公路隧道健康狀態評價指標權重的探討

■邱欽欽

（1.福建省交通科學技術研究所;2.福建省公路水運工程重點實驗室，福州 350004）

1 《公路隧道養護技術規范》分項權重值探討

交通運輸部于2015年3月修訂發布了公路工程行業標準 《公路隧道養護技術規范》（JTG H12-2015）。《規范》從養護檢查、病害處置、安全管理等方面進行修訂，并重點引入了分級養護和結構技術狀況評定的內容，為各級隧道管理養護單位把握隧道技術狀況和采取對應的養護策略提供了依據和參考。但在實際隧道病害檢測中發現《規范》中土建結構各分項權重值的分配滿足不了要求[1]。

（1）土建結構各分項權重表中襯砌權重為40，包括結構破損、滲漏水兩項，但結構破損、滲漏水權重未給出，見表 1。

（2）《規范》中襯砌狀況值的評定未加入探地雷達對襯砌質量的檢測，如在實際隧道病害檢測中，采用探地雷達對襯砌進行檢測時發現襯砌厚度不足、襯砌背后空洞、鋼筋缺陷等，這些指標對襯砌質量都產生較大影響。

（3）《規范》對運營病害（隧道有害氣體、照明、噪音等）未進行規定。

表1 土建結構各分項權重表

為更好的對隧道健康狀態進行診斷，確保隧道的正常運營，本文提出：（1）將襯砌病害權重進行重新分配。襯砌結構病害主要包括襯砌裂縫，襯砌變形、移動、沉降，襯砌起層、剝落，滲漏水，襯砌腐蝕、襯砌背后空洞、襯砌厚度不足、鋼筋缺陷八個指標，這八個診斷指標，基本囊括了隧道襯砌結構病害的所有形態；（2）在隧道病害分析中加入隧道運營病害指標，將排水設置、吊頂及預埋件的權重分別減小為4、6，隧道運營病害指標權重定為6，并對有害氣體、照明、噪音指標權重進行分配。

2 指標權重確定方法的選取

目前，指標權重的確定方法比較多，如層次分析法、主成分分析法、專家咨詢法、神經網絡法等。其中層次分析法和專家咨詢法屬于主觀賦權法，主成分分析法、神經網絡方法屬于客觀分析法。這些方法從不同的角度對權重問題進行了研究，但也都有一定的使用范圍和局限性[2]。

（1）層次分析法是美國運籌學家T L Saty在70年代提出的一種將半定性、半定量問題轉化為定量計算的方法。該法于80年代引入我國，應用較廣。

（2）主成分分析法是現代多元分析中的一種方法。該法雖以實測資料為基礎，比較客觀，但它只注重實測數據間的關聯性，而缺乏對不同診斷指標在物理力學關系上的重要性的考慮，同時，其計算也比較煩瑣。

（3）專家咨詢法又稱為“德爾斐”（Delphi）法，該法是對專家進行調查，了解他們的意見，通過統計處理及反饋等步驟，把意見逐步收斂到較為一致的基礎上，確定各級指標的重要性順序，從而確定權重。該法有時帶有較大的主觀經驗性，專家的選擇將直接影響到結果的準確性。

（4）人工神經網絡方法是利用人工神經網絡的自組織、自學習，通過神經網絡確定權重，它可以學習和自適應不確定的系統，能同時處理定量和定性知識，利用樣本訓練后，就能得到與評價情況相符合的指標權重值。神經網絡方法是采用數據來得到權重的方法，它需要較多的實測數據。

雖然權重的確定方法不少，但均不是十全十美，各有優、缺點。究其原因，一方面是由于權重確定問題比較復雜，另一方面也是由于各種權重確定方法本身存在局限性。本文應用層次分析法確定準則層和指標層指標的權重。

層次分析法的基本思想是把復雜問題分解成若干層次，通過兩兩對比得出每個因素的權重。在公路隧道健康狀態綜合診斷指標體系中，需要確定的權重是各診斷指標之間的相對重要性。在這些診斷指標的兩兩比較中，一般不存在“極端大”的情況，出現“強烈大”的情況也不多，即便出現“強烈大”的情況，其相對于其它診斷指標的重要性也不宜過大，否則設置其它指標的意義就極小，因此本次采用從“相同”到“強烈大”區分差異相對較小的“9/9～9/1標度法”，如表 2所示。

表2 層次分析法9/9～9/1標度法

3 襯砌指標權重的確定

裂縫、襯砌變形移動和沉降、襯砌起層剝落這三個指標，是襯砌結構破壞的最終表現形式，往往意味著襯砌結構已經破壞或即將破壞，因此認為這三個指標的權重相對最大；滲漏水是襯砌結構破壞的最直接反映和重要誘發因素，對行人和行車的危害性較大，因此認為滲漏水診斷指標的權重次之；襯砌背后的腐蝕性滲漏水，對襯砌混凝土和砌石、灰縫產生物理性或化學性的侵蝕作用，造成襯砌腐蝕，因此認為襯砌腐蝕診斷指標權重次于滲漏水；襯砌背后空洞往往引起隧道襯砌結構受力分布不均，是襯砌結構破壞的重要誘發因素，但其對行人和行車的危害性是潛在的，一般不會突然發生而直接對行人和行車造成危害，而且病害治理相對簡單，因此認為襯砌背后空洞診斷指標權重相對較小；襯砌厚度不足及鋼筋缺陷是襯砌結構破壞的重要內在因素，因此認為其權重相對較大。

襯砌裂縫與襯砌變形移動和沉降量相比，襯砌裂縫更容易在日常檢查中被發現，檢測手段相對簡單，檢測資料較容易獲取，因此認為“襯砌裂縫”較“襯砌變形移動和沉降”的重要性“稍微大”；襯砌裂縫與襯砌起層剝落相比，病害的危害程度和影響范圍更大，兩者者的檢測手段的復雜程度和檢測資料獲取的難易程度相當，因此認為“襯砌裂縫”較“襯砌起層剝落”的重要性“稍微大”；當隧道襯砌出現裂縫時，往往意味著襯砌結構已經或即將破壞，襯砌裂縫和滲漏水一樣直接對行人、行車造成危害，但襯砌裂縫更直接影響到隧道的正常使用，因此認為“襯砌裂縫”相對“滲漏水”的重要性“明顯大”；襯砌腐蝕會促使混凝土骨料分離、疏松，使混凝土強度變低，是襯砌裂縫的誘發因素之一，因此認為“襯砌裂縫”相對“襯砌腐蝕”的重要性“明顯大”；襯砌背后空洞往往引起隧道襯砌結構受力分布不均，是襯砌結構破壞的重要誘發因素，其對隧道襯砌安全的影響是潛在的，因此認為“襯砌裂縫”相對“襯砌背后空洞”的重要性“強烈大”；雖然襯砌厚度不足和鋼筋缺陷關系隧道的內在質量和永久使用，但從對行人、行車的直接危害性角度看，認為“襯砌裂縫”相對“襯砌厚度不足”和“鋼筋缺陷”的重要性“稍微大”。

襯砌“襯砌變形移動和沉降”與“襯砌起層剝落”相比，病害的危害程度和影響范圍更大，因此認為“襯砌變形移動和沉降”較“襯砌起層剝落”的重要性“稍微大”；當隧道襯砌出現“變形移動和沉降”時，往往意味著襯砌結構已經或即將破壞，和滲漏水一樣直接對行人、行車造成危害，但“襯砌變形移動和沉降”更直接影響到隧道的正常使用，因此認為“襯砌變形移動和沉降”相對“滲漏水”的重要性“明顯大”；襯砌腐蝕會促使混凝土骨料分離、疏松，使混凝土強度變低，會誘發“襯砌變形移動和沉降”，因此認為“襯砌變形移動和沉降”相對“襯砌腐蝕”的重要性“明顯大”；襯砌背后空洞往往引起隧道襯砌結構受力分布不均，是襯砌結構破壞的重要誘發因素，其對隧道襯砌安全的影響是潛在的，因此認為 “襯砌變形移動和沉降”相對“襯砌背后空洞”的重要性“強烈大”；雖然襯砌厚度不足和鋼筋缺陷關系隧道的內在質量和永久使用，但從對行人、行車的直接危害性角度看，認為“襯砌變形移動和沉降”相對“襯砌厚度不足”和“鋼筋缺陷”的重要性“稍微大”。

當隧道襯砌出現“襯砌起層剝落”時往往意味著襯砌結構已經或即將破壞，和滲漏水一樣直接對行人、行車造成危害，但“襯砌起層剝落”更直接影響到隧道的正常使用，因此認為“襯砌起層剝落”相對“滲漏水”的重要性“明顯大”；襯砌腐蝕會促使混凝土骨料分離、疏松，使混凝土強度變低，會誘發“襯砌起層剝落”，因此認為“襯砌起層剝落”相對“襯砌腐蝕”的重要性“明顯大”；襯砌背后空洞往往引起隧道襯砌結構受力分布不均，是襯砌結構破壞的重要誘發因素，其對隧道襯砌安全的影響是潛在的，因此認為“襯砌起層剝落”相對“襯砌背后空洞”的重要性“強烈大”；雖然襯砌厚度不足和鋼筋缺陷關系隧道的內在質量和永久使用，但從對行人、行車的直接危害性角度看，認為“襯砌起層剝落”相對“襯砌厚度不足”和“鋼筋缺陷”的重要性“稍微大”。

腐蝕性滲漏水是襯砌腐蝕的影響因素之一，襯砌背后的腐蝕性滲漏水，對襯砌混凝土和砌石、灰縫產生物理性或化學性的侵蝕作用，會造成襯砌的腐蝕，但滲漏水對行人、行車造成危害性較大，因此認為“滲漏水”相對“襯砌腐蝕”的重要性“稍微大”；由于滲漏水相比襯砌背后空洞對行人和行車的直接危害性較大，也容易在隧道日常檢查中被發現，檢測手段相對簡單，檢測資料較容易獲取，因此認為“滲漏水”比“襯砌背后空洞”的重要性“稍微大”；雖然隧道滲漏水對行人和行車的直接危害性較大，也容易在隧道日常檢查中被發現，檢測手段相對簡單，檢測資料較容易獲取，但“襯砌厚度不足”和“鋼筋缺陷”直接影響了隧道內在質量，影響了隧道使用壽命，因此認為“滲漏水”較“襯砌厚度不足”和“鋼筋缺陷”的重要性“稍微大”。

由滲漏水引起的襯砌腐蝕，在滲漏水流的持續作用下會使混凝土疏松、強度變低甚至產生空洞，因此認為“襯砌腐蝕”相對“襯砌背后空洞”的重要性“稍微大”；由于“襯砌厚度不足”和“鋼筋缺陷”直接影響了隧道內在質量，影響了隧道使用壽命，因此認為“襯砌厚度不足”和“鋼筋缺陷”較“襯砌腐蝕”的重要性“稍微大”。

襯砌背后空洞往往引起隧道襯砌結構受力分布不均，是襯砌結構破壞的重要誘發因素，而“襯砌厚度不足”和“鋼筋缺陷”直接影響了隧道內在質量，影響了隧道使用壽命，因此認為“襯砌厚度不足”和“鋼筋缺陷”較“襯砌背后空洞”的重要性“稍微大”。

“襯砌厚度不足”和“鋼筋缺陷”都直接影響了隧道內在質量，影響隧道使用壽命，且兩者的檢測手段的復雜程度和檢測資料獲取的難易程度相當，因此認為“襯砌厚度不足”和“鋼筋缺陷”的重要性相同。

表3 判斷矩陣

表4 RI系數

采用和積法求解此判斷矩陣。

（1）求出兩兩比較矩陣每一列的和，見表3。

（2）將兩兩比較矩陣的每一個元素除以相應的列的總和，所得的商組成新的兩兩標準矩陣。兩兩標準矩陣為：

（3）按行相加。

（4）將向量正規化。

求得特征向量：

W=(0.179 0.168 0.158 0.110 0.089 0.070 0.112 0.112)T，填入表內。

（5）計算判斷矩陣的最大特征根λmax。

（6）檢驗矩陣的一致性。

計算一致性指標CI：

由于矩陣為八階矩陣，查表4，得RI=1.41。

計算隨機一致性比例CR：

因此，可以認為所構造的兩兩比較矩陣滿足一致性要求，其相應的特征向量有效。

4 運營病害指標權重的確定

公路隧道運營病害主要包括有害氣體，照明、噪音三個指標，隧道內有害氣體直接危害養護維修人員和機車車輛乘務人員的身體健康，當有害氣體累積過高時，甚至會導致人急性中毒，隧道內有害氣體的累積還會對隧道襯砌混凝土以及鋼軌、扣件等設備產生腐蝕，因此認為隧道內有害氣體權重最高；隧道能見度不夠、隧道內亮度不夠，車輛高速駛入駛出隧道時產生的“黑洞”和“白洞”效應都為隧道的照明病害，隧道照明病害是誘發交通事故的重要因素之一，隧道內的照明條件不佳時，可能對駕駛人員的心理和生理產生影響，誘發交通事故的產生，因此認為隧道照明權重次之；隧道高分貝噪音病害也是誘發交通事故的因素之一，它會使人的反應能力下降，心理緊張、煩躁，進而容易誘發交通事故，相比隧道照明病害的種類，認為隧道噪音指標權重最小。隧道運營病害權重總共為6，對運營病害權重進行分配，有害氣體的權重為3，照明權重為2，噪音權重為1。重新分配后土建結構各分項權重見表5。

表5 公路隧道健康狀態指標權重表

公路隧道健康等級評價方法參考《規程》中土建結構的技術狀況評定方法。

[1]李健.解讀2015版《公路隧道養護技術規范》[A].養護與管理.2015(3).

[2]曹校勇.公路隧道健康狀態綜合診斷方法研究[D].長安大學,2008.

[3]羅方.地質雷達在隧道健康診斷中的應用[J].長安大學學報(自然科學版),2006,(03):51-54.

[4]中華人民共和國交通部.JTG H12-2015,公路隧道養護技術規范[S].北京:人民交通出版社，2015.

[5]鄭陽焱.公路隧道襯砌裂損機理及結構安全性評價研究[D].中南大學,2014.

[6]中華人民共和國環境保護部.GB 3096-2008,聲環境質量標準 [S].北京:中國環境科學出版社,2008.