邊廣生何宇浩李曉源潘陽王雙燕

(1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東濟(jì)鐵設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山東 濟(jì)南 250000；3.濟(jì)南市人防建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250014；4.山東美達(dá)建工集團(tuán)股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272000)

0 引言

早期人防工程是指建于20世紀(jì)80年代以前，為抵御外敵而建的人防工程[1]。當(dāng)時(shí)修建的人防工程以自我建造為主、國(guó)家補(bǔ)貼為輔，就地取材，但其建造條件簡(jiǎn)陋，并且受技術(shù)條件限制，普遍存在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，施工質(zhì)量難以保證等問題，建成后有著不少安全隱患。另外，在長(zhǎng)期使用過程中，其受自然因素和人為因素的作用，逐漸出現(xiàn)開裂、支護(hù)結(jié)構(gòu)劣化等病害，嚴(yán)重威脅著人防工程的安全[2]，雖然部分工程經(jīng)過了修繕，但大部分帶病工作，各類問題突出[3]，急需進(jìn)行安全性鑒定評(píng)估。由于早期人防工程在設(shè)計(jì)、建造和使用功能上不同于普通建筑，所以安全評(píng)估方法不能簡(jiǎn)單套用房屋建筑等相關(guān)行業(yè)的評(píng)估手段，有必要進(jìn)行早期人防工程的安全研究。早期人防工程為我國(guó)特有，使用功能與設(shè)計(jì)構(gòu)造不同于傳統(tǒng)隧道工程，國(guó)外經(jīng)驗(yàn)主要借鑒早期隧道的損傷研究。RAMONDENC等[4]研究了早期隧道損傷檢測(cè)的方法，建立了考慮隧道及其周圍環(huán)境老化的數(shù)值模型演化規(guī)律列表，對(duì)早期人防結(jié)構(gòu)的檢測(cè)及病害發(fā)掘具有重要的參考價(jià)值。國(guó)內(nèi)康寧[5]確定了早期人防工程的范疇，深入探索了早期人防工程的安全問題及治理手段；周運(yùn)政[6]提出運(yùn)用系統(tǒng)分析原理對(duì)已建人防工程建立其綜合評(píng)價(jià)指揮體系和評(píng)估模型；李刻銘等[7]運(yùn)用層次分析法，確立了人防工程分類鑒定的手段，總結(jié)了人防工程鑒定的4個(gè)層次；晏月平等[8]采用地球物理法，對(duì)早期坑地道人防工程進(jìn)行隱患識(shí)別，將隱患區(qū)分為3類，為早期人防工程隱患排查提供參考；孫海朋等[9]總結(jié)了一套早期人防工程質(zhì)量檢測(cè)評(píng)價(jià)的流程方法，詳細(xì)描述了早期人防工程檢測(cè)的內(nèi)容、技術(shù)手段和各部分評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；夏天等[10]采用有限元軟件模擬計(jì)算了某早期人防工程，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全性判斷。但鮮有人完整地研究早期人防工程評(píng)價(jià)模型。

文章以早期人防工程為研究對(duì)象，采用乘積標(biāo)度法分析了影響早期人防工程安全的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過模糊數(shù)學(xué)理論，建立了一套早期人防工程的多層次安全評(píng)價(jià)模型，并以實(shí)際工程為例進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證方法的可行性，為早期人防工程安全性評(píng)價(jià)提供一種新思路。

1 早期人防工程安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

早期人防工程在工作過程中，由于復(fù)雜地質(zhì)條件的變化，會(huì)引發(fā)多個(gè)安全指標(biāo)發(fā)生變動(dòng)并產(chǎn)生聯(lián)合作用，結(jié)構(gòu)安全性也隨之發(fā)生改變[11]，因此早期人防工程安全評(píng)價(jià)需要考慮多個(gè)指標(biāo)的聯(lián)合作用。1896年，日本實(shí)施了大批量的隧道排查工作[12]，結(jié)果顯示，有34%的隧道襯砌開裂嚴(yán)重和37%的隧道發(fā)生滲漏水，另外分別有23%、6%的隧道出現(xiàn)表皮脫落和襯砌錯(cuò)動(dòng)等問題。這些病害嚴(yán)重威脅到早期人防結(jié)構(gòu)的安全，同時(shí)考慮到早期人防工程的建設(shè)年代及隧道設(shè)計(jì)技術(shù)落后，結(jié)合DB37/T 2955—2017《早期人防工程安全鑒定規(guī)范》[13]，最終確定了6個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)和11個(gè)指標(biāo)層指標(biāo)，如圖1所示。

圖1 早期人防工程安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框架圖

2 基于乘積標(biāo)度法和模糊數(shù)學(xué)的安全評(píng)價(jià)模型

2.1 用乘積標(biāo)度法確定權(quán)重向量

早期人防工程的評(píng)價(jià)體系是一個(gè)多項(xiàng)目、多層次，呈復(fù)雜遞階性的分析模型，并且每層的診斷指標(biāo)在早期人防工程評(píng)價(jià)體系中的地位、作用不同，使其在整個(gè)早期人防工程安全評(píng)估體系的評(píng)估結(jié)果中所占權(quán)重也就不同。如果僅將各層評(píng)估因子的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單的綜合，所得結(jié)論并不可靠。因此，需要定量與定性相結(jié)合的賦權(quán)方法，但由于層次分析法得出的權(quán)重值有時(shí)與主觀估計(jì)偏離較遠(yuǎn)，因此采用乘積標(biāo)度法，在定量與定性相結(jié)合的基礎(chǔ)上對(duì)權(quán)重賦予過程加入主觀判斷，使標(biāo)度更加貼近實(shí)際，保證指標(biāo)層權(quán)重分布合理且不死板。因此，采用乘積標(biāo)度法確立權(quán)重向量。

2.1.1 乘積標(biāo)度法權(quán)重計(jì)算步驟

乘積標(biāo)度法對(duì)層次分析法進(jìn)行了改進(jìn)，在指標(biāo)重要性對(duì)比時(shí)，先不劃分太多的等級(jí)，設(shè)置兩個(gè)等級(jí)進(jìn)行比較，即指標(biāo)A和B的重要性“相同”或“稍微大”，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行遞進(jìn)乘積分析。通過兩兩比較各指標(biāo)，并進(jìn)行歸一化處理，即可獲得下一層各指標(biāo)對(duì)鄰近上層對(duì)象的權(quán)重[14]。

當(dāng)指標(biāo)A和B之間存在微小差別時(shí)(工程計(jì)算時(shí)允許誤差為10%)，選取乘積標(biāo)度法中“相同”的標(biāo)度，指標(biāo)A的權(quán)重ωA與指標(biāo)B的權(quán)重ωB的權(quán)重比值ωA∶ωB=1∶1。

當(dāng)指標(biāo)A和B之間的差值≤1.5時(shí)，選取“稍微大”的標(biāo)度，權(quán)重比值=1.354∶1。

當(dāng)指標(biāo)A比指標(biāo)B“明顯重要”時(shí)，可認(rèn)為兩指標(biāo)重要性差異比“稍微大”還要“稍微大”，其權(quán)重比值ωA:ωB=(1.354×1.354)∶1=1.833∶1。

2.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)層權(quán)重的確定

(1)準(zhǔn)則層指標(biāo)重要性比較

在工程中通常用裂縫來判斷地下結(jié)構(gòu)的破損程度。裂縫也是早期人防工程的問題高發(fā)點(diǎn)。相比較滲漏水，裂縫對(duì)于早期人防工程結(jié)構(gòu)承載力的影響要大得多，并且裂縫的測(cè)量也比較直觀簡(jiǎn)便，因此認(rèn)為“裂縫”與“滲漏水”相比，前者明顯重要。

結(jié)構(gòu)被覆后空洞會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生極大的威脅，但在工程實(shí)例中純粹由于結(jié)構(gòu)被覆后空洞造成早期人防工程失穩(wěn)破壞的案例很少[11]。相比于早期人防工程滲漏水檢測(cè)，結(jié)構(gòu)被覆后空洞檢測(cè)手段昂貴、復(fù)雜。綜合分析，認(rèn)為”結(jié)構(gòu)被覆后空洞”與”滲漏水”的重要性相同。

結(jié)構(gòu)的位移變形是早期人防工程檢測(cè)中的重點(diǎn)項(xiàng)目，該變形會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受力情況發(fā)生改變。因此，在早期人防工程檢測(cè)內(nèi)容中，結(jié)構(gòu)的位移變形與結(jié)構(gòu)裂縫地位相同。

早期人防工程結(jié)構(gòu)滲漏水和支護(hù)結(jié)構(gòu)劣化對(duì)于結(jié)構(gòu)安全性都有重要的影響。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方面，滲漏水與支護(hù)結(jié)構(gòu)劣化的檢測(cè)方法同樣直接有效，但實(shí)際評(píng)判多依據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)劣化的程度來判斷結(jié)構(gòu)的安全性，因此，認(rèn)為“支護(hù)結(jié)構(gòu)劣化”的重要性比“滲漏水”的重要性“稍微大”。

早期人防工程由于建造年代久遠(yuǎn)、技術(shù)不完善，需在構(gòu)造及結(jié)構(gòu)承載力兩方面進(jìn)行重新評(píng)估，保證現(xiàn)有結(jié)構(gòu)承載能力滿足規(guī)范要求。若承載能力不足，則該早期人防工程具有重大的安全隱患。據(jù)此推斷，在早期人防工程評(píng)估項(xiàng)目中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)裂縫的重要性相同。

(2)指標(biāo)層指標(biāo)重要性比較

裂縫共有長(zhǎng)度、寬度、深度3個(gè)指標(biāo)。人防結(jié)構(gòu)裂縫的長(zhǎng)度、寬度可以直接觀察和測(cè)量，并且對(duì)于結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)十分重要，是最常用的指標(biāo)。與裂縫深度的檢測(cè)方法相比，長(zhǎng)度和寬度的檢測(cè)方法更為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)其研究也很多。所以，依據(jù)指標(biāo)的準(zhǔn)確性和可操作性，認(rèn)為人防結(jié)構(gòu)裂縫“長(zhǎng)度”和“寬度”的重要性相同，且兩指標(biāo)的重要性比“深度”的重要性“稍微大”。

滲漏水共有漏水狀態(tài)、pH值兩個(gè)指標(biāo)。在滲漏水狀態(tài)分析時(shí)，可以細(xì)分為漏水的位置、流量、渾濁程度等多個(gè)指標(biāo)，直觀且全面地反映早期人防工程滲漏水的程度，其是滲漏水的重要參考指標(biāo)。相比較而言，雖然滲漏水的酸堿狀態(tài)會(huì)降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但對(duì)結(jié)構(gòu)的危害只產(chǎn)生在局部，危害較小，因此可以認(rèn)為人防工程“漏水狀態(tài)”比“pH值”明顯重要。

被覆后空洞的評(píng)價(jià)指標(biāo)為被覆后空洞面積率，位移變形的評(píng)價(jià)指標(biāo)為位移變形量。

支護(hù)結(jié)構(gòu)劣化共有磚石強(qiáng)度、襯砌厚度兩個(gè)指標(biāo)。早期人防工程支護(hù)結(jié)構(gòu)劣化的慣用評(píng)價(jià)指標(biāo)是磚石強(qiáng)度與襯砌厚度，這兩個(gè)指標(biāo)的檢測(cè)方法便捷有效，評(píng)價(jià)方法完善，且影響效果相近。因此，可以認(rèn)為人防工程“磚石強(qiáng)度”與“襯砌厚度”兩指標(biāo)同等重要。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)共有承載能力驗(yàn)算、構(gòu)造兩個(gè)指標(biāo)。承載能力驗(yàn)算和構(gòu)造都能夠反映早期人防工程設(shè)計(jì)的安全可靠度，承載能力驗(yàn)算可以檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)本身所具有的承載能力，是結(jié)構(gòu)安全性的可靠驗(yàn)證手段，但由于早期人防工程的設(shè)計(jì)資料不完善，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量的成本較高。相比之下，結(jié)構(gòu)構(gòu)造檢測(cè)較為直觀、準(zhǔn)確且經(jīng)濟(jì)。綜合比較，認(rèn)為“承載能力驗(yàn)算”與“構(gòu)造”的重要性地位相同。

(3)各指標(biāo)權(quán)重確定

各指標(biāo)的權(quán)重分布見表1。

表1 早期人防工程指標(biāo)體系和權(quán)重表

2.2 模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法

模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法是以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，在多層次條件下，考慮多種因素的影響，利用模糊變換對(duì)事物做出綜合判斷的方法[15]。采用模糊數(shù)學(xué)理論，充分利用各指標(biāo)權(quán)重，對(duì)本來不利于評(píng)定的模糊性因素實(shí)施定量化分析，避免某個(gè)因素的不確定性導(dǎo)致決策失誤，降低了各指標(biāo)交叉作用帶來的影響，可全面解決早期人防工程存在的問題，其后果將更接近實(shí)際情況[16]。其基本步驟如下:

(1)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)集

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立評(píng)價(jià)指標(biāo)集C={C1，C2，…，Cn}，其中Ci為各指標(biāo)層指標(biāo)，i=1，2，…，n。

(2)確定評(píng)價(jià)矩陣

對(duì)指標(biāo)集合C中的單因素Ci作單因素判斷，確定被評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)各模糊等級(jí)的隸屬度，隸屬向量Rci由式(1)表示為

式中i=1，2，…，11；rcim為統(tǒng)計(jì)檢測(cè)資料中Ci應(yīng)劃歸評(píng)語vj的頻率，m=1，2，3，4，且rcim由式(2)表示為

式中vcij為Ci應(yīng)劃為評(píng)語vj的頻數(shù)；vcim為Ci應(yīng)劃為評(píng)語Vm的頻數(shù)。

最終獲得各準(zhǔn)則層指標(biāo)的隸屬向量。各準(zhǔn)則層指標(biāo)隸屬向量組成的單因素評(píng)價(jià)矩陣R′bi(i=1，2，…，6)由式(3)～(8)表示為

(3)一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

為考慮全部因素的影響，選取加權(quán)平均型模糊綜合評(píng)價(jià)模型，建立過程為相對(duì)矩陣相乘。對(duì)應(yīng)指標(biāo)層各因素對(duì)評(píng)語集合的隸屬向量Rbi由式(9)表示為

式中ωbi為相應(yīng)的權(quán)重向量；R′bi為準(zhǔn)則層指標(biāo)的隸屬向量。

(4)二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

確定權(quán)重層各因素對(duì)評(píng)語集合的隸屬向量，組成二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣，并與相應(yīng)的權(quán)重向量ωa進(jìn)行矩陣相乘，獲得準(zhǔn)則層各因素對(duì)評(píng)語集合的隸屬向量Ra，由式(10)表示為

(5)綜合評(píng)價(jià)量化

結(jié)構(gòu)安全綜合評(píng)價(jià)的量化分?jǐn)?shù)W由式(11)[17]表示為

式中V為評(píng)語集合。

參考DB37/T 2955—2017[13]，將早期人防工程安全評(píng)價(jià)分為4個(gè)等級(jí)，評(píng)語集為V={v1，v2，v3，v4}，將評(píng)語賦值為v1=4、v2=3、v3=2、v4=1，可將各個(gè)等級(jí)vi組成評(píng)語集合的參數(shù)向量V=(v1v2v3v4)=(4 3 2 1)，早期人防工程安全等級(jí)劃分見表2。

表2 早期人防工程安全等級(jí)劃分表

3 工程應(yīng)用

3.1 淄博市某早期人防工程概況

山東省淄博市博山區(qū)某早期人防工程，建于20世紀(jì)70年代初期，原設(shè)計(jì)為平時(shí)閑置，戰(zhàn)時(shí)可做為人員掩蔽和物資儲(chǔ)存。屬于地道式人防工程，其工程全長(zhǎng)為1 978 m、總建筑面積為5 512 m2、使用面積為3 062 m2。工程設(shè)置了35個(gè)出入口、覆土厚度為6 m、整體自然通風(fēng)，其地上部分為鬧市區(qū)。

工程閑置多年，隧道內(nèi)存在積水、堿化、塌方等現(xiàn)象，磚石襯砌有裂縫，嚴(yán)重處有墻皮脫落等問題，如圖2、3所示。工程建成以來，隧道沿線周邊建設(shè)變化導(dǎo)致隧道所承擔(dān)荷載發(fā)生改變，且設(shè)計(jì)資料缺失，因此需要檢測(cè)工程的安全性。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，采用上述多層模糊評(píng)價(jià)模型，對(duì)該早期人防工程進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

圖2 隧道內(nèi)積水圖

圖3 隧道內(nèi)裂縫圖

3.2 工程安全評(píng)價(jià)

依據(jù)DB37/T 2955—2017[13]中各類危害的評(píng)判依據(jù)，邀請(qǐng)業(yè)內(nèi)專業(yè)人士分級(jí)判定該工程各病害指標(biāo)，評(píng)審小組為5人，評(píng)審結(jié)果見表3。

表3 早期人防工程安全評(píng)價(jià)表

3.2.1 一級(jí)綜合評(píng)價(jià)

(1)裂縫影響因素的安全性評(píng)價(jià)

統(tǒng)計(jì)指標(biāo)C1“裂縫長(zhǎng)度”中各安全等級(jí)的個(gè)數(shù)為vc1j，j=1，2，3，4。根據(jù)表3，C1中評(píng)審小組認(rèn)為:安全等級(jí)為Ⅲ的有4人，占80%；安全等級(jí)為Ⅳ有1人，占20%；安全等級(jí)為Ⅰ、Ⅱ的有0人，占0%。由此可得C1各安全等級(jí)的頻數(shù):vc11=0、vc12=0、vc13=4、vc14=1。根據(jù)式(1)可得C1的隸屬度向量Rc1=(rc11rc12rc13rc14)=(0 0 0.8 0.2)。

同理可得，指標(biāo)C2“裂縫寬度”的隸屬向量Rc2=(rc21rc22rc23rc24)=(0 0 0.8 0.2)，指標(biāo)C3“裂縫的深度”的隸屬度向量Rc3=(rc31rc32rc33rc34)=(0 0 1 0)。

根據(jù)式(9)，可得“裂縫”的安全性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為Rb1=ωb1×R′b1=(0 0 0.854 0.146)，即裂縫因素安全等級(jí)的隸屬向量。

同理可得，滲漏水的安全性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為Rb2=(0 0.2118 0.1412 0.647)；被覆后空洞影響因素的安全性評(píng)價(jià)結(jié)果為Rb3=(0 0.4 0.2 0.4)；位移變形影響因素的安全性評(píng)價(jià)結(jié)果為Rb4=(0 0.4 0.4 0.2)；支護(hù)結(jié)構(gòu)劣化影響因素的安全性評(píng)價(jià)結(jié)果為Rb5=(0 0.2 0.7 0.1)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響因素的安全性評(píng)價(jià)結(jié)果為Rb6=(0.1 0.7 0.2 0)。

3.2.2 二級(jí)綜合評(píng)價(jià)

依據(jù)式(10)，可獲得二級(jí)層次的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

以上安全評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，2.28%的評(píng)審人認(rèn)為該工程安全等級(jí)為Ⅰ；31.99%的評(píng)審人認(rèn)為該工程安全等級(jí)為Ⅱ；45.13%的評(píng)審人認(rèn)為該工程安全等級(jí)為Ⅲ；20.6%的評(píng)審人認(rèn)為該工程安全等級(jí)為Ⅳ。有＞50%的評(píng)審人認(rèn)為該工程安全等級(jí)為Ⅱ以下，且認(rèn)為安全等級(jí)為Ⅲ的評(píng)審人數(shù)量最多，因此認(rèn)為本工程有較為嚴(yán)重的安全問題，但修繕后仍可繼續(xù)使用，需要重點(diǎn)關(guān)注，具體評(píng)價(jià)等級(jí)需對(duì)評(píng)價(jià)向量進(jìn)行量化處理。

由式(11)可知，該早期人防工程的安全評(píng)價(jià)最終得分W=Ra·VT=2.16，根據(jù)表2的早期人防工程安全等級(jí)劃分標(biāo)表，工程安全等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

此早期人防工程檢測(cè)資料經(jīng)過專家討論論證，診斷結(jié)果為地道部分路段損壞嚴(yán)重，對(duì)結(jié)構(gòu)安全具有嚴(yán)重影響，與文章推導(dǎo)結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

文章通過咨詢相關(guān)單位及整理現(xiàn)有資料，歸納了影響早期人防工程安全性的評(píng)價(jià)指標(biāo)；運(yùn)用乘積標(biāo)度法，確定了在早期人防工程的安全性影響因素中，裂縫、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)是重要的優(yōu)先考慮因素，其中裂縫的長(zhǎng)度及寬度占有較高權(quán)重，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)重視。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論，建立了早期人防工程多層次模糊評(píng)價(jià)方法，對(duì)淄博市博山區(qū)某早期人防工程進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，得到Ⅲ級(jí)評(píng)分，與專家論證結(jié)果一致，驗(yàn)證了該方法的可行性，為早期人防工程安全性評(píng)價(jià)提供了一種新思路。