基于模糊綜合評價模型的地鐵盾構隧道結構健康狀態評價*

許玉海 喬淵瑋 張梓鴻 李沅軍 趙正陽

(1.金現代信息產業股份有限公司, 250014, 濟南; 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司城市軌道交通中心,100081, 北京; 3.石家莊鐵道大學交通運輸學院, 050043, 石家莊∥第一作者, 高級工程師)

隨著既有地鐵盾構隧道數量的增多及其運營年限的增長,受列車運營荷載、隧道自身結構因素及外界環境的影響,盾構隧道中各類病害日益突出,嚴重威脅列車行駛安全。

目前,盾構隧道結構健康狀態評價方法主要分為傳統評價方法和機器學習預測兩大類。文獻[1]采用層次分析法構建了盾構隧道滲漏病害的3層評價指標體系,使用綜合模糊評估向量集化方法確定了隧道滲漏狀態的模糊綜合評價值。文獻[2]針對地鐵盾構隧道的常見病害,選取了23個可定量因素作為評價指標,將隧道病害等級劃分為4級,建立了4層病害評價指標體系,采用盾構隧道病害評價模糊綜合算子對盾構段檢測結果進行了定量評價。文獻[3]參考現有規范,利用層次分析法建立了公路隧道結構健康狀態診斷指標體系,確定了指標權重,制定了指標等級的判定標準,基于模糊綜合評價理論建立了公路隧道結構健康狀態的模糊綜合評價模型。文獻[4]通過層次分析法建立了環境、管片結構響應、鋼筋應變、材料劣化等因素的多級盾構隧道評價體系,采用綜合評價法對隧道結構健康狀態進行了評價。文獻[5]通過層次分析法確定了隧道各影響因素的權重,建立了評價模型的二級指標體系,運用模糊綜合評價對高速公路隧道結構健康狀態進行了評價。文獻[6]通過熵權法確定了指標權重,構造了隸屬函數,計算了評價指標的隸屬度,確立了多級模糊綜合決策評價模型。文獻[7]確定了影響盾構隧道安全性的評價指標,包括滲漏水、管片橫向和縱向變形、錯臺量及裂縫寬度,制定了各指標的判定標準,通過乘積標度法確定了指標權重,基于模糊理論對地鐵盾構隧道進行了評估。文獻[8]針對隧道涌水事故,結合13個主要影響因素構建了風險評估指標體系,基于人工神經網絡利用搜集的樣本數據,搭建了13個神經元的輸入層、5個神經元的隱含層及1個神經元的輸出層,并將數據集按8∶2劃分為訓練集和驗證集對模型進行訓練。

調查發現,當前隧道結構健康狀態評價研究仍存在一些不足。傳統評價方法主要通過模糊數學對隧道表觀問題進行評價,缺少對隧道整體狀態的評估。神經網絡方法缺少客觀的評價數據對模型進行訓練,且訓練效果不理想。本文從材料劣化、滲漏水、結構變形和沉降等四方面建立了多級評價指標體系,規定了指標分級判定標準,并采用層次分析法確定了各指標的權重,劃分了5級隧道結構健康狀態及對應的健康值,基于模糊數學建立了模糊綜合評價模型,實現了對地鐵盾構隧道結構健康狀態的評價。

1 地鐵盾構隧道結構健康狀態評價指標體系

1.1 評價指標體系的構建

地鐵線網密布、交錯,站點設置密集且列車運行頻次高[9-12]。為構建反映運營隧道結構健康狀態的評價體系,根據系統性原則,將運營隧道看作一個復雜的系統,并采用集成思想對運營隧道結構健康狀態進行預測和分析;遵循定量與定性相結合的原則,對各項指標進行量化處理,以更科學、客觀地進行評價;按照獨立性原則要求各項指標在同一個層次內互相獨立,避免含義相似或相互混雜的情況發生;基于科學性與可靠性原則,建立盾構隧道的評價指標體系,以提高運營隧道的安全管理水平。針對盾構隧道的施工特點、結構及病害類型,建立盾構隧道結構健康狀態評價體系,如圖1所示。

圖1 地鐵盾構隧道結構健康狀態評價體系

1.2 評價指標分級標準的確定

根據GB/T 39559.3—2020《城市軌道交通設施運營監測技術規范 第3部分:隧道》、CJJ/T 289—2018《城市軌道交通隧道結構養護技術標準》、DB 11/T 718—2016《北京市城市軌道交通設施養護維修技術規范》、JGJ 8—2016《建筑變形測量規范》等標準,結合地鐵盾構隧道結構的特點,建立了評價體系中各指標的分級標準(見表1)。

表1 地鐵盾構隧道結構健康狀態評價指標分級標準

1.3 各評價指標權重的分配

對不同指標賦予相應的權重來表現指標在綜合評價過程中重要程度的差異。采用層次分析法來確定各個指標的權重分配。

比較兩兩因素的相對重要性,構建判斷矩陣。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

基于專家經驗對各指標的重要性進行判斷,得到準則層與指標層的判斷矩陣。由判斷矩陣計算比較元素對于該準則的相對權重。

各指標的判斷矩陣計算過程如下:

其中,A1、A2、A3、A4分別是材料劣化、滲漏水、結構變形、沉降的判斷矩陣。

經比較得到判斷矩陣,實際計算中,得到的矩陣是一致矩陣的情況很小。引入一致性指標IC:

(1)

式中:

λmax——最大特征值;

n——判斷矩陣的階數。

查找對應的隨機一致性指標IR,見表3。

表3 平均隨機一致性指標值

計算一致性比例RC:

RC=IC/IR

(2)

如果RC<0.1,則可認為判斷矩陣的一致性可以接受,否則需要對判斷矩陣進行修正。

分別計算地鐵盾構隧道結構健康狀態評價指標體系中其他指標之間的權重。材料劣化、滲漏水、結構變形和沉降的權重分配W=[W1W2W3W4]=[0.124 0.226 0.501 0.150]。其中:材料劣化中各指標的權重分配為W1= [W11W12W13]=[0.164 0.297 0.569],滲漏水中各指標的權重分配為W2=[W21W22W23W24]=[0.126 0.282 0.320 0.272],結構變形中各指標的權重分配為W3=[W31W32W33W34W35W36W37]=[0.055 0.085 0.089 0.120 0.161 0.213 0.278],沉降變形中各指標的權重分配為W4=[W41W42]=[0.418 0.512]。

得到的地鐵盾構隧道結構健康狀態各級評價指標權重如表4所示。

表4 地鐵盾構隧道結構健康狀態各級評價指標權重

1.4 隸屬度函數的確定

地鐵盾構隧道結構健康狀態的評價過程中,不少指標的檢測結果通常表現為模糊性。對于這類模糊事件,可通過構建相應的隸屬函數實現評價結果的量化。三角形隸屬度函數u(x)如下:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:

x——自變量,即實際檢測值;

a1、a2、a3、a4、a5——區間分段參數。

三角形隸屬度函數如圖2所示。

圖2 三角形隸屬度函數圖

2 地鐵盾構隧道結構健康狀態評價模型

2.1 綜合評價模型的確定

評價模型采用二級模型,分別對兩級指標進行評價。

一級指標層模糊綜合評價為:R1=W1R1a,R2=W2R2a,R3=W3R3a,R4=W4R4a。其中:Ria為一級評價模型的隸屬度,Ri為二級評價模型的隸屬度,Wi為指標權重,i=1,2,3,4。

二級指標層模糊綜合評價Z為:

Z=W[R1R2R3R4]T

(8)

2.2 評價結果分析

建立地鐵盾構隧道結構健康狀態評語集:V={V1,V2,V3,V4,V5}。將綜合評價得到的評價向量進行單值化處理,與盾構隧道結構健康狀態等級對應起來,評判隧道結構健康狀態。

計算地鐵盾構隧道結構的健康狀態值F:

(9)

通過F判斷地鐵盾構隧道結構的健康狀態等級,如表5所示。

表5 地鐵盾構隧道結構健康狀態等級

在實際情況中,當單個指標出現嚴重病害時,通過上述計算可能出現盾構隧道結構評價良好,但單個指標的嚴重病害容易對隧道結構產生較大影響。本文在進行指標隸屬度計算過程中,若出現單項指標隸屬度屬于4級或5級時,對應的盾構隧道結構的健康狀態直接評定為4級或5級。

3 工程實例

選取2022年8月我國某條地鐵上行線路K30+800—K31+030區段的盾構隧道檢測數據作為評價單元。檢測結果包括:管片裂縫為2 mm,管片混凝土強度比為1,pH值為7.1,每100 m2的滲漏點數量為1.352個,滲漏水量為3.43 L/d,單點滲漏水面積為0.172 m2,環向接縫寬度為2.5 mm,縱向接縫寬度為3.1 mm,橫向錯臺量為5.6 mm,徑向錯臺量為3.7 mm,螺栓應力強度比為0.62,水平收斂變形為1.530 mm,豎向收斂變形為2.020 mm,累計沉降為3.5 mm,其他檢測項結果均為0。

確定各個指標的隸屬向量,并建立評價矩陣如下:

一級模糊綜合評價: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]。二級模糊綜合評價:Z=W[R1R2R3R4]T=[0.40 0.47 0.13 0 0]。確定F=82.8。

評價結果表明,該段隧道完好狀況為Ⅱ級,結構輕微損傷,功能使用良好,應經常保養。采用GB/T 39559.3—2020對該單元進行評價,評價結果為85,屬于上述規范中隧道等級中的2類——隧道狀態較好,病害程度輕微,病害發展趨勢趨于穩定。這表明本文提出的方法與規范具有較好的一致性。

4 結語

為提高地鐵盾構隧道結構健康狀態評價的準確性,基于模糊數學理論,構建了盾構隧道結構健康狀態評價模型。基于材料劣化、滲漏水、結構變形和沉降等四方面建立了3層評價指標體系。通過層次分析法確定了指標權重,并參考相關規范制定了適用于盾構隧道多級評價的指標分級判定標準。針對不同病害等級分布的特點,同時參考相關規范,將梯形隸屬度函數改進為三角形隸屬度函數。本文構建了盾構隧道結構健康狀態評價模型,對國內某地鐵上行線路K31+030—K31+030區段2022年3月隧道結構健康狀態進行了評價,其結果與規范評價結果較為一致,表明本文提出的評價方法可為地鐵盾構隧道的維保決策提供依據。