基于模糊理論的隧道服役性能評(píng)價(jià)方法研究

劉 超,劉 剛，許崇幫，周幸宇,張科超

(1.中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400037; 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088;3.中路高科交通科技集團(tuán)有限公司,北京 100088)

0 引言

我國(guó)隧道工程建設(shè)近些年歷經(jīng)了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)成為擁有隧道數(shù)量最多、規(guī)模最大的國(guó)家[1]。而我國(guó)有近1/3的隧道都會(huì)出現(xiàn)隧道病害[2]，如隧道滲漏水[3]、隧道凍害[4]、襯砌開(kāi)裂[5]、襯砌侵蝕[6]，并且甚至?xí)l(fā)重大安全事故[7]。所以對(duì)當(dāng)前在役隧道的開(kāi)展其服役性能評(píng)估是十分必要的。

不少學(xué)者對(duì)隧道服役性能評(píng)價(jià)理論與方法進(jìn)行了研究，有學(xué)者從數(shù)值模擬的角度出發(fā)去評(píng)估隧道狀態(tài)，如周彪[7]基于盾構(gòu)隧道的特點(diǎn)，構(gòu)建了環(huán)境、材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的多層次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用隨機(jī)格構(gòu)理論，基于Diana分析軟件確定收斂評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了盾構(gòu)隧道大修結(jié)構(gòu)區(qū)段整體性能評(píng)估方法。楊瑞鵬[8]研究了運(yùn)營(yíng)隧道二次襯砌狀態(tài)的評(píng)價(jià)體系，但僅用了襯砌厚度一項(xiàng)指標(biāo)做有限元分析模擬，未能全面反映襯砌的狀態(tài)。以上二位學(xué)者基于單一結(jié)構(gòu)構(gòu)件的評(píng)估方法往往只能對(duì)隧道結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評(píng)估，并不能代表整體隧道的服役性能，故更多學(xué)者從影響隧道整體性能的因素入手提出隧道服役性能評(píng)價(jià)方法。胡群芳[9]從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及病害、養(yǎng)護(hù)維修等方面進(jìn)行了綜合考慮，提出了分類(lèi)指標(biāo)與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以層次分析法[10]為基礎(chǔ)，結(jié)合模糊原理[11]研究了公路隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)估。

馮乾寬[12]將中國(guó)的橋隧的檢測(cè)規(guī)章的不足，構(gòu)建了相對(duì)應(yīng)的檢監(jiān)測(cè)制度體系框架，提出了基于建筑物全壽命周期的橋隧監(jiān)測(cè)制度，但該制度忽略了其各個(gè)判定因素的重要性比較，合理性上有一些欠缺，但也為性能評(píng)價(jià)提供了一種新指導(dǎo)。郭劍勇[13]分析了當(dāng)前一些隧道檢查規(guī)范中的合理性因素與不足之處，根據(jù)區(qū)段評(píng)價(jià)等級(jí)提出了一個(gè)簡(jiǎn)單判別隧道運(yùn)營(yíng)等級(jí)的方法。傅鶴林[14]結(jié)合了隧道判斷的隨機(jī)性與模糊性，依據(jù)逆向云發(fā)生器原理，獲得各項(xiàng)評(píng)價(jià)權(quán)值，對(duì)公路隧道健康狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。翟利華[15]收集多個(gè)地鐵盾構(gòu)隧道的相對(duì)沉降、差異沉降、收斂變形、滲漏水、裂縫和剝落6個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)，在專(zhuān)家評(píng)估與偏最小二乘法回歸法的基礎(chǔ)上提出了隧道服役性能指標(biāo)的定量計(jì)算方法。鄒文浩[16]選取了5個(gè)因素11個(gè)指標(biāo)，利用模糊向量單值化法評(píng)價(jià)重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)。王華牢[17]基于3種隧道病害指標(biāo)集構(gòu)建了一個(gè)包含15個(gè)檢測(cè)指標(biāo)的3層評(píng)價(jià)體系，采用了層次分析法與乘積標(biāo)度法[18]確定權(quán)重，并提出一種模糊算子對(duì)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)做出了比較準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

公路隧道設(shè)施服役性能影響因素眾多，其服役狀態(tài)劣化是多種因素共同作用的結(jié)果[19]，且各種因素對(duì)隧道設(shè)施服役性能的影響規(guī)律具有一定的不確定性、模糊性，所以隧道設(shè)施服役性能評(píng)價(jià)中很難用顯式的邏輯關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，本研究根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)與服役狀態(tài)的特殊的邏輯關(guān)系，利用模糊評(píng)價(jià)方法對(duì)多因素評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合性的評(píng)價(jià)，建立公路隧道普適性指標(biāo)，為隧道后期養(yǎng)護(hù)工作提供指標(biāo)參考。

1 隧道服役性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 公路隧道服役性能綜合診斷指標(biāo)

隧道土建結(jié)構(gòu)設(shè)施的功能從其根本而言就是保證交通出行的路徑安全，即在隧道通行期間隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)安全、可靠，不存在不可接受的風(fēng)險(xiǎn)。隧道土建結(jié)構(gòu)設(shè)施的這種功能屬性是在時(shí)間上是一種經(jīng)歷了勘察、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的結(jié)果，在系統(tǒng)組成上是支護(hù)結(jié)構(gòu)、路面結(jié)構(gòu)及防排水系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)組成共同效用的結(jié)果。

根據(jù)工程實(shí)踐和隧道耐久性的理論研究成果，隧道服役性能評(píng)判體系細(xì)分為一個(gè)類(lèi)型指標(biāo)集與底層指標(biāo)集共同組成的2級(jí)評(píng)價(jià)體系如圖1所示。其中，類(lèi)型指標(biāo)集為工程建設(shè)流程，共3類(lèi)；底層評(píng)價(jià)指標(biāo)集為影響公路隧道服役性能的因素，共13種。

圖1 公路隧道基礎(chǔ)設(shè)施服役性能評(píng)價(jià)體系Fig.1 Service performance evaluation system for highway tunnel infrastructure

1.2 診斷指標(biāo)權(quán)重

隧道服役性能指標(biāo)中權(quán)重反映了在各個(gè)評(píng)判因素之間的相對(duì)重要程度，隧道建設(shè)的客觀條件對(duì)隧道的服役性能有著不同程度的影響，為反映兩項(xiàng)因素之間的重要性差異，權(quán)重設(shè)置 “相同”、“稍微大”、“略大”3個(gè)等級(jí)，并以層次分析法為基礎(chǔ)的乘積標(biāo)度法確定。

在9/9～9/1標(biāo)度法、10/10～18/2標(biāo)度法、指數(shù)標(biāo)度法3種標(biāo)度法[20]中取“稍微大”的標(biāo)度值的平均值作為新的標(biāo)度值，即

(1)

因此，在乘積標(biāo)度法中3個(gè)等級(jí)的權(quán)重如下：

當(dāng)評(píng)判因素A與評(píng)判因素B之間的重要性“相同”時(shí)，權(quán)重為

(ωA,ωB)=(0.5,0.5)。

(2)

當(dāng)評(píng)判因素A的重要性比評(píng)判因素B的重要性“稍微大”時(shí)，權(quán)重為

(0.575,0.425)。

(3)

當(dāng)評(píng)判因素A的重要性比評(píng)判因素B的重要性“略大”時(shí)，權(quán)重為

(0.647,0.353)。

(4)

(1)工程勘察指標(biāo)權(quán)重

工程勘察共計(jì)6個(gè)指標(biāo)，分別是地層巖性(K1)、地質(zhì)構(gòu)造(K2)、不良地質(zhì)(K3)、特殊巖(K4)、地下水(K5)和氣候特征(K6)，6個(gè)指標(biāo)的兩兩比選情況如表1所示。

表1 工程勘察指標(biāo)影響因素比較Tab.1 Comparison of influencing factors of engineering investigation indicators

兩兩比較結(jié)果為：

ωK1∶ωK2∶ωK3∶ωK4∶ωK5∶ωK6=

1.354∶1∶1.354∶1.354∶1∶1.833∶1。

(5)

則6個(gè)項(xiàng)目的標(biāo)度權(quán)重為：

(ωK1ωK2ωK3ωK4ωK5ωK6)=

(0.17 0.13 0.17 0.17 0.23 0.13)。

(6)

(2) 工程設(shè)計(jì)指標(biāo)權(quán)重

工程設(shè)計(jì)的4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別為：隧道長(zhǎng)度(J1)、車(chē)道數(shù)量(J2)、二襯混凝土(J3)和路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型(J4)。從各指標(biāo)對(duì)于隧道設(shè)施服役性能的影響性角度考慮，認(rèn)為車(chē)道數(shù)量和路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型的重要性“相同”，隧道長(zhǎng)度和二襯混凝土的重要性“相同”，并且隧道長(zhǎng)度和二襯混凝土的重要性比車(chē)道數(shù)量和路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型的重要性“稍大”，因此有

ωJ1∶ωJ2∶ωJ3∶ωJ4=1.354∶1∶1.354∶1。

(7)

則4個(gè)項(xiàng)目的標(biāo)度權(quán)重為：

(ωJ1ωJ2ωJ3ωJ4)=(0.3 0.2 0.3 0.2)。

(8)

(3)工程施工指標(biāo)權(quán)重

工程施工類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括施工質(zhì)量(S1)、災(zāi)害事故(S2)、砂子類(lèi)型(S3)3個(gè)指標(biāo)。其中，“施工質(zhì)量”與“災(zāi)害事故”的重要性相同，并比“砂子類(lèi)型”的重要性“稍微大”，即

ωS1∶ωS2∶ωS3=1.354∶1.354∶1。

(9)

則3個(gè)病害情況的標(biāo)度權(quán)重為

(ωS1ωS2ωS3)=(0.365 0.365 0.27)。

(10)

(4) 類(lèi)型指標(biāo)集各指標(biāo)權(quán)重的確定

公路隧道設(shè)施服役性能評(píng)價(jià)包括3個(gè)類(lèi)型指標(biāo)，分別為工程勘察(K)、工程設(shè)計(jì)(J)和工程施工(S)。

從各類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)情況對(duì)于隧道設(shè)施服役性能的影響性的角度考慮，認(rèn)為工程勘察的重要性比工程施工的重要性稍微大，而工程施工的重要性比工程設(shè)計(jì)的重要性“稍微大”，因此有

ωK∶ωJ∶ωS=1.833∶1∶1.354,

(11)

(ωKωJωS)=(0.438 0.239 0.323)。

(12)

2 公路隧道設(shè)施服役性能的模糊綜合評(píng)價(jià)模型

2.1 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

隧道病害檢測(cè)評(píng)價(jià)采用2級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型：(1)對(duì)底層指標(biāo)層項(xiàng)目層各因素進(jìn)行1級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)；(2)對(duì)類(lèi)型指標(biāo)層進(jìn)行2級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)，最后完成對(duì)隧道整體的服役狀態(tài)的評(píng)價(jià)。

(1)建立評(píng)價(jià)等級(jí)集合

類(lèi)型指標(biāo)與底層指標(biāo)兩個(gè)層次均按照J(rèn)TG H12—2015《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》[21]的標(biāo)準(zhǔn)取5個(gè)等級(jí)：

V={v1,v2,v3,v4,v5},

(13)

式中，v1，v2，v3，v4，v5分為病害等級(jí)1類(lèi)、2類(lèi)、3類(lèi)、4類(lèi)、5類(lèi)，并分別賦值1，2，3，4，5。

(2)建立隸屬函數(shù)

根據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法，隧道服役性能評(píng)價(jià)中底層指標(biāo)集中各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于各類(lèi)工程技術(shù)狀況的隸屬函數(shù)取自獲取的樣本數(shù)據(jù)，各類(lèi)的隸屬數(shù)形式如下：

(14)

式中，n=1類(lèi)、2類(lèi)、3類(lèi)、4類(lèi)、5類(lèi)為5個(gè)工程技術(shù)狀況等級(jí)；Cij為底層指標(biāo)集各評(píng)價(jià)指標(biāo)；N為符合評(píng)價(jià)指標(biāo)值的樣本數(shù)量；Mn為隧道工程技術(shù)狀況等級(jí)為n的樣本數(shù)量。

(3)底層指標(biāo)集各指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)

① 根據(jù)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析，得到底層評(píng)價(jià)指標(biāo)其對(duì)于各工程技術(shù)狀況等級(jí)的隸屬向量：

γCij=(r1Cijr2Cijr3Cijr4Cijr4Cij)，

(15)

式中，i為K，J，S，j為1，2，3，4，5，6。

②隸屬向量單值化。根據(jù)各工程技術(shù)狀況等級(jí)的賦值情況，則各評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)值按下式計(jì)算：

PCij=1×γ1Cij+2×γ2Cij+3×γ3Cij+

4×γ4Cij+5×γ5Cij。

(16)

③ 以每個(gè)底層評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)值為行，即可組成該類(lèi)型指標(biāo)項(xiàng)目下各評(píng)價(jià)指標(biāo)的單因素模糊綜合評(píng)價(jià)值的矩陣：

PCi=(PCi1PCi2…PCij)T。

(17)

④ 確定每個(gè)類(lèi)型指標(biāo)集下各底層指標(biāo)的權(quán)重，得權(quán)重向量：

ωCi=(ωCi1ωCi2…ωCij)。

(18)

⑤ 由每個(gè)類(lèi)型指標(biāo)中各底層評(píng)價(jià)指標(biāo)的單因素模糊綜合評(píng)價(jià)值的矩陣和各指標(biāo)間的權(quán)重向量，可用如下模糊綜合評(píng)價(jià)模型得到每個(gè)類(lèi)型評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)值：

Qi=ωCiPCi。

(19)

(4)隧道設(shè)施服役性能的模糊綜合評(píng)價(jià)

① 以類(lèi)型指標(biāo)集中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)值為行，組成該類(lèi)型指標(biāo)集的單因素模糊綜合評(píng)價(jià)值的矩陣：

PG=(QKQJQS)T。

(20)

② 確定結(jié)構(gòu)中指標(biāo)集中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，得權(quán)重向量：

ωG=(ωKωJωS)。

(21)

③ 確定結(jié)構(gòu)中指標(biāo)集中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，得權(quán)重向量根據(jù)類(lèi)型指標(biāo)集的單因素評(píng)價(jià)矩陣和權(quán)重向量，可用如下模糊綜合評(píng)價(jià)模型得到待評(píng)價(jià)隧道設(shè)施服役性能的模糊綜合評(píng)價(jià)值：

Q=ωG·PG,

(22)

式中，ωG為類(lèi)型指標(biāo)的權(quán)重向量；PG為類(lèi)型指標(biāo)集單因素模糊綜合評(píng)價(jià)值的矩陣；Q為隧道基礎(chǔ)設(shè)施服役性能的模糊綜合評(píng)價(jià)值。

基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的公路隧道設(shè)施服役性能評(píng)價(jià)方法中應(yīng)考慮了所有參與評(píng)判的因素的影響，宜按權(quán)重大小均衡兼顧，以體現(xiàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)整體的特性，故模糊計(jì)算的算子采用加權(quán)平均型算子，即實(shí)數(shù)乘積計(jì)算。

(5)公路隧道檢測(cè)評(píng)價(jià)等級(jí)的判定

有的高校對(duì)項(xiàng)目（課題）經(jīng)費(fèi)的管理法人負(fù)責(zé)制落實(shí)不到位，高校的相關(guān)部門(mén)沒(méi)有針對(duì)國(guó)家新出臺(tái)的政策制定相應(yīng)的管理制度。對(duì)“十二五”“十三五”期間立項(xiàng)的科研經(jīng)費(fèi)的管理還是按“十五”“十一五”期間制定的管理辦法去管理，導(dǎo)致管理水平與現(xiàn)有的政策規(guī)定脫節(jié)和不配套，內(nèi)部控制薄弱，科研管理和財(cái)務(wù)管理不規(guī)范，導(dǎo)致部分課題資金的真實(shí)流向脫離監(jiān)管［6］。

公路隧道設(shè)施服役性能綜合評(píng)價(jià)，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)值的等級(jí)劃分是按照公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范中對(duì)隧道工程技術(shù)狀況評(píng)定分級(jí)演化而來(lái)，因此，得到的公路隧道基礎(chǔ)設(shè)施服役性能的評(píng)價(jià)以按照其規(guī)定進(jìn)行劃分，檢測(cè)評(píng)價(jià)等級(jí)評(píng)價(jià)可以如表2定量化，根據(jù)上面模糊綜合評(píng)價(jià)值的計(jì)算結(jié)果，可由表2查得隧道基礎(chǔ)設(shè)施服役性能等級(jí)。

表2 隧道服役性能等級(jí)劃分Tab.2 Classification of tunnel service performance

2.2 地表水補(bǔ)給關(guān)系測(cè)試

根據(jù)待評(píng)價(jià)對(duì)象確定底層指標(biāo)的評(píng)價(jià)值，在樣本數(shù)據(jù)庫(kù)中抽取符合指標(biāo)值條件的有效樣本組成綜合評(píng)價(jià)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)計(jì)分析得出隧道各工程技術(shù)狀況登記下的隸屬向量，并根據(jù)對(duì)各級(jí)工程技術(shù)狀況的賦值規(guī)定，可得出待評(píng)對(duì)象地層巖性評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)值。

(1)工程勘察評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)值

工程勘察中共有6個(gè)底層指標(biāo)：地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)、特殊巖土、地下水、氣候特征，根據(jù)2.1節(jié)中的計(jì)算方式，可以得到工程勘察類(lèi)下各評(píng)價(jià)指標(biāo)的單因素模糊綜合評(píng)價(jià)值的矩陣：

PK=(PK1PK2PK3PK4PK5PK6)T,

(23)

ωK=(0.17 0.13 0.17 0.17 0.23 0.13),

(24)

QK=ωK·PK。

(25)

(2)工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)值

PJ=(PJ1PJ2PJ3PJ4)T，

(26)

ωJ=(0.3 0.2 0.3 0.2),

(27)

QJ=ωJ·PJ。

(28)

(3)工程施工評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)值

工程勘察中共有3個(gè)底層指標(biāo)：施工質(zhì)量、災(zāi)害事故、砂子類(lèi)型，根據(jù)2.1節(jié)中的計(jì)算方式，可以得到工程施工類(lèi)下各評(píng)價(jià)指標(biāo)的單因素模糊綜合評(píng)價(jià)值的矩陣：

PS=(PS1PS2PS3)T,

(29)

ωS=(0.365 0.365 0.27),

(30)

QS=ωS·PS

(31)

(4)公路隧道設(shè)施服役性能綜合評(píng)價(jià)

由前述工程勘察、工程設(shè)計(jì)、工程施工的模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果組成3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)公路隧道設(shè)施服役性能模糊綜合評(píng)價(jià)值的向量：

PG=(QKQJQS)T，

(32)

ωG=(ωKωJωS)=(0.438 0.239 0.323),

(33)

Q=ωG·PG。

(34)

3 基于大數(shù)據(jù)的隧道基礎(chǔ)設(shè)施長(zhǎng)期性能時(shí)變規(guī)律評(píng)價(jià)方法

上一節(jié)重點(diǎn)研究了公路隧道設(shè)施服役狀態(tài)的評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)目的是為了獲取待評(píng)價(jià)對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)下的服役性能等級(jí)，了解與掌握隧道工程的當(dāng)前服役狀態(tài)。在隧道設(shè)施養(yǎng)護(hù)管理中，人們有時(shí)不但需要了解與掌握隧道當(dāng)前的服役狀況，更需要預(yù)測(cè)隧道工程服役性能將來(lái)的變化趨勢(shì)，即研究隧道基礎(chǔ)設(shè)施長(zhǎng)期性能時(shí)變規(guī)律，以便合理地制訂更為經(jīng)濟(jì)、合理的運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)措施。

隧道設(shè)施服役狀態(tài)與其長(zhǎng)期性能時(shí)變規(guī)律的關(guān)系，可以理解為長(zhǎng)期性能的是由無(wú)數(shù)個(gè)隧道設(shè)施服役狀態(tài)組成，隧道設(shè)施的服役狀態(tài)是其長(zhǎng)期性能時(shí)變規(guī)律曲線上的一個(gè)點(diǎn)。因此，隧道基礎(chǔ)設(shè)施長(zhǎng)期性能時(shí)變規(guī)律研究可以通過(guò)研究不同時(shí)間下隧道設(shè)施服役狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由此，隧道基礎(chǔ)設(shè)施長(zhǎng)期性能時(shí)變規(guī)律評(píng)價(jià)過(guò)程如下：

(1)確定待評(píng)對(duì)象評(píng)價(jià)指標(biāo)值，與待預(yù)測(cè)服役時(shí)長(zhǎng)ti。

(2)按照待評(píng)對(duì)象評(píng)價(jià)指標(biāo)值，選取符合指標(biāo)值的樣本數(shù)據(jù)，建立初級(jí)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)Bf。

(3)再根據(jù)待預(yù)測(cè)服役時(shí)長(zhǎng)ti，在初級(jí)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)中選取滿(mǎn)足服役時(shí)長(zhǎng)ti的樣本，作為評(píng)價(jià)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)Bp。

(4)按照2.2節(jié)公路隧道設(shè)施服役性能的模糊綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出公路隧道設(shè)施服役性能綜合評(píng)價(jià)值Qsi。

(5)由不同的Qsi與ti繪制不同服役時(shí)間下的公路隧道設(shè)施服役性能綜合評(píng)價(jià)值曲線，即為待評(píng)對(duì)象的隧道基礎(chǔ)設(shè)施長(zhǎng)期性能時(shí)變規(guī)律。

由于這種方法主要通過(guò)構(gòu)建不同時(shí)間下的評(píng)價(jià)指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得不同時(shí)間下的隧道設(shè)施服役狀態(tài)，從而獲得隧道基礎(chǔ)設(shè)施長(zhǎng)期性能時(shí)變規(guī)律，因此，該方法也稱(chēng)為“樣本時(shí)效法”。

4 工程實(shí)例分析

4.1 工程概況

霧松嶺隧道地處黑龍江省東南部張廣才嶺腹地，海林市橫道河子鎮(zhèn)西11 km的霧松嶺，于2006年建成通車(chē)。海拔高度為610～720 m，相對(duì)高度差80～110 m，地形坡度為10°～30°。隧道為分離式隧道，左線長(zhǎng)590 m，里程樁號(hào)為ZK225+821～ZK226+411；右線長(zhǎng)501 m，里程樁號(hào)為YK225+900～YK226+401。隧道設(shè)計(jì)時(shí)速：80 km/h，凈高：5.0 m，建筑限界：0.75+0.50+2×3.75+0.75+0.75=10.25 m。

隧址區(qū)內(nèi)出露地層主要為印支期二長(zhǎng)花崗巖及少部分第四系全新統(tǒng)松散堆積層。基巖為印支期二長(zhǎng)花崗巖侵入巖，主要由長(zhǎng)石、石英及部分黑云母組成，中-粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)十分堅(jiān)硬；第四系全新統(tǒng)松散堆積層為坡積亞黏土夾石塊，石塊灰黑色，為中基性火山巖，堅(jiān)硬，塊徑10～100 cm，含量30%左右，分布不均。隧道圍巖為Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)，未見(jiàn)不良地質(zhì)情況與特殊性巖土。本區(qū)地下水類(lèi)型為基巖裂隙水，受大氣降雨補(bǔ)給，向溝谷河流排泄，地下水不發(fā)育，對(duì)隧道混凝土無(wú)腐蝕性。

霧松嶺隧道所在地區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫2.8 ℃，最高氣溫34.8 ℃、最低氣溫-41 ℃，年平均降雨量691 mm，降雨多集中在6—8月份，冬季最大積雪厚度為0.4 m，地面穩(wěn)定凍結(jié)期在11月中旬，最大凍土深2.02 m。

隧道襯砌結(jié)構(gòu)按新奧法原理設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，初期支護(hù)以錨桿、鋼架、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土組成聯(lián)合支護(hù)體系，二次襯砌采用C25模注混凝土結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)與二次襯砌結(jié)構(gòu)之間設(shè)防排水保溫層。隧道凈空斷面為三心圓曲墻斷面。

表3 霧松嶺隧道基本情況Tab.3 Basic situation of Wusongling Tunnel

4.2 公路隧道服役性能指標(biāo)

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)提取

表4 工程勘察類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.4 Evaluation indicators of engineering survey

表5 工程設(shè)計(jì)類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.5 Evaluation indicators of engineering design

表6 工程施工類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.6 Evaluation indicators of engineering construction

評(píng)價(jià)指標(biāo)樣本的母體來(lái)源于河北省公路隧道數(shù)據(jù)，首先根據(jù)待評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)值從樣本母體數(shù)據(jù)庫(kù)抽取滿(mǎn)足條件的樣本建立指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)；根據(jù)指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)各指標(biāo)影響進(jìn)行分析評(píng)價(jià)；獲取評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)值；最后按照各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行逐級(jí)評(píng)價(jià)。

河北省公路隧道工程共收錄了316組數(shù)據(jù)，其中信息數(shù)據(jù)較全、滿(mǎn)足數(shù)據(jù)共計(jì)114組數(shù)據(jù)。按照工程勘察、工程設(shè)計(jì)和工程施工的評(píng)價(jià)指標(biāo)值對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了篩選，篩選結(jié)果如表7～9所示。

表7 工程勘察類(lèi)指標(biāo)樣本統(tǒng)計(jì)信息Tab.7 Statistical information of engineering survey indicator samples

表8 工程設(shè)計(jì)類(lèi)指標(biāo)樣本統(tǒng)計(jì)信息Tab.8 Statistical information of engineering design indicator samples

表9 工程施工類(lèi)指標(biāo)樣本統(tǒng)計(jì)信息Tab.9 Statistical information of engineering construction indicator samples

4.3 隧道服役性能評(píng)價(jià)

4.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)值計(jì)算

根據(jù)式(10)，(12)可以得出隸屬度及計(jì)算值。

表10 工程勘察類(lèi)指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)值Tab.10 Fuzzy comprehensive evaluation values of engineering survey indicators

表11 工程設(shè)計(jì)類(lèi)指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)值Tab.11 Fuzzy comprehensive evaluation values of engineering design indicators

表12 工程施工類(lèi)指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)值Tab.12 Fuzzy comprehensive evaluation values of engineering construction indicators

4.3.2 底層評(píng)價(jià)指標(biāo)的單因素模糊綜合評(píng)價(jià)值計(jì)算

由式(13)，(15)計(jì)算模糊綜合評(píng)價(jià)值

表13 程勘察指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)值Tab.13 Fuzzy comprehensive evaluation values of engineering survey indicators

表14 工程設(shè)計(jì)指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)值Tab.14 Fuzzy comprehensive evaluation values of engineering design indicators

4.3.3 公路隧道設(shè)施服役性能等級(jí)確定

由式(16)～(18)可計(jì)算出由工程勘察、工程設(shè)計(jì)和工程施工為主控因素的隧道服役性能模糊綜合評(píng)價(jià)值，計(jì)算結(jié)果如表16所示。

表16 公路隧道設(shè)施服役性能模糊綜合評(píng)價(jià)值Tab.16 Fuzzy comprehensive evaluation values of service performance of highway tunnel facilities

根據(jù)表16可知，待評(píng)價(jià)對(duì)象霧松嶺隧道公路隧道設(shè)施服役性能模糊綜合評(píng)價(jià)值為 1.02,依據(jù)表2隧道設(shè)施服役性能評(píng)價(jià)等級(jí)定量劃分標(biāo)準(zhǔn)，霧松嶺隧道服役性能等級(jí)屬于1類(lèi)，性能完好。

4.4 隧道技術(shù)狀況評(píng)定

霧松嶺隧道現(xiàn)場(chǎng)土建結(jié)構(gòu)專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)分項(xiàng)技術(shù)狀況與評(píng)定如表17所列，隧道技術(shù)狀況評(píng)定為1類(lèi)，與4.3節(jié)隧道服役性能評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。可見(jiàn)，本章所建立的隧道設(shè)施服役性能評(píng)價(jià)方法和相關(guān)指標(biāo)能夠較好地預(yù)測(cè)、評(píng)判公路隧道的服役性能狀況。

表17 隧道洞身分項(xiàng)技術(shù)狀況評(píng)定表Tab.17 Technical condition evaluation table of tunnel hole items

5 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)公路隧道服役性能、指標(biāo)及模糊評(píng)價(jià)方法的研究分析，主要得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)建立了底層指標(biāo)和類(lèi)型指標(biāo)共同組成的2級(jí)公路隧道服役性能評(píng)價(jià)體系，并根據(jù)影響公路隧道服役性能的因素特點(diǎn)對(duì)各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)按照“相同”、“稍微大”、“略大”3種等級(jí)進(jìn)行權(quán)重確定。

(2)建立了公路隧道服役性能模糊綜合評(píng)價(jià)模型，并結(jié)合影響隧道服役性能的因素特征，提出了針對(duì)于服役性能綜合評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)方法。

(3)提出利用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，構(gòu)建不同時(shí)間下的評(píng)價(jià)指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，評(píng)價(jià)不同時(shí)刻下的隧道設(shè)施服役狀態(tài)，基于樣本時(shí)效法提出隧道基礎(chǔ)設(shè)施長(zhǎng)期性能時(shí)變規(guī)律評(píng)價(jià)方法。

(4)結(jié)合綏滿(mǎn)公路中霧松嶺隧道病害調(diào)查，利用公路隧道服役性能模糊綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了實(shí)例分析，與現(xiàn)行規(guī)范的相比證明該方法評(píng)價(jià)的有效性，該方法為隧道服役性能評(píng)價(jià)提供了新的理論方法。