公路隧道滲漏水病害檢測及評價模型構建

劉 濤

（山西省交通新技術發(fā)展有限公司，山西 太原 030012）

1 公路隧道滲漏水病害的主要危害

由于受到地下水或外界雨水的影響，公路隧道很容易產生滲漏水，導致出現各種病害，對隧道襯砌結構穩(wěn)定性和耐久性產生不利影響，影響了使用功能[1]。滲漏水病害普遍存在于公路隧道建設中，且防治難度一般較大，其危害性主要表現為以下幾個方面：

a）滲漏水會對襯砌結構產生侵蝕作用，加快其風化、剝蝕速度，進而導致襯砌結構性能劣化。尤其是當滲漏水中富含腐蝕性物質時，還會與材料發(fā)生化學反應，促使圍巖發(fā)生軟化現象，導致結構變形增大，甚至失穩(wěn)。對于嚴寒地區(qū)，滲漏水還可能會結冰凍脹，在凍融循環(huán)反復作用下，結構就容易發(fā)生較大變形，也促使了其他病害的發(fā)展。

b）若在施工過程中出現滲漏水，施工就會受到干擾，譬如導致初噴的混凝土質量處于不可控狀態(tài)。掌子面一旦發(fā)生涌水現象，會導致坍塌下陷。

c）滲漏水在路面上的滯儲會顯著降低路面摩擦系數，降低輪胎與路面之間的附著力，導致車輛滑移、側翻或失控。特別是在嚴寒季節(jié)結冰時，這一問題更加突出。

d）當滲漏水侵入到隧道內，有可能會導致通風、監(jiān)控、通訊以及照明等設備短路，影響設備正常運行。

總體來看，滲漏水對于公路隧道的影響比較復雜，涉及到結構的安全性、耐久性、適用性等，同時對行車安全也會造成較大的風險[2]，因此其病害檢測就顯得尤為必要，且需要可靠的評價模型對其進行研判。

2 公路隧道滲漏水病害的檢測方法

公路隧道滲漏水病害檢測方法選取是滲漏水治理的核心環(huán)節(jié)。目前我國在隧道病害檢測技術的選擇上主要有以下兩類：傳統(tǒng)檢測法與無損檢測法。傳統(tǒng)檢測法以專家目視法及鉆芯法、開槽法等破壞性檢測為主，其中前者主要是通過行業(yè)專家到場對工程進行實地調研來判斷病害的發(fā)展情況，而后者則需要在原有結構上取樣，并對樣本進行實驗室檢測來獲取結構的物理、力學性質。傳統(tǒng)檢測法雖然能夠直接得到可靠的樣本，但這一類檢測往往具有非常突出的破壞性，對于原結構不可避免地會產生擾動，甚至導致結構失穩(wěn)破壞[3]。而且，這類檢測方法以結構某一部分為樣本，很容易導致評價結果的片面性和局限性。此外，大量的人工勞動也會帶來檢測成本高、檢測效率低、結果誤差大的問題。無損檢測最大優(yōu)勢在于避免了對待測對象的破壞，可借助材料的物理、化學性質來獲取結構的檢測數據，從而得到材料的基本參數。究其本質，在于充分區(qū)分不同病害的特點，并能夠靈活應用多種不同無損檢測方法來確定隧道結構的狀態(tài)。

公路隧道的檢測一般應至少包含日常檢測、定期巡查、特別檢查以及專項排查4個部分[4]。如上文所述，公路隧道的檢測直接決定著隧道整體的功能性及耐久性，因此應當特別予以重視，隧道各個部分的檢測內容如圖1所示。

圖1 隧道各部分的檢測內容

3 公路隧道滲漏水病害評價模型的建立

筆者以某公路隧道為例進行闡述分析。該隧道地處山地丘陵地帶，隧址區(qū)地勢起伏較大且地表水系豐富，整體氣候較溫和，降水豐沛，尤其是春夏兩季降水比較突出。

3.1 公路隧道滲漏水病害評價模型的思路

隧道工程建設較為復雜，且受多重因素的影響較大，因此在建立滲漏水病害評價模型時，需要充分考慮隧道全壽命周期，進行量化評價，并以自然環(huán)境、地下水、設計、施工、運營等5個層面作為主要因素進行考慮，從而形成較為全面、可靠的評價體系。

模糊數學理論在公路隧道評價中的引進為評價模型的建立提供了理論支持。本文評價模型建立時，首先需要對影響滲漏水的因素有全面充分的認識，并分析其影響強度、產生原因，將因素劃分為若干個層次，經過模糊數學分析后，形成二級模糊綜合評價模型。模型評價體系的結構可大致分為3個不同的層次：目標層、準則層以及子準則層。其中，目標層含有項目評價的總體目標，即評價系統(tǒng)整體；而準則層則對影響滲漏水的主要因素進行了分析，以自然環(huán)境、地下水、設計、施工、運營5個層面進行描述，并構成因素集B；子準則層又被稱為指標層，其在準則層的基礎上對影響因素進行了進一步的劃分，以具體的指標作為組成內容。本文所構建的評價體系應用二級模糊綜合評價模型，其中子準則層向準則層的描述為第一級的評價，而準則層向目標層的描述則為第二級的評價，在這樣兩級的描述評價中即可得到整體的綜合評價。

3.2 確定模糊綜合評價的評語集

通常，根據滲漏水病害程度由輕到重可大致劃分為濕潤、滲水、漏水、射水以及涌水5個不同的級別。在進行滲漏水等級劃分時，可以參考借鑒國外的一些劃分方法。如：美國在其隧道檢查規(guī)范中對滲漏水作出了輕、中、重3個等級的定性評價標準；日本隧道養(yǎng)護規(guī)范將滲漏水劃分為4個等級，且基于滲水程度及滲水位置對等級進行了細化，值得注意的是在日本規(guī)范要求中，隧道滲漏水的評級對象細化為拱部和邊墻兩個不同的部位，具體見表1所示。依據滲漏水對工程可能產生的不利后果，我國公路隧道養(yǎng)護規(guī)范中附錄表B-4將滲漏水等級劃分為了5個等級，見表2。

表1 日本公路隧道滲漏水等級劃分

表2 我國公路隧道養(yǎng)護規(guī)范中的滲漏水等級

此外，在滲漏水等級劃分上，還有一種比較常見的方法，其主要根據最大允許滲漏量來定量分析，其中一級至七級分別對應：難以察覺、1 L/d/m2、3 L/d/m2、13 L/d/m2、30 L/d/m2、100 L/d/m2以及無限制。

上述各類分級標準大多是基于滲漏水量來確定的，但并未充分考慮到滲漏水可能產生的后果以及導致滲漏水病害發(fā)生的原因。因此，這些分級標準無法在實際工程中指導技術人員采取有效措施防止?jié)B漏水病害的發(fā)生，同時對于日常維護工作也難以起到指導作用。在對項目滲漏水病害的主要成因進行分析后，結合建設地區(qū)當地已有治理經驗，本文對滲漏水分級進行了細化，以滲漏水病害的嚴重程度作為參考依據，同時也將圍巖分級方法納入到評價范圍內，建立了適宜于該項目的分級方法。在該分級方法中，滲漏水病害被劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ這4個不同的等級，并建立起相應的評語集：

V=｛V1，V2，V3，V4，｝=｛Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ｝.

3.3 確定模糊綜合評價的權隸屬函數

在開展模糊綜合評價時應當注意，指標之間具有一定的不可公度性，也就是說不同指標的度量單位并非統(tǒng)一，所以這也就導致在對比時往往較為困難。為了保障后續(xù)量化評價的可行性與合理性，在開展評價前，首先應明確所選指標群中各指標的計算隸屬度。因此，隸屬函數的建立也就直接影響著評價體系的可靠與否，同時也決定著評價結果與實際情況之間的擬合程度。一般而言，確定隸屬函數的方法比較多，譬如三分法、專家評分法、F統(tǒng)計方法等都是常用的方法。由于隧道滲漏水因素較多，所涉及到的樣本數量也比較龐大，若采用專家評分的方式很容易引發(fā)主觀誤差，同時也會降低工作效率，因此該研究選擇指派隸屬函數法來完成評價。各個因素能夠借助隸屬函數直接計算得到，而定性描述的因素也可以將其轉化為適當的定量表達，譬如對因素進行分級表達，按照相應的描述來取用對應的數值，并借助隸屬函數來確定隸屬度。

在具體的工程實踐中，隸屬函數一般難以直接通過公式求得，而是需要借助于實驗，所以隸屬函數不可避免地會存在一定的主觀性，且較為依賴實踐經驗。除了可以基于統(tǒng)計結果中不同因素所對應的頻率來確定外，典型函數法也具有很好的應用效果。特別地，若論域可以借助實數閉區(qū)間進行表達時，隸屬函數就可以用模糊分布曲線來描述。由于隧道滲漏水影響因素較多，為了簡化計算過程，本文隸屬函數采用降半梯形分布，其函數形式為以下幾種形式：偏小型、中間型、偏大型如圖2所示。參數a、b、c由各臨界狀態(tài)的指標值確定。

圖2 隸屬函數形式

3.4 建立模糊綜合評價的權重集

基于上文對各影響因素權重判斷方法的論述，該研究應用層次分析法來確定具體權重取值。首先，需要按照二級模糊綜合評價結構在不同指標間建立起關系。隨后，需要在各指標間兩兩寫出判斷矩陣。矩陣內各元素取值可按照不同指標的相對重要性來確定，并應充分考慮項目環(huán)境因素，以此得到最終矩陣。

3.5 滲漏水病害的模糊綜合評價

對具體準則層的描述Uk=(1,2,…,5)，基于各元素的相對影響強度即可得到因素模糊向量Ak=(ak1,ak2,ak3,ak4)，將其代入到隸屬函數中整理獲得滲漏水等級V=(v1,v2,v3,v4)，進而就能夠得到：

Bk=Ak·Rk=(bk1,bk2,bk3,bk4)(k=1,2,…,5)，

式中:B表征準則層指標Uk對應的評價結果。

在確定完準則層5個不同指標的評價結果U1、U2、U3、U4、U5后，可按照其各自的重要程度分配不同的權重，進一步構成模糊向量A=(a1,a2,a3,a4)，將Uk的評價結果Bk=(bk1,bk2,bk3,bk4)，看作單因素的評價矩陣，可以得到：

進而最終評價結果為：

這便是二級模糊評價的模型。該研究中借助最大隸屬度法來處理評價指標，即最大B值所對應的等級為公路隧道滲漏水評價結果的等級。

4 結語

a）由于公路隧道滲漏水病害的產生是多種因素綜合作用的結果，其本身具有一定的模糊性，因此本文通過采用模糊數學法對其進行評價，根據評價結果進行滲漏水病害等級劃分。

b）在滲漏水病害檢測與評價時，首先需要充分明確病害產生的原因及發(fā)展狀態(tài)，針對性地選擇相應的檢測方法。

c）將滲漏水影響因素劃分為5個不同的一級目標層，并進一步細化至準則層及指標層，然后對滲漏水病害進行二級模糊綜合評價，最后按照其各自權重形成量化的評價結果，可用于指導后續(xù)滲漏水病害的治理工作。