同濟(jì)大學(xué) 劉荊輝 陳子揚(yáng) 李曉軍
針對(duì)目前巖石隧道結(jié)構(gòu)健康評(píng)估方法中的某些評(píng)估指標(biāo)難以檢測(cè),以及采用常量權(quán)重進(jìn)行評(píng)估的結(jié)果對(duì)單項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)敏感性較低的問(wèn)題,尤其是單項(xiàng)指標(biāo)超過(guò)其指標(biāo)上限時(shí)會(huì)導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果失真的問(wèn)題,本文進(jìn)行研究。模糊層次分析法在隧道健康狀態(tài)評(píng)估中應(yīng)用廣泛,褚方平、羅鑫等人將襯砌裂縫、滲漏水、襯砌材質(zhì)劣化、襯砌起層與剝落等指標(biāo)作為評(píng)估體系,并依據(jù)層次分析法原理進(jìn)行了詳細(xì)的分級(jí);段懷志將襯砌材質(zhì)劣化、裂縫、起層剝落指標(biāo)歸屬在襯砌裂損情況準(zhǔn)則下建立了健康評(píng)估體系;上述評(píng)估指標(biāo)體系均基于全面性考慮而忽視了某些評(píng)估指標(biāo)并不在日常的隧道檢測(cè)范圍內(nèi)。其次,模糊層次分析方法要求對(duì)各評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,如胥犇采用均分原則對(duì)單一評(píng)價(jià)指標(biāo)作定量化評(píng)價(jià);Rao等人則根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)作為各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化準(zhǔn)則;上述的標(biāo)準(zhǔn)化方法未考慮評(píng)估指標(biāo)對(duì)隧道健康狀態(tài)的非線性影響。本文提出的動(dòng)態(tài)變權(quán)模糊層次分析方法,從以下3方面提出改進(jìn):建立基于日常檢測(cè)的巖石隧道結(jié)構(gòu)健康評(píng)估體系;針對(duì)指標(biāo)的悲觀性特點(diǎn),建立評(píng)估指標(biāo)非線性標(biāo)準(zhǔn)化公式;根據(jù)評(píng)估指標(biāo)劣化程度,構(gòu)造分段變權(quán)公式,用動(dòng)態(tài)權(quán)重替換常權(quán)公式。
巖石隧道襯砌病害因素有變形、裂縫、滲漏水、背后空洞、起層剝落,運(yùn)用層次性原理,并結(jié)合前人的研究成果,建立了巖石隧道襯砌病害評(píng)價(jià)3層指標(biāo)體系,如表1所示。
指標(biāo)值變化對(duì)評(píng)估結(jié)果影響并不都成比例,也可能是非線性。本文采用單一數(shù)值型評(píng)估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理,隧道結(jié)構(gòu)健康評(píng)估指標(biāo)都表現(xiàn)出悲觀性,采用悲觀型標(biāo)準(zhǔn)化公式計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)化后的分?jǐn)?shù),將隧道結(jié)構(gòu)健康狀況等距分為優(yōu)、良、中、差和危險(xiǎn)五級(jí)。如表2所示。
初始權(quán)重的確定
采用基于層次分析法的9/9~9/1標(biāo)度法,建立各層次的判斷矩陣,計(jì)算各層次評(píng)估指標(biāo)的初始權(quán)重,得到結(jié)果如下:
表1 巖石隧道健康狀態(tài)評(píng)估體系
表2 指標(biāo)與無(wú)量綱等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系
(1)準(zhǔn)則層指標(biāo)初始權(quán)重:W=(0.21,0.23,0.125,0.165,0.13,0.14);
(2)指標(biāo)層指標(biāo)初始權(quán)重:襯砌變形W1=(0.425,0.575);襯砌裂縫W2=(0.5,0.5);滲漏水W3=(1);襯砌材質(zhì)劣化W4=(0.5,0.5);襯砌背后空洞W5=(1);襯砌起層、剝落W6=(0.5,0.5)。
評(píng)估指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變權(quán)
在實(shí)際工程中,檢測(cè)指標(biāo)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)健康的影響是動(dòng)態(tài)變化的,任一個(gè)指標(biāo)在極端劣化后都將對(duì)隧道整體健康狀況起到?jīng)Q定性的作用,表現(xiàn)出木桶效應(yīng),變權(quán)向量的計(jì)算公式如公式(1)所示。
式中:W'(g)為變權(quán)向量;W為常權(quán)向量,即評(píng)估指標(biāo)的初始權(quán)重;d(g)為本文構(gòu)造的狀態(tài)變權(quán)向量;m為單項(xiàng)指標(biāo)每降低一級(jí)狀態(tài)變權(quán)向量增加的倍數(shù),根據(jù)表2對(duì)應(yīng)關(guān)系,取m=2。
表3 隧道健康評(píng)估指標(biāo)層計(jì)算過(guò)程表
本文根據(jù)已建立的指標(biāo)體系(表1),從指標(biāo)層出發(fā),先對(duì)準(zhǔn)則層各因素進(jìn)行一級(jí)模糊綜合評(píng)判,再對(duì)目標(biāo)層進(jìn)行二級(jí)模糊綜合評(píng)判,最后得到隧道健康狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)及等級(jí)。
試刀山隧道左、右線長(zhǎng)度分別為1101m和1130m,經(jīng)多年運(yùn)營(yíng),隧道內(nèi)設(shè)施老化,病害、水害嚴(yán)重,曾于2006年~2007年進(jìn)行一次大規(guī)模整治。根據(jù)對(duì)該段既有隧道線路的檢測(cè)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)得到該段隧道各檢測(cè)指標(biāo)的最大值,如表3所示。
采用模糊綜合評(píng)判模型對(duì)該隧道健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,由于襯砌變形、空洞、剝落等病害較少,少有記錄,認(rèn)為其處于較優(yōu)狀態(tài),對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化分?jǐn)?shù)取90分,評(píng)估過(guò)程如表3、表4所示。
結(jié)果得到:試刀山既有隧道健康狀態(tài)評(píng)估的模糊向量為(0.774,0.226,0,0,0)T,即優(yōu)一級(jí)隸屬度為0.774,良一級(jí)隸屬度為0.226,健康評(píng)分為94.3,隧道結(jié)構(gòu)整體健康狀況仍較優(yōu),隧道沒(méi)有明顯劣化,需要進(jìn)一步檢測(cè)跟進(jìn)。
比較變權(quán)與常權(quán)的評(píng)估方法,保持其他指標(biāo)值不變,分別增加裂縫長(zhǎng)度和寬度指標(biāo)值,計(jì)算常權(quán)和變權(quán)情形下的對(duì)應(yīng)的隧道健康值,如圖1、2所示,由圖可知,隨著裂縫寬度的增長(zhǎng),在常權(quán)情形下,隧道健康評(píng)估值逐漸減小,曲線變化平緩,直至接近裂縫長(zhǎng)度上限的極端情況時(shí),評(píng)估分?jǐn)?shù)僅降低10%,變權(quán)的評(píng)估分?jǐn)?shù)開(kāi)始顯著降低,曲線變化明顯,在指標(biāo)值接近上限的極端情況下處于危險(xiǎn)級(jí),說(shuō)明采用常權(quán)計(jì)算方法對(duì)該指標(biāo)劣化的敏感性很低,得到的結(jié)果會(huì)失真,而采用變權(quán)計(jì)算則可以更清晰地反應(yīng)真實(shí)情況,具有更好的適應(yīng)性。
針對(duì)巖石隧道結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)評(píng)估問(wèn)題,本文提出了一種考慮動(dòng)態(tài)權(quán)重的巖石隧道健康狀態(tài)模糊層次分析法,該方法通過(guò)建立基于日常檢測(cè)的評(píng)估指標(biāo)體系,以及評(píng)估指標(biāo)的非線性標(biāo)準(zhǔn)化方程,并引入變權(quán)綜合法,用變權(quán)權(quán)重取代常權(quán)權(quán)重等途徑得以實(shí)現(xiàn),工程表明,該動(dòng)態(tài)健康評(píng)估方法可以較為準(zhǔn)確地評(píng)估隧道的健康狀態(tài)。
圖1 襯砌裂縫長(zhǎng)度指標(biāo)敏感性分析
圖2 襯砌裂縫寬度指標(biāo)敏感性分析
表4 隧道健康評(píng)估準(zhǔn)則層、目標(biāo)層計(jì)算過(guò)程表