摘要
隧道衬砌结构开裂是隧道养护工作中需重点防治的病害,隧道智慧管养的发展急需可推广应用的隧道衬砌结构裂缝病害定量评价方法。引入裂缝图像自动识别技术,融合乘积标度法和规范要求建立了单裂缝病害和衬砌结构区间段多裂缝病害量化评价指标体系,提出了指标阈值确定方法。单裂缝病害诊断方法以衬砌裂缝的长度、宽度作为主要评价指标,深度、方向和发展性作为辅助评价指标;多裂缝病害诊断方法以衬砌裂缝的长度、宽度作为主要评价指标,深度、方向、发展性和分布密度作为辅助评价指标。指标阈值确定既考虑了均匀分布函数概率分布特性,又结合了隧道结构受力安全性特点,并对评价方法的分值进行了系统的无量纲标准化处理,编制了可推广应用的软件。案例分析显示本方法基本科学合理,为实现隧道开裂病害智能识别和养护方案自动决策提供了新途径。
隧道衬砌开裂渗漏水在隧道病害中占比超过60%,是养护工作中重点防治的病害。养护工作中裂缝检测工作量巨大,裂缝自动识别检测成为研究热点,但对于识别后裂缝病害的诊断目前研究很少,亟待创新,形成真正对养护方案决策起到支撑作用的裂缝病害诊断技术。
罗
很多学者对裂缝的安全评估进行研究。王华牢
石钰锋
在养护管理中,隧道裂缝病害识别技术发展迅速,但对裂缝病害的诊断还未形成可推广应用的理论方法,以定性评价为主,定量评价时确定阈值非常困难。因此,笔者采用改进乘积标度法来确定影响隧道裂缝的评价指标的权重,建立裂缝病害量化诊断的计算公式来得到隧道裂缝健康状态的参考值,设置分级评价标准,将裂缝病害的健康等级划分为3级并根据不同健康状态给予不同的养护建议。使用基于改进乘积标度法的裂缝病害量化诊断新方法,大大提高了隧道中裂缝的诊断效率与准确度,并给出合理的养护措施。
目前常用的评价指标权重选取方
层次分析法的基本思路是将决策问题分解为多个层次,即由复杂问题逐层分解成简单的问题,这些从总体目标开始,逐层划分为上层目标、准则和方案等,形成一个有序的层次结构。对于每个层次的准则或方案,需要建立一个判断矩阵,用于权衡它们之间的重要程度或优劣性。通过计算判断矩阵的特征向量和最大特征值,可以得出每个准则或方案的权重,还需要进行一致性检验,确保判断矩阵的一致性。根据各个层次的权重,通过具有逻辑性、实用性和系统性的层次分析进行综合评价,最终得出决策结果。
层次分析法存在一些缺点:如1~9数字标度法有时并不合理,需要对判断矩阵进行一致性检验,计算过程较为繁琐。因此,何金平
衬砌裂缝进行安全性评价时,评价指标间也不应出现“强烈大”“极端大”和“明显大”的情况,否则指标设置后存在意义极小。通过乘积标度法,裂缝评价指标间的权重确定是合理、可行的。
在本文中,基于乘积标度法的裂缝病害定量评价方法的思想为:分别找出单裂缝和多裂缝的评价指标并设置分级阈值建立各指标的评价标准,将评价指标两两比较重要程度得到权重,根据所有指标之间的相对权重,归纳出裂缝病害健康状态参考值的计算公式,来诊断衬砌裂缝的健康状况。
隧道的安全状态评价是多指标耦合作用下的综合评
目前裂缝的图像识别通常只能获取长度和宽度的参数。参考现有的国内外规范,大部分仅对裂缝的长度、宽度设立评定标准,对裂缝的总体技术状况划分等级,但评价还停留在定性阶段,更多依赖于专家给出判定。结合现有的与衬砌裂缝评价相关的文献,单裂缝的深度、发展性和方向这些因素在评价时也常被纳入考虑。
因此,对于单裂缝而言,选择长度、宽度、深度、发展性及方向作为评价指标。通常认为在衬砌裂缝的指标中,衬砌裂缝的长度和宽度的重要性最大,且重要性相同,在评价时作为主要评价指标。从可操作性和准确性的角度,深度、发展性和方向在对衬砌裂缝的形态反映方面不如衬砌裂缝的长度和宽度重要,且这3个评价指标可认为具有相同的重要性,将衬砌裂缝的深度、发展性和方向作为辅助判定指标。令衬砌单裂缝的评价指标:“长度”“宽度”“深度”“发展性”及“方向”的权重分别为、、、和,对应的指标评价得分分别为、、、和。
由乘积标度法可计算得:,且,则权重为:。
对裂缝的长度、宽度、深度、方向和发展性建立各自的评价标准,并对各个等级赋分,设定分值为(=1~5,=1~3),评价标准如表
评分标准 | 分值(的取值为1,2,3) |
---|---|
6 | |
4 | |
2 |
评分标准 | 分值的取值为1,2,3) |
---|---|
6 | |
4 | |
2 |
评分标准 | 分值的取值为1,2,3) |
---|---|
或 | 6 |
或 | 4 |
或 | 2 |
评分标准 | 分值的取值为1, 2) |
---|---|
不发展 | 6 |
发展 | 3 |
评分标准 | 分值(的取值为1,2,3) |
---|---|
6 | |
4 | |
2 |
根据《公路隧道养护技术规范》(JTGH12—2015
根据《公路隧道养护技术规范》(JTGH12—2015
参考罗
参照《铁路桥隧建筑物劣化评定 第2部分:隧道》(Q∕CR 405.2—2019
根据宋兵
张琳
综合分析借鉴《铁路桥隧建筑物劣化评定 第2部分:隧道》(Q∕CR 405.2—2019
单裂缝健康状态参考值的阈值采用2种思路分别计算后综合确定。第1种思路:结合经验针对代表性特征裂缝进行特征分析,轻微和一般分级阈值代表性特征裂缝的参数及健康状态参考值如
序号 | 长度得分 | 宽度得分 | 深度得分 | 发展性得分 | 方向得分 | |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 1.000 0 |
2 | 6 | 6 | 4 | 3 | 4 | 0.795 5 |
3 | 6 | 4 | 6 | 6 | 6 | 0.921 0 |
4 | 6 | 4 | 4 | 3 | 6 | 0.774 8 |
5 | 6 | 4 | 4 | 6 | 6 | 0.862 3 |
6 | 6 | 4 | 4 | 3 | 6 | 0.774 8 |
7 | 4 | 4 | 4 | 6 | 6 | 0.783 3 |
8 | 4 | 4 | 4 | 3 | 6 | 0.695 8 |
9 | 6 | 2 | 6 | 6 | 6 | 0.842 0 |
10 | 6 | 2 | 4 | 3 | 6 | 0.695 8 |
11 | 6 | 2 | 2 | 6 | 6 | 0.724 7 |
序号 | 长度得分 | 宽度得分 | 深度得分 | 发展性得分 | 方向得分 | |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 4 | 4 | 4 | 3 | 4 | 0.637 5 |
2 | 4 | 4 | 2 | 6 | 6 | 0.724 7 |
3 | 4 | 2 | 6 | 6 | 6 | 0.763 0 |
4 | 4 | 2 | 4 | 6 | 6 | 0.704 3 |
5 | 4 | 2 | 4 | 3 | 6 | 0.616 8 |
6 | 4 | 2 | 2 | 6 | 6 | 0.645 7 |
7 | 4 | 2 | 2 | 3 | 6 | 0.558 2 |
8 | 4 | 2 | 2 | 2 | 6 | 0.529 0 |
9 | 2 | 2 | 6 | 6 | 6 | 0.684 0 |
10 | 2 | 2 | 4 | 6 | 6 | 0.625 3 |
11 | 2 | 2 | 4 | 3 | 6 | 0.537 8 |
12 | 2 | 2 | 2 | 6 | 6 | 0.566 7 |
13 | 2 | 2 | 2 | 3 | 6 | 0.479 2 |
14 | 2 | 2 | 2 | 3 | 2 | 0.362 5 |
根据
根据
单裂缝健康状态的参考值阈值确定的第2种思路为:采用均匀概率分布思想,列出在评价中所有可能出现的分值阈值数组,共162组情况,并对所有数组进行升序排列,取排名累积概率曲线1/3和2/3附近特征数组的值分别为0.637 2和0.725 3(见
序号 | 长度得分 | 宽度得分 | 深度得分 | 发展性得分 | 方向得分 | |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 2 | 6 | 6 | 4 | 0.625 7 |
2 | 4 | 4 | 2 | 3 | 6 | 0.637 2 |
3 | 6 | 2 | 2 | 3 | 6 | 0.637 2 |
4 | 6 | 2 | 6 | 6 | 2 | 0.725 3 |
综合2种思路获得的单裂缝健康状态参考值的阈值,最终建议轻微和一般的健康状态分界值阈值为0.725,一般和严重的分界值阈值为0.646,严重健康状态的参考值最小值为0.362。单裂缝的安全评价等级如
值 | 裂缝分类 | 养护建议 |
---|---|---|
严重 | 及时修复治理 | |
一般 | 重点观察,进行养护备案 | |
轻微 | 正常养护 |
裂缝自动识别程序在深度学习神经网络Mask R-CNN的基础上,通过计算裂缝骨架中所有像素点个数获得裂缝的长度,再提取裂缝骨架进行二次函数拟合,得到裂缝的宽度参数。同本文的裂缝评价方法结合,可以隧道裂缝自动检测与诊断,为养护方案的决策提供了技术支撑。
选取小方山隧道现浇混凝土衬砌某区间中的一条裂缝,通过裂缝自动识别程序识别裂缝图片后,得到评价指标的参数:长度为0.01 m,最大宽度为0.43 mm,如

图1 单裂缝病害健康状态诊断分析案例
Fig. 1 Diagnosis and analysis of health status of single crack diseases
因此,该条裂缝各项评价指标得分情况为长度得6分,宽度得4分,深度得4分,方向得2分,发展性得6分。代入公式计算得到得值为0.746,健康等级为轻微,正常养护即可。
多裂缝在进行安全性评价时,分布密度常被纳入考虑。与单裂缝类似,采用多裂缝的长度、宽度作为主要评价指标,并且采用深度、发展性、方向及分布密度作为辅助判定指标,即多条裂缝的划分有6个指标。令衬砌裂缝的“长度”“宽度”“深度”“发展性”“方向”及“密度”的权重分别为、、、、及,对应的指标评价得分分别为、、、、和。
通过乘积标度法计算可得:,且。则权重为:。
多条裂缝在处理时,与单裂缝的差别在于多条裂缝的评价指标得分是与其每个指标区间的占比相关。具体可以参照下文的多条裂缝的评价标准及依据。多条裂缝的第个(分别对应多条裂缝的“长度”“宽度”“深度”“发展性”“方向”和“密度”)评价指标的评价分值为(分别对应评价指标的分级)之和。例如:针对第1个评价指标(裂缝长度),多条裂缝中的裂缝占比为,的裂缝占比为,的裂缝占比为,参照评分等级对应的分值可得多条裂缝长度的评分。
建立多裂缝健康状态参考值的公式的步骤为:每个指标的满分为6分;将每个评价指标的分值与满分6分之比再乘以权重,逐项累加即为多条裂缝健康状况的参考值的最终得分,判别其健康状况。衬砌裂缝的指标在无法得到完整的各项参数时,设定默认值~,其中,、、和的默认评分取4分,和的默认评分取3分。
将多条裂缝中每条的长度(、、…、)以5 m和10 m作为依据划分3个等级,统计多条裂缝长度3个区间的百分比,设定评价的总分值为6分。长度的评分标准如
评分标准 | 分值 | (取值为1,2,3) |
---|---|---|
的裂缝占比 | 6 | |
的裂缝占比 | 4 | |
的裂缝占比 | 2 |
将多条裂缝中每条的最大宽度、、…、,以0.2 mm和0.5 mm作为依据划分3个等级,统计多条裂缝宽度3个区间的百分比,设定评价的总分值为6分。宽度的评分标准如
评分标准 | 分值 | (取值为1,2,3) |
---|---|---|
的裂缝占比 | 6 | |
的裂缝占比 | 4 | |
的裂缝占比 | 2 |
将多条裂缝中每条的最大深度、、…、,以混凝土保护层厚度c的1/3值或2/3值或以默认值1.5 mm和3 mm作为依据划分3个等级,统计多条裂缝深度3个区间的百分比,设定评价的总分值为6分。深度的评分标准如
评分标准 | 分值 | (取值为1, 2, 3) |
---|---|---|
或的裂缝占比 | 6 | |
或的裂缝占比 | 4 | |
或的裂缝占比 | 2 |
将多条裂缝的发展性,以发展和不发展划分2个等级,统计多条裂缝发展和不发展的百分比,设定评价的总分值为6分。发展性评分标准如
评分标准 | 分值 | (取值为1, 2) |
---|---|---|
不发展的裂缝占比 | 6 | |
发展的裂缝占比 | 3 |
将多条裂缝的方向角度定为、、…、,以30°和60°为依据划分3个等级,统计多条裂缝方向3个区间的百分比,设定评价的总分值为6分。方向的评分标准如
评分标准 | 分值 | (取值为1, 2, 3) |
---|---|---|
的裂缝占比 | 6 | |
的裂缝占比 | 4 | |
的裂缝占比 | 2 |
参照李
评分标准 | 分值 | (取值为1, 2) |
---|---|---|
的裂缝占比 | 6 | |
的裂缝占比 | 3 |
类似于单裂缝,多裂缝健康状态的参考值的分值计算公式为:(M为每项评价指标的等级数量,N为评价指标的数量)。结合前文基于乘积标度法获得的隧道区间多裂缝病害评价指标分值及阈值的确定,隧道区间多裂缝病害健康状态的参考值计算公式简写为:。
单裂缝每一项评级指标的得分必定是评分标准中的分值,评价中可能出现的所有数组是可预知的;对于多条裂缝的安全评价方法,除了需要考虑单裂缝本身的评价指标分值,还需考虑同一评价指标同一分值的占比情况。因此,多裂缝病害健康状态的参考值阈值确定要复杂于单裂缝。
具体思路为:仿照单条裂缝健康状态参考值阈值确定方法,多裂缝评价指标的特征组合(即每个指标的统计占比分别为100%)共有324组。基于均匀分布概率统计思想,即假设每个特征组合的权重相同,对所有特征组合的健康状态参考值排序,假设健康状态分3个等级,故取排位位于1/3和2/3的分别为0.641 8和0.741 2(阈值对应的多裂缝病害特征组合见
序号 | 长度得分 | 宽度得分 | 深度得分 | 发展性得分 | 方向得分 | 分布密度得分 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 6 | 4 | 6 | 6 | 3 | 0.741 2 |
2 | 2 | 6 | 6 | 3 | 4 | 6 | 0.741 2 |
3 | 4 | 4 | 4 | 3 | 6 | 6 | 0.741 2 |
4 | 4 | 4 | 4 | 3 | 2 | 6 | 0.641 8 |
5 | 4 | 4 | 2 | 3 | 4 | 6 | 0.641 8 |
6 | 4 | 4 | 4 | 6 | 2 | 3 | 0.641 8 |
结合现有养护规范及经验,基于多裂缝病害健康状态的养护措施建议如
值 | 裂缝分类 | 养护建议 |
---|---|---|
严重 | 及时修复治理 | |
一般 | 重点观察,进行养护备案 | |
轻微 | 正常养护 |
针对小方山隧道现浇混凝土衬砌某区间使用裂缝识别程序对多张裂缝图片进行批量识别,得到裂缝统计情况如下:长度小于5 m的裂缝占全部裂缝的比例为60%,大于等于5 m小于10 m占比为20%,大于等于10 m的占比为20%,因此该数组裂缝长度的分值为4.8(见
评价指标 | 评价指标占比因子 | 评价指标分值 | ||
---|---|---|---|---|
长度 | 4.8 | |||
宽度 | 3.4 | |||
深度 | 4.0 | |||
发展性 | — | 5.1 | ||
方向 | 4.2 | |||
分布密度 | — | 3.6 |
裂缝的智能识别和诊断是实现裂缝防治方案自动决策的核心技术,是目前隧道智慧养护领域研究热点和难点。引入乘积标度法和裂缝图像自动识别技术,结合规范要求,构建了一种基于乘积标度法的隧道衬砌结构裂缝病害定量自动识别和诊断方法,并结合案例分析验证了合理性,为实现隧道裂缝病害自动识别和养护方案自动决策提供了途径,得到如下主要结论:
1)结合单裂缝病害特点和隧道区间多裂缝病害特征,分别提出了基于乘积标度法的定量识别和诊断方法。单裂缝病害诊断方法以衬砌裂缝的长度、宽度作为主要评价指标,深度、方向、发展性作为辅助评价指标;多裂缝病害诊断方法以衬砌裂缝的长度、宽度作为主要评价指标,深度、方向、发展性和分布密度作为辅助评价指标;对评价方法的分值进行了系统的无量纲处理,指标阈值的确定既考虑了均匀分布函数概率分布特性又结合了实际经验情况,更科学合理,易于推广应用。
2)裂缝病害诊断方法中单个指标的评价权重与隧道结构的特点和环境有一定相关性,本方法结合规范中的规定进行定量评价,不能体现个体特性,如何根据隧道结构受力特点对评价方法中某些指标做相应修正,还需进一步探究。总体而言,所提出的裂缝病害智能识别和诊断方法可以对隧道裂缝病害进行自动识别和安全性评估,有效提升了诊断的效率,在隧道养护时能做到对精确位置“对症下药”。
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