钱一鸣

摘 要：隧道作为地铁的重要基础设施，其结构健康状态直接影响着地铁的行车安全。本文通过对上海地铁一号线隧道结构病害的调查，通过研究建立了定量化的地铁结构安全评估指标体系，运用合理的评估模型，对上海地铁一号线健康状态进行评价。

关键词：一号线隧道 健康状态 层次分析法 指标 权重

一、研究的必要性

上海地铁一号线作为上海服役时间最长，运载乘客最多的地铁主动脉，在上海地铁全网络中承担着重要作用。任何结构都有自己的健康状况，所以隧道及地下工程也是这样。本文在既有研究成果的基础上，对上海地铁一号线隧道结构安全性检算方法、运营隧道安全性评定，通过相关的检测手段，探讨上海地铁一号线健康评价体系的方法，为隧道维护提供理论参考。

二、指标体系的研究

2.1 评价指标的选取

1、渗漏水

而上海由于处于软土地址，地铁隧道渗漏水状况尤为突出。通过相关数据研究，地铁一号线隧道渗漏水以“缝”和“孔”为主要渗漏途径。

隧道渗漏水途径主要包括以下四种：

（1）、管片接缝（2）、注浆孔（3）、螺栓孔（4）、管片裂缝（5）、其他位置，如地下连续墙、钢管片管片接缝、隧道井接头及整体道床变形缝等位置处，也会发生渗漏水病害现象。

2、沉降

虽然隧道管片本身重量总是小于隧道施工挖土壤的重量，并在饱和土壤和地下水对隧道有浮力，但由于上方堆载，周边施工影响，上海地铁一号线中也發生含水软地层中隧道不均匀沉降。

3、 收敛变形

管片变形和移动既有纵向的，也有横向的。横向变形和移动主要影响管片结构横断面几何尺寸，我们称之为收敛变形。管片收敛变形一般是由于外荷载而引起的，隧道管片结构变形和移动后，就会达到相对稳定的状态。通过测量手段可获得运营隧道管片结构现状几何尺寸，通过长期观测可获得其发展趋势。

4、结构损伤

管片裂损是隧道病害的主要形式，由于管片一侧管片边缘受拉，而另一侧边缘受压，在混凝土强度或周围环境影响下，形成裂缝。

2.2 指标的判定标准

健康指标判定标准是指对应于某一安全等级，而各层评价指标的值或状态应处于的变化区间或状态。判定标准包括定性的判定标准、定量的判定标准以及定性与定量相结合的判定标准。

1 、渗漏水

尽管地下工程防水标准以定量的形式给出了防水等级，但由于地下工程防水要求比地铁隧道渗漏水更严格，因此还不能应用于地铁结构渗漏水判定。因此，从实用性和可操作性的角度考虑，根据目前隧道内巡查所掌握的情况采用湿迹，渗水，滴漏，渗泥沙4个指标，表2-1中定义了4个参数的判定标准。

2、 沉降

事实上，如果地铁整条线路能够均匀沉降，这并不会对地铁隧道的正常使用带来问题，关键是这些因素导致了隧道的不均匀沉降，如果隧道不能承受沉降引起的荷载极限，这将导致隧道渗漏、开裂，严重影响隧道的正常使用功能。

因此根据历年检测结果，结合上海土质条件，我们采取差异沉降速率和单次差异沉降量这两个指标作为沉降的判定标准。具体数据分析如表2-2，表2-3所示。

3、收敛变形的判定标准

目前，对于地铁隧道横向变形判定标准的研究甚少，而且横向变形曲线也并非是标准的“横鸭蛋"型。因此，用传统的由力求位移的思想分析运营期盾构地铁隧道结构内力和变形难度较大。目前主要采用经纬仪定期对地铁隧道收敛变形量进行采集，根据历年的检测结果，最终采用表2-4中的变形量作为收敛变形的定量判定标准。

4、结构损伤

根据地铁隧道检查情况，目前常见的管片损伤病害主要表现为裂缝和管片缺角两大类，如表2-6所示。

5、结构形变

结构形变主要表现为：（1）、错台；（2）、错缝；（3）、道床与管片脱开；（4）、隧道纵缝张开和闭合等。

2.3 用德尔菲法与层次分析法确定评价指标权重

地铁结构安全评估指标体系是一个多项目、多层次的复杂系统，每个层次又由多个评价指标组成。要对地铁结构的安全状态进行综合评估，需要对各评价指标的权重进行综合。

确定权重参数时，运用德尔菲法，由10位专家通过实际调查结果，依据控制与预警指标进行投票。

1、三级模糊综合评价

（1）渗漏水

渗漏水的指标层指标包括4个指标，其中滴漏的危害性比渗水大，渗泥沙的危害性比滴漏大，则渗漏水的4个指标的标度权重为（湿迹，渗水，滴漏，漏泥沙）=（0.1；0.2；0.3；0.4）

（2）沉降

纵向沉降的指标层指标包括2个指标。“差异沉降”是纵向沉降较为直观、有效的反映，比较方便测量，从某种意义上讲，它直接反映了隧道纵向沉降的大小；因此沉降的2个指标的标度权重为 （差异沉降，沉降速率）=（0.7；0.3）

（3）收敛变形

横向变形的指标只有变形量1个指标，因此，其标度权重为100。

（4）结构损伤

管片碎裂的指标层指标包括2个指标。2个指标中重要性相同，即（裂缝，缺角）=（0.5；0.5）。

（5）结构形变

结构形变主要表现在环与环之间或块与块之间产生错缝，错台、道床与管片脱开、隧道纵缝张开和闭合等方面。道床混凝土尤其在小转弯半径区段，可能会发生管片脱离的现象，道床与管片脱开将会给运营安全带来隐患。因此结构形变的权重表现为（错缝，错台、道床与管片脱开、隧道纵缝张开和闭合）=（0.2；0.2；0.3；0.3）

2、二级模糊综合评价

由德尔菲法和相关文献研究得出“渗漏水”、“结构损伤”、“结构形变”、“长期沉降”及“收敛变形”的权重数构成运营盾构地铁隧道区间安全评价上的权重向量为：

三、隧道检测手段与结果

1、人工巡查

人工巡查是目前一号线最基本的检测手段。目前人工巡查分为：年度检查；季检；双周检；周检；专项检查；特殊检查等。

我们选取2016年6月份的人工巡检记录来对判断一号线区间渗漏水、结构形变、结构损伤状态。

2、沉降：

我们选取2016年上半年沉降检测数据作为我们一号线隧道健康状态评定的依据。根据上文所做研究，我们收集单次差异沉降量，沉降速率作为本次检测数据。

监测点平差及计算：

最终单次差异沉降量见表3-1。

3、收敛变形

收敛变形主要检测的数据为横向变形量。一号线多为单圆隧道，圆形隧道直径测量点布设拟自每个圆形隧道区间的第一环起，每五环测一环，至区间隧道最后一环结束，头尾两环必须测量，进出洞及旁通道及收敛异常区段加密。地铁的收敛变形量一般委托有资质的监测单位测量。

四、上海地铁一号线隧道健康评价体系的建立

4.1 健康状态等级的设计

我们以我国公路隧道专项检查结果的四级判定等级为基础，结合上海地铁的实际情况，建立起符合一号线特性的结构安全状态等级，如表4-1所示。如在表中发生以下内容中出现一样，我们即认为该区间处于对应的病害等级。

4.2 模糊综合评价模型

虽然安全状态评定標准为我们判断区间状态提供了定量的依据，但是区间安全状态情况复杂，且处于不断变化过程中，不能简单的进行归类。因此我们以安全状态评定标准为参考，结合德尔菲法，对一号线各区间的安全等级进行评定，建立评价模型。

1、算例

我们以上海地铁一号线常熟路站至陕西南路站上行区间为算列，该区间隧道结构病害统计如下：

根据以上各个运营风险的调查结果，由10位专家组成的评审小组，对其进行了评价。结果见表4-2所示。

首先对渗漏水进行综合评价。第一，建立因素集和评价集

U={湿迹（u1 ）、渗水（u2 ）、滴漏（u3 ）、漏泥沙（u4 ）}

评价集为

V={安全（v1 ）、较安全（v2 ）、临界（v3 ）、危险（v4 ）}

第二，确定各因素的隶属度

专家10人对“湿迹”的评价为：6人认为“安全”，占6%；4人认为“较安全”，占40%；0人认为“临界”，占0%；0人认为“危险”，占0%。因此，“湿迹”的隶属度为：

同理可知，“渗水”、“滴漏”及“漏泥沙”的隶属度分别为：

则“渗漏水”中4个因素组成的模糊矩阵为

第三，确定权重集

由表4-3中可知，

由式C=R·S可知“渗漏水”的安全综合评价为

依据（1）的计算推论，同理可得“结构损伤”的综合评价结果：

依据（1）的计算推论，同理可得“结构形变”的综合评价结果：

依据（1）的计算推论，同理可得“长期沉降”的综合评价结果：

依据（1）的计算推论，同理可得“收敛变形”的综合评价结果：

由“渗漏水”、“结构损伤”、“结构形变”、“长期沉降”及“收敛变形”的权重数构成运营盾构地铁隧道区间安全评价上的权重向量为：

则二级模糊综合评价结果为：

由最大隶属度原则，在“安全、较安全、临界、危险”四级风险影响程度评语中，该区段的综合评价结果为“较安全”。

4.3 上海地铁一号线隧道健康状态评定结果

根据上节的算例，我们依次计算得出了上海地铁一号线健康状态评定结果，如表4-2所示：

从上表可以看出上述安全的区间总数为18个，占区间总数的60%，临界的区间总数为9个，占区间总数的30%，较危险3个，占区间总数的10%，危险的区间0个，占区间总数的0%。综上所述，目前上海地铁一号线总体健康状态可控，但仍有部分区间处于临界及较危险状态，需要及时进行处置。

五、结论

本文查阅了大量文献，结合多年的工程实际经验及历年监测成果，利用德尔菲法及模糊综合分析法，对上海地铁地铁一号线隧道健康状态进行评定，主要结论如下：

（1）根据评价指标制定的原则，对上海地铁一号线健康状态评价体系中的指标集进行了设计。

2）隧道病害的准确监测是切实做好隧道病害判定与整治的前提，本文在总结目前上海地铁一号线隧道结构检测的手段基础上，用相关设备对一号线隧道评价指标进行了收集。

（3）运用德尔菲法、层次分析法以及模糊理论对上海地铁一号线健康状况综合评价指标进行了权重确定，并构建出隧道和地下工程健康的模糊综合评价模型。

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