基于DERU评价方法的运营公路隧道土建结构技术状况综合评价技术研究

蒋雅君, 陶双江， ， 杨 露, 邓 刚， 陈 鹏

(1. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031；2. 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院， 四川 成都 610041)

基于DERU评价方法的运营公路隧道土建结构技术状况综合评价技术研究

蒋雅君1, 陶双江1， 2， 杨 露1, 邓 刚2， 陈 鹏1

(1. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031；2. 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院， 四川 成都 610041)

基于DERU评定方法建立改进的DES综合评价方法，主要用于运营公路隧道土建结构定期检查的技术状况评定。根据运营公路隧道土建结构技术状况评定的要求，构建包括目标层、准则层、指标层的评价指标体系，其中以隧道构件的D结构劣化破损程度、E劣化范围与S安全程度为指标层评价指标，并提出对应的判定标准和指标权重。按照隧道分段、分幅、整体的次序，建立相应步骤的评价方法，分别采用状况指标、优选指标、安全程度折算长度等指标，在隧道定期检查结果的基础上对隧道土建结构的技术状况进行综合评定，并给出评定结果的分析方法和等级划分界限值。该方法能对运营公路隧道的管理、检测、养护等工作提供更为充分的信息，提高相关工作的效率。

运营公路隧道； 土建结构； 技术状况； 综合评价技术； DERU法

0 引言

目前我国运营公路隧道结构的病害检测通过定期检查等检测工作获取数据，对隧道结构的技术状况进行等级评定，并依据评定结果开展后续的养护和管理工作。定期检查的检查项目包括隧道洞口、洞门、衬砌、路面、检修道等9个分项内容，之后对各分项技术状况进行评定，再进行土建结构的技术状况评定，以决定是否进行专项检查及对应的养护工作方案[1]。虽然目前定期检查已从定性评定方法转向了定量、定性结合的评定方法[1]，但目前的评定方法仍然主要以局部严重病害表征隧道整体状态[2]，评定结果所反映的信息有限，另外其他一些重要因素如隧道长度、重要性(养护等级)还无法得到体现。

目前其他一些评价方法也在隧道工程领域得到了一些应用，包括层次分析法[3]、模糊-综合分析法[4]、人工神经网络法[5]、灰度理论[6]、熵权TOPSIS[7]等，但由于相关综合评价方法的适用范围、实际操作性等因素的影响，上述综合评价方法大都未在运营公路隧道的技术状况评价实践中得到广泛的应用。为更好地充分利用运营公路隧道的检测数据信息、客观全面地反映隧道的技术状态，在运营公路隧道土建结构的技术状况评定技术上仍然需要做进一步的研究和探索。

我国台湾地区提出一种DERU的评定方法，并在台湾地区的桥梁、隧道中进行了应用[8-9]。该方法对于数量庞大、同构型高且可供检查时间短的交通设施较为适合，适用于初步普检与筛选评估。DERU评定方法在我国的桥梁养护工作中也已经得到了一些应用[10]，对于运营公路隧道的技术状况评定也有一定的借鉴意义。本文基于该方法，结合我国运营公路隧道土建结构的定期检查工作内容及特点，提出改进的DES综合评定技术，以丰富和促进我国运营公路隧道的检测评定技术的发展。

1 评价指标体系的建立

综合评价的基础在于评价的指标体系(按照一定层次结构组成的有机整体)，对分析对象和评价结果有重要作用和影响[11]，故该部分是建立本文所涉及的综合评价技术中较为重要的内容。

1.1评价指标体系的层次结构

将复杂问题分解成各个组成因素，将这些因素按支配关系分组形成逐阶层次结构，构成评价指标体系。综合评价模型的建立一般都是先确定准则层，然后确定指标层，建立指标层评价标准和评价计算方法，最后确定目标层标准。通过建立的评价模型来对实例进行判定和分类，如图1所示。

1.2准则层评价指标集确定

目前我国运营公路隧道土建结构技术状态评定主要从病害的缺损程度、发展趋势、对行人与行车安全的影响、对隧道结构安全的影响共4个方面进行综合考虑[1]。在确定准则层指标时，将以上4项准则作为主要考虑因素，也可与现行的JTG H12—2015《公路隧道养护技术规范》(以下简称为“隧规”)在评定原则上保持一致。

图1 递阶层次结构示意图[12]

在该层面的可操作指标上，本研究选取了隧道状况指标CI、隧道状况优选指标IP、安全程度折算长度S′L′作为判定准则，具体将在后文中说明。

1.3指标层评价指标集确定

该层次指标的确定主要思路为考虑隧道构件的病害或缺损评价，故可将隧道土建结构按构件进行分解，组合成相应的指标集。为与“隧规”中的检测内容及项目吻合，在指标层指标的选取时，选定隧道洞口、洞门、衬砌、路面、检修道、排水系统、吊顶及预埋件、内装饰和交通标志标线这9项的病害或缺损程度作为具体的评价指标。

在确定了这9项指标以后，根据DERU法的思想，又可在每项指标下选择D结构劣化破损程度(degree)、E劣化范围(extent)与S安全程度(safety)这3个子指标分别对这9项指标进行评定，能较好地涵盖“隧规”中的一些要求和目标。其中D值、E值分别为反映构件破坏的程度与范围的指标；S值主要考虑的影响因素为对隧道结构安全、对行人及车辆安全的影响。

1.4目标层评价指标确定

对于隧道土建结构的技术状况评价问题而言，目标层指标即为隧道土建结构的技术状况评定等级(状态)。

2 评价指标判定标准的确定

评价指标体系确定以后，必须要建立指标层各单项指标的判定标准，为具体执行过程中的各评价指标的评定及最终的综合评价分析提供基础。本研究中也将对指标层的9项单项指标的D、E、S值的评定标准进行分析和研究。

2.1评价指标的标准化

在确定单项评价指标判定标准时，必须要解决指标同向化、无量纲化及定性指标的量化问题，才能具备综合评价的可能。“隧规”中给出了所对应的9项各分项项目的评定结果量化的措施和标准(均按照病害的严重程度分为0—4共5级，其中状况值为0时表示无病害，状况值为4时表示病害最严重)，并把一些定性指标也做了量化处理，已经较好地解决了评价指标的标准化问题。可以沿用“隧规”中的方法及评定标准进行本研究中评价指标的标准化处理，即可将各项指标的判定标准也划分为5级，并按照病害缺损程度或影响程度从低到高赋予对应的分值。

在采用DERU法的思路进行隧道检查结果的综合分析时，由于相关评分计算公式的限制，不宜采用分值为0的单项指标评定结果，故本研究中将“隧规”中的等级分值上调1分，变为1—5分值制。

2.2各指标D值的判定标准

在对D值(破损程度)进行评分时，主要考虑隧道各构件病害的破损程度。在隧道各构件破损程度的等级划分上，可按照“无病害”“轻微”“中等”“较严重”“严重”这5级程度进行对应等级的判定[1]。因此，可将隧道各构件(指标)按照病害或破损的严重程度从低到高划分为5级，分别对应赋予1—5分的分值。各指标的D值判定依据有所差异，如洞口主要判断山体、支护结构、地表植被等的稳定性，衬砌则应判断变形、沉降、开裂、渗水等病害，故要对各项指标进行对应的判定标准等级划分。此项内容可参照“隧规”中土建结构技术状况评定标准的划分等级执行。

需要注意的是，“隧规”对一些构件如检修道、内装、交通标志标线这3项的技术状况评定标准最高只分为4级(0—3分)，考虑以上构件对隧道结构安全的关联性相对较小，对行人、行车的安全程度影响有限，将其最高评分等级进行了限定[1]。而本研究认为，这些构件对安全程度的影响可通过S值进行区分，而D值应反映构件的实际破损程度，故仍然将这3项指标的D值等级划分为5级。

2.3各指标E值的判定标准

劣化范围(E值)通过病害面积占有率进行量化评定，即病害影响面积占隧道评定区段的面积百分比进行分区间判定等级。台湾隧道DERU评定分级表中E值分界点为10%、30%、60%共4个等级[8-9]，但是为与其他指标等级数量保持一致，本研究中将E值分为5个等级，即应存在4个分界点，可取为5%、15%、30%和60%，其E值评分标准如表1所示。

为了检测记录病害面积的方便，根据点线面维数不同对隧道病害进行划分，一共分为4类： 点状病害、线状病害、面状病害和体状病害[13]。根据检测经验，可选取点状病害如衬砌局部剥落影响半径为0.5 m，则其影响面积可按0.8～1 m2考虑；线状病害如衬砌开裂主要考虑影响宽度，可取其影响宽度为0.5 m；面状病害如衬砌渗漏水按实际病害区域面积计算；体状病害如洞内路面隆起开裂按病害区域的表面积计算。

表1 E值评分标准

2.4各指标S值的判定标准

安全程度(S值)判定因素为对隧道结构安全、对行人及车辆安全的影响，参照“隧规”对S值按照如表2所示的标准进行划分，也共分为5级[1]。

表2 S值评分标准

3 指标权重的确定

为了体现各个评价指标在评价指标体系中的作用地位以及重要程度，在指标体系确定后，必须对各指标赋予不同的权重系数。在现有评价模型研究中，权重的确定方法主要有2种： 一种是主观赋权法，其源信息来自专家咨询，即利用专家群的知识和经验，如专家咨询法和层次分析法；另一种是客观赋权法，其源信息来自统计数据本身，如主成分分析法、人工神经网络法。

在“隧规”中给出了土建结构各分项权重表，如表3所示，可以直接采用该权重值; 但由于各地条件有所差异，在具体执行过程中也可以采用专家评估法，根据实际情况进行调整。

4 评价模型的建立

隧道土建结构技术状况的综合评价是一个多指标综合评价问题，评价方法(数学模型)的选择是解决此类问题的关键，在本研究中采用DERU法的思路建立对应的评价数学模型。综合评价问题的评价流程通常是对评价模型的指标层[14-15]开始逐层向上做出综合评价，直至最高的目标层，以得到问题的综合评价结果，故此处根据隧道定期检查的结果评定流程，按照隧道分段、分幅逐层次评价后再对该座隧道的整体结果进行评定。

表3 隧道土建结构各分项权重表[1]

4.1隧道分段评价方法

按照“隧规”中目前所提出的评价方法，隧道的病害需要划分区段后对各分项指标进行评价[1]，如： 洞口分项可按照洞口数量分段，分进口和出口分别进行评价；衬砌分项按照长度分段，可取10～100 m的值进行评价。在DERU隧道检测评价方法中，也是按照隧道分段的思路进行逐段构件的评价[6]。本研究中也采用逐段评价的方法，对指标层的9项单项指标(构件)进行评价。

结合DERU法的原理及DERU法在国内桥梁上的应用改进思路[10]，此处提出隧道单个区段中各构件的状况指标

(1)

式中：a为隧道重要性系数；i为隧道构件序号，取值为1—9，序号对应的隧道构件与表3中顺序一致；j为隧道区段序号，取值为1—N(隧道单洞分段数量)。

隧道重要性系数a反映隧道等级的区别，与隧道所在公路等级、隧道长度和交通量大小等因素有关。结合“隧规”中对隧道养护等级的划分，可将隧道重要性系数a对应划分为3级，一级取值为0.6，二级取值为0.7，三级取值为0.8[13]。

4.2隧道分幅(单洞)评价方法

当隧道各区段中的构件评价完毕后，需要对单洞的总体情况进行合理评价，以便确定隧道单洞(单幅)的整体状况。根据DERU评定方法的思路，采用隧道单洞结构的状况指标CI(condition index)了解该结构体的整体状况，其计算公式如式(2)所示。

(2)

式中：wi为第i个构件权重值； ICi为各构件的状况指标。在此需要注意的是构件中的洞口、洞门是2个与长度无关的部位，而其余7个构件则与隧道洞内长度相关，在对构件进行整体评价时需要消除长度因素对结果的影响。因此，应将隧道单洞的洞口、洞门和其余构件分开计算ICi，之后再进行组合。针对以上问题，可以构建如式(3)所示的公式进行计算。

(3)

式中：Lj为隧道洞身第j个区段长度，m;Lj之和即为隧道长度L;n为单种类型构件的总个数。

除CI外，优选指标PI(priority index)可用来代表结构的劣化状况，其计算方式是将结构物各个区段中最小的ICij值(状况最差)作为该构件的优选指标IPi值，其计算方法如式(4)所示。

(4)

IPi=min(ICij)。

(5)

此外，本文提出一个隧道洞身段的安全程度折算长度指标S′L′对结构的安全程度进行综合衡量，以便为后期制定维修养护计划时决定优先顺序(急迫性)提供参考信息。根据表2的等级划分关系，当构件的Sij≥4时，说明该局部区段的病害缺损对结构安全和交通安全造成了直接的威胁，需要尽快或紧急进行处置，故该部分区段总长度也可以作为衡量一个隧道的维修迫切性、维修工程量的一个参考指标。以下将隧道各构件Sij为4和5时的S′L′计算公式列出，如式(6)和式(7)所示。

(6)

(7)

4.3整座隧道评价方法

高速公路隧道往往上、下行洞分离，故往往存在2洞平行设立的情况，此时还需要综合隧道2个洞(左、右幅)的整体情况再进行评价。为避免在使用中产生混淆，当隧道存在双洞的情况时，虽然各级指标的计算原理不变，但需要将式(1)—(7)中各参数进行一定变化，以对左、右洞进行区分，故可在各式中的参数中添加字母Z(左线)、Y(右线)及T(整座隧道)，构建如表4所示的评价参数集。

表4 双洞隧道评价参数集

此时，可将隧道的2个洞视为连接的单洞，组合在一起进行计算整座隧道的状况指标TCI及优选指标TPI，计算公式见式(8)—(10)。其中TPI主要反映构件的最差状况对隧道技术状况的影响，TCI则提供了一个了解隧道整体技术状况的途径。隧道洞身段的安全程度折算长度S′TL′的计算则较为简单，将左、右线隧道洞身的安全程度折算长度进行累加即可。

(8)

(9)

TIPi=max(TICij)。

(10)

5 评价结果分析方法

综合评价模型建立之后，需要设定一定的判断标准，对评价结果进行合理分析，并将评价结果充分利用于后续的工作环节，如专项检查、维修养护等。以下简述对其中的一些评价结果判定标准的初步分析。

5.1隧道状况指标及优选指标分析

隧道的状况指标TCI、状况指标TPI分别提供了隧道土建结构技术状况的整体综合情况及单种类型构件的最差状况，分别表征了2方面的情况，不但可以供隧道检测和养护人员掌握隧道的整体情况，也能了解到局部构件的大致最差状态。TCI和TPI的另外一个特点就是能供较多数量隧道(如同一条高速公路上的隧道)的横向比较，通过对这2个量化指标的数值比较，快速掌握概略性的信息，作为后续养护管理工作的依据。

结合“隧规”中对土建结构技术状况评定分类界限值以及一些统计分析，此处提出一个建议性的TCI分级标准界限值(见表5)，以便根据对隧道土建结构的技术状况进行合理评级。由于TPI主要是用于横向比较，此处未进行分级(其理论最大值为5、最小值为1)。但需要注意的是，这个界限值可能会由于权重等因素的变化而波动，可以在实际使用中结合隧道的实际检测结果进行一定的调整，以达到合理的评级结果；并根据评级结果，按照“隧规”的要求展开相应的养护措施。

表5隧道结构技术状况评定等级划分
Table 5 Grading standards for technical conditions of tunnel structures

等级检查结论TCI界限值Ⅰ完好状态≥85Ⅱ轻微状态≥75，<85Ⅲ中等状态≥55，<75Ⅳ严重破损≥40，<55Ⅴ危险状态<40

5.2隧道安全程度折算长度分析

隧道洞身段的安全程度折算长度S′TL′(含S=4及S=5这2个等级的区段折算长度)可以反映出该隧道除了洞口和洞门以外的待维修或进一步处治的段落长度，可以供隧道管理人员参考，对同批次需要加固或进行专项检查的隧道进行比较，决定优先顺序，以便集中资源和提高管理效率。由于该数值是一个累计的长度值，无需设定分级界限值，故可以直观从数值大小上进行横向比较。

另外，具体隧道区段中各构件的S值也能反映构件的病害破损对隧道结构或行人行车安全的影响程度，可以圈定存在构件S≥4的隧道区段，以明确下一步专项检查或处治的区间段落位置及长度。

需要注意的是，此处的隧道安全程度折算长度未包含隧道洞口和洞门区域，还需在实际工作中对这2个构件的S值进行关注，以便避免遗漏可能存在的病害缺损部位。

5.3应用案例及分析

为对本文所提出方法的实用性进行验证，此处基于一个等级公路隧道(单洞)实例进行说明。该隧道桩号为K603+000～+257，全长257 m，养护等级为三级(隧道重要性系数a=0.8)。隧道病害主要集中在衬砌、路面范围： 衬砌病害主要以渗漏水为主，集中发生在K603+140～+190区段；全线路面破损严重，已经妨碍了交通安全。

对该隧道采用“隧规”的方法进行了一次定期检查，其土建结构技术状况(JGCI值)评分结果为 68.75。基于该隧道的检测资料和数据，采用本文所述的评价体系进行评定的结果如表6—8所示。

表6某公路隧道洞口洞门定期检查评定结果
Table 6 Periodical inspection evaluation results of entrance and portal of a highway tunnel

洞口IC1jIC1IP1进口100100100出口100100100洞门IC2jIC2IP2进口100100100出口100100100

表7 某公路隧道洞身定期检查结果

表8 某公路隧道洞身定期检查整体评定结果

注:i=3,…，9。

由表6可知，采用本文所建立的评价体系对隧道土建结构的病害进行评定所得到的信息量较为丰富。

1)通过CI及PI值能较为快速地了解该隧道土建结构的病害劣化情况： CI值为83.10，反映出该隧道的土建结构技术状况总体程度(平均)尚较好；PI值为78.89，反映出该隧道土建结构的劣化最差程度。在有多个实例的情况下，可以通过PI值的比较得出多个隧道之间土建结构技术状况的劣化程度顺序。

3)ICi、IPi值反映了该隧道不同区段的分项构件的平均破损程度和最差劣化程度，如表6所示。通过ICi、IPi的数值可以直观判断得到： 该隧道土建结构技术状况最差的构件为路面，且隧道全长范围的路面状况均较差；衬砌结构总体情况较好，最差的区段集中在K603+140～+190这50 m；其他构件的破损状况也依次可以通过这2个指标进行判断。

综上可知，通过本文所建立的DES评价技术对隧道的定期检查结果进行评定，所得到的信息与采用“隧规”所用方法相比更为充分、全面，对于管养单位来说可以更为合理和有效地利用隧道检查的结果制定维修计划和分配维修资金。

6 结论与讨论

本文对基于DERU评价方法的运营公路隧道土建结构技术状况综合评价技术展开研究工作，建立系统性的DES评价技术体系，包括指标体系的构建、指标权重的确定、评价模型的建立、评价结果分析方法等内容。该方法与现行的“隧规”中所采用的评定方法相比，具有评价结果信息全面、评价结果更为合理等特点，能为隧道的实际管养工作提供更多的依据，以提高隧道养护工作的效率。

该方法也存在一定的局限性，比如对操作人员的技术水平和检测经验要求相对较高，权重的确定可能需要根据待检测隧道的情况进行一定的合理调整，目前主要适用于隧道定期检查工作，检测数据的信息量还可以继续进一步挖掘以充实评定结果等。由于深入的研究和应用工作目前仍然在积极地开展中，限于文章篇幅，文中所述的一些内容未在此处全面展开，将在后续文献中做进一步讨论和分析。

在四川境内高速公路隧道上的一些初步应用验证该方法的合理性、快捷性，目前已经研发了一套配套的检测系统管理软件，能大大提高相关数据的处理、管理工作效率。

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StudyofComprehensiveEvaluationSystemforOperationHighwayTunnelStructureTechnicalConditionsBasedonDERUEvaluationMethod

JIANG Yajun1, TAO Shuangjiang1， 2, YANG Lu1, DENG Gang2, CHEN Peng1

(1.KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineering,MinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China; 2.HighwayPlanning,Survey,Design&ResearchInstituteofSichuanProvincialCommunicationsDepartment,Chengdu610041,Sichuan,China)

The improved DES (degradation degree, degradation extent and safety degree) comprehensive evaluation system based on DERU (degradation degree, degradation extent, relevancy and urgency) method is mainly used to evaluate the periodic inspection of operation highway tunnel structures. The indexes system, including the target layer, criterion layer and index layer, is firstly established. The indexes ofD(degradation degree),E(degradation extent) andS(safety degree) of tunnel components are adopted as evaluation indexes of index layer; and then the corresponding determining standards and weights are proposed as well. The process for the different evaluation steps, including section evaluation, single-tube evaluation and twin-tube evaluation, is established. The indexes of CI (condition index), PI (priority index) and S′L′ (equivalent safety degree length) are applied to determine the technical conditions of tunnel structures based on the periodic inspection results. Meanwhile, the evaluation results can be analyzed and graded according to the given methods and standards. The DES method can provide more intensive information to improve the efficiency of management, inspection and maintenance work for operation highway tunnels.

operational highway tunnel; tunnel structure; technical condition; comprehensive evaluation technology; DERU method

2017-05-17;

2017-07-17

四川省交通科技项目计划任务(2013C10-5)

蒋雅君(1980—)，男，广西桂林人，2008年毕业于西南交通大学，土木工程专业，博士，副教授，现从事隧道及地下工程的教学和科研工作。E-mail： yajunjiang@swjtu.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.006

U 45

A

1672-741X(2017)10-1239-07