既有隧道土建结构病害评价理论与方法-桥梁与隧道工程毕业论文

　　既有隧道土建结构病害评价理论与方法

　　姓 名： 任荣

　　学 号： 2016200079

　　学 院： 土木工程学院

　　专 业： 桥梁与隧道工程

　　指导教师： 蒋雅君 副教授

　　二〇一六年十二月八日

　　目 录

　　引言1

　　1 隧道土建结构检测评价标准1

　　1.1隧道土建结构评价理论1

　　1.2隧道土建结构评价技术标准及其发展2

　　1.2.1公路隧道标准2

　　1.2.2铁路隧道标准3

　　1.2.3地铁隧道4

　　1.2.4国外隧道土建结构检测评价标准4

　　1.3公路隧道检测标准化6

　　2隧道土建结构检测评价方法的发展7

　　2.1公路隧道方面7

　　2.2铁路隧道方面10

　　2.3地铁盾构隧道11

　　3建立隧道土建结构检测评价系统13

　　3.1评价指标体系的建立13

　　3.2评价指标分项权重的确定18

　　3.3整体技术状况的确定19

　　4隧道土建结构检测评价方法新趋势20

　　结语22

　　参考文献22

　　引言

　　我国不仅是在建隧道工程最多的国家，也是建成通车数量最多的国家，这意味着我国综合实力正在逐步提升，基础工程事业也在飞速发展。某些意义上可认为我国已经成为隧道强国，但另一方面，我们对于既有隧道的维护、管理及运营上并非是走在世界前列，相反，我们在这些方面远落后于欧美及日本；此外，隧道建成以后，其担负的意义不单单是一个区域的交通命脉，更重要的是作为战备资源，因此，提高隧道工程的管理维护水平，科学合理的制定隧道检测维护计划是隧道工程更为长远的意义。

　　隧道工程处在岩土体之中，其病害原因广泛且复杂，常常难以从根本上进行分析与治理，现阶段只能在检测养护上下功夫，而现今国内的隧道检测现状是标准化程度还远远不够，标准执行效果也不理想，各行业检测水平发展程度不平衡，检测机械化及信息化水平极低甚至刚刚起步等，这些现状反过来又抑制了隧道健康状态评价方法的研究、制约着隧道运营水平的提升[1]。因此，有必要对前人的经验进行总结，并提出今后发展的方向，推动隧道检测评价理论的发展和技术的完善。土建结构是指隧道内的各类土木建筑工程结构物，如衬砌、洞口及路面等，是隧道检测评定的主要对象[2]。本文总结了国内外隧道工程土建结构病害检测理论与方法，分析了其发展趋势，对其检测评级理论提出了相关建议，并对相关领域未来的发展做出了展望。

　　1 隧道土建结构检测评价标准

　　1.1隧道土建结构评价理论

　　隧道土建结构的安全状态评价涉及各种因素的相互影响，因此其评价是基于病害数据的综合评价。隧道土建结构评价方法涉及到诊断项目的选取与分级，诊断指标的评价方法与量化分级，诊断系统的建立，诊断项目权重的划分以及诊断计算理论的建立等内容，各部分形式分散但又必须保证体系的紧密连贯性，因此评价方法的选取与制定格外重要。

　　隧道综合评价的常用理论方法有层次分析法、模糊数学理论、人工神经网络法、灰色理论法和专家评估法等。其中使用最广泛的是层次分析法（Analytieal Hierarehy Proeess,简称AHP法），其通过分解问题构成递阶层次结构，再据各层判断形成判断矩阵，再进行计算得出层次总排序，最终通过排序结果分析和解决问题。通过上述理论的综合使用，可以较为合理的制定出一套针对隧道检测的评估方法[3][4]。

　　1.2隧道土建结构评价技术标准及其发展

　　标准是科学、技术和实践经验的总结，隧道管理维护应该大力倡导标准化活动，标准化可以解决目前隧道管理维护的大部分问题，同时提高管理维护效率，进而保障隧道设施和运营安全。但目前我国的现状并不乐观，由于地区差异、行业差异、管理体制差异、技术水平差异、工作手段差异以及人财物的资源差异，使得执行规范的效果、程度存在较大差异，并也导致了养护技术水平参差不齐，养护质量难以保证[1]。比如在电力隧道土建结构检测领域，几乎没有比较通用的标准或规范，多参考公路隧道相关检测规范，这便从检测工作的源头上不合理，就更无法保证标准化的实施。

　　1.2.1公路隧道标准

　　在公路隧道方面，相比道路与桥梁的规范，隧道规范起步较晚，在2003年以前，我国并没有用于隧道养护的规范，仅仅在1996年发布的《公路养护技术规范》（JTJ 073-96）中的隧道章节给出了部分隧道养护的内容，2003年我国发布第一本公路隧道规范《公路隧道养护技术规范》（JTG H12-2003）[5]，其给出了公路隧道清洁维护、结构检查、保养维修和病害处置的方法，也确定了公路隧道土建结构检测的定性判定方法和评定等级标准，对于土建结构具体检查内容，该规范以结构构件为指标层，也给出了一定的定量指标，但对于机电设施和其他设施的技术状态评价，其未给出较为系统详细评定体系与方法[6]。

　　2015年为了与道路和桥梁体系新规范相适应，同时也因我国大量新建隧道投入运营后积累了许多新经验，我国发布了第二本公路隧道规范《公路隧道养护技术规范》（JTG H12-2015），与03版规范的区别在于提出隧道养护等级分级方法、公路隧道技术状况评定方法和技术管理章节等，还特别地补充了关于隧道维修相关建议。该规范再次强调公路隧道技术状况评定是基于土建、机电和其他工程设施的总体技术评定，明确了机电和其他设施在隧道检测中的地位[2]。在养护体制上，公路隧道养护部门归属于各个高速公路管理处，管理处对于隧道检测采取统一的招投标方式，检测公司可以相对公平的参与竞争，这种方式也是当前较有利于隧道运营管理的养护体制。因此总体来说，公路隧道标准较为完善具体，管理体制也正在不断进步。

　　1.2.2铁路隧道标准

　　在铁路隧道方面，关宝树总结了国内外关于隧道维修管理方面的大量文献，提出了针对隧道结构评价判定的思路和方向[7]。铁路隧道方面相关的标准或规范主要有《铁路桥隧建筑物劣化评定标准 隧道》（TB/T 2820.1-1997）、《铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定》（铁运函[2004]174号）和《铁路桥隧建筑物修理规则》（TG/GW103-2010），其中，由关宝树主编的《铁路桥隧建筑物劣化评定标准 隧道》（TB/T 2820.1-1997），以衬砌病害作为评价指标，将其分为衬砌结构漏水、衬砌结构裂损、衬砌冻害和衬砌材料劣化四个分指标，如图1.1的评分图所示；对于每个分指标进行定性劣化等级评定，劣化等级分为A、B、C、D四级，其中A又分为AA与A1，其中AA为劣化极严重的情况。

　　图 1.1 铁路隧道衬砌结构评价方法结构图

　　《铁路桥隧建筑物劣化评定标准 隧道》（TB/T 2820.1-1997）较为详细的提出了铁路隧道衬砌健康状态的评价方法；但是当前阶段适用性已经降低。一方面铁路隧道特别是高铁隧道技术标准更高，修建成本与难度也已经提高，不同区域的隧道与当地具体情况息息相关，因此其评价原则已经改变，评价方式也更加多样化了。另一方面，该规范是定量基础上的评价，诊断指标也较为单一，评价体系与计算方法较为简易，已经满足不了铁路隧道现行技术要求。

　　在铁路隧道方面专门用于养护的技术规范还未发布，但这与我国现阶段铁路行业的发展是不相符的，铁路隧道检测及维护工作往往都是由铁路局下辖的铁路管养单位负责，即“管、养、运”一体化，这可能会有碍养护技术创新和提高，另现阶段多为天窗期人力加机械的检测维护方式，这种养护方式还避免不了检测人员大体量工作量。另一方面，随着高速铁路发展，对于高速铁路隧道的标准提出了更高的要求，而我国的高铁隧道往往都刚刚投入运营，配套的养护标准、经验不足会在今后引起一系列问题。

　　1.2.3地铁隧道

　　国内地铁隧道养护标准或规范还较少，且多为地方规程或标准，比如北京市地方标准《城市轨道交通设施养护维修技术规范》（DB11/T 718-2010）[9]，该地方标准的区间隧道章节内提出了定期检查、专项检查和技术评定等内容。定期检查分为主体结构、附属结构、排水设施和附属平台，主体结构简单的分为衬砌裂缝、衬砌渗漏水、变形缝相关病害和衬砌混凝土劣化病害，而评定标准又从裂损劣化、渗漏水和材料劣化三个方面来评定为一至五共五个等级，并结合了病害和构件来进行综合定性、定量评定。

　　由于现阶段我国地铁隧道运营经验已较为丰富，很多城市都已经开通地铁，而标准的区域化将严重阻碍地铁隧道运营养护技术的发展，因此，2016年1月，由同济大学和广州地铁设计研究院有限公司主编的《城市轨道交通隧道结构养护技术规范》（征求意见稿）发布，该规范的检查方式分为初始、日常、定期、特殊、专项和处置后检查，并且对于不同隧道施工工法上的检测养护也作了区分，分为明挖、矿山和盾构三种工法，在评级方式上也是采用构件和病害相结合定性地将隧道等级分为健康度1~4级，其中1级最好。该规范采用了较为合理的隧道评价方法，各个分系统联系紧密，整个评价系统也较为完善，是适合作出推广的。

　　1.2.4国外隧道土建结构检测评价标准

　　国外发达国家在隧道养护标准化的历程上多积累了丰富的经验，特别是日本、美国、德国等发达国家。

　　日本采用“健全度”的概念来评价隧道，对应公路隧道其规范为《道路隧道维护管理便览》，《便览》分为检查阶段和调查阶段，两阶段评级方式不一样，检查阶段评级分为A、B、S三级，其检查的项目为7项构件，即衬砌、洞门、内装饰板、顶板排水设备、铺设路面、其他，并分为日常、定期、临时和异常检查，如图1.2所示。对铁路隧道，其规范为《铁道构造物等维持管理标准▪同解说》，《同解说》分为总体检查和个别检查，评级为A（AA、A1、A2）、B、C、S四级[7]。日本隧道评价规范是在实践基础上编制的，其适用性较强，也有一定的研究价值。

　　图 1.2 日本隧道评级结构图

　　美国《公路和铁路交通隧道检查手册》将隧道分为隧道结构、设备系统、电力系统和其他系统，隧道结构又分为衬砌、路基、内装、排水系统和其他五个指标，每个指标分为0~9共10个等级，其中0级最好[6]，如图1.3所示。美国的隧道评价规范便综合考虑包括隧道土建结构、机电设施还有其他相关的设施，这种评价方法更有利于隧道运营与管理，能给业主带来管理上的便利。

　　图 1.3 美国隧道评级结构图

　　德国在隧道检测养护标准的制定以及隧道检测机械化上都走在前列，其《人工建筑物的监控和检查规范》中对铁路隧道检测做了详细规定，包括检测频率、方式及内容，德国联邦铁路局还自配隧道检测车，对于检测所得数据，有专门的定性评定和维修管理程序[3]。

　　此外，我国台湾昭凌公司将将用于桥梁的DERU检测评估法引进到隧道上，制定了基于目视检测的隧道快速检测评估方法，该方法评价内容全面，现场评级效率也较高，内业内容较少，适合于震后隧道的快速检测与加固。

　　1.3公路隧道检测标准化

　　由于现阶段公路隧道养护技术体系已较为成熟，养护标准已较为完善，公路隧道养护管理方面也积攒了较多经验，所以在标准化工作上，公路隧道行业的经验值得参考与借鉴。

　　招商局重庆交通科研设计院有限公司的丁浩[1]在总结国外公路隧道养护经验后得到启示，认为标准不应该仅仅限于“技术标准”，若从全面性、合理性来看待标准的话，还应包括“管理标准”、“工作标准”等。具体来说，他认为应该借鉴国外的隧道养护综合标准体系，考虑体制方面、检测方面、评估方面和管理方面都要逐步改进，主要的改进内容如表1.1：

　　表 1.1 标准化改进内容

　　丁浩还认为，信息标准化贯穿整个养护体系是核心，指导整个流程的作业标准化是基础，而对于具体的实施环节，即检测标准化、评价标准化和管理标准化是关键。每一个环节都有具体的意义与地位，比如信息标准化，丁浩的调研结果表明，现阶段的国内公路隧道养护单位都能做到养护数据记录、存储和数据库储存，但是也都停留在这个阶段，这些数据仅作为“电子台账”，没有用来做历史数据对比，即在数据 “实质”标准化上的技术水平还较落后。这就说明检测与评级还没有在隧道养护工作中充分发挥作用，检测评价的单位提供的检测报告利用率较低，因此，从这一方面考虑的话，怎样合理高效评价隧道的健康状态并提交给业主真实可靠的检测资料，怎样编制大信息量的检测结果并体现出业主所关心的问题，是检测评价单位应该仔细考虑的问题。

　　总体来说，我国隧道养护技术水平还较低，养护体系、标准的制定也不够全面，养护技术普及程度也差异很大，实际的检测养护工作中遇到方方面面的标准不涉及内容，这都需要不断改进与加强。另一方面，我国特殊的国情也不容忽视，相比发达国家，我们在隧道养护标准化的道路上将会有多、更复杂的问题，这要求我国养护体系标准化的工作要制定详细的步骤与阶段，即在每一个阶段的国情背景下，弄清楚什么阶段该解决什么问题，以便更加合理的完成我国隧道养护体系的制定与标准化工作。

　　2隧道土建结构检测评价方法的发展

　　隧道检测评价的发展是一个长期的过程，过去的隧道检测多基于传统人工方法，往往没有具体的评级方法，当检测人员发现病害后，依据病害严重程度判断治理紧急性和治理方法；后来，人们发现常规隧道检测已经不能对隧道土建结构安全性能作出可靠的结论，隧道土建结构病害会严重影响交通，于是编制了评价方法，引入一些合理的理论来作为评价依据，并基本形成了观察、诊断、下药和评估治理效果的隧道养护模式。

　　到上世纪80年代后，一方面多次大的隧道病害影响行车的事故，让人们更加重视隧道土建结构评价工作，另一方面大量建成隧道投入运营，隧道养护成本逐年增高也让大量专家学者开始研究隧道结构病害成因及健康性评级方法，这阶段发达国家的隧道检测评价工作均已基本标准化，也对于不同类型的隧道做出了区别，同时意识到隧道安全性能评价不单单是对于土建结构的的评价，还应该包括机电、管理等其他方面的评价。近些年来，既有隧道数目基数越来越大，另外还有大批的在建或将建的隧道，隧道检测机械化、隧道评价系统化、信息化的需求加大，使得研究的重点也一部分侧重了检测方式与手段、检测数据处理等方面。

　　2.1公路隧道方面

　　在公路隧道土建结构检测评估方法方面，一大批学者、专家对此领域展开了相关研究工作，罗鑫、夏才初等人总结了国内外隧道衬砌裂缝分级、渗漏水分级、衬砌剥落分级、衬砌材质劣化分级、衬砌变形、移动及下沉分级和其他病害（如冻害、鼓出）分级方法，得出隧道病害分级方法正从定性到定量、从单一指标到多指标和从直接考虑隧道病害分级到考虑病害对隧道结构影响程度来分级，他们当时（2006年）也提出要更多的开始注意到各级别病害下的损伤值，即更应该去注重基础性研究，分析隧道病害与隧道结构性能的关系[10]。

　　罗鑫在总结和评述前人研究成果的基础上，对公路隧道健康诊断方法及系统进行了深入的研究，提出了一套基于层次分析法的公路隧道健康状态诊断指标体系，该体系的特点是给出了病害指标定性和定量的评定标准；采用模糊理论和人工神经网络理论重新确定了指标层和准则层的权重；建立并验证了公路隧道健康状态模糊综合评价模型；此外，罗鑫还建立了公路隧道病害数据库系统，运用此系统和工程实例再次验证其公路隧道健康状态诊断指标体系的有效性和实用性[3]。

　　邹金杰、杨其新等人从检测与病害治理的角度着手分析，提出隧道检测应从健全度方面开始研究，得出以定量为主且较完善的病害等级评定标准，并指出更全面、更完整、更规范的检测手段能加快隧道病害检测治理数据库的建立，进一步依托隧道治理的工程类比方法，能提高隧道治理方法的标准化，治理手段的规范化[11]。

　　王春景、彭立敏等人基于荷载-结构法研究了隧道病害评定结果对隧道影响关系及维修紧迫性问题。通过数值软件模拟了同时存在衬砌厚度不足、衬砌材料劣化和衬砌背后空洞的隧道断面，并与原设计计算模式相比较，得出存在病害的隧道在弯矩和轴力分布上不对称，其原因是衬砌承受荷载和围岩抗力不对称引起衬砌结构整体刚度和变形不对称，进而导致上述结果，还得出此时结构处于不稳定状态，需要立即加固[12]。

　　郭骞广泛研究了国内外的研究成果，基于层次分析法和专家评估法提出了考虑土建结构、机电设施等多个方面，并将运营安全纳入的公路隧道养护技术状况评价体系，该体系将隧道技术状况评价分为四层（如图2.1），第一层为隧道总体技术状况，第二层为相应各技术状况的组成，第三层为部件、设施或状态，第4层为构件、设备或子状态技术状况指标值。其优点是克服了03版规范评价因素的不成体系、主观因素过多、层次不清晰的缺点，并与《公路技术状况评定标准》（JTG H20-2015）良好对接[13]。

　　图 2.1 郭骞提出的隧道技术状况分层

　　我国台湾的萧富元、陈锦清等人针对隧道目视检测易受检测人员主观意识影响的弊病，引进用于桥梁检测的DERU法进入隧道检测领域，DERU法隧道检测评估方法共有12个检测项目，并考虑各检测项目劣化程度（Degree）、劣化范围（Extent）、劣化影响（Relevancy）及维修紧迫性（Urgency）。对于指标层的评级是基于定量和定性基础之上，而相应之上的准则层和目标层，均采用定量评级方式。此法优点是减小了主观因素影响、加快检测评级工作效率[14]。

　　西南交通大学的蒋雅君、杨露等人更是在萧富元等的研究基础上，改进了隧道DERU法，提出了一套适用于震后运营公路隧道土建结构快速检测评价技术体系。相比萧富元的隧道DERU法，该体系将劣化影响（Relevancy）改为安全程度（Safety），即只考虑对行人、行车安全的影响。另外，该体系改进了指标层构件状况指标的计算公式，使重要性系数取值更加合理；在构件权重取值方面，该体系依据层次分析法和乘积标度法重新计算出构件合理的权重取值[4]。

　　综上所述，公路隧道土建结构检测评估方法的研究将越来越受到关注，就目前我国的研究水平来说，一方面，大多数的研究成果都更具实用性，侧重考虑实际工程需求和背景，这一出发点是合理准确的，另一方面，这种现状也导致了各种检测或诊断方法的分散，许多学者的研究成果层析性不明显，还应该侧重基础性研究，侧重交叉学科的拓展，推动隧道检测评价领域向更加深入的方向发展。下表给出了上述公路隧道检测研究成果。

　　表 2.1 公路隧道检测研究成果表

　　2.2铁路隧道方面

　　吴江滨、王梦恕等人广泛调研铁路隧道病害，发现失格率达到60％以上（2003年以前），因此他们认为有必要采取可靠的检测方法来来检测和评估隧道的实际情况，他们认为应当采用无损检测方法对隧道情况进行全面检测，然后依据检测结构编制出检测报告，以报告为日常维修和重点整治的依据，最后应该逐步形成日常维护、病害发现、病害检测到病害整治的一整套技术体系[15]。

　　李光晓运用安全系统工程对运营隧道的危害进行研究。他通过对铁路隧道安全系统进行分析，采用了定量与定性结合的评价指标并量化了指标，用层次分析化确定了各项评价指标的权重，建立了铁路隧道安全系统评价指标体系，与前人的不同之处是，他的分项指标中考虑了隧道震害、隧道空气污染和隧道运营火灾（如图2.2）。然后相应的建立了铁路隧道安全系统模糊综合评价模型，该评价系统是对铁路隧道较为完整的安全评价系统，不仅考虑了隧道土建结构，还相应的考虑了一些其他内容[16]。

　　张鹏，鄢本存依据《铁路隧道检测技术手册》，按照图2.3所示的检测流程与内容对成渝铁路某老旧隧道进行了检测与相关病害评价与分析，得出了一些关于运营老旧铁路隧道的病害原因。他们发现运营老旧铁路隧道病害总有一定的关联性，隧道所处区域的工程水文地质情况与病害发生的机理有密切关系，运营老旧铁路隧道病害也与隧道设计年代的设计理念与施工水平有关，另外长期的服役运营也使其病害频发[17]。表2.2给出了上述铁路隧道检测研究成果。

　　图 2.2 李光晓提出的铁路隧道安全指标体系

　　图 2.3 铁路隧道检测内容和流程

　　表 2.2 铁路隧道检测研究成果表

　　2.3地铁盾构隧道

　　地铁隧道形式有明挖法隧道、矿山法隧道和盾构法隧道，明挖法隧道、矿山法隧道土建结构检测评估方法可以在一定程度上借鉴公路和铁路隧道，而盾构隧道与前两种隧道相比，差异较大，因此其土建结构检测评估有新的特点，此外，近些年盾构隧道病害逐渐增多，相应的检测加固工作急需展开。

　　胥犇、夏才初等基于工程实践和软土隧道理论分析，建立了一套盾构隧道结构病害评价体系，该体系采用层次分析法构件三层病害评价指标，如图2.4所示，第一层为评价指标，依次往上为评价项目、病害种类、总体区段情况，评价指标分级基准是参考相关规范后依据实测资料统计分析而得，部分指标还辅以力学计算和数值分析；对于权重分配，其也采用乘积标度法。总体来说，该体系优点为评级定量化、反应了单一指标与多指标的关系，也在实际工程中收到良好效果[18]。

　　黄小平在关宝树和国内其他学者提出和发展的隧道结构专家打分评价法的基础上，提出了更为直观且针对软土盾构隧道的专家打分评价法。其结合实际工程选取了三种盾构隧道常见病害，分别是衬砌管片收敛值、纵向不均匀沉降产生的弯矩值和渗漏水类型，并给出了各项评价指标的划分标准和分值[19]。

　　图2.4 盾构隧道结构病害评价体系

　　孙可、张巍等人认为盾构隧道健康监测方式不同于传统人工巡检，则其传统检测评估方法失去其普遍性，故他们根据盾构隧道预埋监测件所得的监测数据，建立了针对监测数据的六层指标评价体系，其原理同样是模糊理论和层次分析法，再通过相关模型计算可以获得单类监测因子、单个监测管片、单个监测环和以及隧道全线的分级模糊综合评价。其优点是模型易集成，有望实现盾构隧道健康状态快速评价和隧道运营管理的智能化[20]。表2.3给出了上地铁盾构隧道检测研究成果。

　　表 2.3 地铁盾构隧道检测研究成果表

　　3建立隧道土建结构检测评价系统

　　虽然隧道土建结构检测评价方法各异，但是其相似性还是较大，那么检测方式和评级方法的选取，直接决定隧道检测和评价工作的效率与工作量，关键问题最终集中到选取怎样的检测方式和评价方法才能够较为客观反映隧道健康状态，提高检测和评级工作效率，并让检测结果给业主的维修加固工作带来方便。因此本部分内容将总结隧道检测与评级的关键内容，并提出相关建议。

　　3.1评价指标体系的建立

　　隧道健康状态的评定，首先要进行影响隧道健康状态因素的分析，然后基于层次分析法，合理构造诊断指标体系，使问题层次化。

　　不同的评价方法选用的指标体系对象不相同，比如《铁路桥隧建筑物劣化评定标准 隧道》根据不同的病害来进行分级，而现行《公路隧道养护技术规范》和DERU法均是按构件来分级。

　　以病害为指标体系对象，一方面较易进行数学计算进而量化分级，进而很好的与相关数学模型结合；另一方面隧道的健康状态就反映在结构的损伤和破损上，而结构损伤和破损可以通过现场的病害检测或调查获得，因此确定病害为评价指标对象，也更具直观性，在检测要求不高的情况下，能够快速评价隧道的健康状态。然而病害的成因与多种因素有关，各种不同病害相互之间甚至也存在联系，所以对病害作为准则层的评级方法要周密考虑相关机理[4]。

　　罗鑫通过结构破损形态将公路隧道确定了七项评价项目，如图3.1所示。对每个分项的具体评定又划分了定性或者定量的评价方法，比如，对于裂缝病害分项，其分项评定指标分为主要指标裂缝长度、宽度和深度，而辅助指标为裂缝发展性与密度等[3]。但是该法也有较为明显的弊端，比如对于如图3.2所示裂缝病害对比图，若两者的裂缝长度、宽度和深度均相似，而由于后者裂缝分布密集，其实际情况要比前者严重很多，则要更深层次的去比较裂缝密度和发展性，否则得不到客观的评级结果，这样对于实际的检测工作，其检测内容过于繁杂，检测手段也较为复杂，可能将增加工作量，降低工作效率。

　　图3.1 病害指标体系

　　图3.2 裂缝病害对比图[4]

　　与病害不同，以结构构件为指标体系对象，虽然不太符合逻辑性，但是其检测工作量较小，检测效率高，对于任务繁重的定期检查，总体来说优势明显。实际检测工作中也常以构件来进行评级工作，比如《公路隧道养护技术规范》（JTG H12-2015）就将隧道结构构件分为了9个项目[2]（如图3.3所示）。其中衬砌又细分为衬砌破损和渗漏水。

　　图3.3 《公路隧道养护技术规范》分项目

　　针对每个分项目，《公路隧道养护技术规范》（JTG H12-2015）也给出相应的评价细则，比如衬砌渗漏水的技术状况评定标准如表3.1所示：

　　表 3.1 衬砌渗漏水的技术状况评定标准[2]

　　由上表可以看出，《公路隧道养护技术规范》（JTG H12-2015）所给出的分项评级方案还是多基于定性基础的评定，这主要是考虑到我国不同地区检测水平差异性较大，标准化实践程度还不太高的因素。

　　DERU法与上述规范法有较大的区别，评价指标对象也是构件，其评定项目分类为：

　　隧道结构安全：隧道衬砌、隧道路面

　　洞口边坡安全：洞口边坡稳定、边坡保护工、洞口排水设施

　　营运服务品质评估：通风设施、消防设施、排水设施、照明设施、号志标线、内装修饰板、护栏

　　与规范不同的是，DERU法将每个构件的评级再次细分化，即根据分项的劣化程度（D）、劣化范围（E）和劣化影响（R）进行评级[14]。评定内容的量化分级见表3.2（分项劣化程度评定标准只选取了隧道衬砌包括的混凝土龟裂内容）：

　　表 3.2 DERU法分项评定内容[14]

　　注：影响程度（R）评分主要考虑因素为（1）对交通冲击、（2）对用路人及车辆安全之影响、（3）对结构物安全之影响。

　　隧道衬砌中的裂缝分项劣化程度评定标准见表3.3：

　　表 3.3 裂缝分项劣化程度评定标准[14]

　　相比规范法，DERU法在检测过程中不单考虑构件破坏程度与范围，还综合考虑了病害的对行车、行人的影响程度，检测过程结束后可以初步得出各构件的维修紧迫性，因此其优点主要是减小了检测内业工作量，能够快速得出隧道健康状态等级。

　　在实际检测程序中，规范法和DERU法均采用分段检测，分段的标度通常在100米以内。但是洞口设施常常设置为单项评级。

　　对于分项诊断指标的评定分级数目，是具有较强实践性的内容，分级过多，相邻等级过于相似不易区分，会人为的增大误差；若分级太少，又容易漏掉某些重要信息；我国现有水平宜采用四级划分法或五级划分法[3]。

　　总体来说，准则层指标是隧道土建结构检测评级的基础性指标，其决定最终评定结果的合理性与可靠性，诊断指标应该满足代表性与简洁性，若指标选的太多，各层结构太复杂会使检测流程复杂化，指标选的太少且不具有代表性则会得出不可靠的检测结果，不利于业主进行进一步的维修加固。因此隧道土建结构评价分项指标选取与评定虽然方法各异，但是也应该遵循一定的原则。

　　罗鑫与郭骞先后提出相关原则，这里结合笔者考虑的观点后提出建议的原则，如表3.4所示：

　　表 3.4 评价分项指标选取与评定原则

　　综上所述，隧道土建结构技术状况评价所采用的诊断指标应该综合考虑来选取，总结以上三种检测方法的评价指标体系，得出以下结果：

　　表 3.5 三种评价方法的对比

　　3.2评价指标分项权重的确定

　　评价指标确定后，关键步骤转移到确定分项的权重，不论是按照病害确定的评价指标还是按照构件确定的评价指标，不同病害或构件对结构的影响程度差异较大，比如对于按构件确定的评价指标，衬砌及洞口的技术状况对隧道整体健康状况影响较大，因此，需要对评价指标进行权重赋值。

　　权重确定首先也应该遵循一定原则，根据罗鑫的研究，宜对重要项目或检测内容赋予较大权重，对于可靠性高或者精度较高的检测项目赋予较大的权重，还应对常规权重不能反映的恶化情况加大权重[3]。

　　确定权重的方法有很多，每种方法都各有优劣，下面简要两种方法：

　　（1）专家咨询法

　　专家咨询法又称德尔菲法，依据专家意见调查，经统计分析，将权重值逐渐趋于一致考虑，最终确定权重值。此法的弊端是带有较大主观经验性，专家的选择权重结果的确定影响较大。《公路隧道养护技术规范》（JTG H12-2015）采用该方法，其权重值（表3.6）通过全国征求意见经统计分析后得出，由于各地情况不一，该规范建议各地可采用专家评估法来修改权重值。规范也同时考虑了对结构影响严重的病害，该权重不能反映其严重性，于是增加相关条文规定来纠正该弊病。

　　表 3.7 土建结构各分项权重表

　　（2）层次分析法

　　层次分析法（AHP法）是一种将模糊的、半定性半定量问题转化为定性问题的方法。其主要步骤包括建立递阶层次结构、构造判断矩阵、计算相对权重并进行一致性检验。杨露在DERU法原本的权重值基础上运用了层次分析改进了权重值，如表3.8所示。

　　除了以上两种方法外，权重的确定方法还有人工神经网络法和灰色理论法，这里不再赘述。建议对于隧道专项检测，应该依据相关理论来定量计算出权重值，从而更准确反映隧道的健康状况。

　　表 3.8 改进的DERU法权重计算值

　　3.3整体技术状况的确定

　　隧道各构件或病害的权重确定后，若已经对各分项进行评分，则下一步工作就是根据相应检测评级的计算原理，计算出整体技术状况值。分项的计算原理常常与所选评价模型有关，这里不去探讨相关内容。

　　在实际检测工作中，评级计算原理不仅应该考虑隧道检测时所分区段、评定分项指标的分类、分项权重等内容，同时也应考虑可能出现的意外结果以及隧道等级。

　　《公路隧道养护技术规范》（JTG H12-2015）中规定分项状况值按照下式计算：

　　（3-1）

　　式中 JGCIij——各分项检查段落状况值；

　　j——检查段落号，按实际分段数量取值。

　　而土建结构状况评分按式（3-2）计算：

　　（3-2）

　　式中 ——分项权重；

　　——分项状况值，值域0~4。

　　计算出土建结构整体状况评分后，依据表3.9进行评级：

　　表 3.9 土建结构技术状况评定分类界限值

　　规范法评级分项公式简捷，且评定结果偏于保守，适合工作量大的定期检测，此外，规范法指标单一的优势也体现在该公式中。

　　对于DERU法，则相应公式较为复杂，由于每一个分项都对应了三个检测指标，因此，首先要将评分统一，采用式（3-3）：

　　（3-3）

　　式中 a——对于特殊隧道取为2，一般隧道取为1。

　　再考虑分段检测的情况，取i项目的状况值计算公式为（3-4）：

　　（3-4）

　　式中 n——为分段数目

　　最终可按式（3-5）计算隧道整体状况指标CI（Condition Index）：

　　（3-5）

　　式中 ——为分项权重

　　相比规范法，DERU法计算过程更加复杂，但是其考虑的因素更多，杨露发现该套理论仍然存在较多不合理之处，其改进过DERU法的相关公式，使其得到更加有针对性的结果[4]。

　　4隧道土建结构检测评价方法新趋势

　　由于隧道检测评估作业量大，检测工作繁琐，故一直以来都有学者试图把隧道检测评估过程尽可能地机械化，但由于技术水平的原因，到现在都没有一款具有综合检测能力隧道检测机械产品问世。现有技术情况下，共有三种常见类型隧道检测设备，第一种为隧道激光扫描设备，第二种是隧道检测摄像设备，第三种为用于检测隧道衬砌和衬砌背后围岩的地质雷达设备，一般这三种设备都能实现车载，但若三种结合，又会造成设备太重不灵活的缺点，现就隧道激光扫描设备为例，说明新技术下隧道土建结构检测评价方法新趋势。

　　隧道三维激光扫描设备可以扫描隧道表面的三维点云数据，而获得高精度、高分辨率的数字隧道模型，而通过数据加工，其可以获得平面和三维的隧道表观病害图。如果所得的数字图像数据可靠且精度满足要求，检测人员可以直接通过病害图进行内业分析，而不需要前往隧道检测点进行外业检测。这种检测方式分两种类型，一种是结合全站仪的定站式扫描，另一种是车载三维激光扫描快速移动式，前者精度高，但是需要人工在隧道内进行作业，效率低速度慢，后期内业数据处理量大，后者虽然速度快，但最大缺点是精度低，现有技术很多都不理想[21]。

　　事实上，上述方法有许多技术难题尚未攻克，一是移动的激光扫描设备精度往往达不到要求；二是对于定站式扫描怎样提高工作效率；三是点云数据的提取、加工实现断面展开方法还有争议。四是二维数据转化为三维数据以及与隧道数据库的对接效果不理想，五是检测内容不全面，不一定能覆盖规范规定的全部检测内容[22][23]。

　　国内王令文、万程辉等利用全站仪对点云数据绝对定位以实现点云数据绝对定位实现了点云自动拼接，实现了隧道断面提取，在此基础上进行隧道断面收敛、裂缝及渗漏水分析，取得了良好的效果[24]。在检测仪器方面，同济大学的黄宏伟教授曾总结过国内外相关仪器的情况[22]，其中瑞士AMBERG技术公司开发的GRP5000移动式扫描测量设备（如图4.1）可对完整的隧道净空断面进行分析，可通过人工标注的方式识别病害，进而计算裂缝长度等参数，进而对隧道进行评估，所以我国地铁隧道所用较多。但它只有作为定站式使用精度才能满足要求。

　　图 4.1 GRP5000移动式扫描测量设备

　　上海轨道交通维护保障中心的沈志毅、谭周做过GRP5000的应用研究，其研究为让GRP5000小车保持在0.7km/h之内，并利用配套“Amberg rail”软件完成数据采集和处理后，输出带里程信息的TIFF图形文件，并在专业分析软件TunnelMap中同步输出隧道模型，在此基础上做内业分析，涉及的病害有隧道滴漏、管片破损、裂缝和湿渍，其相应的检测效果比较好，但是存在处理数据时间过长、检测效率提不上去的缺点[25]。在基础研究上，同济大学的谢雄耀研究了基于三维激光扫描技术的隧道的相对变形测量方法，提出了一种获取隧道相对变形的三维建模分析方法，此方法的激光扫描隧道相对变形结果与全站仪结果相差在2mm以内[23]。

　　随着隧道检测机械化、信息化水平不断提高，相应的检测评价方法也的适用性也受到质疑，隧道检测评价的下一步发展会更多的靠向检测评价自动化、智能化，这也使得传统的基于人工目视检测评价方法受到挑战，要适应这一改变，应当将更多的思考如何既保留传统检测评价方法的适用性，又结合现代检测技术的快速高效性。

　　结语

　　隧道土建结构检测评价标准正在逐步完善、方法正在逐步创新、评级系统也正在升级，但隧道土建结构检测评价方法各异，工作流程也有差异，现有的研究水平下，核心问题是不变的，即如何得出适用性强、流程简单、结果可靠的检测评价方法。要解决该问题，应该重点研究评价技术指标体系和评价模型等关键问题、积极引入其他学科方面的理论并结合现代检测技术。

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