利进行，针对工程问题的具体性质，采取相应的策略，做到早发现、早治理，将危险从根源上清除，避免损失。根据工程的特点，对地表沉降、拱顶下沉等重要安全指标采取相应的技术保障措施，指导施工，确保工程安全。
2.1地表沉降
由于高速公路隧道下穿机场工程的特殊性，控制地表的下沉状况，确保机场工程的安全是隧道修建必须保障的工程指标。如何控制隧道修建引起的地表建筑物下沉，尤其是对机场敏感建筑物的影响控制在允许的范围内，是工程的难点和重点。做好地表下沉的测量作业，将结果应用在指导施工上，为工程的安全建设提供必要的指导。
地表下沉量测主要在隧道浅埋处、机场航站楼及下穿机场跑道范围的地表建筑物和跑道进行，地表下沉量测应在开挖面前方（h+9）m处开始（h为隧道覆盖层厚度），直到衬砌结构封闭，下沉基本停止时为止。根据观测数据汇总表，绘制出主要沉降点的沉降过程线，它可以明显地反映出沉降的趋势、规律和幅度。沉降趋势预报是沉降测量的重要环节；通过大量的沉降观测后，获得对地表沉降规律的理性认识，确定未来的沉降趋势，这是确保地表建（构）筑物安全运营的可靠保证。
2.2拱顶下沉
隧道开挖后，由于围岩自重和应力调整造成隧道顶板向下移动。拱顶下沉量是隧道安全的重要控制因素，做好拱顶下沉量的测量工作，根据测量结果指导施工工作是工程建设的重要环节。拱顶下沉量测断面的间距为：Ⅳ级围岩不大于25m，Ⅴ级围岩应小于20m。围岩变形处应适当加密，在各类围岩的起始地段增设拱顶下沉测点1~2个。当发生较大涌水时，Ⅴ级围岩量测断面的间距应缩小至5~10m。各测点应在避免爆破作业破坏测点的前提下，尽可能靠近工作面埋设，一般为0.5~2.0m，并在下一次爆破循环前获得初始读数。初读数应在开挖后12h内读取，最迟不得超过24h，而且在下一循环开挖前，必须完成初期变形值的读数。对监测结果进行分析，可以得出累计沉降、单次沉降等曲线，并可对其进行拟合，进而可以对其最终沉降做出预测，来指导施工。
2.3周边收敛
周边收敛量测和拱顶下沉量测应布置在同一个断面，是衡量隧道开挖后围岩变化的另一个重要参数。测量时将收敛计一端连接挂钩与测点锚栓上不锈钢环（钩）相连，展开钢尺使挂钩与另一测点的锚栓相连。张力粗调可把收敛计测力装置上的插销定位于钢尺穿孔来完成。张力细调则通过测力装置微调至恒定拉力为止。在实施中，隧道开挖后在设计的监测点位埋置监测挂钩，测量初始值，然后根据施工的进程监测收敛值，直到稳定为止。将量测结果进行分析，可以得出累计洞周净空收敛与时间的关系曲线，对曲线进行拟合分析，可以对隧道洞室的最终变形进行预测，从而达到指导施工的目的。
2.4 地质勘探
在地下工程中，开挖前的地质勘探工作很难提供非常准确的地质资料，所以，在隧道过程中对前进的开挖工作面附近围岩的岩石性质、状态应进行观察，对开挖后动态进行观察。地质勘探主要目的：（1）预测开挖面前方的地质条件；（2）为判断围岩、隧道的稳定性提供地质依据；（3）根据喷层表面状态及锚杆的工作状态，分析支护结构的可靠程度。地质勘探包括洞内观察和洞外观察。洞内观察分开挖工作面观察和已施工区段观察两部分，开挖工作面观察应在每次开挖后进行一次，内容包括节理裂隙发育情况、工作面稳定状态、涌水情况及底板是否隆起等。初期支护完成区段观察内容包括：喷混凝土是否产生裂隙或剥离，要特别注意喷混凝土是否发生剪切破坏的现象等。洞外观察包括洞口及洞身浅埋段地表情况、地表沉陷、边坡及仰坡的稳定、地表水渗透的观察。
2.5 其他重要指标
隧道安全控制指标除了上述4个指标以外，还包括围岩的位移、锚杆应力、后行洞衬砌钢筋应力、围岩与支护结构界面及初期支护与模筑衬砌界面压应力等。这几个主要是隧道结构的安全指标，其中，为了探明支护系统上承受的荷载，进一步研究支架与围岩相互作用之间的关系，不仅需要量测支护空间产生的相对位移(或空间断面的变形)，而且还需要对围岩深部岩移进行监测和掌握。锚杆应力、后行洞衬砌钢筋应力、围岩与支护结构界面和初期支护与模筑衬砌界面压应力主要反映支护措施的作用效果，属可控认为可控因素，做好测量反馈工作，寻找相应的规律，最大限度地发挥支护作用，为地表建筑物指标控制工作提供更宽松的操作条件。
3 结言
针对工程的特殊情况，对地表沉降、拱顶下沉等工程重要指标进行严密监控，并及时根据测量结果进行分析，指导施工工作。地表沉降沉降等指标能合理反应隧道施工对地表建筑物的影响，监控方案科学、可靠。
参考文献：
潘昌实．隧道力学数值方法[M]．中国铁道出版社．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
关键词：隧道工程 软弱围岩 技术
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）09（a）-0039-02
1 软弱围岩
软弱围岩是地下工程对于地质条件的一个综合性的界定，在地下隧道工程与岩土工程施工中，围岩的性质与基本条件将决定着工程所应使用的施工方法与工程本身的技术难度。因此，对于隧道工程首先要明确围岩的基本条件，掌握围岩的基本性质，在此基础上才可以在后期的施工进程中准确把握施工要点，以达到顺利施工的目标。
一般而言，在地下铁道、岩土及隧道等工程中，围岩的种类如何界定是根据围岩本身的强度及稳定性、风化程度及完整性等因素进行综合考虑，进而分成不同等级和种类的围岩，在现实施工的前期勘察阶段，通过一定的技术手段对围岩进行勘测与性质的测定，结合工程的特点得出围岩的具体类别。随着施工技术的不断发展，施工工程具有相对复杂的趋势，施工人员对地质条件的判断与界定也有了更深层次的认识，对于围岩的分类与认识也在不断加深，靠简单的感性判断不够科学，需要借助一些新的设备与技术才可以准确得知围岩的具体物理性质。因此对于围岩的认识，不同阶段、不同的地质条件、不同的工程特点，围岩的特殊性很难一概而论，需要具体问题具体解决。
2 隧道工程施工方法与理论
对于地下空间的探索，实际上历史已经久远，从远古时期人们以地为穴的居住方式就形成了地下空间施工的雏形。随着目前我国大规模的地下工程建设，包括地铁、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，针对地下隧道工程，常用的基本方法有矿山法、新奥法、地质工程施工法。
2.1 矿山法
作为一种传统的地下隧道施工方法，其基本原理是在隧道爆破后，造成周围岩石稳定性与强度下降，受力上整体处于松弛状态，是一种软弱性质的围岩，在该条件下，进行边支护边施工，以防止围岩坍塌对于隧道稳定性与安全的影响。在支护的环节上，对于软弱围岩主要是利用刚性衬砌作为支撑，刚性衬砌最大程度地防止隧道断面的变形，并有效地抵挡了扰动后的围岩对开挖面的荷载。矿山法是一种暗挖法，以爆破的方式形成开挖面，并借以刚性衬砌作为临时支撑，在实际隧道开挖的施工过程中，采用分部开挖的方式，边开挖，边修筑衬砌，边支护。开挖时，首先要开挖导坑，为了最小限度减少围岩的扰动，以导坑作为开挖的基础向周分部扩大开挖，尤其对于软弱具有坍塌可能的围岩就需要结合开挖断面的尺寸，在分部开挖中具体采取何种顺序与方式进行仔细衡量才可以确定。
2.2 新奥法
新奥法是在矿山法的基础上发展而来，其施工原理在于强调围岩的自承重能力，以锚杆、钢筋网、喷射混凝土等柔性手段进行主要支撑，以此抵抗围岩的变形。实际在此过程中围岩作为了支护系统的重要组成部分与受力部分。与传统的矿山法相比，在手段与施工概念上而言都是一种突破。新奥法通过锚杆而形成的加固拱与喷射混凝土层形成内外两层衬砌，混凝土同时以强大的喷射力注入到围岩土层的缝隙中，与土层进行了结合，围岩的稳定性与抗变形能力得到进一步提升。此外，新奥法减少了围岩扰动的强度、频率与持续周期，新奥法的支护手段一般不需要拆除，作为永久性支撑，嵌入到开挖面中，减少了施工的程序，相对较小的喷射层厚度又可以保证开挖的工作量，节省了开挖跨度对工程周期与稳定性的影响。
2.3 地质工程施工
地质工程施工是在隧道开挖面进行开挖与围岩扰动前期对地质条件进行主动加固的一种方法。如常利用在隧道开挖洞口的大管棚支护技术和地面注浆技术。地质工程施工主要采用一定的工程措施，以主动方式去控制围岩的变形与稳定性，平衡围岩和支护的共同强度，以保住一开始就为隧道顺利掘进与开挖创造一个相对宽松的施工环境。
随着工程难度的差异性，一般在地下隧道工程中常常根据特定的地质综合条件、水文状况、围岩的性质、工程性质与复杂程度，采取不同的隧道施工方法，有时候为了保障工程的安全性与稳定性常常综合几种方法共同发挥作用而不是单纯采用其中一种。对矿山法、新奥法、地质工程施工法的分析中，笔者得知不同的方法都有其各自的优势与不足，在实际施工中应该相互借鉴，取长补短。例如在矿山法施工的过程中常常借鉴新奥法对于支护的安全度进行监测与控制。对于地质条件比较特殊的情况，新奥法的施工比矿山法更加成熟有效，对于衬砌的要求也更加严格。而地质工程的施工则结合了新奥法与矿山法的优势，从前期就开始对影响隧道施工的各种因素进行预测与准备，从宏观上与整体施工战略上给隧道工程一些指导。
3 软弱围岩下隧道工程施工方法与技术
在隧道实际施工工程中，主要涉及开挖与衬砌两道施工工序，其次涉及到一些辅助工程如防水排水等工艺技术。在上节对三种主要隧道施工方法进行阐述的基础上，该节重点讨论对于软弱围岩条件下隧道工程的施工技术与方法。
首先对于实际工程的地质特征，围岩的性质必须有个明确的认识。对地质条件与围岩特征进行详细的预测与勘察是在隧道工程的设计阶段与施工阶段首先要解决的现实问题。如在施工中采取超前地质预报、地质素描、围岩弹性波速等对围岩进行全面的了解与接触，在此基础上才可以精准确定隧道施工方案，事先做好预案工作。
其次，施工的最开始应坚持地质工程施工的基本理念，尽量做好基础性支护工作，如对开挖洞口的大管棚超前支护、地面注浆技术等对围岩进行事先的预应力主动防护，此举可以有效保证后期隧道开挖中围岩受力更加合理，并可以提高软弱围岩的基本力学属性。
第三，在实际开挖的进程中，应尽量采取新奥法，对围岩避免过多的扰动，采取光面爆破技术，保证围岩基本受力面的均衡。对若软围岩应尽量增强围岩的自稳能力，必要条件下，可以辅助配合矿山法施工，将两者的优势充分结合。在新奥法施工的指导下，进行分部施工，根据开挖工作面尺寸与地坑深度选择正确的分部施工方法，如对单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、台阶法的合理运用。在软弱围岩受到大扰动的情况下，要尽量做好及时的防护工作，应尽量采用柔性支护技术。开挖时还应做好围岩的监测工作，对支护系统的稳定性进行实时的反馈与控制。
第四，软弱围岩条件下的隧道施工，常常由于地质条件的不确定性，同一隧道不同跨度与进尺的围岩特征存在差异性变化，对于软弱围岩新奥法配合矿山法往往有时候更加有效保证了隧道的顺利施工。
4 结语
软弱围岩是隧道施工中常常碰到的地质情况，该情况下，隧道保证正常施工需要对围岩首先有个比较全面的认识，并尽可能做好围岩的超前支护措施，实际开挖过程中要根据工程的实际特点选择正确的施工方法，对矿山法与新奥法进行有选择的运用，保证隧道围岩的自稳能力和抗变形能力。围岩在施工扰动后，为了抵抗其松弛变形尽可能综合运用柔性支护与刚性衬砌结合的支护手段，同时做好围岩的实时监测与控制措施。
参考文献
[1] 王建红.浅谈软弱围岩隧道施工技术[J].铁道建筑，2006（12）：54-55.
关键词:隧道工程 超前地质预报 综合预报技术
中图分类号:TU74文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 05-001-02
1前言
随着我国公路建设规模日益扩大,公路隧道建设也取得了迅猛发展,但由于技术手段、经济状况等方面的原因,在隧道设计阶段所获得的地质资料有限,导致预设计阶段做出的隧道设计图常会遗漏一些只能在隧道掘进过程中才能发现的不良地质体;由此而导致在隧道工程施工过程中,由于前方地质情况不明,常常出现塌方、涌水、岩爆、泥石流等各种地质灾害,这些问题的发生严重影响了工程的进展,增加了工程造价,有时甚至会产生重大的事故。因此在隧道施工时,对隧道掘进方向的地质情况通过技术手段进行超前预报、预测,以便提早、及时地采取有效的施工方法,就显得尤为重要。近几年各级工程管理部门,已经认识到隧道施工过程中超前地质预报的重要性,开始在国内隧道施工中逐渐采用地质超前预报工作 。本文以肇兴隧道为依托,通过采用地质超前预报技术,较好的避免了地质灾害的发生,为隧道安全施工和提高施工进度起到了不可估量的作用。
2肇兴隧道工程概况
肇兴隧道是厦蓉高速公路(贵州境)水格段的一项控制性工程,目前是贵州第一公路长隧;左幅全长4752米,右幅全长4755米,最大埋深357m。隧道穿越云贵高原东部斜坡地带,受侵蚀-剥蚀影响,地形条件复杂;隧道场区属一级构造单元华南褶皱带,场地构造有断层及褶皱,岩性为变余砂岩、变余砂状、层状结构 。
3超前地质预报所用仪器及基本原理
肇兴隧道超前地质预报 主要采用地质雷达法、陆地声纳法、瞬变电磁法相结合探测方法,并结合水平钻孔进行探测,几种技术手段相辅相成,相互验证并与地面地质调查成果紧密结合,提高预报精度。
地质雷达法是探地雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR)方法,一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术,采用仪器为拉脱维亚地质Zond-12e型地质雷达及配套分析软件对掌子面前方围岩破碎情况进行探测。基本原理是在检测范围无大量铁磁性物体干扰的情况下,利用探地雷达天线向地下发射电磁脉冲,并接收由地下不同介质界面的反射波,根据电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质(如介电常数 r)及几何形态的变化而变化。根据接收到的回波时间、幅度和波形等信息,可判定地下介质的结构与埋藏体的位置与形态。其测试原理如图1所示。
陆地声纳法所用仪器为铁道部科学研究院铁建所研发生产的LDS-1陆地声纳仪及配套分析软件对掌子面前方围岩破碎情况进行探测;其原理(图2)为在被测对象表面用锤击产生震动弹性波,弹性波在岩体中传播,遇到波速和密度不同的界面可产生反射,用在锤击点近旁设置的检波仪接收这一系列反射波。沿一测线上许多测点逐一测取后,将各测点的记录(时间曲线) 绘成一张图――时间剖面(其纵坐标为反射时t,以毫秒(ms)表示;横坐标为测点,或水平距离、长度),从图中可以连成一条线的同一反射面的反射波,就可判断出各反射界面。以其反射时t,以及在岩体表面测的弹性波速度V,就可以算出反射面深度h。
h=Vt/2
本方法用锤激震源以及检波器和仪器结合,可激发和接收从10Hz～4000Hz的波,然后可通过分窗口带通滤波提取不同频段的反射波,高频段的反射波可反映薄层和大节理等和小溶洞,低频段的反射波可反映较大的断层、较厚的岩脉、岩层和大溶洞,通过不同频段反射的图像对比,可以分辨不同的不良地质体。
瞬变电磁法采用设备为IGGETEM-20瞬变电磁仪,该法原理(图3)是利用不接地线向地下发射一次脉冲磁场,在一次脉冲磁场的间歇期间(断电),观测二次涡流场的方法。当发射回线中的电流突然断开时,在介质中激励出二次涡流场(激发极化场),在二次涡流场的衰减过程中,早期反映浅层信息,晚期反映深层信息,研究瞬变电磁场随时间的变化规律,通过对二次场接收回线观测,对所观测的数据进行分析和处理,据此,解释地下介质及相关物理参数。
在隧道(洞)中探测时,一般采用3m的方形线框,探测距离80m左右,如图,在掌子面上挂一个方形电缆发射接收天线,采用中心装置,接收用探头,发射机线圈给一个脉冲电流,由瞬变电磁仪接收,测量脉冲电流断去后,不同时刻的感应电动势值,以e(t)/I表示,式中I为脉冲电流强度(以安为单位),e(t)表示脉冲电流断去(t)秒的场强,以微伏表示。经数值处理,绘制成瞬变电磁多测道图、视电阻率断面等值线图、视纵向电导断面图、视纵向电导微分成像图。
4工程实例
现以肇兴隧道出口端右幅YK21+524～YK21+424段所采用三种方法探测的结果与隧道开挖的地质情况进行对比分析。 (图4-1、图4-2、图4-3为陆地声纳测试成果图)
对采集陆地声纳时间剖面计算分析认为:掌子面前方100米范围内(YK21+524～YK21+424),围岩为变余砂岩,炭化较严重,岩体较破碎、围岩渗水。其中: 掌子面前方0～43m段为炭质岩及其影响带,该段围岩破碎,且遇水软化;60～74m、94～100m两区段围岩节理裂隙发育,局部可能出现软弱夹层,围岩破碎。
采用瞬变电磁进行探测位置为YK21+524,图5为瞬变电磁测试成果图
图5瞬变电磁探测视电阻率等值线图
对视电阻率等值线图分析认为:掌子面(YK21+524)前方5～45米范围内围岩整体视电阻不低,推测前方45米内渗水。其中掌子面前方30～45m范围内低电阻相对较低,推测该段围岩裂隙发育,岩体较破碎,且含水较多,局部水量较大。
通过陆地声纳法和瞬变电磁法所测得数据,并结合地质情况综合分析得出肇兴隧道出口右洞YK21+524前方100范围裂隙发育,围岩较破碎,特别提出YK21+524前方0～45米为炭质岩及其影响带,且围岩渗水。
根据两种方法所测结果,采用地质雷达法进行短距离探测印证(图6),从电磁波的反射振幅变化来看,掌子面前方0～20m,电磁波信号衰减总体较快,且局部反射信号强烈,推测前方围岩破碎,节理裂隙发育。该段围岩破碎,裂隙很发育,围岩自稳能力差。
根据超前地质预报结果,业主、监理、设计及施工方相当重视,制定了应急预案,要求隧道在开挖施工时密切注意掌子面地质变化情况,并及时汇报。当肇兴隧道掘进至YK21+524时,掌子面岩体破碎,节理裂隙发育,自稳能力较差,3/4断面发现炭质带,并有延伸扩大的趋势,且掌子面整体渗水,伴有小股流水,岩体遇水即软化分裂,开挖时极易发生坍塌。针对开挖地质情况,业主立即召集设计、监理、施工等部门召开专题会议,按照事先准备的预案落实了各项处理应对措施,及时调整了施工参数,避免了地质灾害的发生,保证了隧道正常施工及人员安全。在肇兴隧道施工过程中, 超前地质预报曾多次成功探明岩体破碎带等不良地质体,使施工人员做到心中有数,提前采取施工措施,修正支护参数,确保了隧道的施工安全,进一步提高了隧道施工的工作效率。
5结论及建议
(1)隧道及洞室地下工程地质情况具有复杂性和不可见性,通过采用超前地质预报,可以减少隧道施工过程中的盲目性,能较好的避受地质灾害的发生;并根据现场预报结果,及时调整或修正设计参数及施工方法,正确指导施工,使施工快速、安全、经济、合理。因此,在地质条件复杂的情况下,以地质分析为主线,采用多种预报方法进行综合地质预报是解决隧道的超前预报问题重要方法,只有通过综合分析预报才能获得更加科学的超前预报成果。精确的地质预报成果不但可以提前采取相应的措施来预防地质灾害的发生,而且可以提高隧道施工的工作效率,更进一步确保隧道施工和人员安全,提高经济效益和社会效益。
(2)根据我国隧道施工现状,地质预报工作起步较晚,目前的超前预报尚处于技术的发展阶段,由于当前技术水平和其它因素的影响,超前地质预报的准确率还有待进一步提高。同时,地质预报工作也应在工程施工得到重视,在施工过程中应将超前地质预报工作纳入施工管理程序,真正做到先预报后施工,以达到安全施工和优化设计的目的。
(3)隧道的超前地质预报是避免施工灾害事故、保证隧道施工顺利进行、提高隧道科学化、信息化施工水平的有效手段,但任何一种物探手段都不是万能的,应充分利用各自的特点,发展综合超前地质预报技术,使得超前地质预报水平越来越高;同时进行新技术新方法的研究和现有设备软件处理水平的提高,不断提高我国的超前地质预报水平,使超前地质预报逐渐成为工程地质学的一个重要组成部分。
注释:
李志厚 云南山岭公路隧道修筑技术研究[D].长安大学博士学位论文,2009,2.
关键词：液体粘滞阻尼器；抗震加固； 实用性；应用前景
中图分类号：U445.2 文献标识码:
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
作者简介：陈永祁，男，美国，CE0&高级工程师，美国纽约州立布法罗分校工程博士，主要研究方向为地震结构保护系统(E-mail: )
1前言
截至2011年底，我国在役的公路桥梁总数达 68.9 万座。这些桥梁按建造年代考虑，1990 年全国桥梁总数约为16.8万座，2000 年约为23.1万座，到2008 年底为59.5 万座． 1990年之前桥梁( 占总数的 24%) 绝大多数位于等级较低的公路上，这些桥梁建造时有的没有进行抗震设计，有的是按照早期房屋建筑规范中抗震相关条文或 1977《公路工程抗震设计规范》试行稿进行抗震设计的; 1990 ～2008 年期间建造的桥梁，大约 42.7 万座桥梁( 占总数的 62%) 基本都是依据 1989 年颁布的《公路工程抗震设计规范》( 简称 89 规范) 进行抗震设计的。2009 年起建造的桥梁，基本都是按照 2008年颁布的《公路桥梁抗震设计细则》( 简称 08 细则) 设计的。随着《公路08细则》[1]《城市桥梁抗震设计规范》[2]的颁布，城市防灾规划要求的提升，对城市立交桥的抗震性能继而提出更高要求，即城市桥梁应保证在罕遇地震下维持正常交通功能[9]。
因此，公路桥梁应尽快展开维修加固，使城市交通基础设施在地震灾害中保证使用功能，维护人民生命财产安全。
2既有桥梁地震易损特点和抗震加固原则
截至2008 年底，我国建造并运营的公路桥梁总数大约有59.5 万座桥梁，占当前既有公路桥梁总数的62%。这些桥梁大部分是依据“89 规范”进行抗震设计的。与“08 细则”相比，这些既有公路桥梁存在的地震易损特点主要体现在以下几个方面: 1) 既有公路桥梁是依照单一水准即多遇地震进行抗震计算、设计和检算的，而我国当前公路桥梁是依据两级设防地震水准进行抗震设计的。2) 与“08 细则”相比较，上述年代建造的既有桥梁在延性构造如箍筋约束、纵筋间距、纵筋搭接、锚固长度、抗剪和盖梁配筋、框架桥墩节点区域构造要求均存在一定不足，将导致桥墩延性能力不足，框架节点区域也可能遭受破坏。 3) “08 细则”对防落梁装置和挡块设置提出了更高要求，特别是对跨径小于 40 m 的梁式桥，这意味着既有桥梁的防落梁搭接长度相对不足，存在较高的落梁破坏风险。
另外，根据专家在北京设计的经验在城市立交桥梁中看出，存在以下问题：1) 高墩纵向钢筋配置不均时，在变截面处加密箍筋，否则会导致抗弯能力不足，发生弯曲破坏。2) 矮桥墩要保证抗剪力足够，否则会发生脆性断裂。3) 目前抗震挡块的抗冲击力不足，应适当予以提高。4) 马甸桥、东便门桥、天宁寺桥等市政桥梁，均不同程度存在设防地震或罕遇地震下桥墩抗弯承载能力不足[4]。
根据以上易损性地特点，如下桥梁抗震加固原则被提出：
首先，应从体系抗震加固角度出发，依据识别的抗震薄弱部位或构件，讨论经济有效的加固方案，并从提高桥梁各构件的抗震能力( 强度和延性能力) 和减低地震对桥梁结构的地震需求( 减隔震) 两方面出发，来探讨各种可能的有效加固方案。
其次，在体系抗震加固方案比选的基础时需同时考虑桥梁正常使用条件的限制。
3桥梁抗震加固方法
目前从桥梁结构体系角度出发的抗震加固方法主要有：（1）梁连续化、质量轻型化方法（2）常规抗震加固方法（3）减、隔震加固技术（4）改变现有结构体系加固法（5）防落梁构造加固方法。虽然抗震加固有种种方法，但对某具体工程，往往需要在技术、经济、施工等的可行性中进行反复论证，才能提出合理可行的方案。另外，于2014年2月21日由住房城乡建设部推出关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的条文中提出，近年来，随着建筑工程减震隔震技术研究不断深入，我国一些应用了减隔震技术的工程经受了汶川，芦山等地震的实际考验，保障了人民生命财产安全，产生了良好社会效益。实践证明，减隔震技术能有效减轻地震作用， 提升房屋建筑工程抗震设防能力。并且提出了加强宣传指导，做好推广应用工作，加强设计管理，提高减隔震技术应用水平，加强施工管理，保证减隔震工程质量的等具体要求。可见未来的抗震加固趋向将主要围绕减隔震加固技术展开[10]。
4市政桥梁粘滞阻尼器加固的典型案例
这部分，笔者将之前参与的三个工程即北京的阜成门桥，德胜门桥，安定门桥进行有关粘滞阻尼器抗震加固方案的研究进行分析，并且其中阜成门桥。笔者主要侧重于抗震效果和经济性分析方面展开，德胜门和安定门主要就抗震的参数优化方面进行分析。
4.1案例一北京阜成门桥[4]
4.1.1模型建立
采用空间结构有限元建立该桥的有限元动力计算模型，以顺桥向为x轴，横桥向为y轴，竖向为z轴。主梁、墩柱、单桩采用梁单元模拟，桩周围采用土弹簧模拟桩土相互作用。全桥计算模型如图1。
图1 阜成门桥抗震分析模型
Fig.1 the FEA model of Fu Cheng Men Bridge
4.1.2现况桥梁抗震能力分析
根据《公路08细则》，可确定E1地震（50年超越概率63％）、E2地震（50年超越概率2％）设计水平加速度反应谱如下图2所示。以设计反应谱为目标谱，生成人工地震波如图3、4所示。并得出现况桥梁地震反应如表1。
图2 阜成门桥设计地震反应谱（2008年版抗震细则）
Fig.2 The earthquake response spectrum of Fuchengmen Bridge
图3 E1工地震时程 图4 E2人工地震时程
Fig.3 The artificial waves of E1-level earthquake Fig.4 The artificial waves of E2-level earthquake
表1 现况桥梁地震反应
Table 1 Seismic responses of the current bridge
地震水平 墩柱名称 剪力（kN） 抗剪能力（kN） 弯矩（kN・M） 抗弯能力（kN・M） 梁端位移（cm）
E1纵向+竖向 固定墩 264 178 1256 1080 4
活动墩 17 116 51 689
固定墩桩 691 304 1569 1012
活动墩桩 36 247 84 530
E2纵向+竖向 固定墩塑性转铰 不满足现行延性构件的构造要求 15
4.1.3阻尼器加固后抗震能力分析
经过设计经验总结，采用减震技术对整体结构进行抗震加固。即在桥梁两端的主梁与桥台之间安装液态粘滞阻尼器，通过阻尼器耗散地震能量，使固定墩分担的地震力显著减小。达到即使在罕遇地震作用下，固定墩在原有配筋条件下处于弹性阶段，确保地震中不损伤。由单柱墩抗弯能力与墩顶位移的相关关系，可以确定墩顶的极限位移为1.5cm。以此作为罕遇地震下结构目标位移，结合主梁横断面情况，按照工程经验在两侧桥台各设置10个阻尼器，初步拟定阻尼器参数选取范围：C=700～1200kN•(s/m) α，α=0.2～0.6，在此范围进行阻尼器参数比选分析。最终确定阻尼器参数为：C=1000 kN•(s/m) α，α=0.3。采用此方案，结构地震反应计算结果如表2所示。
表2阻尼器加固桥梁抗震能力分析
Table 2 seismic resistance analysis of bridge with dampers
地震水平 墩柱名称 剪力（kN） 抗剪能力（kN） 弯矩（kN・M） 抗弯能力（kN・M） 梁端位移（cm）
E1纵向输入 固定墩 8 178 37 1080 0.1
活动墩 18 116 51 689
固定墩桩 20 304 48 1012
活动墩桩 36 247 84 530
E2纵向输入 固定墩 62 178 508 1080 1
活动墩 62 116 182 689
固定墩桩 260 304 568 1012
活动墩桩 123 247 287 530
另外，注意到应用粘滞阻尼器会增加桥台受力，应进行复核验算。
4.1.4加固方案经济性及可实施性分析
将阻尼器加固方案与常规加固方案进行比较表明，如表3所示：该方法可以降低维修加固成本38%左右，且交通影响很小（只须占辅路非机动车道安装阻尼器施工），因而可操作性强，施工过程可见图11。
表3 加固方案比较
Table 3 the comparison of strengthen scheme
项目名称 常规加固方案 阻尼器加固方案
主要工作内容 更换中墩支座；增大墩柱截面，并外包钢板；对原承台进行加宽处理，在承台加宽部分下施工桩基础 在主梁及桥台表面安装阻尼器基座及锚筋
交通影响 二环主辅路各断行一个车道 对二环辅路有一定影响，但不断路
施工周期 约90天 约60天
总造价 1220万 760万
4.2案例二德胜门东桥[5]
4.2.1模型建立
对德胜门原桥进行抗震性能评估：结构建模采用三维空间有限元模型，主梁、桥墩采用空间梁单元，桥面板采用均匀布置在主梁上梁单元的，边跨两侧在顺桥向以及横桥向采用弹簧单元模拟支座；图5为德胜门桥有限元模型。
图5德胜门桥计算模型
Fig.1 The Caculation Model Of Deshengmen Bridge 图6E2级的地震下频谱数据
Fig.2 the frequency spectrum data of E2-level earthquake
4.2.2现况桥梁抗震能力
对现况桥梁进行反应谱分析，采用《公路桥梁抗震设计细则JTG/T B02-01―2008》[5]中的阻尼比为0.05的设计加速度反应谱。E1地震下，水平设计加速度反应谱最大值取为0.19g；E2地震下，水平设计加速度反应谱最大值取为0.59g，如图6。桥台前墙应力状况如表4；桥墩控制截面受力如表5。
表4桥台前墙应力状况 表5墩底弯矩（kN・M）
Table 4 the stress of front wall of abutment Table 5 the moment of the bottom of the pier
阶段 正常使用 E1地震 E2地震 阶段 正常使用 E1地震 E2地震 抗弯承载能力
前墙前应力(Mpa) -0.83(压) -0.89(压) -1.77(压) 墩底弯矩 (kN・M)
73.77
147.8
447.9 235
前墙背应力(Mpa) 0.35(拉) 0.47(拉) 2.2(拉)
中墩及分界墩在E1地震作用下处于弹性工作状态，如不进行减隔震设计，E2地震作用下墩柱将进入塑性状态，需要对墩柱抗剪及基础进行能力保护设计，但现况桥梁不能满足延性要求。
4.2.3阻尼器优化设计
以E1及E2下的反应谱为目标谱，各生成三条人工地震波作为地震输入进行时程反应分析，对阻尼器进行优化。阻尼器优化是布置位置，阻尼器个数，阻尼系数和速度指数等参数不断组合优化选取的过程，本工程优化时速度指数a选取了介于0.2-1之间的数值，C值取500-2000kN（s/m）a之间的数值。在设计中主要进行布置位置的优化和设计参数的优化。
4.2.3.1布置位置优化
图7加固方案剪力响应对比 图8加固方案弯矩响应对比图9加固方案相位移响应对比
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
结合德胜门桥结构形式提出两种阻尼器布置方案。方案一：桥台与主梁之间布置阻尼器8套，阻尼系数C=500kN（s/m），速度指数a=0.3；方案二：分界墩和主梁之间布置阻尼器8套，C=500kN（s/m），a=0.3。在E2地震作用下，采用非线性振型叠加法进行施加阻尼器结构关键响应的地震反应分析。对其进行地震反应对比如上图7~图9。
由上图可见：在桥台处布置粘滞阻尼器后，分界墩，中墩受力及位移可取得可观的减震效果， 但在E2地震下，桥台受力仍较大，仍然需要验算加强；若在分界墩处布置阻尼器，桥台受力大幅降低，可无需再加固桥台，但阻尼器参数还应适当优化，以确保分界墩及中墩的受力满足要求。见下文。
4.2.3.2设计参数优化
根据桥梁结构的实际情况，初步选用桥墩处布置阻尼器的方案。此外在上述分析中可以发现，桥墩处布置阻尼器时墩底剪力是地震控制响应。为此，文章选出了几种设计方案（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），对关键响应进行比较分析，对设计参数进行优化，如表6。
表:6不同阻尼参数方案墩底关键响应的比较
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，阻尼器布置越多对桥梁抗震越是有利，但是造价较高，可实施性也会较差。可以根据每种方案之间减震率的差值，分别为12.7%，22.2%，16.2%，因此阻尼器选择16套阻尼系数为1000KN（s/m）0.3 时，减震率增加幅度最大，经济性也较好。因此本桥最终选用方案为：两侧分界墩处，每侧各布置8套粘滞阻尼器，共计16套，其参数为C=1000 kN（s/m），a=0.3。
4.2.4阻尼器加固后减震率分析
采用该方案后，其减震率如下表所示（篇幅限制，仅以桥台剪力为例）：
表7桥台剪力最大值（kN）
Table 7 the maximum shear force of abutment
地震波 原模型时程结果 减震后 减震率
左侧 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%
右侧 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%
桥台剪力减震率达60%以上，效果显著。
经粘滞阻尼器减震后，所有墩柱的最大弯矩值均小于其承载力限值，保证了桥墩在遭遇罕遇地震工况下的承载安全，满足了要求。同时通过布置位置及阻尼参数的优化设计，其减震率和可实施性得到了良好的保证，取得了很好的经济效益和社会效益。
4.3案例三安定门东桥 [5]
鉴于安定门的设计及阻尼器的优化方案方法相似，本文不再赘述。主要对阻尼器加固后的减震率进行分析：
关键构件的地震响应如下所示（篇幅限制，仅以墩柱墩底内力为例）。
表8各墩柱墩底内力（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 减震率
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%
经粘滞阻尼器减震后，所有墩柱的最大弯矩值均小于其承载力限值，保证了桥墩在遭遇罕遇地震工况下的承载安全，满足了要求。
4.4 工程案例现场施工图
图10现场施工图
Fig. 10 Pictures of Site Operation
4.4案例经验总结
根据前面的案例，以得到以下经验：
（1）没有进行抗震设计、或按照77规范进行抗震设计的现役城市桥梁，一般而言普遍存在罕遇地震下延性能力不足等缺陷，应尽快开展抗震加固。
（2）减、隔震加固方法，特别是在墩梁、桥台主梁之间施加粘滞阻尼器的技术措施，为在交通拥堵严重的城市中进行立交桥抗震加固提供了一个很好的解决方案。
（3）减震加固时，需进行阻尼器布置位置及设计参数的优化，在达到控制目标位移的基础上，确保与阻尼器连接关键构件能满足承载力及正常使用极限状态的要求。
当然通过上述实例可发现，采用液体粘滞阻尼器对城市立交桥进行减、隔震加固，只要布置位置恰当，参数选择合理，则无论在墩台受力方面，还是防落梁方面，都具有显著地减震效果；与常规加固方法相比，无论是对交通的影响，或者是施工的复杂性和时间，还是造价方面也都有较大优势，易于在同类桥梁中推广应用。
5阻尼器在我国应用存在的问题及其前景（市场走向）
5.1阻尼器在我国应用存在的问题及其前景
近些年来,随着我国基础建设的加强,大型公共建筑和桥梁的飞速发展,阻尼器在我国土木工程界的发展很快,还将有更大的发展空间。在美国阻尼器的大量应用是经过十几年的发展过程。这是一个从基础研究到工程鉴定、从大量的试验到设计规范、直到140多个大型工程的应用过程。在我国,基础研究和大量的使用比起来就显得不足。不少问题有待我们去改进和提高，例如，缺少相应的设计规范和阻尼器验收规程，减隔震设备的测试手段和测试规程欠缺以及阻尼器基本知识的普及等。
5.2抗震阻尼器未来的市场走向
在国际上，阻尼器的应用已经十分广泛，迎来了自身发展的“新纪元”。国内市场前景很好。也正因国内市场前景可观，一些山寨产品、甚至是假冒伪劣产品的发展速度惊人，它的低价位成为了主要的市场竞争手段。我们只能面对这种形势，在阻尼器产品的介绍宣传和工程实际应用上更加努力，提高大家对这种产品的认识，并通过自己的国际优势，将世界上最先进的理论、最优良的产品推广到国内。
总之,近十几年来,随着桥梁工程、抗震工程等在我国的发展,阻尼器在我国土木工程界应用越来越广泛,随着我国基础建设力度的加大,阻尼器在我国有十分广阔的应用空间。我们已有了一个很好的开始。随着进一步的完善,一定会有更加广阔的发展前景。
参考文献
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2008（JTG/T B02-01―2008 Guidelines of Seismic Design of Highway Bridges.Beijing:China Communications Press,2008(in Chinese)）
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2011（CJJ166-2011 Code for seismic design of urban bridges [s]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2011（in Chinese））
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[8]陈永祁. 桥梁工程液体黏滞阻尼器设计与施工[M]. 北京：中国铁道出版社 2012.3.
