防震视角下综合管廊韧性评价体系

2019-07-02石振武谭宪宇

土木工程与管理学报 2019年3期

石振武，谭宪宇，刘洁

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

“韧性”最初是一种物理学概念，用来描述材料保持其基本形态，在没有完全变形的情况下，所能吸收能量的能力。20世纪中叶以来，韧性概念被扩展到其它研究领域，由生态学家Holling首先将其引入生态学领域，由此开辟了韧性研究更广泛的领域。

对于韧性概念及其评价，相关学者做了深入研究。国外方面，作为“韧性”研究的早期代表人物，Holling[1]将工程韧性定义为：施加扰动后系统恢复到稳定状态的能力；Timmerman[2]首次将韧性概念引入防灾减灾领域，并将其描述为系统吸收灾害扰动并从灾害事件中恢复的能力；Pimm[3]提出工程韧性的概念可以描述为系统在受到扰动后恢复至初始稳态的恢复速度和恢复时间。Berkes和Folke[4]认为当系统受到扰动后，通过其抵抗灾害能力和恢复到平衡状态的速度作为衡量工程韧性的标准。在灾害领域，Bruneau等[5]将地震韧性分成技术、组织、社会和经济四个维度和四种特性：鲁棒性、冗余度、适应性和迅速性，并据此提出了地震韧性量化测度模型；Gunderson[6]创建了著名的杯球模型，使得对于韧性的描述更加直观化；Ouyang等[7]学者以Bruneau 提出的地震韧性量化测度模型为基础，建立了“三阶段”韧性评价框架，与直接面积计算方法不同，此评价模型用受灾后系统机能曲线和未受灾系统机能曲线同纵横坐标轴围成的面积的比值来表征韧性大小；Francis与Bekera[8]在前人研究的基础上，提出韧性评价框架应包括系统要素识别、易损性分析、韧性目标设定、决策者认知、韧性能力等；Turnquist等[9]在考虑降低防灾投入的基础上，运用最优化模型进行韧性评价体系的构建。综合国外韧性研究发展成果，对于韧性的量化研究方法可分为三类，一类是以Bruneau研究成果为基础，通过建立系统机能函数，用函数曲线同坐标系之间的面积表示韧性的大小；二是以系统受到扰动后恢复到稳定状态的时间来表征系统韧性；三是通过建立评价指标体系，针对不同的基础设施罗列相关指标元素以对其韧性进行评价。

国内研究方面，赵旭东等[10]提出了从毁伤概率、毁伤后果、恢复速率和恢复程度四个维度建立城市基础设施韧性评估体系，并从技术和组织双维度构造生命线体系韧性评估框架；郭小东等[11]提出了防灾韧性城市的理念，给出了评估城市防灾韧性能力的定量方法；唐桂娟[12]构建了城市灾害韧性指标体系，分别从技术维、经济维、组织维和社会维四个维度对城市韧性进行了评价；李亚等[13]从经济韧性、社会韧性、环境韧性、社区韧性、基础设施韧性及组织韧性 6 个方面构建我国城市灾害韧性评价指标体系；王峤等[14]构建了我国沿海城市适灾韧性规划体系；郑艳等[15]基于韧性理论和IPCC(Intergovernmental Panelon Climate Change)的风险评估框架，对我国韧性城市进行了分类评价；李扬等[16]从智能和韧性两个方面构建了城市韧性评价指标体系。

上述学者的研究都集中于社区、城市基础设施领域，而作为城市基础设施的综合管廊韧性却鲜有人对其进行评价。鉴于此，本文提出德尔菲法和层次分析法相结合的方法，以韧性的四个基本特征鲁棒性、冗余性、适应性和迅速性为切入点，建立防震视角下综合管廊韧性评价体系，为规划部门、设计方、建设单位对综合管廊进行韧性评价提供参考依据。

1 韧性视角下综合管廊建设存在的问题

综合管廊是城市基础设施建设不可或缺的一环，目前我国各大城市都在积极进行综合管廊建设。综合管廊抵御地震灾害的能力相较于传统的直埋式有了明显提高，防灾能力也显著提升，但随着综合管廊的大范围建设，许多科研人员注意到，综合管廊在地震中的表现并非十分理想。在科学研究方面，综合管廊建设的安全性能评价和抗震性研究仍存在着诸多不足。特别是综合管廊具有高投入性的特征，合理科学的规划设计综合管廊具有十分重要的意义。

1.1 缺乏综合管廊韧性评价研究

目前国内外对于城市基础设施韧性评价取得了丰富的研究成果。

综合管廊作为城市基础设施现代化的发展方向[17]，国内外对其韧性的研究却几乎处于空白。综合管廊本身具有投入成本大，不可逆性等特征，综合管廊建成后我们应如何评价和提高其应对自然灾害的能力，如何提高综合管廊应对自然灾害的能力，以及从哪些方面提高综合管廊防灾减灾能力，采取措施的参考依据又是什么，对于这些问题的研究仍处于空白阶段。

1.2 综合管廊抗震性研究处于初步阶段

在近些年发生的地震灾害中，综合管廊遭受损坏的事件屡见不鲜。早在20世纪60年代，日本发生震级为7.5级的新泻地震，此次地震致使当地砂土液化，从而引发综合管廊的移位，并且砂土流入廊体内，管廊遭到明显破坏。20世纪70年代的日本宫城地震使得仙台市内综合管廊结构出现裂缝，接口处有断裂现象，地震造成的廊体破坏给廊内管线造成极大的损坏，同新泻地震类似，同时出现了砂土流入廊体的现象，更为严重的是大量地下水的流入致使整个廊道功能瘫痪。1995年日本发生震级为7.2级的阪神地震，此次地震使神户市内部分综合管廊多处连接口出现移位现象，廊体内的混凝土出现大范围脱落，廊体内给水线损坏，由此引发的连锁反应致使其他管线功能丧失。无独有偶，此次地震使仙台市内部分综合管廊内供水管线遭到严重损毁，仙台市断水。1999年9月21日，台湾南投县集集镇发生里氏7.6的大地震，此次地震给台湾造成了巨大的经济损失，对综合管廊造成极大的损坏，出现大量内衬砌混凝土脱落现象，处在断层的综合管廊因地震引发的错位使得廊体本身出现巨大变形。进入21世纪以后，美国西雅图发生里氏6.8级地震，震级虽不是很高，但此次直下型地震给综合管廊造成了极大的破坏，当地某大学内一段综合管廊墙体破裂，整个廊体结构完全损毁[18]。

根据对地质灾害的研究，地震灾害已经成为综合管廊损毁的重要原因。在我国绝大部分城市都受到地震的威胁，全国450个城市中74.5%位于地震区。综合管廊作为城市重要的生命线，其抗震性事关居民用水、用电、排水、燃气等基本生活需求的安全。目前国内综合管廊的建设如火如荼，但对于综合管廊的抗震性研究仍处于起步阶段，对综合管廊抗震性缺乏相应的评价体系。国务院2015年颁布的综合管廊指导意见中明确表示“根据城市发展需要抓紧制定和完善地下综合管廊建设和抗震防灾等方面的国家标准，地下综合管廊工程结构设计应考虑各类管线接入、引出支线的需求，满足抗震、人防和综合防灾等需要”[19]。随着国内综合管廊项目的增加，综合管廊在地震中的表现必须引起足够重视，其抗震性如何需要建立相关的评价体系进行衡量，综合管廊抗震研究工作道阻且艰。

2 构建综合管廊韧性评价体系

2.1 综合管廊韧性评价体系方法的选取

在以往韧性评价研究中，Buckle等[20]在EMA上探讨了集中讨论和问卷调查等方法，对社区韧性进行了定性评估；Mustafa[21]运用实地调查和灾后统计的方法，对承灾体的韧性进行了评估；Paton等[22]采用统计方法以及问卷调查的方法，对社区韧性进行了定量研究。国内在建立韧性评价体系方面，孙鸿鹄等[23]建立了巢湖流域洪涝灾害韧性评价指标体系，基于网络层次分析法获得各指标的权重，对巢湖流域洪涝灾害韧性进行了评价；李杨等[16]以智能城市和韧性为切入点，构建了智能城市韧性评价指标体系；李亚等[13]以韧性基线模型(Baseline Resilience Indicators for Communities，BRIC)研究基础，采用专家咨询法，从6个方面构建了我国城市灾害韧性评价指标体系；唐桂娟[12]通过头脑风暴的方式确定了评价指标，构建了城市灾害韧性评价指标体系；杨雅婷[24]采用专家咨询的方法确定了城市社区韧性评价指标，构建了城市社区韧性评价体系，运用层次分析法确定了各评价指标的权重。

鉴于目前国内韧性研究方法，基本集中于建立韧性评价体系的研究领域，相较于其他韧性评价方法较为成熟，且可借鉴的经验和理论也比较丰富，为了保证选取方法的有效性，本文采用建立韧性评价体系的研究方法对综合管廊的韧性进行评价。

在众多评价方法中，德尔菲法适用于参考资料不足，着眼于长期规划，且影响评价的因素繁多的情况。对于综合管廊的韧性评价，有以下三个特点：(1)目前综合管廊韧性研究处于空白，无相关资料可供查询；(2)评价研究的目的是为今后长远规划考虑；(3)通过对相关文献的深入研究，结合自身对综合管廊相关规范的解读，以及对在建综合管廊的案例分析，考虑到影响综合管廊韧性的因素众多，且各因素对综合管廊韧性的影响程度不尽相同。所以德尔菲法适用于综合管廊韧性评价研究。但在德尔菲法的实际应用过程中，若只使用德尔菲法进行指标权重的确定容易出现偏差。根据统计比较，将不同赋权方法相结合以确定指标权重的方式是可行的，通过研究我国2004—2014年的文献，在建立指标体系时，主要选用德尔菲法或者德尔菲法与层次分析法相结合的方法，这种相结合的方式已经成为科学研究的一种趋势，两种方法的结合克服了各自的缺点，综合运用发挥出了最佳的效果[25]。另外，层次分析法可以对复杂问题进行分解，既可以进行定性分析也可以做定量研究，给最终的判断结果提供科学参考，为今后的长远规划提供理论依据。

基于以上分析，为避免单一方法确定权重时的误差，为了提高效率，精简评价体系，做最有效评价，采用德尔菲法和层次分析法相结合的方式来确定韧性评价指标、指标权重及其评价分值。

2.2 综合管廊韧性评价指标确定

首先，选择对防灾减灾领域、城市地下空间开发领域、综合管廊建设领域以及城市规划领域的5位专家进行调研。

地震灾害领域专家对于地震灾害韧性的研究为我们提供了很好的借鉴。首先，基于Bruneau提出的城市韧性4个维度，由于技术维度要求与工程韧性的基本思想相契合，本文从技术维度的4个基本特征：鲁棒性、冗余性、智慧性和迅速性入手，结合相关文献以及综合管廊实际案例构造符合4个基本特征的相关指标，经过初步筛选将构造的指标全都罗列出来，制作并发放第一轮调查表，回收调查表后，根据专家给出的意见，整理得到下一轮调查表。经上述方式进行四轮调研后，专家就评价指标意见基本达成一致。经过德尔菲法层层筛选，最终确定综合管廊韧性评价体系且该评价体系在科学性、合理性以及可操作性上都表现较好。

其次，将综合管廊韧性的总目标逐层分解，确定了综合管廊韧性评价指标体系。如图1所示。

图1 综合管廊韧性评价指标体系

将三级指标层每项评价指标作为一个单元格，根据每个单元格评价指标实际情况进行量化评分。为了表征出综合管廊韧性在四个特征上的差异，将每个单元格分值幅度设置为0～100分，其中，表现优为90～100分，表现良好为80～90分，表现中等70～80分，表现及格为60～70分，表现差为60分以下。

2.3 韧性评价体系指标权重确定

为避免一种方法带来的误差，本文采用德尔菲法和层次分析法相结合的形式以确定韧性评价体系指标权重，如果两种方法差别较大，则重新确定权重，直至两者结果相差在5%以内时，最后取两者的几何平均数作为指标的最终权重。

其次，运用层次分析法确定各级评价指标权重。

(1)建立比较判断矩阵A(矩阵中各标度含义见表1)：

表1 矩阵标度含义

(1)

式中：aij为同一指标层内第i个指标与第j个指标相比的重要程度，即标度，并且aij=1/aji，aij的取值分别为：1/9, 1/7, 1/5, 1/3, 1/1, 3/1, 5/1, 7/1, 9/1。

(2)规范列平均法计算权重

1)对矩阵A的列向量进行归一化处理得到矩阵B，归一化公式为：

(2)

2)计算矩阵B中每一行元素的平均值得到矩阵C，其公式为：

(3)

3)构造矩阵C=[c1,c2…cn]，矩阵C中各个元素即为该层各指标的权重系数。

最终将德尔菲法、层次分析法相结合以确定韧性各级指标的权重，以两者结果的几何平均数作为各指标的最终权重，且两种方法得到的各指标权重之差满足5%的要求，权重分布如表2所示。

表2 韧性评价体系指标层级结构及其权重

2.4 综合管廊韧性评价体系计算公式

确定每个单元格评价指标的最终评价分值S，并与其对应的指标权重相乘，得到韧性评价指数R。其公式表示如下：

(1)鲁棒性评价指数：

R1=Q1[Q11(Q111S1+Q112S2+…+Q116S6)+

Q12(Q121S7+Q122S8+…+Q126S12)]

(4)

(2)冗余度评价指数：

R2=Q2[Q21(Q211S13+Q212S14+…+Q214S16)+

Q22(Q221S17+Q222S18)]

(5)

(3)适应性评价指数：

R3=Q3[Q31(Q311S19+Q312S20+…+Q314S22)+

Q32(Q321S23+Q322S24+…+Q324S26)+Q33(Q331S27+

Q332S28)]

(6)

(4)迅速性评价指数：

R4=Q4[Q41(Q411S29+Q412S30+Q413S31)+

Q42(Q421S32+Q422S33+Q423S34)]

(7)

则最终综合管廊的韧性评价指数R为：

R=R1+R2+R3+R4

(8)

2.5 综合管廊韧性评价等级划分标准

根据所构造的韧性评价指数，对其韧性等级予以划分，具体划分标准如表3所示。

表3 综合管廊韧性评价等级划分标准

3 实例研究

3.1 研究对象选取

首先，从20世纪50年代开始，北京等其它城市就开始了综合管廊建设，但规模不大、标准不一，没有广泛推广。2014年以来，国内综合管廊建设呈爆发态势。特别是2015年，国务院颁布了综合管廊建设指导意见，公布了首批综合管廊试点城市。试点城市综合管廊建设有了明确的建设要求、指导原则、管理秩序以及相关性法规，具备了可复制性和可推广性，因此对试点城市综合管廊进行韧性评价具有代表性。同时，指导意见强调“根据城市发展需要抓紧制定和完善地下综合管廊建设和抗震防灾等方面的国家标准”[19]。由此可见，综合管廊抗震性研究十分必要。

火焰是红色的，那人影置身火焰中心，却是漆黑一团，周身仿佛笼罩着一层黑色的雾。人影望着青辰，开口道：“她就在你的身后，你为何不动手？”

另外，通过查阅GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》[26]，发现在首批10个试点城市(分布如图2所示)中，哈尔滨、厦门、苏州、沈阳、白银、六盘水地震烈度为Ⅶ，长沙、十堰为Ⅵ，海口、包头为Ⅷ。在国家公布的第二批15个试点城市中，地震烈度为Ⅶ的11个，烈度为Ⅵ的2个，烈度为Ⅷ的2个。因此研究处于地震烈度为Ⅶ的试点城市更具代表性。然后，根据2018年中国及周边地区五级以上地震分布图，如图3(图片来源于中国地震局官网)所示。对比10个试点城市与震源距离，发现哈尔滨市市中心距松原市宁江区震中直线距离仅有约150 km。据记载，仅从2013年11月至2015年10月，松原市累计发生地震灾害1300余次，地震学者指出要持续关注松原市前郭震群的动态。综上，选取哈尔滨作为综合管廊韧性评价的目标城市。

图2 国家首批综合管廊试点城市分布

图3 2018年中国及周边地区五级以上地震分布

目前哈尔滨市综合管廊二期工程正在建设中。其中，老城区东部地下空间大部分已开发利用，城市基础设施已十分完善，但陈旧管线安排规划存在不合理之处，综合管廊建设有利于该区域地下管线联网成片，最大程度发挥管线承载能力。综合管廊建设是对该区域市政管线利用方式的一种“更新换代”，旧城更新，因地制宜地统筹安排地下综合管廊建设是现在综合管廊建设的一种普遍态势，对该段管廊进行评价具有一定代表性。

3.2 工程概况

哈尔滨市老城区哈东路综合管廊总长2040 m。综合管廊入廊管线种类包括：通信、电力(10，66 kV)、给水(DN300，DN600)、热力(2根DN1000)。综合管廊结构断面尺寸为11.20 m×3.80 m。综合管廊结构设计使用寿命为100 年。结构安全等级为一级。哈尔滨市综合管廊抗震设防为乙类(标准设防)，抗震等级为二级。

3.3 评价数据获取

评价主体为防灾减灾领域、城市地下空间开发领域、综合管廊建设领域以及城市规划领域的5名专家，评价对象为综合管廊韧性评价体系中的34个评价指标。各位专家在现场踏勘、调研的基础上，以专家评分问卷的形式对34个评价指标进行评分。指标评分划分为两个阶段进行：第一阶段为确定指标分数隶属段位，对指标的表现给出粗略区分；第二阶段为指标精细化评分，得出最终的评价结果。两阶段分别发放评分问卷5份，收回5份。

3.3.1 指标分数隶属段位确定

采用5等级评价标准，依次为“优” “良好” “中等” “及格” “差”，分别对应90～100，80～90，70～80，60～70，60以下分数段位。发放第一阶段专家评分问卷，专家分别对各个指标的评分等级进行确定，在综合5位专家的评价结果的基础上，取平均值作为确定最终指标评分等级的依据。评分等级确定完毕后其分数隶属段位就随之确定。

3.3.2 指标精细化评分

在各指标分数隶属段位确定完毕后，发放第二阶段专家评分问卷，对指标细节表现进行精细化评分。各位专家精细化评分完成后，再对各项指标的评分结果进行平均处理，最终评分结果如图4～7所示。两阶段评分方式有利于保证评分结果总体趋势的正确性，并体现出微观区别性，有助于实现评价结果的合理化和精细化。

图4 鲁棒性指标评分

图5 冗余度指标评分

图6 适应性指标评分

图7 迅速性指标评分

3.4 综合管廊韧性评价结果分析

3.4.1 鲁棒性指标评价结果分析

鲁棒性指标共12项，12项指标评价结果都隶属于90～100分数段，说明该段综合管廊的鲁棒性整体表现优异，在进行精细化评分后，评分结果75%集中在90～92区域内，只有3项指标在93以上，这说明该段综合管廊的鲁棒性在细节表现上稍显不足。鲁棒性指标加权分数为91.98，表明该段综合管廊鲁棒性整体表现优异，在90～100分数段位上的细节表现稍显不足。由式(4)得鲁棒性指数R1=37.71。

3.4.2 冗余性指标评价结果分析

冗余性指标共6项，其中5项指标评价结果隶属于90～100分数段，1项隶属于80～90分数段。其中有两项指标评分在97以上，说明该段综合管廊冗余性在90～100分数段位上细节表现优异，但是有一项指标评分在90以下，最高评分与最低评分分数差较大。冗余性指标加权分数为92.44，表明该段综合管廊冗余性整体表现优异，但不同指标之间差异较大。由式(5)得冗余性指数R2=16.64。

3.4.3 适应性指标评价结果分析

适应性指标共10项，其中5项指标评价结果隶属于90～100分数段，5项指标评价结果隶属于80～90分数段，这说明适应性指标的表现参差不齐，总体波动区域在87～92分数段内，最高评分与最低评分分数差较大。适应性指标加权分数为89.38，表明该段综合管廊适应性较鲁棒性，冗余性较差，但整体趋于优异。由式(6)得适应性指数R3=18.77。

3.4.4 迅速性指标评价结果分析

迅速性指标共6项，其中5项指标评价结果隶属于80～90分数段，1项指标隶属于90～100分数段，其中85以下的有三项指标。迅速性指标加权分数为85.35，表明该段综合管廊的迅速性整体处于一种良好的状态，但较鲁棒性、冗余性和适应性表现较差。由式(7)得迅速性指数R4=17.07。

3.5 韧性评价结果分析

由式(8)得最终综合管廊韧性评价指数为R=90.19。根据最终韧性评价结果，该段综合管廊韧性整体表现优异，特别是鲁棒性和冗余性指标整体处于90～100分数段，为提高整体韧性做出了贡献。相较于鲁棒性和冗余性，适应性和迅速性表现较差，但也达到了85以上的水平，呈现出良好的状态。因此得出结论：该段综合管廊防震视角下韧性水平较高，在应对地震灾害时表现出较强的稳定性，较强的灾害适应能力，较好的灾害反应能力。该段综合管廊的建设可为其它段综合管廊建设提供参考。