CN114329748B - 一种管廊复合式衬砌结构安全评价方法 - Google Patents

一种管廊复合式衬砌结构安全评价方法 Download PDF

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CN114329748B CN202210244712.2A CN202210244712A CN114329748B CN 114329748 B CN114329748 B CN 114329748B CN 202210244712 A CN202210244712 A CN 202210244712A CN 114329748 B CN114329748 B CN 114329748B
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Abstract

本发明提供了一种管廊复合式衬砌结构安全评价方法，包括如下步骤：建立管廊复合式衬砌结构安全评估体系；划分管廊复合式衬砌结构安全等级，确定管廊复合式衬砌结构安全评估指标分级标准；确定管廊复合式衬砌结构安全评估指标权重，计算评价目标隶属度；构建管廊复合式衬砌结构安全状态综合评价模型，对管廊复合式衬砌结构进行模糊综合评价，得到安全状态值；将安全状态值同管廊复合式衬砌结构安全状态分值划分进行对比，得出管廊复合式衬砌结构的实际安全状态。本发明解决了管廊复合式衬砌结构易受多种复杂不确定因素影响安全性的问题，为管廊的安全评估、安全等级的确定，指导工程实际运营，提供了一种新的参考方法。

Description

一种管廊复合式衬砌结构安全评价方法
技术领域
本发明涉及土木工程管廊工程技术领域，尤其涉及一种管廊复合式衬砌结构安全评价方法。
背景技术
我国目前处于大规模建设综合管廊的时期，随着运营管廊数量的不断增长，管廊的运营维护及安全评价将越来越受到人们的广泛关注。复合式衬砌结构是维护围岩稳定性、防止隧道坍塌的重要结构，管廊服役运营期间，复合式衬砌结构易受恶劣复杂的内外部环境影响，例如渗漏水、酸碱腐蚀、多变荷载、材料本身劣化等，造成不同种类的复合式衬砌结构病害。衬砌病害影响着管廊的安全运营，如何解决管廊复合式衬砌结构易受多种复杂不确定因素影响安全性的问题，实现管廊复合式衬砌结构安全评估、确定安全系数，进而指导工程实际运营，具有重要的现实意义。目前对于管廊结构安全的评价方法例如现场调查与理论分析相结合、专家系统法和可靠性理论评估法等。
现场调查与理论分析相结合的方法，由于管廊结构复杂，没有直接的规范及标准用于管廊的理论研究中，管廊复合式衬砌结构易受多种因素的影响，在对管廊现场调查时不能及时抓住复合式衬砌结构的主要病害，造成分析问题有偏差，不能准确获得管廊复合式衬砌结构安全状态。
专家系统法和可靠性理论评估法由于计算属半概率范畴、结果主观性较强、安全状态评估结果无法量化科学评估等原因，难免存在误差。由于管廊结构的复杂性，受多种因素影响，其安全状态是模糊不定的。
因此，有必要提出一种新的更具可适性与科学性的管廊复合式衬砌结构安全评价方法。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种管廊复合式衬砌结构安全评价方法，以解决现有技术中的一个或多个问题。
本发明的技术方案如下：
一种管廊复合式衬砌结构安全评价方法，包括如下步骤：
步骤一：建立管廊复合式衬砌结构安全评估体系；
步骤二：划分管廊复合式衬砌结构安全等级，确定管廊复合式衬砌结构安全评估指标分级标准；
步骤三：确定管廊复合式衬砌结构安全评估指标权重；
步骤四：确定评价目标隶属函数，得到评价目标隶属度；
步骤五：构建管廊复合式衬砌结构安全状态综合评价模型，对管廊复合式衬砌结构进行模糊综合评价，得到管廊复合式衬砌结构的安全状态值；
步骤六：将安全状态值同管廊复合式衬砌结构安全状态分值划分进行对比，得出管廊复合式衬砌结构的实际安全状态。
优选的，步骤一中，将影响管廊复合式衬砌结构安全状态的评价指标分为：目标层、准则层、指标层，其中：
目标层由评价目标构成，为管廊复合式衬砌结构安全状态V；
准则层由影响管廊复合式衬砌结构安全状态V的五类病害组成，包括：渗漏病害x 1 、衬砌变形裂缝x 2 、衬砌结构裂损x 3 、衬砌结构缺陷x 4 、衬砌材料劣化x 5 ；
指标层由影响五类病害的各项指标组成，渗漏病害x 1 对应指标包括：渗漏水状态x 11 、冻害x 12 ；衬砌变形裂缝x 2 对应指标包括：裂缝发展x 21 、结构变形x 22 ；衬砌结构裂损x 3 对应指标包括：衬砌裂损情况x 31 、压溃剥落剥离x 32 、衬砌空洞x 33 ；衬砌结构缺陷x 4 对应指标包括：衬砌强度x 41 、衬砌厚度x 42 ；衬砌材料劣化x 5 对应指标包括：材料劣化情况x 51 、钢筋锈蚀x 52 。
优选的，步骤二中，管廊复合式衬砌结构安全等级划分采用五级划分法，严重程度由轻到重分为一级、二级、三级、四级和五级，每一级评定因素包括病害程度、病害发展趋势、病害对运营安全的影响、病害对管廊结构安全的影响；
所述安全等级划分建立的安全状态等级集合为：
Figure 30071DEST_PATH_IMAGE001
式中，vi为管廊复合式衬砌结构安全状态评语，i=1,2,3,4,5，I,II,III,IV,V为安全等级。
优选的，根据现有公路、铁路、隧道交通安全等级指标和管廊复合式衬砌结构特点，建立管廊复合式衬砌结构安全评估指标分级标准表。
优选的，步骤三中，采用层次分析法构造比较矩阵，确定管廊复合式衬砌结构安全评估指标权重，层次分析法中采用1-9比例标度进行赋值，具体为：
（1）构造准则层对目标层的比较矩阵A：
Figure 150474DEST_PATH_IMAGE002
得到一级指标权重为W=(0.228，0.364，0.132，0.078，0.198)；
（2）构造指标层对准则层的比较矩阵：
比较矩阵A1：
Figure 195791DEST_PATH_IMAGE003
得到二级权重为W1=(0.8，0.2)；
比较矩阵A2：
Figure 528683DEST_PATH_IMAGE004
得到二级权重为W2=(0.667，0.333)；
比较矩阵A3：
Figure 280738DEST_PATH_IMAGE005
得到二级权重为W3=(0.612，0.134，0.254)；
比较矩阵A4：
Figure 306463DEST_PATH_IMAGE006
得到二级权重为W4=(0.833，0.167)；
比较矩阵A5：
Figure 511180DEST_PATH_IMAGE007
得到二级权重为W5=(0.667，0.333)。
优选的，步骤四中，确定评价目标隶属函数时，渗漏水状态、裂缝发展、衬砌裂损情况和材料劣化情况为定性指标，定性指标隶属函数采用矩阵型分布，隶属函数为：
Figure 851025DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 457587DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 388634DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 346226DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 348817DEST_PATH_IMAGE012
冻害、结构变形、压溃剥落剥离、衬砌空洞、衬砌强度、衬砌厚度和钢筋锈蚀为定量指标，定量指标隶属函数采用降半梯形分布，隶属函数为：
Figure 804026DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 171553DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 616441DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 829247DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 613664DEST_PATH_IMAGE017
式中，μi为隶属度，i=I,II,III,IV,V；χ为输入值；a、b、c、d、e为各指标分级的标准值。
优选的，步骤五中，管廊复合式衬砌结构安全状态综合评价为二级评价模型，包括一级指标层模糊综合评价和二级准则层模糊综合评价，其中：
（1）一级指标层模糊综合评价为：
C 1 =W 1×R 1，C 2 =W 2×R 2，C 3 =W 3×R 3，C 4 =W 4×R 4，C 5 =W 5×R 5
其中，Ci为一级指标层评价向量，Wi为指标层指标的权重向量，Ri为指标层指标评价矩阵，由各指标的隶属向量构成，i=1,2,3,4,5；
（2）二级准则层模糊综合评价为：
Figure 152093DEST_PATH_IMAGE018
其中，C为二级准则层评价向量，W为准则层指标的权重向量，Ci为一级指标层评价向量，i=1,2,3,4,5。
优选的，对管廊复合式衬砌结构进行模糊综合评价时，对综合评价向量进行单值化处理，单值化处理按下式计算，得到管廊复合式衬砌结构的安全状态值：
Figure 818697DEST_PATH_IMAGE019
式中，F为管廊复合式衬砌结构的安全状态值，vi为管廊复合式衬砌结构安全状态评语，ci为二级准则层评价向量C中的取值，i=1,2,3,4,5。
优选的，对管廊复合式衬砌结构安全状态评语集合进行赋值，v1、v2、v3、v4、v5分别赋值5、4、3、2、1。
优选的，步骤六中，根据现有规范确定管廊复合式衬砌结构安全状态分值划分，安全等级I,II,III,IV,V分别对应安全状态分值4.2~5.0,3.4~4.2,2.6~3.4,1.8~2.6,1.0~1.8。
本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明采用将模糊综合评价法引入到综合管廊复合式衬砌结构安全状态的评价中，模糊综合评价中模糊数学的方法对于管廊结构安全状态的安全评估比依靠人工经验的方法更为科学精确，采用模糊综合评价法对管廊状态的综合评价更具备可适性与科学性。对于提前预测管廊结构风险等级，为运营单位的安全维护提供建议，确保管廊安全运行，具有重要意义。具体而言，至少具有如下实际效果：
（1）通过综合管廊复合式衬砌结构特点和不同的内外部影响因素病害，总结了管廊的复合式衬砌结构病害指标，并构建了管廊复合式衬砌结构的安全评估体系，使现场调查指标更明确，评价结果更加精准；
（2）结合定性与定量指标、现有规范、方法，实现合理的安全等级划分，并以现有规范中隧道交通病害分级为基础，结合管廊复合式衬砌结构特点，确定了评估体系中各指标的分级标准，进而确定了管廊复合式衬砌结构的安全等级；
（3）针对管廊衬砌结构安全状态模糊不定、评估结果无法量化，运营单位无法获得管廊衬砌结构安全状态，进而指导运营维护的问题，将模糊综合评价法引入到综合管廊衬砌结构安全状态的综合评价研究中。采用层次分析法确定了各指标在安全评估体系中的权重，利用矩阵型分布和降半梯形分布确定了定性指标和定量指标的隶属度，进而构建综合评价矩阵模型，并将综合评判向量进行单值化处理，进行综合评价，实现安全状态评估结果的量化表示。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、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涵盖的范围内。
图1为本发明建立的一种实施方式模糊综合评价模型；
图2为本发明一种实施方式管廊复合式衬砌结构安全评估体系；
图3为管廊复合式衬砌结构模糊综合评价过程图；
图4为层次分析法的主要步骤图；
图5为层次分析法确定权重步骤图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例作进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，术语“包括/包含”、“由……组成”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
还需要理解，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。
以下结合较佳的实施方式对本发明的实现进行详细的描述。
目前针对城市地下管廊结构病害的分类、成因、防治等方面的研究已经很多，但现有规范及相关研究大都较为笼统，将隧道作为一个“模糊的整体”概念进行病害描述。但不同的衬砌施工方法存在着不同的衬砌结构病害，其安全状态模糊不定。而模糊综合评价中模糊数学的方法对于管廊结构安全状态的安全评估比依靠人工经验的方法更为科学精确。
因此，本发明提出一种管廊复合式衬砌结构安全评价方法，包括如下步骤：
步骤一：建立管廊复合式衬砌结构安全评估体系；
步骤二：划分管廊复合式衬砌结构安全等级，确定管廊复合式衬砌结构安全评估指标分级标准；
步骤三：确定管廊复合式衬砌结构安全评估指标权重；
步骤四：确定评价目标隶属函数，得到评价目标隶属度；
步骤五：构建管廊复合式衬砌结构安全状态综合评价模型，对管廊复合式衬砌结构进行模糊综合评价，得到管廊复合式衬砌结构的安全状态值；
步骤六：将管廊复合式衬砌结构的安全状态值同管廊复合式衬砌结构安全状态分值划分进行对比，得出管廊复合式衬砌结构的实际安全状态。
本发明中，依据管廊复合式衬砌结构特点和不同的内外部影响因素病害，确定管廊复合式衬砌结构病害，建立管廊复合式衬砌结构安全评估体系。
安全评估体系分为目标层、准则层、指标层；
目标层由评价目标构成；
准则层由对评价目标影响较大的因素构成集合，表示如下：
Figure 163091DEST_PATH_IMAGE020
式中，xi(i=1,2,3,...,n)代表各影响因素；
指标层由对准则层的因素进行进一步划分构成集合，表示如下：
Figure 598751DEST_PATH_IMAGE021
式中，xij(j=1,2,3,...,n)代表各子影响因素。
通过调研分析，依据不同的内外部影响因素，将管廊复合式衬砌结构的主要病害分为渗漏病害、衬砌变形裂缝、衬砌结构裂损、衬砌结构缺陷及衬砌材料劣化五类，这五类病害作为复合式衬砌结构安全评估准则层指标，每类病害又可细分为子病害，各准则层可细分为指标层。
确定管廊复合式衬砌结构主要病害后，需进一步建立管廊复合式衬砌结构病害量化评估指标体系。具体包括：
目标层为管廊复合式衬砌结构安全状态V；
准则层由影响管廊复合式衬砌结构安全状态V的因素组成，包括：渗漏病害x 1 、衬砌变形裂缝x 2 、衬砌结构裂损x 3 、衬砌结构缺陷x 4 、衬砌材料劣化x 5 五类病害；
指标层由影响准则层五类病害的各项指标组成，渗漏病害x 1 对应指标包括：渗漏水状态x 11 、冻害x 12 ；衬砌变形裂缝x 2 对应指标包括：裂缝发展x 21 、结构变形x 22 ；衬砌结构裂损x 3 对应指标包括：衬砌裂损情况x 31 、压溃剥落剥离x 32 、衬砌空洞x 33 ；衬砌结构缺陷x 4 对应指标包括：衬砌强度x 41 、衬砌厚度x 42 ；衬砌材料劣化x 5 对应指标包括：材料劣化情况x 51 、钢筋锈蚀x 52 。
依据上述评估体系分层，建立的管廊复合式衬砌结构安全评估体系如图2所示。
参见图1，通过区分不同的层次分级选定评价目标、确定相关影响因素，建立模糊综合评价模型。通过指标层对准则层进行一级综合评价，然后通过准则层对目标层进行二级综合评价，最后进行模式识别，即可得到最终的评价结果。
本发明中，在对管廊衬砌结构安全状态评估分析前，首先应对管廊复合式衬砌结构安全状态等级进行划分；结合管廊复合式衬砌结构定性与定量指标，考虑现有规范、方法，进而实现合理的等级划分。管廊复合式衬砌结构安全等级划分采用划分较为详细且能充分描述管廊安全状态的五级划分法，严重程度由轻到重分为一级、二级、三级、四级和五级，每一级评定因素包括病害程度、病害发展趋势、病害对运营安全的影响、病害对管廊结构安全的影响。具体安全状态等级划分如表1所示：
表1 管廊复合式衬砌结构安全等级
Figure 308082DEST_PATH_IMAGE023
安全等级划分建立的安全状态等级集合为：
Figure 461982DEST_PATH_IMAGE001
式中，vi为管廊复合式衬砌结构安全状态评语，i=1,2,3,4,5，I,II,III,IV,V为安全等级。
由于没有直接规范标准适用于管廊的病害指标确定，但综合管廊在埋深、施工方法、外部环境等方面同公路、铁路等隧道交通较为相似。因此，本发明在建立管廊复合式衬砌结构安全评估指标时以现有规范《公路隧道养护技术规范》(JTG H12-2015)、《铁路桥隧建筑物劣化评定标准隧道》(TB∕T 2820.2-1997)、《铁路隧道设计规范》(TB 10003-2005)、《地下工程防水技术规范》(GB 50108-2008)为基础，结合管廊复合式衬砌结构特点，确定评估体系中各指标的分级标准，如表2所示。
表2 管廊复合式衬砌结构安全指标分级评价标准
Figure 485433DEST_PATH_IMAGE024
确定好评价目标和分级后，通过确定管廊复合式衬砌结构安全评估指标权重、选定隶属函数、计算下层因素隶属度，构造综合评价矩阵；然后确定下层因素重要程度模糊集，进行一级指标层模糊综合评价；最后，建立二级综合评价矩阵进行二级准则层模糊综合评价，从而确定最终的评价等级。评价模型的模糊综合评价过程如图3所示。
具体的，步骤三中，采用层次分析法对准则层同类因素，渗漏病害x 1 、衬砌变形裂缝x 2 、衬砌结构裂损x 3 、衬砌结构缺陷x 4 、衬砌材料劣化x 5 ，以及指标层同类因素，渗漏水状态x 11、冻害x 12、裂缝发展x 21、结构变形x 22、衬砌裂损情况x 31、压溃剥落剥离x 32、衬砌空洞x 33、衬砌强度x 41、衬砌厚度x 42、材料劣化情况x 51、钢筋锈蚀x 52，进行两两分析比较，并利用定量标度值表征出各因素的相对权重，进而确定准则层以及指标层各因素的权重值。采用层次分析法中的1-9比例标度进行赋值，并基于一致性检验验证权重分配的合理性，若不符合，需对判断矩阵适当修正。
本发明中，层次分析法的主要步骤如图4所示，确定问题的影响因素后，对问题进行层次划分、成对比较，进而计算各层因素的权重及CR值，如果CR≤0.1，则该方案通过，可以确定方案。通过层次分析，可将因素进行分层聚类，形成有序分层的结构。
运用层次分析法确定权重具体步骤如图5所示，首先建立阶梯层次结构，将所分析的问题条理层次化，构建出层次分析模型。通过同类因素两两分析比较，确定相对权重并构造比较矩阵。比较矩阵的值代表了两两因素之间的重要性对比，层次分析法中采用1-9比例标度进行赋值，具体含义如表3所示。
表3 相对重要性标度值含义
Figure 775600DEST_PATH_IMAGE025
具体而言，采用层次分析法构造比较矩阵，确定管廊复合式衬砌结构安全评估指标权重，具体为：
（1）构造准则层对目标层的比较矩阵A：
Figure 921411DEST_PATH_IMAGE002
对比较矩阵A做归一化处理，得到一级指标权重为W=(0.228，0.364，0.132，0.078，0.198)；经计算得到矩阵A最大特征根λmax=5.059；CI=0.0147；n=5，取RI=1.12，计算得到矩阵A一致性比例CR=0.0132<0.1，通过一致性检验，说明该指标权重分配合理。
（2）构造指标层对准则层的比较矩阵：
比较矩阵A1：
Figure 624924DEST_PATH_IMAGE003
比较矩阵A1为指标层中的渗漏水状态x 11 、冻害x 12 对准则层中渗漏病害x 1 的矩阵，得到二级权重为W1=(0.8，0.2)；矩阵A1为二阶矩阵，不必通过一致性检验。
比较矩阵A2：
Figure 983225DEST_PATH_IMAGE004
比较矩阵A2为指标层中的裂缝发展x 21 、结构变形x 22 对准则层中衬砌变形裂缝x 2 的矩阵，得到二级权重为W2=(0.667，0.333)；矩阵A2为二阶矩阵，不必通过一致性检验。
比较矩阵A3：
Figure 393477DEST_PATH_IMAGE005
比较矩阵A3为指标层中的衬砌裂损情况x 31 、压溃剥落剥离x 32 、衬砌空洞x 33 对准则层中衬砌结构裂损x 3 的矩阵，得到二级权重为W3=(0.612，0.134，0.254)；矩阵A3最大特征根λmax=3.023；CI=0.0115；n=3，取RI=0.58；矩阵A3一致性比例CR=0.0198<0.1，通过一致性检验，该指标权重分配合理。
比较矩阵A4：
Figure 710189DEST_PATH_IMAGE006
比较矩阵A4为指标层中的衬砌强度x 41 、衬砌厚度x 42 对准则层中衬砌结构缺陷x 4 的矩阵，得到二级权重为W4=(0.833，0.167)；矩阵A4为二阶矩阵，不必通过一致性检验。
比较矩阵A5：
Figure 590681DEST_PATH_IMAGE007
比较矩阵A5为指标层中的材料劣化情况x 51 、钢筋锈蚀x 52 对准则层中衬砌材料劣化x 5 的矩阵，得到二级权重为W5=(0.667，0.333)；矩阵A5为二阶矩阵，不必通过一致性检验。
综上所述，影响管廊复合式衬砌结构安全状态的各指标权重如表4所示：
表4 管廊复合式衬砌结构指标权重值
Figure 752672DEST_PATH_IMAGE027
步骤四中，确定隶属函数是为了得到评价目标的隶属度，进而构建综合评价矩阵。由于影响管廊复合式衬砌结构安全状态的各指标不尽相同，评价指标中既有定性指标，又有定量指标，因此需要构造不同的隶属函数。
定性指标，即为用文字描述的定性指标，采用特征函数作为隶属函数。定性指标包括渗漏水状态、裂缝发展、衬砌裂损情况和材料劣化情况，定性指标隶属函数采用矩阵型分布，隶属函数为：
Figure 955115DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 177148DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 792938DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 758620DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 877885DEST_PATH_IMAGE012
定量指标，即为有明确取值范围的指标，定量指标包括冻害、结构变形、压溃剥落剥离、衬砌空洞、衬砌强度、衬砌厚度和钢筋锈蚀，定量指标隶属函数采用降半梯形分布，隶属函数为：
Figure 333137DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 170643DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 940016DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 179368DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 680887DEST_PATH_IMAGE017
式中，μi为隶属度，i=I,II,III,IV,V；χ为输入值；a、b、c、d、e为各指标分级的标准值。
本发明中，管廊复合式衬砌结构安全状态综合评价为二级评价模型，包括一级指标层模糊综合评价和二级准则层模糊综合评价，其中：
（1）一级指标层模糊综合评价为：
C 1 =W 1×R 1，C 2 =W 2×R 2，C 3 =W 3×R 3，C 4 =W 4×R 4，C 5 =W 5×R 5
其中，Ci为一级指标层评价向量，Wi为指标层指标的权重向量，Ri为指标层指标评价矩阵，由各指标的隶属向量构成，i=1,2,3,4,5；
（2）二级准则层模糊综合评价为：
Figure 5689DEST_PATH_IMAGE018
其中，C为二级准则层评价向量，W为准则层指标的权重向量，Ci为一级指标层评价向量。
步骤五中，对管廊复合式衬砌结构进行模糊综合评价时，对综合评价向量进行单值化处理，单值化处理按下式计算，得到管廊复合式衬砌结构的安全状态值：
Figure 313174DEST_PATH_IMAGE019
式中，F为管廊复合式衬砌结构的安全状态值，vi为管廊复合式衬砌结构安全状态评语，ci为二级准则层评价向量C中的取值，i=1,2,3,4,5。
本发明中，对管廊复合式衬砌结构安全状态评语集合进行赋值，其中v1=5、v2=4、v3=3、v4=2、v5=1，得到管廊复合式衬砌结构计算得到的安全状态值F，同根据现有规范确定的管廊复合式衬砌结构安全状态分值划分进行对比，如表5，确定管廊复合式衬砌结构安全等级，得出管廊复合式衬砌结构的实际安全状态。
表5 管廊复合式衬砌结构安全状态分值划分
Figure 407032DEST_PATH_IMAGE028
工程应用：
结合本发明建立的管廊衬砌结构安全评估体系，对某管廊复合式衬砌结构进行现场统计调查，依据记录结果将管廊复合式衬砌结构段全里程现场病害统计如表6所示：
表6 管廊复合式衬砌结构现场检测结果
Figure 141770DEST_PATH_IMAGE030
（1）根据表6的现场检测结果，按照隶属函数确定管廊指标层各指标隶属度，建立指标层指标评价矩阵模型。具体如下：
Figure 688289DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 793605DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 741969DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 975505DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 9320DEST_PATH_IMAGE035
其中R1为准则层病害渗漏病害依据指标层病害指标渗漏水状态、冻害建立的评价矩阵；R2为准则层病害衬砌变形裂缝依据指标层病害指标裂缝发展、结构变形建立的评价矩阵；R3为准则层病害衬砌结构裂损依据指标层病害指标衬砌裂损情况、压溃、剥落剥离、衬砌空洞建立的评价矩阵；R4为准则层病害衬砌结构缺陷依据指标层病害指标衬砌强度、衬砌厚度建立的评价矩阵；R5为准则层病害衬砌材料劣化依据指标层病害指标材料劣化情况、钢筋锈蚀建立的评价指标。
（2）一级指标层模糊综合评价为：
Figure 658607DEST_PATH_IMAGE036
Figure 727057DEST_PATH_IMAGE037
Figure 803597DEST_PATH_IMAGE038
Figure 324709DEST_PATH_IMAGE039
Figure 715370DEST_PATH_IMAGE040
其中，Ci为一级指标层评价向量；W1=(0.8，0.2)，W2=(0.667，0.333)，W3=(0.612，0.134，0.254)，W4=(0.833，0.167)，W5=(0.667，0.333)。
（3）二级准则层模糊综合评价为：
Figure 638326DEST_PATH_IMAGE041
其中，C为二级准则层评价向量，W为准则层指标的权重向量W=(0.228，0.364，0.132，0.078，0.198)。
（4）确定管廊复合式衬砌结构安全状态值：
根据计算公式计算如下：
Figure 151347DEST_PATH_IMAGE042
其中C1=0.619，C2=0.198，C3=0.001，C4=0，C5=0.182。
将得到的安全状态值F=4.072同上述表5管廊复合式衬砌结构安全状态分值划分进行对比，确定本实施例管廊复合式衬砌结构安全状态为II级，衬砌结构病害轻微，病害发展趋于稳定，病害对运营安全和管廊结构安全目前尚无影响，需进行正常保养，在下次检查中重点关注渗漏水病害。
本发明为预估管廊复合式衬砌结构安全状态等级提供一种新的参考方法，用于管廊衬砌结构现场的评估分析中，能够综合考虑管廊复合式衬砌结构病害，对管廊复合式衬砌结构安全运营进行全局性、层次性和科学性的评价，得出管廊衬砌结构段安全状态值和安全状态等级，从而实现对管廊复合式衬砌结构安全状态的合理评判。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种管廊复合式衬砌结构安全评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：建立管廊复合式衬砌结构安全评估体系；
步骤二：采用五级划分法划分管廊复合式衬砌结构安全等级，严重程度由轻到重分为一级、二级、三级、四级和五级，每一级评定因素包括病害程度、病害发展趋势、病害对运营安全的影响、病害对管廊结构安全的影响，根据现有公路、铁路、隧道交通安全等级指标和管廊复合式衬砌结构特点，确定管廊复合式衬砌结构安全评估指标分级标准，并建立管廊复合式衬砌结构安全评估指标分级标准表；
步骤三：确定管廊复合式衬砌结构安全评估指标权重；
步骤四：确定评价目标隶属函数，得到评价目标隶属度；确定评价目标隶属函数时，渗漏水状态、裂缝发展、衬砌裂损情况和材料劣化情况为定性指标，定性指标隶属函数采用矩阵型分布，冻害、结构变形、压溃剥落剥离、衬砌空洞、衬砌强度、衬砌厚度和钢筋锈蚀为定量指标，定量指标隶属函数采用降半梯形分布；
步骤五：构建管廊复合式衬砌结构安全状态综合评价模型，对管廊复合式衬砌结构进行模糊综合评价，得到管廊复合式衬砌结构的安全状态值；
步骤六：根据现有规范确定管廊复合式衬砌结构安全状态分值划分，安全等级I,II,III,IV,V分别对应安全状态分值4.2~5.0,3.4~4.2,2.6~3.4,1.8~2.6,1.0~1.8；将安全状态值同管廊复合式衬砌结构安全状态分值划分进行对比，得出管廊复合式衬砌结构的实际安全状态。
2.根据权利要求1所述的管廊复合式衬砌结构安全评价方法，其特征在于：
步骤一中，将影响管廊复合式衬砌结构安全状态的评价指标分为：目标层、准则层、指标层，其中：
目标层由评价目标构成，为管廊复合式衬砌结构安全状态V；
准则层由影响管廊复合式衬砌结构安全状态V的五类病害组成，包括：渗漏病害x 1 、衬砌变形裂缝x 2 、衬砌结构裂损x 3 、衬砌结构缺陷x 4 、衬砌材料劣化x 5 ；
指标层由影响五类病害的各项指标组成，渗漏病害x 1 对应指标包括：渗漏水状态x 11 、冻害x 12 ；衬砌变形裂缝x 2 对应指标包括：裂缝发展x 21 、结构变形x 22 ；衬砌结构裂损x 3 对应指标包括：衬砌裂损情况x 31 、压溃剥落剥离x 32 、衬砌空洞x 33 ；衬砌结构缺陷x 4 对应指标包括：衬砌强度x 41 、衬砌厚度x 42 ；衬砌材料劣化x 5 对应指标包括：材料劣化情况x 51 、钢筋锈蚀x 52 。
3.根据权利要求2所述的管廊复合式衬砌结构安全评价方法，其特征在于：
所述安全等级划分建立的安全状态等级集合为：
Figure 676083DEST_PATH_IMAGE001
式中，vi为管廊复合式衬砌结构安全状态评语，i=1,2,3,4,5，I,II,III,IV,V为安全等级。
4.根据权利要求2所述的管廊复合式衬砌结构安全评价方法，其特征在于：
步骤三中，采用层次分析法构造比较矩阵，确定管廊复合式衬砌结构安全评估指标权重，层次分析法中采用1-9比例标度进行赋值，具体为：
（1）构造准则层对目标层的比较矩阵A：
Figure 124382DEST_PATH_IMAGE002
得到一级指标权重为W=(0.228，0.364，0.132，0.078，0.198)；
（2）构造指标层对准则层的比较矩阵：
比较矩阵A1：
Figure 169698DEST_PATH_IMAGE003
得到二级权重为W1=(0.8，0.2)；
比较矩阵A2：
Figure 361645DEST_PATH_IMAGE004
得到二级权重为W2=(0.667，0.333)；
比较矩阵A3：
Figure 457908DEST_PATH_IMAGE005
得到二级权重为W3=(0.612，0.134，0.254)；
比较矩阵A4：
Figure 811529DEST_PATH_IMAGE006
得到二级权重为W4=(0.833，0.167)；
比较矩阵A5：
Figure 609721DEST_PATH_IMAGE007
得到二级权重为W5=(0.667，0.333)。
5.根据权利要求1所述的管廊复合式衬砌结构安全评价方法，其特征在于：
步骤四中，定性指标隶属函数为：
Figure 74200DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 356513DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 881035DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 166523DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 434693DEST_PATH_IMAGE012
定量指标隶属函数为：
Figure 239969DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 200972DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 973756DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 514459DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 689088DEST_PATH_IMAGE017
式中，μi为隶属度，i=I,II,III,IV,V；χ为输入值；a、b、c、d、e为各指标分级的标准值。
6.根据权利要求2所述的管廊复合式衬砌结构安全评价方法，其特征在于：
步骤五中，管廊复合式衬砌结构安全状态综合评价为二级评价模型，包括一级指标层模糊综合评价和二级准则层模糊综合评价，其中：
（1）一级指标层模糊综合评价为：
C 1 =W 1×R 1，C 2 =W 2×R 2，C 3 =W 3×R 3，C 4 =W 4×R 4，C 5 =W 5×R 5
其中，Ci为一级指标层评价向量，Wi为指标层指标的权重向量，Ri为指标层指标评价矩阵，由各指标的隶属向量构成，i=1,2,3,4,5；
（2）二级准则层模糊综合评价为：
Figure 804680DEST_PATH_IMAGE018
其中，C为二级准则层评价向量，W为准则层指标的权重向量，Ci为一级指标层评价向量，i=1,2,3,4,5。
7.根据权利要求6所述的管廊复合式衬砌结构安全评价方法，其特征在于：
对管廊复合式衬砌结构进行模糊综合评价时，对综合评价向量进行单值化处理，单值化处理按下式计算，得到管廊复合式衬砌结构的安全状态值：
Figure 799181DEST_PATH_IMAGE019
式中，F为管廊复合式衬砌结构的安全状态值，vi为管廊复合式衬砌结构安全状态评语，ci为二级准则层评价向量C中的取值，i=1,2,3,4,5。
8.根据权利要求7所述的管廊复合式衬砌结构安全评价方法，其特征在于：
对管廊复合式衬砌结构安全状态评语集合进行赋值，v1、v2、v3、v4、v5分别赋值5、4、3、2、1。
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