公路隧道健康状态评价指标权重的探讨

2018-03-21邱钦钦

福建交通科技 2018年1期

■邱钦钦

（1.福建省交通科学技术研究所;2.福建省公路水运工程重点实验室，福州 350004）

1 《公路隧道养护技术规范》分项权重值探讨

交通运输部于2015年3月修订发布了公路工程行业标准《公路隧道养护技术规范》（JTG H12-2015）。《规范》从养护检查、病害处置、安全管理等方面进行修订，并重点引入了分级养护和结构技术状况评定的内容，为各级隧道管理养护单位把握隧道技术状况和采取对应的养护策略提供了依据和参考。但在实际隧道病害检测中发现《规范》中土建结构各分项权重值的分配满足不了要求[1]。

（1）土建结构各分项权重表中衬砌权重为40，包括结构破损、渗漏水两项，但结构破损、渗漏水权重未给出，见表 1。

（2）《规范》中衬砌状况值的评定未加入探地雷达对衬砌质量的检测，如在实际隧道病害检测中，采用探地雷达对衬砌进行检测时发现衬砌厚度不足、衬砌背后空洞、钢筋缺陷等，这些指标对衬砌质量都产生较大影响。

（3）《规范》对运营病害（隧道有害气体、照明、噪音等）未进行规定。

表1 土建结构各分项权重表

为更好的对隧道健康状态进行诊断，确保隧道的正常运营，本文提出：（1）将衬砌病害权重进行重新分配。衬砌结构病害主要包括衬砌裂缝，衬砌变形、移动、沉降，衬砌起层、剥落，渗漏水，衬砌腐蚀、衬砌背后空洞、衬砌厚度不足、钢筋缺陷八个指标，这八个诊断指标，基本囊括了隧道衬砌结构病害的所有形态；（2）在隧道病害分析中加入隧道运营病害指标，将排水设置、吊顶及预埋件的权重分别减小为4、6，隧道运营病害指标权重定为6，并对有害气体、照明、噪音指标权重进行分配。

2 指标权重确定方法的选取

目前，指标权重的确定方法比较多，如层次分析法、主成分分析法、专家咨询法、神经网络法等。其中层次分析法和专家咨询法属于主观赋权法，主成分分析法、神经网络方法属于客观分析法。这些方法从不同的角度对权重问题进行了研究，但也都有一定的使用范围和局限性[2]。

（1）层次分析法是美国运筹学家T L Saty在70年代提出的一种将半定性、半定量问题转化为定量计算的方法。该法于80年代引入我国，应用较广。

（2）主成分分析法是现代多元分析中的一种方法。该法虽以实测资料为基础，比较客观，但它只注重实测数据间的关联性，而缺乏对不同诊断指标在物理力学关系上的重要性的考虑，同时，其计算也比较烦琐。

（3）专家咨询法又称为“德尔斐”（Delphi）法，该法是对专家进行调查，了解他们的意见，通过统计处理及反馈等步骤，把意见逐步收敛到较为一致的基础上，确定各级指标的重要性顺序，从而确定权重。该法有时带有较大的主观经验性，专家的选择将直接影响到结果的准确性。

（4）人工神经网络方法是利用人工神经网络的自组织、自学习，通过神经网络确定权重，它可以学习和自适应不确定的系统，能同时处理定量和定性知识，利用样本训练后，就能得到与评价情况相符合的指标权重值。神经网络方法是采用数据来得到权重的方法，它需要较多的实测数据。

虽然权重的确定方法不少，但均不是十全十美，各有优、缺点。究其原因，一方面是由于权重确定问题比较复杂，另一方面也是由于各种权重确定方法本身存在局限性。本文应用层次分析法确定准则层和指标层指标的权重。

层次分析法的基本思想是把复杂问题分解成若干层次，通过两两对比得出每个因素的权重。在公路隧道健康状态综合诊断指标体系中，需要确定的权重是各诊断指标之间的相对重要性。在这些诊断指标的两两比较中，一般不存在“极端大”的情况，出现“强烈大”的情况也不多，即便出现“强烈大”的情况，其相对于其它诊断指标的重要性也不宜过大，否则设置其它指标的意义就极小，因此本次采用从“相同”到“强烈大”区分差异相对较小的“9/9～9/1标度法”，如表 2所示。

表2 层次分析法9/9～9/1标度法

3 衬砌指标权重的确定

裂缝、衬砌变形移动和沉降、衬砌起层剥落这三个指标，是衬砌结构破坏的最终表现形式，往往意味着衬砌结构已经破坏或即将破坏，因此认为这三个指标的权重相对最大；渗漏水是衬砌结构破坏的最直接反映和重要诱发因素，对行人和行车的危害性较大，因此认为渗漏水诊断指标的权重次之；衬砌背后的腐蚀性渗漏水，对衬砌混凝土和砌石、灰缝产生物理性或化学性的侵蚀作用，造成衬砌腐蚀，因此认为衬砌腐蚀诊断指标权重次于渗漏水；衬砌背后空洞往往引起隧道衬砌结构受力分布不均，是衬砌结构破坏的重要诱发因素，但其对行人和行车的危害性是潜在的，一般不会突然发生而直接对行人和行车造成危害，而且病害治理相对简单，因此认为衬砌背后空洞诊断指标权重相对较小；衬砌厚度不足及钢筋缺陷是衬砌结构破坏的重要内在因素，因此认为其权重相对较大。

衬砌裂缝与衬砌变形移动和沉降量相比，衬砌裂缝更容易在日常检查中被发现，检测手段相对简单，检测资料较容易获取，因此认为“衬砌裂缝”较“衬砌变形移动和沉降”的重要性“稍微大”；衬砌裂缝与衬砌起层剥落相比，病害的危害程度和影响范围更大，两者者的检测手段的复杂程度和检测资料获取的难易程度相当，因此认为“衬砌裂缝”较“衬砌起层剥落”的重要性“稍微大”；当隧道衬砌出现裂缝时，往往意味着衬砌结构已经或即将破坏，衬砌裂缝和渗漏水一样直接对行人、行车造成危害，但衬砌裂缝更直接影响到隧道的正常使用，因此认为“衬砌裂缝”相对“渗漏水”的重要性“明显大”；衬砌腐蚀会促使混凝土骨料分离、疏松，使混凝土强度变低，是衬砌裂缝的诱发因素之一，因此认为“衬砌裂缝”相对“衬砌腐蚀”的重要性“明显大”；衬砌背后空洞往往引起隧道衬砌结构受力分布不均，是衬砌结构破坏的重要诱发因素，其对隧道衬砌安全的影响是潜在的，因此认为“衬砌裂缝”相对“衬砌背后空洞”的重要性“强烈大”；虽然衬砌厚度不足和钢筋缺陷关系隧道的内在质量和永久使用，但从对行人、行车的直接危害性角度看，认为“衬砌裂缝”相对“衬砌厚度不足”和“钢筋缺陷”的重要性“稍微大”。

衬砌“衬砌变形移动和沉降”与“衬砌起层剥落”相比，病害的危害程度和影响范围更大，因此认为“衬砌变形移动和沉降”较“衬砌起层剥落”的重要性“稍微大”；当隧道衬砌出现“变形移动和沉降”时，往往意味着衬砌结构已经或即将破坏，和渗漏水一样直接对行人、行车造成危害，但“衬砌变形移动和沉降”更直接影响到隧道的正常使用，因此认为“衬砌变形移动和沉降”相对“渗漏水”的重要性“明显大”；衬砌腐蚀会促使混凝土骨料分离、疏松，使混凝土强度变低，会诱发“衬砌变形移动和沉降”，因此认为“衬砌变形移动和沉降”相对“衬砌腐蚀”的重要性“明显大”；衬砌背后空洞往往引起隧道衬砌结构受力分布不均，是衬砌结构破坏的重要诱发因素，其对隧道衬砌安全的影响是潜在的，因此认为 “衬砌变形移动和沉降”相对“衬砌背后空洞”的重要性“强烈大”；虽然衬砌厚度不足和钢筋缺陷关系隧道的内在质量和永久使用，但从对行人、行车的直接危害性角度看，认为“衬砌变形移动和沉降”相对“衬砌厚度不足”和“钢筋缺陷”的重要性“稍微大”。

当隧道衬砌出现“衬砌起层剥落”时往往意味着衬砌结构已经或即将破坏，和渗漏水一样直接对行人、行车造成危害，但“衬砌起层剥落”更直接影响到隧道的正常使用，因此认为“衬砌起层剥落”相对“渗漏水”的重要性“明显大”；衬砌腐蚀会促使混凝土骨料分离、疏松，使混凝土强度变低，会诱发“衬砌起层剥落”，因此认为“衬砌起层剥落”相对“衬砌腐蚀”的重要性“明显大”；衬砌背后空洞往往引起隧道衬砌结构受力分布不均，是衬砌结构破坏的重要诱发因素，其对隧道衬砌安全的影响是潜在的，因此认为“衬砌起层剥落”相对“衬砌背后空洞”的重要性“强烈大”；虽然衬砌厚度不足和钢筋缺陷关系隧道的内在质量和永久使用，但从对行人、行车的直接危害性角度看，认为“衬砌起层剥落”相对“衬砌厚度不足”和“钢筋缺陷”的重要性“稍微大”。

腐蚀性渗漏水是衬砌腐蚀的影响因素之一，衬砌背后的腐蚀性渗漏水，对衬砌混凝土和砌石、灰缝产生物理性或化学性的侵蚀作用，会造成衬砌的腐蚀，但渗漏水对行人、行车造成危害性较大，因此认为“渗漏水”相对“衬砌腐蚀”的重要性“稍微大”；由于渗漏水相比衬砌背后空洞对行人和行车的直接危害性较大，也容易在隧道日常检查中被发现，检测手段相对简单，检测资料较容易获取，因此认为“渗漏水”比“衬砌背后空洞”的重要性“稍微大”；虽然隧道渗漏水对行人和行车的直接危害性较大，也容易在隧道日常检查中被发现，检测手段相对简单，检测资料较容易获取，但“衬砌厚度不足”和“钢筋缺陷”直接影响了隧道内在质量，影响了隧道使用寿命，因此认为“渗漏水”较“衬砌厚度不足”和“钢筋缺陷”的重要性“稍微大”。

由渗漏水引起的衬砌腐蚀，在渗漏水流的持续作用下会使混凝土疏松、强度变低甚至产生空洞，因此认为“衬砌腐蚀”相对“衬砌背后空洞”的重要性“稍微大”；由于“衬砌厚度不足”和“钢筋缺陷”直接影响了隧道内在质量，影响了隧道使用寿命，因此认为“衬砌厚度不足”和“钢筋缺陷”较“衬砌腐蚀”的重要性“稍微大”。

衬砌背后空洞往往引起隧道衬砌结构受力分布不均，是衬砌结构破坏的重要诱发因素，而“衬砌厚度不足”和“钢筋缺陷”直接影响了隧道内在质量，影响了隧道使用寿命，因此认为“衬砌厚度不足”和“钢筋缺陷”较“衬砌背后空洞”的重要性“稍微大”。

“衬砌厚度不足”和“钢筋缺陷”都直接影响了隧道内在质量，影响隧道使用寿命，且两者的检测手段的复杂程度和检测资料获取的难易程度相当，因此认为“衬砌厚度不足”和“钢筋缺陷”的重要性相同。

表3 判断矩阵

表4 RI系数

采用和积法求解此判断矩阵。

（1）求出两两比较矩阵每一列的和，见表3。

（2）将两两比较矩阵的每一个元素除以相应的列的总和，所得的商组成新的两两标准矩阵。两两标准矩阵为：

（3）按行相加。

（4）将向量正规化。

求得特征向量：

W=(0.179 0.168 0.158 0.110 0.089 0.070 0.112 0.112)T，填入表内。

（5）计算判断矩阵的最大特征根λmax。

（6）检验矩阵的一致性。

计算一致性指标CI：

由于矩阵为八阶矩阵，查表4，得RI=1.41。

计算随机一致性比例CR：

因此，可以认为所构造的两两比较矩阵满足一致性要求，其相应的特征向量有效。

4 运营病害指标权重的确定

公路隧道运营病害主要包括有害气体，照明、噪音三个指标，隧道内有害气体直接危害养护维修人员和机车车辆乘务人员的身体健康，当有害气体累积过高时，甚至会导致人急性中毒，隧道内有害气体的累积还会对隧道衬砌混凝土以及钢轨、扣件等设备产生腐蚀，因此认为隧道内有害气体权重最高；隧道能见度不够、隧道内亮度不够，车辆高速驶入驶出隧道时产生的“黑洞”和“白洞”效应都为隧道的照明病害，隧道照明病害是诱发交通事故的重要因素之一，隧道内的照明条件不佳时，可能对驾驶人员的心理和生理产生影响，诱发交通事故的产生，因此认为隧道照明权重次之；隧道高分贝噪音病害也是诱发交通事故的因素之一，它会使人的反应能力下降，心理紧张、烦躁，进而容易诱发交通事故，相比隧道照明病害的种类，认为隧道噪音指标权重最小。隧道运营病害权重总共为6，对运营病害权重进行分配，有害气体的权重为3，照明权重为2，噪音权重为1。重新分配后土建结构各分项权重见表5。