CN106919784A - 一种基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法，包括：根据盾构隧道的服役性能评估指标体系获得评价所必需的监测、检测数据；采用基于信心指数的专家调研法获得指标初始权重；根据指标数据对初始权重进行变权调整；基于模糊综合评判的方法对结构单元进行评价；根据单元结构评价等级综合判定隧道整体服役性能等级。本发明利用变权重的方法，实现对盾构隧道服役性能的动态综合评价。评价指标权重的取值既充分考虑了专家的知识与经验，也能够根据实际的隧道状况对相关权重进行及时地动态调整，突出了关键恶化指标对于隧道最终服役性能等级的影响。

Description

一种基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法

技术领域

本发明涉及盾构隧道运营期的服役性能评价领域，特别涉及一种基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法。

背景技术

随服役年限的增加，我国大量已投入运营的既有城市盾构隧道结构面临不同程度的损伤和老化，面对由全面建设阶段向维护阶段的过渡，如何对既有城市盾构隧道的结构服役性能进行评价，做到早发现，勤维护，防患于未然，已经成为摆在城市管理者面前的难题。

科学、合理地反映盾构隧道的服役性能等级对于指导盾构隧道的安全运营以及病害的治理与养护是十分重要的。目前已有的基于常权重的评价方法不能突出处于较差等级的评价指标对评判结果的影响，为了突出处于较差等级的评价指标对最终评判结果的影响，可以考虑随着评价指标朝不利方向发展而在常权重的基础上修正其评价的权值，从而使评判结果更趋合理。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有方法存在的缺陷而提供一种基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法，以解决现有评价方法存在的不能突出处于较差等级的评价指标对评判结果的影响的问题。

为实现上述技术效果，本发明公开了一种基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法，包括步骤：

采用层次分析法建立盾构隧道的服役性能评估指标体系；

确定所述服役性能评估指标体系中的各单项指标的评判标准；

采用基于信心指数的专家调研法获得各单项指标在所述服役性能评估指标体系中的指标初始权重；

在盾构隧道发生变化时，获取服役性能评估指标体系的动态指标数据；

根据所述动态指标数据对所述指标初始权重进行变权调整；以及

基于模糊综合评判的方法对变权调整后的所述服役性能评估指标体系进行等级评价，评价出盾构隧道的服役性能等级。

所述基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法进一步的改进在于，盾构隧道的所述服役性能评估指标体系分为三层；第一层为目标层，第二层为准则层，第三层为指标层。

所述基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法进一步的改进在于，所述目标层为盾构隧道的服役性能状态；所述准则层包括结构整体变形、连接构件变形、混凝土表面病害、渗漏状态及材质劣化五个方面；所述指标层包括横断面收敛、纵向沉降、横通道差异沉降、管片接缝变形、变形缝变形、螺栓变形、裂缝、破损、析出、渗漏状态、衬砌强度、混凝土碳化及钢筋锈蚀。

所述基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法进一步的改进在于，所述指标层的横断面收敛、纵向沉降及横通道差异沉降隶属于所述准则层的结构整体变形；所述指标层的管片接缝变形、变形缝变形及螺栓变形隶属于所述准则层的连接构件变形；所述指标层的裂缝、破损、析出隶属于所述准则层的混凝土表面病害；所述指标层的渗漏状态隶属于所述准则层的渗漏状态；所述指标层的衬砌强度、混凝土碳化及钢筋锈蚀隶属于所述准则层的材质劣化。

所述基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法进一步的改进在于，确定所述服役性能评估指标体系中的各单项指标的评判标准为：基于理论分析、数值模拟来确定所述服役性能评估指标体系的指标层中的各单项指标的评判标准。

所述基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法进一步的改进在于，在盾构隧道发生变化时，采用监测、监测方式获取服役性能评估指标体系的动态指标数据。

所述基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法进一步的改进在于，根据所述动态指标数据对所述指标初始权重进行变权调整的过程包括：

随着动态指标数据朝不利方向发展而在指标初始权重的基础上修正权值；权值修正函数为：

其中，是因素x_i的常权权重，i为指标序号，m为总的指标数量，ω_i为第i项指标的权重，x_m为指标的取值；k为指标序号，x_i为第i项指标的取值，x_k为第k项指标的取值，ω_k为第k项指标的权重，t为变权系数，t的值在0～1之间。

所述基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法进一步的改进在于，基于模糊综合评判的方法对变权调整后的所述服役性能评估指标体系进行等级评价，评价出盾构隧道的服役性能等级的过程包括：

将盾构隧道划分为多个单元结构；

基于模糊综合评判的方法对多个所述单元结构进行等级评价，获得多个所述单元结构的各评价等级；

根据多个所述单元结构的各评价等级综合评价隧道盾构整体的服役性能等级。

所述基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法进一步的改进在于，通过二级模糊综合评判，对所述单元结构进行等级评价，获得所述单元结构的评价等级；二级模糊综合评判中的隶属函数采用柯西函数，模糊算子采用加权平均型算子：二级模糊综合评判式如下：

其中，Z为目标因素对评语集合的隶属向量，ω_a为当前层的权重，R为一级模糊综合评价结果，视为单因素评判集，bi为类别编号；R′_bi为单因素评价矩阵，ω_bi为相应的权重，T是矩阵的转置运算符。

所述基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法进一步的改进在于，盾构隧道整体的服役性能等级划分为五个等级。本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：与现有评价方法相比，本发明方法利用变权重的方法，实现对盾构隧道服役性能的动态综合评价，评价指标权重的取值既充分考虑了专家的知识与经验，也能够根据实际的隧道状况对相关权重进行及时地动态调整，突出了关键恶化指标对于隧道最终服役性能等级的影响。

附图说明

图1为本发明一种基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法的流程示意图。

图2是本发明采用的盾构隧道服役性能评价的指标体系。

图3～图5为本发明模糊综合评判中隶属函数的示意图。

图6为评价指标定义域内的隶属度分布示意图。

图7为本发明的评价指标隶属函数的示意图。

图8为本发明的一个实施例的常权与变权计算结果对于等级Ⅰ的隶属度。

图9为常权与变权计算结果对于等级Ⅱ的隶属度。

图10为常权与变权计算结果对于等级Ⅲ的隶属度。

图11为常权与变权计算结果对于等级Ⅳ的隶属度。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本说明书所附附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

首先，请参阅图1所示，图1为本发明基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法的流程示意图。本发明基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法具体如下：

S001：采用层次分析法建立盾构隧道的服役性能评估指标体系；

S002：确定服役性能评估指标体系中的各单项指标的评判标准；

S003：采用基于信心指数的专家调研法获得各单项指标在服役性能评估指标体系中的指标初始权重；

S004：在盾构隧道发生变化时，获取服役性能评估指标体系的动态指标数据；

S005：根据所获取的动态指标数据对指标初始权重进行变权调整；以及

S006：基于模糊综合评判的方法对变权调整后的服役性能评估指标体系进行等级评价，评价出盾构隧道的服役性能等级。

与现有评价方法相比，本发明方法利用变权重的方法，实现对盾构隧道服役性能的动态综合评价，评价指标权重的取值既充分考虑了专家的知识与经验，也能够根据实际的隧道状况对相关权重进行及时地动态调整，突出了关键恶化指标对于隧道最终服役性能等级的影响。

进一步的，在步骤S001中，所谓层次分析法，是指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标(或准则、约束)的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序(权数)和总排序，以作为目标(多指标)、多方案优化决策的系统方法。

层次分析法是将决策问题按总目标、各层子目标、评价准则直至具体的备投方案的顺序分解为不同的层次结构，然后得用求解判断矩阵特征向量的办法，求得每一层次的各元素对上一层次某元素的优先权重，最后再加权和的方法递阶归并各备择方案对总目标的最终权重，此最终权重最大者即为最优方案。这里所谓“优先权重”是一种相对的量度，它表明各备择方案在某一特点的评价准则或子目标，标下优越程度的相对量度，以及各子目标对上一层目标而言重要程度的相对量度。层次分析法比较适合于具有分层交错评价指标的目标系统，而且目标值又难于定量描述的决策问题。其用法是构造判断矩阵，求出其最大特征值。及其所对应的特征向量W，归一化后，即为某一层次指标对于上一层次某相关指标的相对重要性权值。

配合图2所示，图2是本发明采用的盾构隧道服役性能评价的指标体系，该服役性能评估指标体系分为三层；第一层为目标层，为盾构隧道的服役性能状态；第二层为准则层，包括结构整体变形、连接构件变形、混凝土表面病害、渗漏状态及材质劣化五个方面；第三层为指标层，包括横断面收敛、纵向沉降、横通道差异沉降、管片接缝变形、变形缝变形、螺栓变形、裂缝、破损、析出、渗漏状态、衬砌强度、混凝土碳化及钢筋锈蚀。

其中，第三层指标层的横断面收敛、纵向沉降及横通道差异沉降隶属于第二层准则层的结构整体变形；第三层指标层的管片接缝变形、变形缝变形及螺栓变形隶属于第二层准则层的连接构件变形；第三层指标层的裂缝、破损、析出隶属于第二层准则层的混凝土表面病害；第三层指标层的渗漏状态隶属于第二层准则层的渗漏状态；第三层指标层的衬砌强度、混凝土碳化及钢筋锈蚀隶属于第二层准则层的材质劣化。

在步骤S002中：结合理论分析、数值模拟与相关规范确定服役性能评估指标体系的指标层中的各单项指标的评判标准，用以判定等级。

其中，相关规范为《地下工程防水技术规范》(GB50108-2008)、《盾构法隧道结构服役性能鉴定规范》(DG/TJ08-2123-2013)、《上海市隧道养护规范》(SZ-43-2005)、《盾构法隧道施工与验收规范》(GB50446-2008)等。

以下表1～表12为一种评判标准的实施例，各个单项指标的评判标准为：

表1横向变形的定量判定标准

表2纵向沉降的定量判定标准

表3基于张开量的判定标准

表4基于错台量的判定标准

表5基于螺栓可见状态的定性判定标准

判定等级	1	2	3	4
					表观现象	无	松动	大变形	损坏、断裂

表6裂缝判定标准

表7混凝土破损的判定标准

表8混凝土表面析出的判定标准

判定等级	1	2	3	4
						≤10	10～30	30～50	≥50

表9渗漏状态的判定标准

表10基于砼强度降低比的判定标准

判定等级	判定标准
		1	≤0.1
2	0.1～0.3
		3	0.3～0.5
4	≥0.5

表11基于混凝土碳化深度的判定标准

判定等级	判定标准/cm
		1	≤15
2	15～30
		3	30～40
4	≥40

表12基于钢筋截面损失率的判定标准

判定等级	判定标准(截面损失率)
		1	≤3％
2	3％～10％
		3	10％～25％
4	≥25％

而后，在步骤S003中：采用基于信心指数的专家调研法根据确定的各单项指标的评价标准，获得该各单项指标在服役性能评估指标体系中的指标初始权重。

专家评估法也称专家调查(调研)法，专家评估法是以专家为索取未来信息的对象，组织各领域的专家运用专业方面的知识和经验，通过直观的归纳，对预测对象过去和现在的状况、发展变化过程进行综合分析与研究，找出预测对象变化、发展规律、从而对预测对象未来的发展区实际状况做出判断。专家评估法的种类主要有个人判断法、专家会议法、头脑风暴法和德尔菲法。

专家调查权重法是一个较科学合理的方法，依据“德尔菲法”的基本原理，选择企业各方面的专家，采取独立填表选取权数的形式，然后将他们各自选取的权数进行整理和统计分析，最后确定出各因素，各指标的权数。集合了各方面专家的智慧和意见，并运用数理统计的方法进行检验和修正。

基于信心指数的专家调研法：初始指标权重由基于信心指数法的专家调研法获得，调研表见附件。调研结果分析如表13所示：

表13评价指标权重调研结果

本发明采用基于信心指数的专家调研法获得指标初始权重，充分考虑和利用了专家的知识与经验。该基于信心指数的专家调研法的前提是要在调查中引入“信心指数”这个参数，所谓信心指数就是专家在做出相应判断时的信心程度，也可以理解为该数据的客观可靠程度。这意味着将由专家自己进行数据的可靠性或客观性评价，这就会大大提高数据的可用性，也可以扩大数据采集对象的范围。通过这种方法，可以挖掘出专家调研数据的深层信息。即使数据采集对象并非该领域的专家，只要他对所做出的判断能够有一个正确的评价，那么这个数据就应该视为有效信息。

在步骤S004中：在盾构隧道发生变化时，根据盾构隧道的服役性能评估指标体系获得评价所必需的监测、检测数据，作为服役性能评估指标体系的动态指标数据；

而后，在步骤S005中：采用了一种变权重的方法，即指标初始权重采用基于信心指数的专家调研法获得，同时为了突出处于较差等级的评价指标对最终评判结果的影响，随着评价指标(即动态指标数据)朝不利方向发展而在常权重(即指标初始权重)的基础上修正其权值(式一)，避免关键性恶化指标被平均化；

权值修正：

其中，是因素x_i的常权权重，i为指标序号，m为总的指标数量，ω_i为第i项指标的权重，x_m为指标的取值；k为指标序号，x_i为第i项指标的取值，x_k为第k项指标的取值，ω_k为第k项指标的权重，t为变权系数，t的值在0～1之间。

评价指标的变权重修正方法：

信心指数法和乘积标度法均属于常权重的计算方法，此种常权重只是反映一种理想状态下的评价指标之间的相对重要程度，即各个指标在相同等级条件下两两相互比较而得到的权值，不能突出处于较差等级的评价指标对评判结果的影响。为了突出处于较差等级的评价指标对最终评判结果的影响，可以考虑随着评价指标朝不利方向发展而在常权重的基础上修正其评价的权值，从而使评判结果更趋合理。

我国学者汪培庄教授于上世纪80年代最早提出了状态变权的概念，即目标权重会随着因素状态值的变化而变化。汪培庄(1985)给出了如下式所示的变权综合决策模型。

Z为实际评价值，x_i(i＝1,2,...,m)为因素x_i的状态值，ω_i(x₁,...,x_m)是与x₁,...,x_m有关的x的变权。

关于变权公式的确定，李德清和李洪兴(2002)定义了惩罚型变权向量W(X)＝(ω₁(X),L,ω_n(X))，并采用Hardarmard乘积计算：

W＝(ω₁,L,ω_n)为常权向量，S(X)＝(S₁(X),L,S_n(X))为状态变权向量。目前一般可采用经验公式、加型均衡函数(刘文奇，1997)和指数型函数得到状态变权向量，本文采用均衡函数的变权公式：

是因素x_i的常权权重。变权系数t的值在0～1之间。若安全评价体系中某个有缺陷的因素对系统安全性产生重大影响，则一般取t<0.5，相反可取t>0.5。李浩然等(2014)将该变权公式应用到盐穴储气库腔体稳定性的评价中，并保守地取t＝0.2，取得了较好的效果。公路隧道的安全运营关系重大，评价应严格要求，偏向于严谨保守，本文取t＝0.2。

本发明的指标权重采用基于信心指数的专家调研法与一种变权重方法获得，综合了专家的知识经验以及隧道的真实运营情况。

最后，在步骤S006中：基于模糊综合评判的方法对变权调整后的所述服役性能评估指标体系进行等级评价，评价出盾构隧道的服役性能等级，具体过程如下：

将盾构隧道划分为多个单元结构；

基于模糊综合评判的方法对多个单元结构进行等级评价，获得多个单元结构的各评价等级；

根据多个单元结构的各评价等级综合评价隧道盾构整体的服役性能等级。

本发明在对单元结构进行评价的基础上综合判定隧道的整体服役性能等级，实现局部与整体的多尺度评价。本发明盾构隧道整体的服役性能等级划分为五个等级(ⅰ级、ⅱ级、ⅲ级、ⅳ级和ⅴ级)。

进一步的，本发明通过二级模糊综合评判，对单元结构进行等级评价，获得单元结构的评价等级；二级模糊综合评判中的隶属函数采用柯西(Cauchy)函数，模糊算子采用加权平均型算子；二级模糊综合评判式如下：

其中，Z为目标因素对评语集合的隶属向量，ω_a为当前层的权重，R为一级模糊综合评价结果，视为单因素评判集，bi为类别编号；R′_bi为单因素评价矩阵，ω_bi为相应的权重，T是矩阵的转置运算符。

具体的，引入模糊理论来对盾构隧道结构安全状态进行综合评价。

1)隶属函数

本发明采用Cauchy(柯西)分布，其主要类型有三种，参见图3～5所示。

(1)小型模糊分布，x越大，则隶属度越小，采用降半Cauchy分布：

(2)间型模糊分布，此用对称Cauchy(柯西)分布：

(3)大型模糊分布，x越大，则隶属度越大，采用升半Cauchy分布：

式中，α和β为参数，且有α>0，β>0。

至于隶属函数中参数的计算，本发明采用将三种Cauchy分布进行组合，取β＝2，得到评价指标定义域的隶属度分布如图6所示。

评价指标关于四个等级的隶属函数如下：

对于每一个项目层的单指标变量，需要确定其相应的区间分段参数值a₁～a₄和分布曲线形态参数值α₁～α₄。

分界值落入相邻两区间概率相等，即

利用下面的关系式

其中k₁～k₃是单指标定量化评价基准中的分界值。

利用上述表达式即可求出所有评价指标的隶属函数的参数值。

表14各指标隶属函数的参数值

以横断面收敛为例，配合图7所示，其隶属函数为

隶属函数用以计算评价指标对于评价等级的隶属度，并形成隶属向量。

2)模糊算子

采用加权平均型模糊算子M(g,⊕)，这种算子采用实数乘积和有界和运算。

从上式可以看出，该模型同时考虑了所有因素的影响，按权重大小均衡兼顾，体现了整体特性。

本发明盾构隧道结构安全模糊综合评价模型：

由于盾构隧道健康状态诊断指标体系是一个三层指标体系，因此采用两级模糊综合评价模型。多级模糊综合评价是从最低层开始逐层向上做出综合评价，直至最高的目标层以得到原问题的综合评价结果。这里从指标层出发，先对准则层各因素进行一级模糊综合评价，再对目标层进行二级模糊综合评价。

(a)确定单因素评价矩阵

利用隶属函数建立指标C_i对评语集合V的隶属向量R_ci

R_ci＝(r_ci1 r_ci2 r_ci3 r_ci4)，i＝1,2,L,13

由隶属向量R_ci即可建立准则层各因素的单因素评价矩阵R′_bi。

(b)一级模糊综合评价

模糊综合评价是通过模糊算子建立模糊综合评价模型的过程。根据前面的分析，这里选用加权平均型模糊综合评价模型：

ω×R'＝R

式中，ω表示权重向量，R'表示单因素评价矩阵，R表示相应的准则层因素对评语集合V的隶属向量。

由单因素评价矩阵R′_bi与其相应的权重向量ω_bi，可得出各因素B_i对评语集合V的隶属向量为R_bi＝ω_bi×R′_bi。

2)二级模糊综合评价

将一级模糊综合评价结果R_bi视为单因素评判集，由R_bi可组成二级模糊综合评价的单因素评价矩阵，由相应的权重向量和单因素评价矩阵通过矩阵相乘可得二级模糊综合评价结果—目标因素对评语集合的隶属向量Z

3)模糊向量单值化

分别给评语v₁、v₂、v₃、v₄赋以分值4、3、2、1，则

则盾构隧道结构安全状态的量化等级如表所示。

表15盾构隧道结构安全等级表

等级	安全状态	安全度F
			Ⅰ	很安全(结构无破损)	3.4<F≤4.0
Ⅱ	安全(结构存在轻微破损)	2.8<F≤3.4
			Ⅲ	较安全(结构存在破损)	2.2<F≤2.8
Ⅳ	较不安全(结构存在较严重破损)	1.6<F≤2.2
			Ⅴ	不安全(结构存在破坏)	1.0<F≤1.6

(3)盾构隧道结构安全状态等级

对盾构隧道结构安全状态等级的划分采用五级划分法。

表16盾构隧道结构安全状态等级

(4)算例

为了对上述介绍的评价指标体系、评价指标权重的计算方法以及综合评价的方法进行说明，这里介绍一个算例进行进一步地介绍，从而对方法的可行性加以检验。

现对某公路隧道的4个区段进行安全评价，各个区段的变形监测与病害检测数据见下表：

表17某公路隧道各区段监测与检测数据

评估的主要步骤如下：

(1)输入指标数据，为矩阵形式(每一行为一个区段的指标数据)。

(2)计算各个指标的隶属向量。例如对于隧道区段1，只需要将各指标值代入相应的的隶属函数中，即可得到各个指标的隶属向量。

R_ci＝(r_ci1 r_ci2 r_ci3 r_ci4)i＝1,2,…,13

根据隶属向量，将其单值化：

进行准则层指标权重的变权处理(t＝0.2)：

(3)将隶属向量组合，建立准则层各因素的单因素评价矩阵。

R′_b1＝(R_c1 R_c2 R_c3)

R′_b2＝(R_c4 R_c5 R_c6)

R′_b3＝(R_c7 R_c8 R_c9)

R′_b4＝(R_c10)

R′_b5＝(R_c11 R_c12 R_c13)

(4)进行一级模糊综合评判

R_bi＝ω_i×R′_bi i＝1,2,...，5

R_bi＝(r_bi1 r_bi2 r_bi3 r_bi4)i＝1,2,...，5

此即目标层因素对于评判等级的隶属向量，一共有五个。

(5)根据各个目标层因素的隶属向量，将其单值化：

进行目标层指标权重的变权处理(t＝0.2)：

得到变权调整之后的新权重ω＝[ω1ω2ω3ω4ω5]。

(6)根据新的权重，进行二级模糊综合评判：

(7)结果单值化：

经计算，分别采用常权重方法和变权重方法后隧道的各个区段的最终安全状态对于不同等级的隶属度情况如图8～图11所示，图8所示为常权与变权计算结果对于等级Ⅰ的隶属度，图9所示为常权与变权计算结果对于等级Ⅱ的隶属度，图10所示为常权与变权计算结果对于等级Ⅲ的隶属度，图11所示为常权与变权计算结果对于等级Ⅳ的隶属度。

由图可知，采用变权重方法显著地提高了部分隧道区段的安全风险对于不安全等级(Ⅳ级)的隶属度，从而使得计算结果趋于不安全，反映出某些指标在较不利时，由于非线性的放大作用而对于最终安全状态产生更为不利的影响。

根据等级量化标准，各区段的安全等级见表18。可见变权重方法所计算得到的安全等级较常权重方法更加不利，而变权重方法反映出了这种差异，避免了在对隧道安全状态进行评估时过高地估计了其安全等级。

表18各隧道区段安全等级

可见采用变权重方法显著地提高了隧道的安全风险对于不安全等级的隶属度，避免关键危险指标在综合评价中被中和，使评价结果的危险度降低，保证了评价的客观公正性。

本发明一种基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法，其主要流程包括：根据盾构隧道的服役性能评估指标体系获得评价所必需的监测、检测数据；采用基于信心指数的专家调研法获得指标初始权重；根据指标数据对初始权重进行变权调整；基于模糊综合评判的方法对结构单元进行评价；根据单元结构评价等级综合判定隧道整体服役性能等级。

隧道服役性能评价流程如下：

结构单元划分；

单元结构评价；

①指标初始权重确定；

②各项检测指标等级判定；

③检查是否有关键指标出现严重恶化(3级、4级)，“是”进入步骤④，“否”进入步骤⑤；

④指标权重调整；

⑤模糊综合评价，获得单元结构评价等级(ⅰ级、ⅱ级、ⅲ级、ⅳ级和ⅴ级)；

根据单元结构评价等级综合判定隧道整体服役性能等级；

采用《盾构法隧道结构服役性能鉴定规范》(DGTJ08-2123-2013)中“5.5隧道整体服役状态等级评定”的比例法综合判定隧道整体服役性能等级，参见表19。

表19隧道整体服役状态等级评定

与现有评价方法相比，本发明方法利用变权重的方法，实现对盾构隧道服役性能的动态综合评价。评价指标权重的取值既充分考虑了专家的知识与经验，也能够根据实际的隧道状况对相关权重进行及时地动态调整，突出了关键恶化指标对于隧道最终服役性能等级的影响。

本发明的优点在于：

1)指标权重采用基于信心指数的专家调研法与一种变权重方法获得，综合了专家的知识经验以及隧道的真实运营情况。

2)在对单元结构进行评价的基础上综合判定隧道的整体服役性能等级，实现局部与整体的多尺度评价。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法，其特征在于，包括步骤：

采用层次分析法建立盾构隧道的服役性能评估指标体系；

确定所述服役性能评估指标体系中的各单项指标的评判标准；

采用基于信心指数的专家调研法获得各单项指标在所述服役性能评估指标体系中的指标初始权重；

在盾构隧道发生变化时，获取服役性能评估指标体系的动态指标数据；

根据所述动态指标数据对所述指标初始权重进行变权调整；以及

基于模糊综合评判的方法对变权调整后的所述服役性能评估指标体系进行等级评价，评价出盾构隧道的服役性能等级。

2.如权利要求1所述的基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法，其特征在于：盾构隧道的所述服役性能评估指标体系分为三层；第一层为目标层，第二层为准则层，第三层为指标层。

3.如权利要求2所述的基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法，其特征在于：所述目标层为盾构隧道的服役性能状态；所述准则层包括结构整体变形、连接构件变形、混凝土表面病害、渗漏状态及材质劣化五个方面；所述指标层包括横断面收敛、纵向沉降、横通道差异沉降、管片接缝变形、变形缝变形、螺栓变形、裂缝、破损、析出、渗漏状态、衬砌强度、混凝土碳化及钢筋锈蚀。

4.如权利要求3所述的基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法，其特征在于：所述指标层的横断面收敛、纵向沉降及横通道差异沉降隶属于所述准则层的结构整体变形；所述指标层的管片接缝变形、变形缝变形及螺栓变形隶属于所述准则层的连接构件变形；所述指标层的裂缝、破损、析出隶属于所述准则层的混凝土表面病害；所述指标层的渗漏状态隶属于所述准则层的渗漏状态；所述指标层的衬砌强度、混凝土碳化及钢筋锈蚀隶属于所述准则层的材质劣化。

5.如权利要求4所述的基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法，其特征在于，确定所述服役性能评估指标体系中的各单项指标的评判标准为：基于理论分析、数值模拟来确定所述服役性能评估指标体系的指标层中的各单项指标的评判标准。

6.如权利要求1所述的基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法，其特征在于：在盾构隧道发生变化时，采用监测、监测方式获取服役性能评估指标体系的动态指标数据。

7.如权利要求1所述的基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法，其特征在于，根据所述动态指标数据对所述指标初始权重进行变权调整的过程包括：

随着动态指标数据朝不利方向发展而在指标初始权重的基础上修正权值；权值修正函数为：

其中，是因素x_i的常权权重，i为指标序号，m为总的指标数量，ω_i为第i项指标的权重，x_m为指标的取值；k为指标序号，x_i为第i项指标的取值，x_k为第k项指标的取值，ω_k为第k项指标的权重，t为变权系数，t的值在0～1之间。

8.如权利要求1所述的基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法，其特征在于，基于模糊综合评判的方法对变权调整后的所述服役性能评估指标体系进行等级评价，评价出盾构隧道的服役性能等级的过程包括：

将盾构隧道划分为多个单元结构；

基于模糊综合评判的方法对多个所述单元结构进行等级评价，获得多个所述单元结构的各评价等级；

根据多个所述单元结构的各评价等级综合评价隧道盾构整体的服役性能等级。

9.如权利要求8所述的基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法，其特征在于：通过二级模糊综合评判，对所述单元结构进行等级评价，获得所述单元结构的评价等级；二级模糊综合评判中的隶属函数采用柯西函数，模糊算子采用加权平均型算子：二级模糊综合评判式如下：

其中，Z为目标因素对评语集合的隶属向量，ω_a为当前层的权重，R为一级模糊综合评价结果，视为单因素评判集，bi为类别编号；R′_bi为单因素评价矩阵，ω_bi为相应的权重，T是矩阵的转置运算符。

10.如权利要求9所述的基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法，其特征在于：盾构隧道整体的服役性能等级划分为五个等级。