基于分层加权综合评估法的整个震区铁路隧道震害评估技术研究

王海龙　戎密仁　戎虎仁

(1.石家庄铁道大学交通运输学院,石家庄 050043；2.河北建筑工程学院土木工程学院,张家口 075000)



基于分层加权综合评估法的整个震区铁路隧道震害评估技术研究

王海龙1,2戎密仁*1戎虎仁2

(1.石家庄铁道大学交通运输学院,石家庄 050043；2.河北建筑工程学院土木工程学院,张家口 075000)

摘要:铁路作为国家基础设施的重要组成部分，铁路隧道在山区或地铁工程中所占的比例越来越大，结构形式也是多种多样，震后灾害损失程评估工作难度大，尤其是定量的评估灾害损失更是困难.本文从铁路隧道结构构造角度，总结了单线单洞式、单线双洞式、双线双洞式三种常见铁路隧道形式，运用分层加权综合评估法建立了层次结构模型，计算了多种结构形式(如：衬砌包含曲墙式衬砌、直墙式衬砌、装配式衬砌、锚喷式衬砌和复合式衬砌)的权重值，计算了铁路隧道的震害指数，引入破坏比、损失比等概念，同时考虑了不同类型铁路隧道的影响因素，进行震害经济损失评估.研究表明：采用分层加权综合评估法可体现铁路隧道的结构层次特点和各个组成部分的重要程度，基于此可对整个震区常见类型铁路隧道震害经济损失进行评估，较为快速、合理，适用性强.

关键词:分层加权综合评估法；铁路隧道；震害评估

Rozen和Dowding[1]等通过地震波动分析隧道的损坏情况；日本学者冈本舜三[2]得出：道受损的概率与衬砌厚度成正比例关系；爱达华大学Sunil Sharma教授和普渡大学William R.Judd[3]教授得出：隧道上方覆盖层厚度、与隧道破损程度之间的相互关系；姚群凤[4]等学者对隧道成因机制做了大量分析研究后得出：基于隧道破坏区间数服从Possion分布，定量分析隧道整体失效的方法；潘昌实[5]等人得出：隧道断层处的衬砌，有竖向和横向运动的趋势；张玉娥[6]等专家学者研究得出：地铁隧道的变形受到围岩、结构的束缚；假如地铁隧道与围岩的刚度不一致，那么地铁隧道结构就会因过度变形而发生不同程度的破坏；其破坏形式主要多种裂缝产生并伴随着有混凝土脱落现象等[6].JIN Guang[7-9]应用修正横截面变形法对隧道与其周围土体的关系作了详细研究并得出不同岩性中的隧道能承受的最大地震烈度.Cutter[10]提出了与美国国情相符的社会易损性作为衡量指标的评估体系.Emrich[11]利用Hazards-of-Place模型，采用加权平均法对美国各大城市的自然灾害易损性进行了定量评估.

然而，从结构构造角度定量研究铁路隧道震害损失的较少，本文拟采用分层加权综合评估法，从结构构造角度对铁路隧道及常见震害形式进行研究，以方便震后整个灾区铁路隧道灾害损失的定量评估.

1铁路隧道类型及构造组成

无论铁路隧道所选用什么形式的结构，主要目的是为了满足正常使用功能、安全运营和日常维修的需求，主要由支撑列车行驶的轨道面系结构部分，保证列车运行安全需求的衬砌、明洞及洞门结构部分，为了维持列车的正常运营，方便养护和维修作业所配建的辅助设施如：防排水沟、大小避车洞、电力通信及设备储藏室以及通风设备设施等.因此，从铁路隧道的建构筑物来看，单线单洞式、单线双洞式以及双线双洞式均包含三大组成部分——轨道面系、主体建构筑物以及附属建筑物.而洞室与线路数量的选择与建设地点的地质条件、设计运营能力、资金投入等多方面有关，但基本的构成部分均是相同的.为了震后灾害损失评估工作的方便，可将这三类铁路隧道从结构构造角度进行分类划分，同时考虑围岩、衬砌、明洞及洞门等结构不同的类型，如图1所示.

图1　铁路隧道类型及结构构造组成图

2铁路隧道常见震害

地震灾害发生后会对铁路隧道造成不同程度的损害，与地震震级大小、震源深度、铁路隧道的基础形式、所处地质情况以及自身结构形式等方面有关，表现出的震害形式也是多种多样.基于Dowding[12]和Rozen[13]、冈本舜三、Sharma[14]和杨新安、黄宏伟[15]、同济大学土木工程防灾国家重点实验室[16]等在这方面的研究工作文献资料和大量现场调查得出：铁路隧道的震害形式与结构构成紧密相关，即对震害的研究可从轨道面系、主体结构构成部分及附属建筑物三个方面进行分类、归纳，如图2所示.

图2　铁路隧道常见震害类型图

3分层加权综合评估法

基于铁路隧道自身结构构造的层次性，本文拟采用分层加权综合评估法进对整个震区铁路隧道结构形式及常见病害进行系统的分析研究，通过二元比较分析法来确定各自的重要程度，以权重值的形式体现[17].

设系统有待进行重要性比较的指标集P={p1,p2,…,pi,…,pn}，Pi为比较对象指标，i=1,2,…,n，n为目标总数.将P中的指标就“重要性”进行二元对比排序.

规定：Pk比Pl重要，令排序标度ekl=1,elk=0；Pk与Pl同等重要，令ekl=0.5,elk=0.5；pl比Pk重要，令ekl=0,elk=1；k=1,2,…,n；l=1,2,…,n.

重要程度描述词0.5与1.0分别代表同样重要与无可比拟地重要，为了能够清楚的表述重要程度，在同样重要与无可比拟地重要插入10个形容词来表述重要性，见表1.

表1　语气算子与模糊标度对照表

将各指标进行排序对比，可以得到各行数由大至小的排列的排序一致性标度矩阵.

(1)

式中，β为一致性标度矩阵；βij为模糊标度值；n为指标数.βij表示指标i与j进行二元比较，i相对于j的重要性模糊标度，反之亦然；βij=0.5表示两个比较对象同等重要.

βi表示矩阵每行模糊标度值的代数和：

(2)

矩阵总模糊标度值的代数和，可以表示为：

(3)

模糊标度矩阵表示指标的相对重要性.在对βi进行归一化，可以得到指标的权重向量：

(4)

将式(2)代入式4)有：

(5)

将式(3)代入式(5)，可以得到目标i的权重公式为：

(6)

4整个震区的铁路隧道权重分析计算

为了方便整个震区不同类型铁路隧洞结构和常见病害的权重值计算，需先对轨道面系、主体建筑结构(围岩、衬砌、明洞及洞门)、附属建筑物等三部分组成内部的常见形式进行权重计算，尤其需要充分考虑主体建筑结构部分的多样性.

轨道面系与隧道构造部分相比，选择语气算子为“十分”β12=0.2,β21=0.8；轨道面系与附属建筑物相比，选择语气算子为“略为”β13=0.4，β31=0.6；可以得到隧道构造部分与附属建筑物的模糊标度为β23=0.27，β32=0.73；代入式(4-1)得到[18]：

则铁路隧道轨道面系、围岩、衬砌、洞门、明洞以及附属建筑物的权重分别为：

铁路隧道轨道面系、隧道构造部分(围岩、衬砌、洞门、明洞)以及附属建筑物的权重汇总，如表2所示.

表2　铁路隧道轨道面系、隧道构造部分以及附属建筑物的权重

同理，轨道面系各结构(主体部件、人行道)的权重(见表3)，铁路隧道结构构造各个部件的权重(见表4)，铁路隧道围岩六个等级(Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级和Ⅵ级)(见表5)，铁路隧道常见衬砌结构类型(曲墙式衬砌、直墙式衬砌、装配式衬砌、锚喷式衬砌和复合式衬砌)的权重(见表6)，铁路隧道常见洞门类型的权重(见表7)，铁路隧道常见明洞类型的权重(见表8)，铁路隧道附属建筑物的权重(见表9).

表3　轨道面系各结构权重

表4　铁路隧道结构构造各部件的权重

表5　铁路隧道围岩六个等级的权重

表6　铁路隧道常见衬砌结构类型的权重

表7　铁路隧道常见洞门的权重

表8　铁路隧道常见明洞的权重

表9　铁路隧道附属建筑物的权重

5整个震区铁路隧道震害损失

整个震区铁路隧道震害损失评估时建立在单座铁路隧道评估的基础之上，本文拟采用TDI(Tunnel Damage Index)隧道震害指数作为铁路隧道震后灾害损失评估指标，结合现场调查表扣分值情况，先对单座隧道的轨道面系(轨道结构部分和人行道部分)、主体结构构造(围岩等级、衬砌类型、明洞结构及洞门形式)以及附属建筑物(避车洞、通风设施、电力设施以及防排水设施)三大组成部分及内部详细构造的震害指数进行计算，得到该座隧道的震害等级状况，对整个震区所有铁路隧道的损失情况进行评估计算.

5.1现场调查表设计

依据文献[18]、[19]中可将铁路隧道破坏等级划分为：基本完好(含完好)、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏等5个等级.

设计震区铁路隧道现场调查表，包括铁路隧道的基本信息表，各个组成部分的调查表.在现场调查时，需对根据现场灾情进行单元划分，方便调查工作和内业资料整理.以轨道面系震害状况调查表为例，如表10所示，并对表格内的破坏等级评定给予了细致说明(备注)，其它部分的调查表同理.

表10　轨道面系地震灾害调查表

注：按照填表描述在相应的表格下打“√”.轨道面系地震灾害调查表中各项破坏类型的灾害等级描述为[18]：

(1)线路弯曲变形：

基本完好：肉眼观察基本没有弯曲变形；

轻微损坏：肉眼观察有弯曲现象，但是并不明显；

中等破坏：有明显的弯曲变形，轨缝变大；

严重破坏：钢轨弯曲较严重，轨缝拉大，但没有拉断；

毁坏：线路呈波浪起伏状，钢轨弯曲变形严重，轨缝拉大.

(2)轨枕错动：

基本完好：基本没有错动，或肉眼观察没有错动；

轻微损坏：肉眼观察轨枕有错动，但是错动不明显；

中等破坏：大于20%的轨枕错动明显，大于30 mm，使钢轨产生弯曲变形；

严重破坏：大于40%的轨枕错动明显，大于30 mm，使钢轨产生弯曲变形；

毁坏：超过一半的轨枕错动严重.

(3)钢轨拉断：

基本完好：钢轨没有拉断；

轻微损坏：钢轨仅有1～2根拉断；

中等破坏：钢轨拉断超过2根，但少于10%；

严重破坏：钢轨拉断超过10%但少于一半；

毁坏：钢轨有一半以上拉断.

(4)扣件松动：

基本完好：扣件基本没有松动；

轻微损坏：扣件有个别松动；

中等破坏：超过10%的扣件松动；

严重破坏：超过20%的扣件松动；

毁坏：超过一半的扣件松动.

(5)人行道损坏(凹凸起伏、塌陷等)：

基本完好：人行道基本完好，可以正常行走；

轻微损坏：个别人行道路面出现损坏；

中等破坏：超过10%的人行道路面出现损坏；

严重破坏：超过25%的人行道路面出现损坏；

毁坏：超过一半的人行道路面出现损坏.

5.2震害指数TDI计算及震害等级划分

铁路隧道轨道面系震害指数用TDIa来表示.沿着行车方向将轨道面系按每50 m一个评估单元现场划分(实际划分时，可根据现场情况灵活调整)，逐个进行现场震害调查.轨道面系评估要素由轨道结构部分和人行道部分组成，每个评估要素可能会出现多种震害，根据损坏情况扣除分值(单个评估要素、评估单元的基础分均为100分)，则TDIa可表示为[18,19]：

(7)

其中：i=1、2分别表示轨道结构、人行道；ωij表示第i个评估因素第j项震害的权重；ZDPmi表示DPij表示第m个评估单元第i个评价因素中第j项震害的扣分值(由现场调查表确定)；k表示评估单元数(m=[隧道轨道长度]/50+1)；ZDPi表示第i个评估因素的总扣分值；ωi表示第i个评估因素的权重值.

同理，可得铁路隧道主体结构构造的震害指数TDIg：

(8)

其中：ω1、ω2、ω3、ω4分别代表衬砌、洞门、明洞和围岩的权重值；GDP1i表示衬砌第i个评估因素的扣分值；DP1mi表示衬砌部分第m个评价单元第i项扣分值(由现场调查表确定)；ω1mi表示衬砌部分第m个评价单元第i项的权重值；DP4mi表示围岩第m个评价单元第i项扣分值(由现场调查表确定)；ω4mi表示围岩第m个评价单元第i项的权重值；j表示震害形式；ωi表示震害形式的权重值；m表示评估单元数(m=[衬砌长度]/50+1)；GDP1表示衬砌部分的总扣分值；GDP2表示震区不同类型洞门破坏的扣分值；GDP3表示震区不同类型明洞破坏的扣分值；GDP4表示震区不同类型围岩破坏的扣分值.

同理，可得铁路隧道附属建筑物的震害指数TDIf

(9)

其中：j表示震害形式；ωij表示评估因素i震害形式j的权重值；DPij表示评估因素i震害形式j的扣分值(由现场调查表确定)；ωi表示评估因素i的权重值；FDPi表示评估因素i的扣分值；i=4代表附属建筑物里面的避车洞、防排水设施、电力设施及通风设施.铁路隧道的震害指数TDI可表示为：

TDI=TDIa·wa+TDIg·wg+TDIf·wf

(10)

其中：wa、wg、wf分别表示轨道面系、主体结构构造及附属建筑物的权重值，见表2所示.

依据文献[18]、[19]，结合专家学者关于相关专业震害损失评估方面的研究成果，确立不同震害指数对应铁路隧道震害等级的划分标准，见表11所示.

表11　铁路隧道震害等级划分标准

5.3整个地震区铁路隧道的灾害评估

破坏比：将整个地震区的铁路隧道的震害类型进行汇总，进一步计算每个等级的破坏比为：

Pni=Zni/Zn

(11)

式中，n表示隧道结构类型，即轨道面系、隧道构造部分(围岩类型、衬砌结构、洞门类型、明洞类型)、附属建筑物等；i表示破坏等级；Zni表示第n类结构破坏等级为i的铁路隧道数量；Zn表示第n类结构铁路隧道的总数量；Pni表示第n类结构破坏等级为i的破损比.

损失比：参照文献[5]、[6]，在进行整个震区铁路隧道震害损失评估时进行取值.

(2)计算铁路隧道的地震灾害经济损失

Y=(1+β1+β2)∑Yn

(12)

(13)

式中，Yn表示第n类结构的损失值；Yni表示第n类结构破坏等级为i的损失值；Xn表示第n类结构单位长度的重置费用；Hi表示破坏等级为i的损失比；Ln表示铁路隧道结构类型为n的长度；Y表示整个地区铁路隧道的地震经济损失；β1——表示单洞双线所占整个地区隧道的比重；β2表示双洞双线所占整个地区隧道的比重(将单线单洞式隧道作为基础对象“1”).

6结束语

本文基于铁路隧道结构构造，通过分层加权综合评估法将隧道常见震害形式与自身结构建立联系并做重要程度比较.将不同组成部分的权重值与设计现场调查表格打分值相结合，充分考虑了整个震区不同类型铁路隧道的情况下，计算了震害指数，并进行震害等级划分，最后采用考虑不同类型铁路隧道比重的方法，引入破坏比、损坏比对整个震区的铁路隧道进行损失评估.研究表明：

(1)通过对常见类型铁路隧道分析得出，不同类型铁路隧道具有相同的构造组成部分；

(2)在相同构造组成的基础上，对常见震害形式进行分类、归纳，这样对整个震区不同类型铁路隧道评估提供了新的思路，大大降低现场调查工作的难度，提供了工作效率；

(3)分层加权综合评估法的应用，可充分体现铁路隧道结构及震害的重要程度(权重值)，使得震后损失定量评估计算更为科学；

(4)在整个震区铁路隧道现场调查表设计时，需考虑同一结构的不同形式的权重值(如围岩一般有六种不同的等级)；

(5)引入破坏比、损失比以及不同类型铁路隧道比重等概念进行定量评估，可充分考虑隧道类型不同在修缮或者是重建时，所需费用的客观性.

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[19]苏木标，井海明，戎密仁.铁路隧道地震灾害损失评估技术研究[J].铁道学报.2013，35(11):98～105

Research on the earthquake damage assessment technology of the whole region railway tunnels based on hierarchical weighted comprehensive assessment method

WANG Hai-long1,2，RONG Mi-ren*1，RONG Hu-ren2

(1.Transportation Institute，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China；2.Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering，Zhangjiakou 075000)

Abstract：Railway is an important part of national infrastructure and the proportion of railway tunnels in mountainous area or subway engineering has become larger and larger,the structure forms are also varied.Therefore,the earthquake disaster loss assessment work is difficult,especially the quantitative assessment of disaster losses is more difficult.In this paper,from the perspective of railway tunnel structure,the general characteristics of three common forms of railway tunnel are summarized,which are one-hole one-track type,one-hole two-tracks type,and two-holes two-tracks type.The hierarchical structure model has been established using the hierarchical weighted comprehensive evaluation method and the weight values of many structure types have been calculated,(Such as:lining contains curved wall lining,straight wall lining,prefabricated tunnel lining,rockbolt and shotcrete lining and composite lining).Also the earthquake damage index of railway tunnel have been calculated,Introducing the concepts of damage ratio and loss ratio and so on.At the same time,the earthquake economic loss has been assessed considering the influence factors of the different types of railway tunnel.It had been showed that the hierarchical weighted comprehensive assessment method can reflect the structure hierarchical characteristics of the railway tunnel and the importance degree of the various components,based on this results the earthquake economic loss of the common types railway tunnel can be assessed,which is relatively fast,reasonable and the applicability.is high.

Key words：hierarchical weighted comprehensive assessment method;Railway tunnel;Earthquake disaster assessment

收稿日期：2015-12-21

基金项目：河北省科技支撑项目(项目编号15967619D)、河北省教育厅科技青年基金(QN2016066)

作者简介：王海龙(1965-)，男，山西襄汾人，博士、教授、博士生导师，主要研究方向：主要从事、防灾减灾工程及防护工程﹑土木工程﹑应急结构工程﹑起重工程方面以及交通工程结构动力效应及仿真等方面的研究；通讯作者：戎密仁(1984-)，男，山西朔州人，博士研究生，主要研究方向：交通工程结构动力效应及仿真研究和工程结构安全监测与灾变控制和桥梁结构设计理论与施工控制等.

中图分类号:U 25

文献标识码：A