許玉海 喬淵瑋 張梓鴻 李沅軍 趙正陽(yáng)

(1.金現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司, 250014, 濟(jì)南; 2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城市軌道交通中心,100081, 北京; 3.石家莊鐵道大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院, 050043, 石家莊∥第一作者, 高級(jí)工程師)

隨著既有地鐵盾構(gòu)隧道數(shù)量的增多及其運(yùn)營(yíng)年限的增長(zhǎng),受列車(chē)運(yùn)營(yíng)荷載、隧道自身結(jié)構(gòu)因素及外界環(huán)境的影響,盾構(gòu)隧道中各類病害日益突出,嚴(yán)重威脅列車(chē)行駛安全。

目前,盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)方法主要分為傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法和機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)兩大類。文獻(xiàn)[1]采用層次分析法構(gòu)建了盾構(gòu)隧道滲漏病害的3層評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,使用綜合模糊評(píng)估向量集化方法確定了隧道滲漏狀態(tài)的模糊綜合評(píng)價(jià)值。文獻(xiàn)[2]針對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道的常見(jiàn)病害,選取了23個(gè)可定量因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo),將隧道病害等級(jí)劃分為4級(jí),建立了4層病害評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用盾構(gòu)隧道病害評(píng)價(jià)模糊綜合算子對(duì)盾構(gòu)段檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[3]參考現(xiàn)有規(guī)范,利用層次分析法建立了公路隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)診斷指標(biāo)體系,確定了指標(biāo)權(quán)重,制定了指標(biāo)等級(jí)的判定標(biāo)準(zhǔn),基于模糊綜合評(píng)價(jià)理論建立了公路隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的模糊綜合評(píng)價(jià)模型。文獻(xiàn)[4]通過(guò)層次分析法建立了環(huán)境、管片結(jié)構(gòu)響應(yīng)、鋼筋應(yīng)變、材料劣化等因素的多級(jí)盾構(gòu)隧道評(píng)價(jià)體系,采用綜合評(píng)價(jià)法對(duì)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[5]通過(guò)層次分析法確定了隧道各影響因素的權(quán)重,建立了評(píng)價(jià)模型的二級(jí)指標(biāo)體系,運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)高速公路隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[6]通過(guò)熵權(quán)法確定了指標(biāo)權(quán)重,構(gòu)造了隸屬函數(shù),計(jì)算了評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度,確立了多級(jí)模糊綜合決策評(píng)價(jià)模型。文獻(xiàn)[7]確定了影響盾構(gòu)隧道安全性的評(píng)價(jià)指標(biāo),包括滲漏水、管片橫向和縱向變形、錯(cuò)臺(tái)量及裂縫寬度,制定了各指標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)乘積標(biāo)度法確定了指標(biāo)權(quán)重,基于模糊理論對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)[8]針對(duì)隧道涌水事故,結(jié)合13個(gè)主要影響因素構(gòu)建了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用搜集的樣本數(shù)據(jù),搭建了13個(gè)神經(jīng)元的輸入層、5個(gè)神經(jīng)元的隱含層及1個(gè)神經(jīng)元的輸出層,并將數(shù)據(jù)集按8∶2劃分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練。

調(diào)查發(fā)現(xiàn),當(dāng)前隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)研究仍存在一些不足。傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法主要通過(guò)模糊數(shù)學(xué)對(duì)隧道表觀問(wèn)題進(jìn)行評(píng)價(jià),缺少對(duì)隧道整體狀態(tài)的評(píng)估。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法缺少客觀的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練,且訓(xùn)練效果不理想。本文從材料劣化、滲漏水、結(jié)構(gòu)變形和沉降等四方面建立了多級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,規(guī)定了指標(biāo)分級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn),并采用層次分析法確定了各指標(biāo)的權(quán)重,劃分了5級(jí)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的健康值,基于模糊數(shù)學(xué)建立了模糊綜合評(píng)價(jià)模型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)。

1 地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

地鐵線網(wǎng)密布、交錯(cuò),站點(diǎn)設(shè)置密集且列車(chē)運(yùn)行頻次高[9-12]。為構(gòu)建反映運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)體系,根據(jù)系統(tǒng)性原則,將運(yùn)營(yíng)隧道看作一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),并采用集成思想對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析;遵循定量與定性相結(jié)合的原則,對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行量化處理,以更科學(xué)、客觀地進(jìn)行評(píng)價(jià);按照獨(dú)立性原則要求各項(xiàng)指標(biāo)在同一個(gè)層次內(nèi)互相獨(dú)立,避免含義相似或相互混雜的情況發(fā)生;基于科學(xué)性與可靠性原則,建立盾構(gòu)隧道的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,以提高運(yùn)營(yíng)隧道的安全管理水平。針對(duì)盾構(gòu)隧道的施工特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及病害類型,建立盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)體系,如圖1所示。

圖1 地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)體系

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)GB/T 39559.3—2020《城市軌道交通設(shè)施運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范 第3部分:隧道》、CJJ/T 289—2018《城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、DB 11/T 718—2016《北京市城市軌道交通設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)規(guī)范》、JGJ 8—2016《建筑變形測(cè)量規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),建立了評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表1)。

表1 地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的分配

對(duì)不同指標(biāo)賦予相應(yīng)的權(quán)重來(lái)表現(xiàn)指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)過(guò)程中重要程度的差異。采用層次分析法來(lái)確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重分配。

比較兩兩因素的相對(duì)重要性,構(gòu)建判斷矩陣。判斷矩陣采用1～9表示其重要程度,如表2所示。

表2 判斷矩陣

基于專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)各指標(biāo)的重要性進(jìn)行判斷,得到準(zhǔn)則層與指標(biāo)層的判斷矩陣。由判斷矩陣計(jì)算比較元素對(duì)于該準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重。

各指標(biāo)的判斷矩陣計(jì)算過(guò)程如下:

其中,A1、A2、A3、A4分別是材料劣化、滲漏水、結(jié)構(gòu)變形、沉降的判斷矩陣。

經(jīng)比較得到判斷矩陣,實(shí)際計(jì)算中,得到的矩陣是一致矩陣的情況很小。引入一致性指標(biāo)IC:

(1)

式中:

λmax——最大特征值;

n——判斷矩陣的階數(shù)。

查找對(duì)應(yīng)的隨機(jī)一致性指標(biāo)IR,見(jiàn)表3。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值

計(jì)算一致性比例RC:

RC=IC/IR

(2)

如果RC<0.1,則可認(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受,否則需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行修正。

分別計(jì)算地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中其他指標(biāo)之間的權(quán)重。材料劣化、滲漏水、結(jié)構(gòu)變形和沉降的權(quán)重分配W=[W1W2W3W4]=[0.124 0.226 0.501 0.150]。其中:材料劣化中各指標(biāo)的權(quán)重分配為W1= [W11W12W13]=[0.164 0.297 0.569],滲漏水中各指標(biāo)的權(quán)重分配為W2=[W21W22W23W24]=[0.126 0.282 0.320 0.272],結(jié)構(gòu)變形中各指標(biāo)的權(quán)重分配為W3=[W31W32W33W34W35W36W37]=[0.055 0.085 0.089 0.120 0.161 0.213 0.278],沉降變形中各指標(biāo)的權(quán)重分配為W4=[W41W42]=[0.418 0.512]。

得到的地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重如表4所示。

表4 地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

1.4 隸屬度函數(shù)的確定

地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)過(guò)程中,不少指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果通常表現(xiàn)為模糊性。對(duì)于這類模糊事件,可通過(guò)構(gòu)建相應(yīng)的隸屬函數(shù)實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果的量化。三角形隸屬度函數(shù)u(x)如下:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:

x——自變量,即實(shí)際檢測(cè)值;

a1、a2、a3、a4、a5——區(qū)間分段參數(shù)。

三角形隸屬度函數(shù)如圖2所示。

圖2 三角形隸屬度函數(shù)圖

2 地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)模型

2.1 綜合評(píng)價(jià)模型的確定

評(píng)價(jià)模型采用二級(jí)模型,分別對(duì)兩級(jí)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

一級(jí)指標(biāo)層模糊綜合評(píng)價(jià)為:R1=W1R1a,R2=W2R2a,R3=W3R3a,R4=W4R4a。其中:Ria為一級(jí)評(píng)價(jià)模型的隸屬度,Ri為二級(jí)評(píng)價(jià)模型的隸屬度,Wi為指標(biāo)權(quán)重,i=1,2,3,4。

二級(jí)指標(biāo)層模糊綜合評(píng)價(jià)Z為:

Z=W[R1R2R3R4]T

(8)

2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

建立地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)語(yǔ)集:V={V1,V2,V3,V4,V5}。將綜合評(píng)價(jià)得到的評(píng)價(jià)向量進(jìn)行單值化處理,與盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)等級(jí)對(duì)應(yīng)起來(lái),評(píng)判隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。

計(jì)算地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)值F:

(9)

通過(guò)F判斷地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)等級(jí),如表5所示。

表5 地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)等級(jí)

在實(shí)際情況中,當(dāng)單個(gè)指標(biāo)出現(xiàn)嚴(yán)重病害時(shí),通過(guò)上述計(jì)算可能出現(xiàn)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)良好,但單個(gè)指標(biāo)的嚴(yán)重病害容易對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。本文在進(jìn)行指標(biāo)隸屬度計(jì)算過(guò)程中,若出現(xiàn)單項(xiàng)指標(biāo)隸屬度屬于4級(jí)或5級(jí)時(shí),對(duì)應(yīng)的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)直接評(píng)定為4級(jí)或5級(jí)。

3 工程實(shí)例

選取2022年8月我國(guó)某條地鐵上行線路K30+800—K31+030區(qū)段的盾構(gòu)隧道檢測(cè)數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)單元。檢測(cè)結(jié)果包括:管片裂縫為2 mm,管片混凝土強(qiáng)度比為1,pH值為7.1,每100 m2的滲漏點(diǎn)數(shù)量為1.352個(gè),滲漏水量為3.43 L/d,單點(diǎn)滲漏水面積為0.172 m2,環(huán)向接縫寬度為2.5 mm,縱向接縫寬度為3.1 mm,橫向錯(cuò)臺(tái)量為5.6 mm,徑向錯(cuò)臺(tái)量為3.7 mm,螺栓應(yīng)力強(qiáng)度比為0.62,水平收斂變形為1.530 mm,豎向收斂變形為2.020 mm,累計(jì)沉降為3.5 mm,其他檢測(cè)項(xiàng)結(jié)果均為0。

確定各個(gè)指標(biāo)的隸屬向量,并建立評(píng)價(jià)矩陣如下:

一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià):R1=W1R1a=[0.836 0.164 0 0 0],R2=W2R2a=[0.15 0.61 0.14 0 0],R3=W3R3a=[0.23 0.59 0.18 0 0],R4=W4R4a=[0.58 0.35 0.07 0 0]。二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià):Z=W[R1R2R3R4]T=[0.40 0.47 0.13 0 0]。確定F=82.8。

評(píng)價(jià)結(jié)果表明,該段隧道完好狀況為Ⅱ級(jí),結(jié)構(gòu)輕微損傷,功能使用良好,應(yīng)經(jīng)常保養(yǎng)。采用GB/T 39559.3—2020對(duì)該單元進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果為85,屬于上述規(guī)范中隧道等級(jí)中的2類——隧道狀態(tài)較好,病害程度輕微,病害發(fā)展趨勢(shì)趨于穩(wěn)定。這表明本文提出的方法與規(guī)范具有較好的一致性。

4 結(jié)語(yǔ)

為提高地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性,基于模糊數(shù)學(xué)理論,構(gòu)建了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)模型?；诓牧狭踊B漏水、結(jié)構(gòu)變形和沉降等四方面建立了3層評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。通過(guò)層次分析法確定了指標(biāo)權(quán)重,并參考相關(guān)規(guī)范制定了適用于盾構(gòu)隧道多級(jí)評(píng)價(jià)的指標(biāo)分級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)不同病害等級(jí)分布的特點(diǎn),同時(shí)參考相關(guān)規(guī)范,將梯形隸屬度函數(shù)改進(jìn)為三角形隸屬度函數(shù)。本文構(gòu)建了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)模型,對(duì)國(guó)內(nèi)某地鐵上行線路K31+030—K31+030區(qū)段2022年3月隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià),其結(jié)果與規(guī)范評(píng)價(jià)結(jié)果較為一致,表明本文提出的評(píng)價(jià)方法可為地鐵盾構(gòu)隧道的維保決策提供依據(jù)。