錢一鳴

摘 要：隧道作為地鐵的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)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(jié)構(gòu)病害的調(diào)查，通過研究建立了定量化的地鐵結(jié)構(gòu)安全評估指標(biāo)體系，運(yùn)用合理的評估模型，對上海地鐵一號線健康狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)。

關(guān)鍵詞：一號線隧道 健康狀態(tài) 層次分析法 指標(biāo) 權(quán)重

一、研究的必要性

上海地鐵一號線作為上海服役時(shí)間最長，運(yùn)載乘客最多的地鐵主動(dòng)脈，在上海地鐵全網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)著重要作用。任何結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，對上海地鐵一號線隧道結(jié)構(gòu)安全性檢算方法、運(yùn)營隧道安全性評定，通過相關(guān)的檢測手段，探討上海地鐵一號線健康評價(jià)體系的方法，為隧道維護(hù)提供理論參考。

二、指標(biāo)體系的研究

2.1 評價(jià)指標(biāo)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(guān)數(shù)據(jù)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(xù)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(huì)發(fā)生滲漏水病害現(xiàn)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(fā)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(dòng)既有縱向的，也有橫向的。橫向變形和移動(dòng)主要影響管片結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變形和移動(dòng)后，就會(huì)達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。通過測量手段可獲得運(yùn)營隧道管片結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀幾何尺寸，通過長期觀測可獲得其發(fā)展趨勢。

4、結(jié)構(gòu)損傷

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

2.2 指標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn)

健康指標(biāo)判定標(biāo)準(zhǔn)是指對應(yīng)于某一安全等級，而各層評價(jià)指標(biāo)的值或狀態(tài)應(yīng)處于的變化區(qū)間或狀態(tài)。判定標(biāo)準(zhǔn)包括定性的判定標(biāo)準(zhǔn)、定量的判定標(biāo)準(zhǔn)以及定性與定量相結(jié)合的判定標(biāo)準(zhǔn)。

1 、滲漏水

盡管地下工程防水標(biāo)準(zhǔn)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(yán)格，因此還不能應(yīng)用于地鐵結(jié)構(gòu)滲漏水判定。因此，從實(shí)用性和可操作性的角度考慮，根據(jù)目前隧道內(nèi)巡查所掌握的情況采用濕跡，滲水，滴漏，滲泥沙4個(gè)指標(biāo)，表2-1中定義了4個(gè)參數(shù)的判定標(biāo)準(zhǔn)。

2、 沉降

事實(shí)上，如果地鐵整條線路能夠均勻沉降，這并不會(huì)對地鐵隧道的正常使用帶來問題，關(guān)鍵是這些因素導(dǎo)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(dǎo)致隧道滲漏、開裂，嚴(yán)重影響隧道的正常使用功能。

因此根據(jù)歷年檢測結(jié)果，結(jié)合上海土質(zhì)條件，我們采取差異沉降速率和單次差異沉降量這兩個(gè)指標(biāo)作為沉降的判定標(biāo)準(zhǔn)。具體數(shù)據(jù)分析如表2-2，表2-3所示。

3、收斂變形的判定標(biāo)準(zhǔn)

目前，對于地鐵隧道橫向變形判定標(biāo)準(zhǔn)的研究甚少，而且橫向變形曲線也并非是標(biāo)準(zhǔn)的“橫鴨蛋"型。因此，用傳統(tǒng)的由力求位移的思想分析運(yùn)營期盾構(gòu)地鐵隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形難度較大。目前主要采用經(jīng)緯儀定期對地鐵隧道收斂變形量進(jìn)行采集，根據(jù)歷年的檢測結(jié)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(biāo)準(zhǔn)。

4、結(jié)構(gòu)損傷

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

5、結(jié)構(gòu)形變

結(jié)構(gòu)形變主要表現(xiàn)為：（1）、錯(cuò)臺(tái)；（2）、錯(cuò)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(jià)指標(biāo)權(quán)重

地鐵結(jié)構(gòu)安全評估指標(biāo)體系是一個(gè)多項(xiàng)目、多層次的復(fù)雜系統(tǒng)，每個(gè)層次又由多個(gè)評價(jià)指標(biāo)組成。要對地鐵結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進(jìn)行綜合評估，需要對各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行綜合。

確定權(quán)重參數(shù)時(shí)，運(yùn)用德爾菲法，由10位專家通過實(shí)際調(diào)查結(jié)果，依據(jù)控制與預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行投票。

1、三級模糊綜合評價(jià)

（1）滲漏水

滲漏水的指標(biāo)層指標(biāo)包括4個(gè)指標(biāo)，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(gè)指標(biāo)的標(biāo)度權(quán)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(biāo)層指標(biāo)包括2個(gè)指標(biāo)。“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(gè)指標(biāo)的標(biāo)度權(quán)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(biāo)只有變形量1個(gè)指標(biāo)，因此，其標(biāo)度權(quán)重為100。

（4）結(jié)構(gòu)損傷

管片碎裂的指標(biāo)層指標(biāo)包括2個(gè)指標(biāo)。2個(gè)指標(biāo)中重要性相同，即（裂縫，缺角）=（0.5；0.5）。

（5）結(jié)構(gòu)形變

結(jié)構(gòu)形變主要表現(xiàn)在環(huán)與環(huán)之間或塊與塊之間產(chǎn)生錯(cuò)縫，錯(cuò)臺(tái)、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(zhuǎn)彎半徑區(qū)段，可能會(huì)發(fā)生管片脫離的現(xiàn)象，道床與管片脫開將會(huì)給運(yùn)營安全帶來隱患。因此結(jié)構(gòu)形變的權(quán)重表現(xiàn)為（錯(cuò)縫，錯(cuò)臺(tái)、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(jià)

由德爾菲法和相關(guān)文獻(xiàn)研究得出“滲漏水”、“結(jié)構(gòu)損傷”、“結(jié)構(gòu)形變”、“長期沉降”及“收斂變形”的權(quán)重?cái)?shù)構(gòu)成運(yùn)營盾構(gòu)地鐵隧道區(qū)間安全評價(jià)上的權(quán)重向量為：

三、隧道檢測手段與結(jié)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(xiàng)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(qū)間滲漏水、結(jié)構(gòu)形變、結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)。

2、沉降：

我們選取2016年上半年沉降檢測數(shù)據(jù)作為我們一號線隧道健康狀態(tài)評定的依據(jù)。根據(jù)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(shù)據(jù)。

監(jiān)測點(diǎn)平差及計(jì)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(shù)據(jù)為橫向變形量。一號線多為單圓隧道，圓形隧道直徑測量點(diǎn)布設(shè)擬自每個(gè)圓形隧道區(qū)間的第一環(huán)起，每五環(huán)測一環(huán)，至區(qū)間隧道最后一環(huán)結(jié)束，頭尾兩環(huán)必須測量，進(jìn)出洞及旁通道及收斂異常區(qū)段加密。地鐵的收斂變形量一般委托有資質(zhì)的監(jiān)測單位測量。

四、上海地鐵一號線隧道健康評價(jià)體系的建立

4.1 健康狀態(tài)等級的設(shè)計(jì)

我們以我國公路隧道專項(xiàng)檢查結(jié)果的四級判定等級為基礎(chǔ)，結(jié)合上海地鐵的實(shí)際情況，建立起符合一號線特性的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)等級，如表4-1所示。如在表中發(fā)生以下內(nèi)容中出現(xiàn)一樣，我們即認(rèn)為該區(qū)間處于對應(yīng)的病害等級。

4.2 模糊綜合評價(jià)模型

雖然安全狀態(tài)評定標(biāo)準(zhǔn)為我們判斷區(qū)間狀態(tài)提供了定量的依據(jù)，但是區(qū)間安全狀態(tài)情況復(fù)雜，且處于不斷變化過程中，不能簡單的進(jìn)行歸類。因此我們以安全狀態(tài)評定標(biāo)準(zhǔn)為參考，結(jié)合德爾菲法，對一號線各區(qū)間的安全等級進(jìn)行評定，建立評價(jià)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(qū)間為算列，該區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)病害統(tǒng)計(jì)如下：

根據(jù)以上各個(gè)運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)的調(diào)查結(jié)果，由10位專家組成的評審小組，對其進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果見表4-2所示。

首先對滲漏水進(jìn)行綜合評價(jià)。第一，建立因素集和評價(jià)集

U={濕跡（u1 ）、滲水（u2 ）、滴漏（u3 ）、漏泥沙（u4 ）}

評價(jià)集為

V={安全（v1 ）、較安全（v2 ）、臨界（v3 ）、危險(xiǎn)（v4 ）}

第二，確定各因素的隸屬度

專家10人對“濕跡”的評價(jià)為：6人認(rèn)為“安全”，占6%；4人認(rèn)為“較安全”，占40%；0人認(rèn)為“臨界”，占0%；0人認(rèn)為“危險(xiǎn)”，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(gè)因素組成的模糊矩陣為

第三，確定權(quán)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(jià)為

依據(jù)（1）的計(jì)算推論，同理可得“結(jié)構(gòu)損傷”的綜合評價(jià)結(jié)果：

依據(jù)（1）的計(jì)算推論，同理可得“結(jié)構(gòu)形變”的綜合評價(jià)結(jié)果：

依據(jù)（1）的計(jì)算推論，同理可得“長期沉降”的綜合評價(jià)結(jié)果：

依據(jù)（1）的計(jì)算推論，同理可得“收斂變形”的綜合評價(jià)結(jié)果：

由“滲漏水”、“結(jié)構(gòu)損傷”、“結(jié)構(gòu)形變”、“長期沉降”及“收斂變形”的權(quán)重?cái)?shù)構(gòu)成運(yùn)營盾構(gòu)地鐵隧道區(qū)間安全評價(jià)上的權(quán)重向量為：

則二級模糊綜合評價(jià)結(jié)果為：

由最大隸屬度原則，在“安全、較安全、臨界、危險(xiǎn)”四級風(fēng)險(xiǎn)影響程度評語中，該區(qū)段的綜合評價(jià)結(jié)果為“較安全”。

4.3 上海地鐵一號線隧道健康狀態(tài)評定結(jié)果

根據(jù)上節(jié)的算例，我們依次計(jì)算得出了上海地鐵一號線健康狀態(tài)評定結(jié)果，如表4-2所示：

從上表可以看出上述安全的區(qū)間總數(shù)為18個(gè)，占區(qū)間總數(shù)的60%，臨界的區(qū)間總數(shù)為9個(gè)，占區(qū)間總數(shù)的30%，較危險(xiǎn)3個(gè)，占區(qū)間總數(shù)的10%，危險(xiǎn)的區(qū)間0個(gè)，占區(qū)間總數(shù)的0%。綜上所述，目前上海地鐵一號線總體健康狀態(tài)可控，但仍有部分區(qū)間處于臨界及較危險(xiǎn)狀態(tài)，需要及時(shí)進(jìn)行處置。

五、結(jié)論

本文查閱了大量文獻(xiàn)，結(jié)合多年的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及歷年監(jiān)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(tài)進(jìn)行評定，主要結(jié)論如下：

（1）根據(jù)評價(jià)指標(biāo)制定的原則，對上海地鐵一號線健康狀態(tài)評價(jià)體系中的指標(biāo)集進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2）隧道病害的準(zhǔn)確監(jiān)測是切實(shí)做好隧道病害判定與整治的前提，本文在總結(jié)目前上海地鐵一號線隧道結(jié)構(gòu)檢測的手段基礎(chǔ)上，用相關(guān)設(shè)備對一號線隧道評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了收集。

（3）運(yùn)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(jià)指標(biāo)進(jìn)行了權(quán)重確定，并構(gòu)建出隧道和地下工程健康的模糊綜合評價(jià)模型。

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