上海地鐵一號線隧道健康狀態評定

錢一鳴

摘 要：隧道作為地鐵的重要基礎設施，其結構健康狀態直接影響著地鐵的行車安全。本文通過對上海地鐵一號線隧道結構病害的調查，通過研究建立了定量化的地鐵結構安全評估指標體系，運用合理的評估模型，對上海地鐵一號線健康狀態進行評價。

關鍵詞：一號線隧道 健康狀態 層次分析法 指標 權重

一、研究的必要性

上海地鐵一號線作為上海服役時間最長，運載乘客最多的地鐵主動脈，在上海地鐵全網絡中承擔著重要作用。任何結構都有自己的健康狀況，所以隧道及地下工程也是這樣。本文在既有研究成果的基礎上，對上海地鐵一號線隧道結構安全性檢算方法、運營隧道安全性評定，通過相關的檢測手段，探討上海地鐵一號線健康評價體系的方法，為隧道維護提供理論參考。

二、指標體系的研究

2.1 評價指標的選取

1、滲漏水

而上海由于處于軟土地址，地鐵隧道滲漏水狀況尤為突出。通過相關數據研究，地鐵一號線隧道滲漏水以“縫”和“孔”為主要滲漏途徑。

隧道滲漏水途徑主要包括以下四種：

（1）、管片接縫（2）、注漿孔（3）、螺栓孔（4）、管片裂縫（5）、其他位置，如地下連續墻、鋼管片管片接縫、隧道井接頭及整體道床變形縫等位置處，也會發生滲漏水病害現象。

2、沉降

雖然隧道管片本身重量總是小于隧道施工挖土壤的重量，并在飽和土壤和地下水對隧道有浮力，但由于上方堆載，周邊施工影響，上海地鐵一號線中也發生含水軟地層中隧道不均勻沉降。

3、 收斂變形

管片變形和移動既有縱向的，也有橫向的。橫向變形和移動主要影響管片結構橫斷面幾何尺寸，我們稱之為收斂變形。管片收斂變形一般是由于外荷載而引起的，隧道管片結構變形和移動后，就會達到相對穩定的狀態。通過測量手段可獲得運營隧道管片結構現狀幾何尺寸，通過長期觀測可獲得其發展趨勢。

4、結構損傷

管片裂損是隧道病害的主要形式，由于管片一側管片邊緣受拉，而另一側邊緣受壓，在混凝土強度或周圍環境影響下，形成裂縫。

2.2 指標的判定標準

健康指標判定標準是指對應于某一安全等級，而各層評價指標的值或狀態應處于的變化區間或狀態。判定標準包括定性的判定標準、定量的判定標準以及定性與定量相結合的判定標準。

1 、滲漏水

盡管地下工程防水標準以定量的形式給出了防水等級，但由于地下工程防水要求比地鐵隧道滲漏水更嚴格，因此還不能應用于地鐵結構滲漏水判定。因此，從實用性和可操作性的角度考慮，根據目前隧道內巡查所掌握的情況采用濕跡，滲水，滴漏，滲泥沙4個指標，表2-1中定義了4個參數的判定標準。

2、 沉降

事實上，如果地鐵整條線路能夠均勻沉降，這并不會對地鐵隧道的正常使用帶來問題，關鍵是這些因素導致了隧道的不均勻沉降，如果隧道不能承受沉降引起的荷載極限，這將導致隧道滲漏、開裂，嚴重影響隧道的正常使用功能。

因此根據歷年檢測結果，結合上海土質條件，我們采取差異沉降速率和單次差異沉降量這兩個指標作為沉降的判定標準。具體數據分析如表2-2，表2-3所示。

3、收斂變形的判定標準

目前，對于地鐵隧道橫向變形判定標準的研究甚少，而且橫向變形曲線也并非是標準的“橫鴨蛋"型。因此，用傳統的由力求位移的思想分析運營期盾構地鐵隧道結構內力和變形難度較大。目前主要采用經緯儀定期對地鐵隧道收斂變形量進行采集，根據歷年的檢測結果，最終采用表2-4中的變形量作為收斂變形的定量判定標準。

4、結構損傷

根據地鐵隧道檢查情況，目前常見的管片損傷病害主要表現為裂縫和管片缺角兩大類，如表2-6所示。

5、結構形變

結構形變主要表現為：（1）、錯臺；（2）、錯縫；（3）、道床與管片脫開；（4）、隧道縱縫張開和閉合等。

2.3 用德爾菲法與層次分析法確定評價指標權重

地鐵結構安全評估指標體系是一個多項目、多層次的復雜系統，每個層次又由多個評價指標組成。要對地鐵結構的安全狀態進行綜合評估，需要對各評價指標的權重進行綜合。

確定權重參數時，運用德爾菲法，由10位專家通過實際調查結果，依據控制與預警指標進行投票。

1、三級模糊綜合評價

（1）滲漏水

滲漏水的指標層指標包括4個指標，其中滴漏的危害性比滲水大，滲泥沙的危害性比滴漏大，則滲漏水的4個指標的標度權重為（濕跡，滲水，滴漏，漏泥沙）=（0.1；0.2；0.3；0.4）

（2）沉降

縱向沉降的指標層指標包括2個指標。“差異沉降”是縱向沉降較為直觀、有效的反映，比較方便測量，從某種意義上講，它直接反映了隧道縱向沉降的大小；因此沉降的2個指標的標度權重為 （差異沉降，沉降速率）=（0.7；0.3）

（3）收斂變形

橫向變形的指標只有變形量1個指標，因此，其標度權重為100。

（4）結構損傷

管片碎裂的指標層指標包括2個指標。2個指標中重要性相同，即（裂縫，缺角）=（0.5；0.5）。

（5）結構形變

結構形變主要表現在環與環之間或塊與塊之間產生錯縫，錯臺、道床與管片脫開、隧道縱縫張開和閉合等方面。道床混凝土尤其在小轉彎半徑區段，可能會發生管片脫離的現象，道床與管片脫開將會給運營安全帶來隱患。因此結構形變的權重表現為（錯縫，錯臺、道床與管片脫開、隧道縱縫張開和閉合）=（0.2；0.2；0.3；0.3）

2、二級模糊綜合評價

由德爾菲法和相關文獻研究得出“滲漏水”、“結構損傷”、“結構形變”、“長期沉降”及“收斂變形”的權重數構成運營盾構地鐵隧道區間安全評價上的權重向量為：

三、隧道檢測手段與結果

1、人工巡查

人工巡查是目前一號線最基本的檢測手段。目前人工巡查分為：年度檢查；季檢；雙周檢；周檢；專項檢查；特殊檢查等。

我們選取2016年6月份的人工巡檢記錄來對判斷一號線區間滲漏水、結構形變、結構損傷狀態。

2、沉降：

我們選取2016年上半年沉降檢測數據作為我們一號線隧道健康狀態評定的依據。根據上文所做研究，我們收集單次差異沉降量，沉降速率作為本次檢測數據。

監測點平差及計算：

最終單次差異沉降量見表3-1。

3、收斂變形

收斂變形主要檢測的數據為橫向變形量。一號線多為單圓隧道，圓形隧道直徑測量點布設擬自每個圓形隧道區間的第一環起，每五環測一環，至區間隧道最后一環結束，頭尾兩環必須測量，進出洞及旁通道及收斂異常區段加密。地鐵的收斂變形量一般委托有資質的監測單位測量。

四、上海地鐵一號線隧道健康評價體系的建立

4.1 健康狀態等級的設計

我們以我國公路隧道專項檢查結果的四級判定等級為基礎，結合上海地鐵的實際情況，建立起符合一號線特性的結構安全狀態等級，如表4-1所示。如在表中發生以下內容中出現一樣，我們即認為該區間處于對應的病害等級。

4.2 模糊綜合評價模型

雖然安全狀態評定標準為我們判斷區間狀態提供了定量的依據，但是區間安全狀態情況復雜，且處于不斷變化過程中，不能簡單的進行歸類。因此我們以安全狀態評定標準為參考，結合德爾菲法，對一號線各區間的安全等級進行評定，建立評價模型。

1、算例

我們以上海地鐵一號線常熟路站至陜西南路站上行區間為算列，該區間隧道結構病害統計如下：

根據以上各個運營風險的調查結果，由10位專家組成的評審小組，對其進行了評價。結果見表4-2所示。

首先對滲漏水進行綜合評價。第一，建立因素集和評價集

U={濕跡（u1 ）、滲水（u2 ）、滴漏（u3 ）、漏泥沙（u4 ）}

評價集為

V={安全（v1 ）、較安全（v2 ）、臨界（v3 ）、危險（v4 ）}

第二，確定各因素的隸屬度

專家10人對“濕跡”的評價為：6人認為“安全”，占6%；4人認為“較安全”，占40%；0人認為“臨界”，占0%；0人認為“危險”，占0%。因此，“濕跡”的隸屬度為：

同理可知，“滲水”、“滴漏”及“漏泥沙”的隸屬度分別為：

則“滲漏水”中4個因素組成的模糊矩陣為

第三，確定權重集

由表4-3中可知，

由式C=R·S可知“滲漏水”的安全綜合評價為

依據（1）的計算推論，同理可得“結構損傷”的綜合評價結果：

依據（1）的計算推論，同理可得“結構形變”的綜合評價結果：

依據（1）的計算推論，同理可得“長期沉降”的綜合評價結果：

依據（1）的計算推論，同理可得“收斂變形”的綜合評價結果：

由“滲漏水”、“結構損傷”、“結構形變”、“長期沉降”及“收斂變形”的權重數構成運營盾構地鐵隧道區間安全評價上的權重向量為：

則二級模糊綜合評價結果為：

由最大隸屬度原則，在“安全、較安全、臨界、危險”四級風險影響程度評語中，該區段的綜合評價結果為“較安全”。

4.3 上海地鐵一號線隧道健康狀態評定結果

根據上節的算例，我們依次計算得出了上海地鐵一號線健康狀態評定結果，如表4-2所示：

從上表可以看出上述安全的區間總數為18個，占區間總數的60%，臨界的區間總數為9個，占區間總數的30%，較危險3個，占區間總數的10%，危險的區間0個，占區間總數的0%。綜上所述，目前上海地鐵一號線總體健康狀態可控，但仍有部分區間處于臨界及較危險狀態，需要及時進行處置。

五、結論

本文查閱了大量文獻，結合多年的工程實際經驗及歷年監測成果，利用德爾菲法及模糊綜合分析法，對上海地鐵地鐵一號線隧道健康狀態進行評定，主要結論如下：

（1）根據評價指標制定的原則，對上海地鐵一號線健康狀態評價體系中的指標集進行了設計。

2）隧道病害的準確監測是切實做好隧道病害判定與整治的前提，本文在總結目前上海地鐵一號線隧道結構檢測的手段基礎上，用相關設備對一號線隧道評價指標進行了收集。

（3）運用德爾菲法、層次分析法以及模糊理論對上海地鐵一號線健康狀況綜合評價指標進行了權重確定，并構建出隧道和地下工程健康的模糊綜合評價模型。

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