CN106910002A - 地铁隧道结构安全评估的方法 - Google Patents

Abstract

一种地铁隧道结构安全评估的方法，按如下步骤实施：(1)考虑各指标检测可操作性以及对隧道结构安全描述综合周密性，基于隧道结构安全受力和变形特点，确定隧道结构安全评价指标体系。选取了渗漏水、纵向沉降、横向收敛、错台、裂缝、管片破损6个评价指标。(2)根据现有安全等级划分方法、相关规范以及隧道受力和变形控制标准确定评价指标的分级标准；(3)以乘积标度法为基础，确定指标权重向量；(4)收集所述6个指标的现场检测数据，根据指标检测值计算各指标的隶属度向量组成隶属度矩阵；(5)根据各指标之间相关性和指标安全等级进行变权重处理；(6)用模糊综合评价原理计算模糊综合评价向量，按照最大隶属度原则确定评级结果。

Description

地铁隧道结构安全评估的方法

技术领域

本发明涉及一种属隧道结构安全评估领域，具体涉及一种考虑评价指标相关性和评价指标等级影响的变权重的地铁隧道结构安全模糊综合评价方法。

背景技术

随着国民经济的进一步发展，城市化进程的不断加快，城市规模将逐渐扩大，而城市轨道交通在市民出行方面起到了重要的作用。近年来，越来越多的地铁项目在各大中城市中建成并投入使用。然而随着时间的推移，地铁隧道在外界各种环境条件的影响下，其结构性态不断发展变化，结构病害不断出现，材料耐久性不断下降，直至影响其使用的安全性和功能性，如何综合、全面的评价运营期间地铁隧道的安全成了一个刻不容缓的课题。目前关于隧道安全综合评价方法主要有以下几种：

(1)故障类型影响分析法(FMEA)

根据各类故障类型的严重程度划分危险等级，列出与子系统相对应的故障类型或因素。这种方法的特点是故障因素内容和对应的危险程度一目了然，缺点是故障因素对应的危险等级固定，不具有灵活性，并且故障因素与故障因素之间以及故障因素与系统之间没有太大关联。

(2)事故树分析法(FTA)

事故树分析法是一种从一个可能的事故开始层层往上探寻事故原因的事故分析法，因为层层向上如树枝一样被称为事故树。这种方法的优点是逻辑清晰，分析演绎大型复杂系统可靠度和安全状况，但是对所有的评价指标采用同样的重要度。

(3)致命度分析法(CCA)

致命度分析法主要对系统中各个不同的严重故障模式计算临界值，通常与FMEA合用，称作故障类型影响及致命度分析法(FMECA)。作为FMEA的延续，FMECA在评价系统安全度的时候也有故障因素对应危险等级固定，故障因素非好即坏等缺点。

(4)层次分析法(AHP)

层次分析法是现在评估工作中较常用的分析方法，本质是通过两两对比找出因素之间重要度关系，得出判断矩阵，在经过判断矩阵的一致性检验后将判断矩阵最大特征值对应的特征向量分量进行归一化处理得到各因素的权重向量。缺点是指标过多时数据统计量大，权重难以确定，且特征值和特征向量的精确求法比较复杂。

(5)模糊综合评价法(FCE)

模糊综合法建立于模糊数学的基础上，通过模糊算子作用于各因素权重向量和隶属度矩阵得出安全评估向量。模糊数学在解决评估问题中有着得天独厚的优势，它可以将定性分析的处理条件以定量结果输出，从而提高了模糊综合评价法的适用范围，尤其适合在多因素复杂的情况下运用。

(6)专家系统法

专家系统法就是依据专家的知识，模拟专家的推理来解决具体问题。在隧道工程设计、施工和管理方面，都存在一些不确定性的因素，而理论研究还没有涉及的因素一般难以用数值计算来解决。使用专家系统法，能以近似专家的水平来解决问题。但是这种方法需要采集大量同领域的专家进行知识，而采集专家个人经验的知识是比较困难的。

现有的评估方法主要存在以下两个方面的问题：1、虽然国内外的专家学者采取了各种方法对影响隧道结构安全的各因素进行了综合性评价，但是鲜有考虑因素间相关性和评价等级对权重影响的综合性评价的现有技术披露。在实际运营期间，由于地下情况的特殊性和复杂性，隧道性态评价指标之间表现出强烈的相关性。2、通常的安全评估方法中需要运用到各因素的权重，目前通常采用常权重的方法，而事实上，各因素在其处于不同状态的情况下占的权重不是常量。考虑到上述两种因素，使用常权重系数并不能准确评价隧道结构安全状态的真实情况，需要进行变权重处理，合理评价隧道结构安全状态。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种地铁隧道结构安全评估的方法，能对地铁隧道的安全状态作出评价。

本发明采用以下技术方案：

一种地铁隧道结构安全评估的方法，其特征是按如下步骤实施：

(1)考虑各指标检测的可操作性以及对隧道结构安全描述的综合周密性，基于隧道结构安全受力和变形特点，确定隧道的结构安全评价指标体系。本发明选取了渗漏水、纵向沉降、横向收敛、错台、裂缝、管片破损6个评价指标。指标的选取遵循以下原则：科学性原则、相对完备性原则、简捷性原则、相对独立性原则、可操作性原则、层次性原则；

(2)根据现有的安全等级划分方法、相关规范以及隧道受力和变形控制标准确定评价指标的分级标准；

(3)以乘积标度法为基础，确定指标权重向量；

(4)收集6个指标的现场检测数据，根据指标检测值，结合各指标的分级标准，计算各指标的隶属度向量组成隶属度矩阵；

(5)根据各指标之间的相关性和指标评价等级进行变权重处理；

(6)用模糊综合评价原理计算模糊综合评价向量，按照最大隶属度原则确定评级结果。

进一步地，步骤(5)中根据各指标之间的相关性和指标安全状态等级进行变权重处理的步骤如下：

(1)对各指标进行分析，确定各指标之间的相关性以及相关性的强弱程度，据此进行第一次变权重处理；

(2)根据每个指标的评价等级进行第二次变权重处理，为提高安全性，应提高高危等级隶属度高的指标；

(3)将调整后的权重向量进行归一化处理，得到新的权重向量。

进一步地，变权重处理方法如下：若某一指标受其他一个或多个指标影响较大，则应降低该指标的权重；若某一指标的隶属度向量显示该指标所处的危险等级较高，则应提高对该指标的重视程度，提高该指标的权重。

步骤(6)中运用模糊综合评价原理进行综合评价，使定性的评价指标定量化。评价过程中对指标权重进行调整，使评价结果更加科学合理。

步骤(5)中所述的变权重处理方法，其具体步骤如下：

(1)对各指标进行分析，确定各指标之间的相关性以及相关性的强弱程度，据此进行第一次变权重处理。

ω_ri＝ηω_i

其中，ω_ri为修正后的权重，ω_i为修正前的权重，η为折减系数。当指标完全相关时(即某指标完全由另一指标引起时)取η为0，指标相关性强时取η为0.33，指标相关性弱时时取η为0.66。

(2)根据每个指标的评价等级进行第二次变权重处理，为了突出处于较差等级的评价指标对最终评价结果的影响，应提高其权重，避免高危等级指标被平均化。变权重过程如下：常权重向量为

[W_i]＝{ω₁,ω₂,ω₃…ω_n}

设经过变权重处理的权重向量为

[W_ri]＝{ω_r1,ω_r2,ω_r3,…,ω_rn}

式子中ω_ri(i＝1,2,...,n)分别为评价指标{c_i}的权值。

设评价指标在最极端情况下的权向量为

[W_0i]＝{ω₀₁,ω₀₂,ω₀₃,…,ω_0n}

式子中ω_0i(i＝1,2,...,n)为其所对应的评价指标所处等级最差而其他指标所处等级最好时的权重。因此，ω_i≤ω_0i≤1，并且有ω_ri≤ω_0i≤1，为保证后续公式中λ_0i的合理计算，[W_0i]＝{0.99,0.99,0.99,…,0.99}。当其他因素评价等级一定时，因素i的权重ω_i随着其危险程度的提高而提高；当因素i的评价等级一定时，其权重ω_i随着其他因素危险程度的提高而下降。

经过变权重处理后的指标权重为

式中，λ_i为函数，可以表示为：

λ_0i、λ^*、v_i、m_i为计算参数，可以根据[W_i]、[W_0i]求得，其中：

v_i根据指标等级计算得到的百分制评分

v_i＝r_i1×12.5+r_i2×37.5+r_i3×62.5+r_i4×87.5

r_ij为评价指标i对等级j的隶属度

R_i＝(r_i1,r_i2,r_i3,r_i4)为评价指标i的隶属度向量

(3)将调整后的权重向量进行归一化处理，得到新的权重向量。

本发明以模糊综合评价方法为基础，考虑了各评价指标的相关性和评价指标等级影响，进行了变权重处理，使得评价方法更加科学合理，和其他评价方法相比，具有如下特点：

(1)建立于模糊数学的基础上，在解决评估问题中有着得天独厚的优势，可以将定性分析的处理条件以定量结果输出，从而提高了模糊综合评价法的适用范围。

(2)通过模糊算子作用于各因素权重向量和隶属度矩阵得出安全评估向量。

(3)考虑了各评价指标的相关性。各个评价指标之间并不是完全独立的，而是有一定的相关性，某一指标的变化会对另一指标产生影响。

(4)考虑了指标等级对权重向量的影响，指标危险等级越高，对应的权重越高。

(5)采用最大隶属度原则，选取模糊综合评价向量中最大隶属度对应的等级为评价结果。

附图说明

图1为病害示意图。

图2为本发明的流程图。

图3为隶属度函数示意图。

图4为评价指标相关性示意图。

具体实施方式

参见图1，实施步骤如下：

(1)综合考虑各指标检测的可操作性以及对隧道结构安全的影响程度，选取合适的评价指标，建立隧道结构安全评价指标体系；

(2)根据现有的安全等级划分方法、相关规范以及隧道结构受力和变形控制标准确定评价指标的分级标准；

(3)选用合理的隶属度函数，根据各指标的检测值，结合各指标的分级标准，计算各指标的隶属度向量；

(4)将各指标的隶属度向量组合成评价指标的隶属度矩阵；

(5)比较各指标的重要性，以乘积标度法为基础，确定各评价指标的权重，得到权重向量；

(6)考虑各指标之间的相关性以及指标评价等级，对权重向量进行变权重处理；

(7)采用模糊综合评价方法，将修正后的权重向量与评价指标隶属度矩阵相乘，得到最终的模糊综合评价向量；

(8)按照最大隶属度原则，模糊综合评价向量中最大隶属度对应的等级即为评价结果。

下面通过实例进一步描述本发明。

在实际监测中选择一环作为计算实例，各指标的监测结果如表2所示。

表2各指标实测值

因素	状态
			III级(有部分湿迹)
	曲率半径7587m
			收敛值75mm
	0
			0
	0

(1)权重向量

综合9/9～9/1标度法、10/10～18/2标度法和指数标度法提出乘积标度法，若A指标比B指标的权重稍微大，则他们的比为1.354:1，若A指标比B指标的权重比稍微大还要稍微大，则他们的比为(1.354×1.354)：1＝1.833:1。在6个指标中，认为纵向沉降、横向收敛、错台为重要性“相同”的因素，而这三个因素比较与渗漏水是“稍微大”，在对裂缝和管片破损比较时是比“稍微大”更“稍微大”，而渗漏水比较裂缝与管片破损是“稍微大”的，裂缝与管片破损为“相同”。因此6个指标的权重之比为

[ω_i]＝(1.354,1.833,1.833,0.207,1,1)^T

归一化后得到6个指标的权重向量为

[ω_i]＝(0.153,0.207,0.207,0.207,0.113,0.113)^T

(2)计算单因素隶属度向量

隶属度函数选为正态型

图3为隶属度函数的示意图，b₀,b₁,...,b_n-1为各指标的等级划分点，a₀,a₁,...,a_n-1为各段的中点，a_n＝1.5×b_n-1。

表3-表8为6个指标的控制等级表。

表3渗漏水指标控制等级表

等级	具体情况
		IV	满足国家二级防水技术的要求；
III	腰部有轻微渗水；隧道顶部渗水；无泥沙；
		II	底部轻微渗水；腰部渗水明显；
I	涌水；有堆积的泥沙；有连续渗流，表面可见水膜；或线流。

表3纵向变形指标控制等级表

等级	纵向变形曲率半径	对应状态
			IV	大于15000	正常
III	4700～15000	无法达到设计要求
			II	3000～4700	接头螺栓屈服
I	小于3000	接头张开量无法满足

表4横向变形指标控制等级表

等级	横向直径变化量％D	对应状态
			IV	小于0.5	正常
III	0.5—1	超过设计要求
			II	1—1.5	螺栓达到屈服强度
I	大于1.5	混凝土达到强度标准值

表5错台指标控制等级表

等级	错台高度mm	对应状态
			IV	小于4	正常
III	4—8	超过设计标准
			II	8—10	螺栓屈服变形
I	大于10	混凝土与螺栓之间压力过大

表6裂缝宽度指标控制等级表

等级	裂缝宽度(mm)
		IV	小于0.05
III	0.05—0.1
		II	0.1—0.2
I	大于0.2

表7管片破损指标控制等级表

等级
		IV	＜20
III	20～100
		II	100～200
I	＞200

由隶属度函数计算隶属度时，除纵向变形指标外，其他指标u₁表示隶属于IV级的隶属度，u₂表示隶属于III级的隶属度，u₃表示隶属于II级的隶属度，u₄表示隶属于I级的隶属度，

对于纵向沉降，控制纵向沉降曲率半径的阈值分别为15000m、4700m、3000m，4个函数中的参数均已知，将x＝7587m带入可得

R_c2＝(0 0.111 0.889 0)

同理可得另外5个指标的隶属度向量为

R_c3＝(0 0.941 0.059 0)

R_c1＝(0 0 1 0)

R_c4＝(0 0 0 1)

R_c5＝(0 0 0 1)

R_c6＝(0 0 0 1)

可以得到各因素隶属度矩阵

(3)变权重处理

①.考虑各指标的相关性进行变权重

经过分析，认为渗漏水大部分由纵向沉降、横向收敛和错台引起，所以取η＝0.33

归一化处理后

[ω_ri]＝(0.059,0.238,0.238,0.238,0.113,0.113)

归一化时无关指标的权重保持不变。

②.考虑各指标评价等级进行变权重

采用前文所述变权重方法可得考虑隶属度向量后的权重

[ω'_i]＝{0.058,0.239,0.372,0.169,0.081,0.081}

(4)计算模糊综合评价向量

得

Z＝(0 0.377 0.292 0.331)

即认为综合评价结果Z隶属于IV级的隶属度为0.331，隶属于III级的隶属度为0.292，隶属于II级的隶属度为0.377。

根据最大隶属度原则，选取模糊综合评价向量中最大隶属度对应的等级为评价结果，该实例的评价结果为II级。

Claims (4)

1.一种地铁隧道结构安全评估的方法，其特征是，按如下步骤实施：

(1)考虑各指标检测的可操作性以及对隧道结构安全描述的综合周密性，基于隧道结构安全受力和变形特点，确定隧道的结构安全评价指标体系。本发明选取了渗漏水、纵向沉降、横向收敛、错台、裂缝、管片破损6个评价指标；

(2)根据现有的安全等级划分方法、相关规范以及隧道受力和变形控制标准确定评价指标的分级标准(表1)；

表1 结构综合安全度评价等级划分表

等级 具体情况 I 加固处理 II 预警 III 加强监测 IV 正常

(3)采用乘积标度法确定所述6个评价指标权重向量；

(4)收集所述6个指标的现场检测数据，根据指标检测值，结合步骤(2)各指标的分级标准，计算各指标的隶属度向量组成隶属度矩阵；

(5)根据各指标之间的相关性和评价指标的安全等级进行变权重处理；

(6)用模糊综合评价原理计算模糊综合评价向量，按照最大隶属度原则确定评价结果。

2.根据权利要求1所述的地铁隧道结构安全评估的方法，其特征是：步骤(6)中运用模糊综合评价原理进行综合评价，使定性的评价指标定量化。评价过程中对指标权重进行调整，使评价结果更加科学合理。

3.根据权利要求2所述的一种地铁隧道结构安全评估的方法，步骤(5)中所述的变权重处理方法，其具体步骤如下：

(1)对各指标进行分析，确定各指标之间的相关性以及相关性的强弱程度，据此进行第一次变权重处理。

ω_ri＝ηω_i

其中，ω_ri为修正后的权重，ω_i为修正前的权重，η为折减系数。当指标完全相关时(即某指标完全由另一指标引起时)取η为0，指标相关性强时取η为0.33，指标相关性弱时时取η为0.66。

(2)根据每个指标的安全状态等级进行第二次变权重处理，为了突出处于较差等级的评价指标对最终评价结果的影响，应提高其权重，避免高危等级指标被平均化。变权重过程如下

常权重向量为

[W_i]＝{ω₁,ω₂,ω₃…ω_n}

设经过变权重处理的权重向量为

[W_ri]＝{ω_r1,ω_r2,ω_r3,…,ω_rn}

式子中ω_ri(i＝1,2,...,n)分别为评价指标{c_i}的权值。

设评价指标在最极端情况下的权向量为

[W_0i]＝{ω₀₁,ω₀₂,ω₀₃,…,ω_0n}

式子中ω_0i(i＝1,2,...,n)为其所对应的评价指标所处等级最差而其他指标所处等级最好时的权重。因此，ω_i≤ω_0i≤1，并且有ω_ri≤ω_0i≤1，为保证后续公式中λ_0i的合理计算，

[W_0i]＝{0.99,0.99,0.99,…,0.99}。当其他因素评价等级一定时，因素i的权重ω_i随着其危险程度的提高而提高；当因素i的评价等级一定时，其权重ω_i随着其他因素危险程度的提高而下降。

经过变权重处理后的指标权重为

${\mathrm{\ω}}_{ri}={\mathrm{\λ}}_i/\underset{j=1}{\overset{6}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_j$

式中，λ_i为函数，可以表示为：

${\mathrm{\λ}}_i={\mathrm{\λ}}_{\·i}^{*}{\mathrm{\λ}}_{0i}/\{{\mathrm{\λ}}^{*}\exp \[{(v_i/100)}^{(1-m_i)}/(1-m_i)\]\}$

λ_0i、λ^*、v_i、m_i为计算参数，可以根据[W_i]、[W_0i]求得，其中：

v_i根据指标等级计算得到的百分制评分

v_i＝r_i1×12.5+r_i2×37.5+r_i3×62.5+r_i4×87.5

r_ij为评价指标i对等级j的隶属度

R_i＝(r_i1,r_i2,r_i3,r_i4)为评价指标i的隶属度向量

${\mathrm{\λ}}_{0i}=\left({\mathrm{\ω}}_{0i}\underset{j\≠i}{\Σ}{\mathrm{\ω}}_j\right)/(1-{\mathrm{\ω}}_{0i})$

${\mathrm{\λ}}_{\·i}^{*}=\underset{j\≠i}{\Σ}{\mathrm{\λ}}_{oj}$

${\mathrm{\λ}}^{*}=\underset{j=1}{\overset{6}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{0j}$

${m_i}^{*}=1-1/ln\{\[{\mathrm{\λ}}_{0i}({\mathrm{\λ}}_{\·i}^{*}+{\mathrm{\ω}}_i)\]/\left({\mathrm{\λ}}^{*}{\mathrm{\ω}}_i\right)\}$

(3)将调整后的权重向量进行归一化处理，得到新的权重向量。

4.根据权利要求3所述的一种地铁隧道结构安全评估的方法，其特征在于，变权重处理方法，若某一指标受其他一个或多个指标影响较大，则应降低该指标的权重；若某一指标的等级处于安全危险等级较高，则应提高对该指标的重视程度，提高该指标的权重。