CN105844423A - 一种沉管隧道运营阶段健康状态的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种沉管隧道运营阶段健康状态的评估方法，步骤为：对国内外已建沉管隧道的历史病害资料进行归纳分析，构建健康状态评价指标体系；利用层次分析法构建被评估沉管隧道的健康状态评估模型；采用改进的层次分析法确定各因素的相对于权重以及各因素包含的各评价指标在该因素中的相对权重；集成模糊综合评价的理念，基于预设的隧道健康状态评估标准，对建立的沉管隧道健康评估模型进行分级综合评价。本发明的综合考虑沉管隧道所处环境因素、结构应力、应变、裂缝等多方面因素，对沉管隧道运营过程中的健康状态进行定量的全面评估，为隧道的运营维护、决策提供了有力支持。

Description

一种沉管隧道运营阶段健康状态的评估方法

技术领域

本发明涉及一种沉管隧道运营期间隧道结构健康状态评估的方法。

背景技术

近年来，随着我国经济不断发展的需要，沉管隧道以其施工速度快、周期短、对基础强度要求不高、埋深浅、建成后不影响航道通航、水底隧道部分与岸上部分对接距离更短等优点，在国内外的越江隧道方案中被更多的采用，全世界己经修建了一百多条沉管隧道。

研究调查发现，在长期的自然环境和使用环境的双重作用下，已建隧道会随着使用不同程度地出现衬砌裂缝、变形以及渗漏水等病害。这些运营期间隧道出现的病害不仅危及到高速行车的安全与畅通，而且影响了隧道的使用寿命。对病害如不进行及时处治，会造成进一步损坏，甚至使隧道破坏，导致巨大的经济损失和不良的社会影响。

传统的结构劣化评定标准可以实现半定量半定性的结构劣化评估，现有的结构健康评估技术可以实现机构健康状态的定量评估，更多应用于大型桥梁、高层建筑中，盾构隧道及公路隧道中亦有一些学者进行过研究，但在沉管隧道结构中的应用尚未见文献发表。

发明内容

发明目的：针对现有评估技术的缺陷以及沉管隧道健康状态评估方面存在的空缺，本发明提供了一种基于改进层次分析、模糊综合评判集成的评估方法，以解决以上问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种沉管隧道运营阶段健康状态的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：确定影响沉管隧道运营期安全的因素以及每个因素各自包含的评价指标；

步骤二：利用层次分析法对步骤一中确定的因素和评价指标进行归纳分析，构建沉管隧道健康状态评估模型，所述沉管隧道健康状态评估模型具有目标层、因素层以及指标层，所述目标层是对沉管隧道总体健康状态的评估目标，所述因素层是步骤一中所确定的所有因素，所述指标层包含步骤一中所确定的每个因素各自包含的评价指标；

步骤三：确定所述沉管隧道健康状态评估模型中因素层中各因素的相对权重、以及每个因素各自包含的指标层中的评价指标在该因素中的相对权重，构建权重矩阵；

步骤四：建立沉管隧道健康状态评价等级及各评判因素单因素评价标准；

步骤五：根据各评判因素单因素评价标准，确定评判过程中指标层各评价指标的隶属函数和模糊算子；

步骤六：利用各评价指标的隶属函数进行各因素的模糊评价，构建各评价指标的模糊关系矩阵；

步骤七：以各因素的评价指标的模糊关系矩阵和相对权重作为因素层健康评估的输入值，计算得到因素层各因素的健康评估数值；以因素层各因素的健康评估数值和相对权重作为沉管隧道总体健康评估的输入值，计算得到沉管隧道综合健康评估数值；根据沉管隧道综合健康评估数值对照预设的沉管隧道健康状态评价等级得到隧道综合健康等级。

进一步地，步骤一所确定的影响沉管隧道运营期安全的因素包括环境作用、结构应力、结构变形、结构裂缝、渗漏水五个因素；其中环境作用因素包含水位、覆盖层厚度两项评价指标，结构应力因素包含钢筋应力、混凝土应力、剪切键应力、锚索应力四项评价指标，结构变形因素包括隧道不均匀沉降、管段接头张开和变位、管段倾斜三项评价指标，结构裂缝因素包含裂缝长度，裂缝宽度两项评价指标，渗漏水因素包含渗漏速率，渗漏面积，渗漏水PH值三项评价指标。

进一步地，步骤三确定权重的方法为改进乘积标度法，该法在评价指标层中评价指标的重要性时，设置“相同”与“稍微大”两个评价等级，以此作为基础进行递进乘积分析确定因素层中各因素的相对权重、以及每个因素各自包含的指标层中的评价指标在该因素中的相对权重；如评价指标A比B“稍微大”时的权重比为a:b，则A比B为n个“稍微大”时，其权重比为a·(1+a)^n-1:b·(1+b)^n-1。

进一步地，步骤四中建立的评价等级分为m级，m为正整数，确定健康评价标准集V＝{v₁,v₂,…v_m}，分别对应1,2…m级健康状态，其中v₁对应(v_1上，v_1下)评价值区间，v₂对应(v_2上，v_2下)评价值区间，以此类推，v_m对应(v_m上，v_m下)评价值区间。

进一步地，步骤五中确定隶属函数的方法为模糊统计法或三分法或五点法或模糊分布法。

进一步地，步骤五中确定的模糊算子为主因素决定型或主因素突出型或不均衡平均型或加权平均型。

进一步地，步骤三中因素层中各因素的相对权重值的总和为1，每个因素各自包含的指标层中的评价指标在该因素中的相对权重的总和也为1。

有益效果：本发明提供的沉管隧道运营阶段健康状态的评估方法突破了目前规范中评判方法不能进行完全定量的瓶颈，也是首次给出对沉管隧道运营健康状态的系统化的评价方法，该方法的评价内容涵盖了沉管隧道的运营环境影响、结构内部应力、结构变形、裂缝、渗漏水等工程所关心的因素，为沉管隧道的运营安全、管理养护等工作提供了评价指导。

附图说明

附图1为本发明方法的流程示意图；

附图2为本发明方法中评估模型层次结构图；

附图3为本发明方法的隶属函数确定示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，其步骤包括：

(1)通过监测取得现场原始数据。

(2)本发明实施例以红谷隧道区间段为例，具体监测数据如下：

表1某沉管隧道区间监测参数

(3)根据国内外工程实践和沉管隧道常见病害成因的理论分析，归纳总结出影响沉管隧道运营期安全的不利因素。

(4)利用层次分析法对选取的诸多评价指标和因素进行归纳分析，构建沉管隧道健康状态评估模型，如附图2所示，明确各指标和因素的隶属关系；模型从顶层至底层依次为目标层、因素层和指标层；目标层即是对沉管隧道总体健康状态的评估目标，因素层是对沉管隧道运营安全产生影响的五大因素，指标层包括了因素层中所包括的各个健康评价指标。因素层主要包括环境作用、结构应力、结构变形、结构裂缝、渗漏水五个因素，五个因素又包含指标层内的：水位、覆盖层厚度、钢筋应力、混凝土应力、剪力键应力、锚索应力、隧道不均匀沉降、管端接头张开、变位、管段倾斜、裂缝长度、裂缝宽度、渗漏速率、渗漏面积、渗漏水PH值等评价指标。

其中，剪力键应力包括水平剪力键应力、竖向剪力键应力；管段接头张开和变位包括接头张开、接头闭合、接头水平错动和接头竖向错动。

(5)利用改进的层次分析法-乘积标度法确定模型各层中相关指标的相对权重；

该法在评价指标重要性的两两比较时，不先划分过多的等级，而只设置两个等级，即评价指标A与评价指标B的重要性“相同”或“稍微大”，然后以此作为基础进行乘积分析。即如果A比B重要性“稍微大”，则ω_A：ω_B＝1.354:1，A与B重要性相同，则ω_A：ω_B＝1:1，A比B重要性“稍微大”还要“稍微大”，则ω_A：ω_B＝1.354×(1+1.354):1×(1+1)＝1.594:1；

本实施例通过乘积标度法主观给出权重值：

环境作用的两个指标的相对权重为：

ω_A＝(ω_A1，ω_A2)＝(水位，覆盖层厚度)＝(0.575，0.425)

结构应力的四个指标的相对权重为：

ω_B＝(ω_B1，ω_B2，ω_B3，ω_B4)＝(钢筋应力，混凝土应力，剪切键应力，锚索应力)＝(0.193，0.193，0.307，0.307)

ω_B3＝(ω_B31，ω_B32)＝(水平剪力键应力，竖向剪力键应力)＝(0.5，0.5)

结构变形的三个指标的相对权重为：

ω_C＝(ω_C1，ω_C2，ω_C3)＝(隧道不均匀沉降，管段接头张开和变位，管段倾斜)＝(0.298,0.404,0.298)

ω_C2＝(ω_C21，ω_C22，ω_C23，ω_C23，ω_C24)＝(接头张开，接头闭合，水平错动，竖向错动)＝(0.25,0.25,0.25,0.25)

ω_D＝(ω_D1，ω_D2)＝(裂缝长度，裂缝宽度)＝(0.5，0.5)

ω_E＝(ω_E1，ω_E2，ω_E3)＝(渗漏速率，渗漏面积，渗漏水PH值)＝(0.438，0.323，0.239)

因素层五项的相对权重为：

ω＝(ω_A，ω_B，ω_C，ω_D，ω_E)＝(环境作用，结构应力，结构变形，结构裂缝，渗漏水)＝(0.175,0.2375,0.2375,0.175,0.175)。

(6)建立沉管隧道健康状态评价等级及各评判因素单因素评价标准；

本实施例所建立的评价等级及单因素评价标准参照方法见表2

表2指标层指标评价标准参照

所建立的沉管隧道综合评价等级如表3定量化。

表3隧道病害综合评价等级定量划分

(7)根据模糊综合评判方法的原理，确定评判过程中的隶属函数和模糊算子。

根据单一指标的评价等级准则建立隶属函数，如附图3所示：

水位A₁

$u_A\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& x<9\\ e^{-{\left(\frac{x-9}{10.8}\right)}^2}& 9\&le;x<18\\ 1-e^{-{\left(\frac{x-19.5}{1.8}\right)}^2}& 18\&le;x<19.5\end{array}\right.$

$u_B\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& x<9,x>22.5\\ 1-e^{-{\left(\frac{x-9}{10.8}\right)}^2}& 9\&le;x<18\\ e^{-{\left(\frac{x-19.5}{1.8}\right)}^2}& 18\&le;x<21\\ 1-e^{-{\left(\frac{x-22.5}{1.8}\right)}^2}& 21\&le;x<22.5\end{array}\right.$

$u_C\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& x<19.5,x>34\\ 1-e^{-{\left(\frac{x-19.5}{1.8}\right)}^2}& 19.5\&le;x<21\\ e^{-{\left(\frac{x-22.5}{1.8}\right)}^2}& 21\&le;x<24\\ 1-e^{-{\left(\frac{x-34}{12}\right)}^2}& 24\&le;x<34\end{array}\right.$

$u_D\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& x<22.5\\ 1-e^{-{\left(\frac{x-22.5}{1.8}\right)}^2}& 22.5\&le;x<24\\ e^{-{\left(\frac{x-34}{12}\right)}^2}& 24\&le;x<34\\ 1& x\&GreaterEqual;34\end{array}\right.$

依此类推，

渗漏水PH值E₃

$u_A\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& x<0.5\\ e^{-{\left(\frac{x-0.5}{0.6}\right)}^2}& 0.5\&le;x<1\\ 1-e^{-{\left(\frac{x-1.5}{0.6}\right)}^2}& 1\&le;x<1.5\end{array}\right.$

$u_B\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& x<0.5,x>2.5\\ 1-e^{-{\left(\frac{x-0.5}{0.6}\right)}^2}& 0.5\&le;x<1\\ e^{-{\left(\frac{x-1.5}{0.6}\right)}^2}& 1\&le;x<2\\ 1-e^{-{\left(\frac{x-2.5}{0.6}\right)}^2}& 2\&le;x<2.5\end{array}\right.$

$u_C\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& x<1.5,x>4\\ 1-e^{-{\left(\frac{x-1.5}{0.6}\right)}^2}& 1.5\&le;x<2\\ e^{-{\left(\frac{x-2.5}{0.6}\right)}^2}& 2\&le;x<3\\ 1-e^{-{\left(\frac{x-4}{1.2}\right)}^2}& 3\&le;x<4\end{array}\right.$

$u_D\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& x<2.5\\ 1-e^{-{\left(\frac{x-2.5}{0.6}\right)}^2}& 2.5\&le;x<3\\ e^{-{\left(\frac{x-4}{1.2}\right)}^2}& 3\&le;x<4\\ 1& x\&GreaterEqual;4\end{array}\right.$

通过对比，选用加权平均型模糊算子对实施例进行分析；

表4四种模糊算子的比较

(8)利用隶属函数进行单因素模糊评价，构建评判指标的模糊关系矩阵。

环境作用

结合隶属函数可以得到相应的隶属度分别为r_A011＝0，r_A012＝0.074，r_A013＝0.926，r_A014＝0，于是，

R_A1＝(0,0.074,0.926,0)

…

渗漏水PH

结合隶属函数可以得到相应的隶属度分别为r_E031＝1，r_E032＝0，r_E033＝0，r_E034＝0，于是，

R_E3＝(1,0,0,0)

(9)结合模糊综合评价法对建立的沉管隧道健康评估模型进行分级综合评价。

1)一级模糊综合评价

环境作用的一级模糊综合评价结果为

$\begin{array}{c}{R}_A={\mathrm{\&omega;}}_A\&times;\left[\begin{array}{c}{R}_{A1}\\ R_{A2}\end{array}\right]=\left(\begin{array}{cc}0.575& 0.425\end{array}\right)\&times;\left[\begin{array}{cccc}0& 0.074& 0.926& 0\\ 0& 1& 0& 0\end{array}\right]\\ =(0,0.4675,0.5324,0)\end{array}$

结构应力的一级模糊综合评价结果为

$\begin{array}{c}{R}_B={\mathrm{\&omega;}}_B\&times;\left[\begin{array}{c}{R}_{A1}\\ R_{A2}\\ R_{A3}\\ R_{A4}\end{array}\right]=\left(\begin{array}{cccc}0.193& 0.193& 0.307& 0.307\end{array}\right)\&times;\left[\begin{array}{cccc}0& 0.926& 0.074& 0\\ 0& 0.057& 0.943& 0\\ 0.95& 0.05& 0& 0\\ 0.92& 0.08& 0& 0\end{array}\right]\\ =(0.574,0.23,0.196,0)\end{array}$

结构变形的一级模糊综合评价结果为

$\begin{array}{c}{R}_C={\mathrm{\&omega;}}_C\&times;\left[\begin{array}{c}{R}_{C1}\\ R_{C2}\\ R_{C3}\end{array}\right]=\left(\begin{array}{ccc}0.298& 0.404& 0.298\end{array}\right)\&times;\left[\begin{array}{cccc}0& 0.78& 0.22& 0\\ 0.3425& 0.5325& 0.125& 0\\ 0.3& 0.7& 0& 0\end{array}\right]\\ =(0.574,0.23,0.196,0)\end{array}$

结构裂缝的一级模糊综合评价结果为

$\begin{array}{c}{R}_D={\mathrm{\&omega;}}_D\&times;\left[\begin{array}{c}{R}_{D1}\\ R_{D2}\end{array}\right]=\left(\begin{array}{cc}0.5& 0.5\end{array}\right)\&times;\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0\end{array}\right]\\ =(1,0,0,0)\end{array}$

渗漏水的一级模糊综合评价结果为

$\begin{array}{c}{R}_E={\mathrm{\&omega;}}_E\&times;\left[\begin{array}{c}{R}_{E1}\\ R_{E2}\\ R_{E3}\end{array}\right]=\left(\begin{array}{ccc}0.438& 0.323& 0.239\end{array}\right)\&times;\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0\end{array}\right]\\ =(1,0,0,0)\end{array}$

2)二级模糊综合评价

该区间沉管隧道结构安全状态的综合评估结果向量为

$\begin{array}{c}Z={\mathrm{\&omega;}}_Z\&times;\left[\begin{array}{c}{R}_A\\ R_B\\ R_C\\ R_D\\ R_E\end{array}\right]\\ =\left(\begin{array}{ccccc}0.175& 0.2375& 0.2375& 0.175& 0.175\end{array}\right)\&times;\left[\begin{array}{cccc}0& 0.4675& 0.5324& 0\\ 0.574& 0.23& 0.196& 0\\ 0.228& 0.656& 0.116& 0\\ 1& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0\end{array}\right]\\ =(0.5405,0.2922,0.1673,0)\end{array}$

则该沉管隧道监测区间的结构安全度为

F＝0.5405×3.75+0.2922×3+0.1673×2+0×1.25

＝3.24

综合评价结果表明，该区间结构运营安全状态等级为B级，需要加强监测，随时准备采取对策。

本发明的评价方法综合了沉管隧道所受环境因素影响以及隧道结构受力、变形等多项指标，采用改进的层次分析法、模糊综合评价的方法相集成，实现了对沉管隧道运营安全状态的定量评估。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种沉管隧道运营阶段健康状态的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：确定影响沉管隧道运营期安全的因素以及每个因素各自包含的评价指标；

步骤二：利用层次分析法对步骤一中确定的因素和评价指标进行归纳分析，构建沉管隧道健康状态评估模型，所述沉管隧道健康状态评估模型具有目标层、因素层以及指标层，所述目标层是对沉管隧道总体健康状态的评估目标，所述因素层是步骤一中所确定的所有因素，所述指标层包含步骤一中所确定的每个因素各自包含的评价指标；

步骤三：确定所述沉管隧道健康状态评估模型中因素层中各因素的相对权重、以及每个因素各自包含的指标层中的评价指标在该因素中的相对权重，构建权重矩阵；

步骤四：建立沉管隧道健康状态评价等级及各评判因素单因素评价标准；

步骤五：根据各评判因素单因素评价标准，确定评判过程中指标层各评价指标的隶属函数和模糊算子；

步骤六：利用各评价指标的隶属函数进行各因素的模糊评价，构建各评价指标的模糊关系矩阵；

步骤七：以各因素的评价指标的模糊关系矩阵和相对权重作为因素层健康评估的输入值，计算得到因素层各因素的健康评估数值；以因素层各因素的健康评估数值和相对权重作为沉管隧道总体健康评估的输入值，计算得到沉管隧道综合健康评估数值；根据沉管隧道综合健康评估数值对照预设的沉管隧道健康状态评价等级得到隧道综合健康等级。

2.根据权利要求1所述的一种沉管隧道运营阶段健康状态的评估方法，其特征在于，步骤一所确定的影响沉管隧道运营期安全的因素包括环境作用、结构应力、结构变形、结构裂缝、渗漏水五个因素；其中环境作用因素包含水位、覆盖层厚度两项评价指标，结构应力因素包含钢筋应力、混凝土应力、剪切键应力、锚索应力四项评价指标，结构变形因素包括隧道不均匀沉降、管段接头张开和变位、管段倾斜三项评价指标，结构裂缝因素包含裂缝长度，裂缝宽度两项评价指标，渗漏水因素包含渗漏速率，渗漏面积，渗漏水PH值三项评价指标。

3.根据权利要求1所述的一种沉管隧道运营阶段健康状态的评估方法，其特征在于，步骤三确定权重的方法为改进的乘积标度法，该法在评价指标层中评价指标的重要性时，设置“相同”与“稍微大”两个评价等级，以此作为基础进行递进分析确定因素层中各因素的相对权重、以及每个因素各自包含的指标层中的评价指标在该因素中的相对权重。

4.根据权利要求1所述的一种沉管隧道运营阶段健康状态的评估方法，其特征在于，步骤四中建立的评价等级分为m级，m为正整数，确定健康评价标准集V＝{v₁,v₂,…v_m}，分别对应1,2…m级健康状态，其中v₁对应(v_1上，v_1下)评价值区间，v₂对应(v_2上，v_2下)评价值区间，依此类推，v_m对应(v_m上，v_m下)评价值区间。

5.根据权利要求1所述的一种沉管隧道运营阶段健康状态的评估方法，其特征在于，步骤五中确定隶属函数的方法为模糊统计法或三分法或五点法或模糊分布法。

6.根据权利要求1所述的一种沉管隧道运营阶段健康状态的评估方法，其特征在于，步骤五中确定的模糊算子为主因素决定型或主因素突出型或不均衡平均型或加权平均型。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种沉管隧道运营阶段健康状态的评估方法，其特征在于，步骤三中因素层中各因素的相对权重值的总和为1，每个因素各自包含的指标层中的评价指标在该因素中的相对权重的总和也为1。