Urban Geotechnical Investigation & Surveying城 市 勘 测
城 市 勘 测
Nov.2019
Sup.2019年11月文献标识码：B
文章编号：1672-8262（2019）S1-0168-06 中图分类号：TU990.3
地下管线周边土体病害评估方法的研究
刘新娜*，曾新霞，陈松洲
（北京建业通工程检测技术有限公司，北京 100076）
摘 要：地下病害对其周边地下管线的风险评估目的是识别出城市道路与管线周边地下病害可能给道路或管线运行造成的危害。根据本课题的研究目的，通过对风险评估方法进行分析、对比和筛选，最终选定采用层次分析法来完成研究本课题的风险评估方法。
利用层次分析法，通过建立模型、构造判断矩阵等一系列步骤，最终得出了分层加权求和的评估方法。通过评估方法得出土体病害对周边关系的影响程度的等级，最终根据不同的等级采取不同的处治措施。
本课题的研究成果为北京市地方标准《地下管线周边土体病害评估防治规范》提供有力的数据支持。关键词：土体病害；风险评估；层次分析法
1 引 言
有安全检查表、专家打分法等。半定量评估是指采用一个相对数值来表示地下病害引发事故的可能性与后果大小的评估方法，可用的半定量评估方法是基于检测与现场调查数据开展的指标评价法。定量评估是在统计数据的基础上对事故的可能性和后果进行量化分析的评价方法。
国内常用的定性评估方法主要有调查打分法、检查表法、风险矩阵法等，半定量评估方法主要有层次分析法、指标评价法等，定量评估方法主要有蒙特卡洛模拟法、决策树法、主成分分析法、敏感性分析法等。
国外工程评估的常用方法有风险矩阵法、蒙特卡洛模拟法、层次分析法、调查打分法、敏感性分析法、计划评审技术法、风险矩阵法等。国内工程评估的常用方法有风险矩阵法、蒙特卡洛模拟法、敏感性分析法、调查打分法、层次分析法、决策树法、检查表法、风险矩阵法等。2.2 评估方法的优缺点
近年来由地下管线事故引发道路塌陷的事故时有
发生，如2016河南郑州市中原路塌陷事件就是由于自来水管线破坏造成的塌陷，事故造成2人受伤、1人死亡。地下管线发生事故的原因主要是由于周边土体存在空洞、疏松、富水等病害。因此研究道路下方土体病害对地下管线的风险评估的课题，对保障地下管线安全运行，预防道路塌陷事故发生有重要的意义。
土体病害对地下管线风险评估就是在充分掌握资料的基础之上，采用合适的方法对检测出的土体病害进行系统分析和研究，评估其对周边地下管线的风险等级，为接下来选择适当的处置措施提供依据。风险评估应根据评估内容进行分析，将定性与定量的方法相结合。定性方法和定量方法有着各自的使用范围和分析方法，在实际操作中，需要根据不同的情况进行定性分析和定量分析。
2 评估方法选择
定性的方法操作比较简便，适用于数据较少、要
本次评估的目的是识别出土体病害对周边地下
求快速得出评价结果的情况，常用于对病害进行初步的评价。半定量评估方法适用于数据基础较好的情况，可用于对地下病害进行全面评价。定量评估方法适用于数据基础较好并有大量失效统计数据的情况，常用于对重点区域的评价。可用于不同地下病害之间的对比。
国内常用评估方法的种类、原理、适用性、优点及缺点见表1所示。
管线造成影响的程度，并进行分级评估，以便能针对相应的等级制定有效的预防、检测和减缓方案。2.1 评估方法的种类
按评估结果的量化程度可以将评估方法分为定
性评估、半定量评估及定量评估。定性方法是指采用文字或描述性的级别说明土体病害对地下管线的风险等级和这些出现的可能性。常用的定性评估方法
* 收稿日期：2019－09－30
作者简介：刘新娜（1986－），女，河北衡水人，硕士，工程师，主要从事地下管线周边道路下方土体病害探测方面的研究。
增刊刘新娜等.地下管线周边土体病害评估方法的研究 169
国内常用评估方法对比分析 表1
方法调查打分法（专家评分法），分为座谈会法和德菲尔法两种
定性/定量定性
原理
请M位专家对n个风险的权重和概率打分，对专家也给一个权重，最后计算出最终风险
依据统计理论，借助随机过程，重复生成时间序列，计算参数的概率分布及数字特征，来估计风险发生概率或风险损失水平
基于离散期望运算的图论方法，把可能出现的各种风险看作是概率已知的离散变量，用决策树法将他们按结构层次排列成树形，标记出相应的概率分支，通过计算决策树中的期望值来进行风险评估
将多个可能相关的因素转化成少数互相无关的综合因素的统计方法被指定的风险因素的小范围波动引起项目收益的变动幅度
适用性适合于缺乏客观资料项目决策前期的风险分析
优点
缺点
依靠专家的主观经验，带有一定的主观性，而难以保持权重的合理性
简单、易懂、易于应用，集中了众多专家的意见在客观数据资料丰富、评估条件复杂的情况下可以做到全面而准确；处理风险因素数量不受限制，重复模拟次数越多越精确简单易行、逻辑清晰、直观，不仅可以解决但阶段的决策问题，而且可以解决多阶段的决策问题
蒙特卡洛模拟法定量
适合于客观数据资料丰富、涉及面广的大型项目
需要大量的数据信息，专家主观经验
决策树法定量
广泛用于不同方案的决策中
对历史数据资料长期训练，可以得到较为准确的预测值，依赖性大，一旦有新数据加入，准确性降低，直到被训练成熟，数据结构完善为止主成分一般带有模糊性，主成分的累计贡献率要达到一个较高水平假定某风险发生变动，带有一定的局限性包含了较多的主观因素，风险因素太多时会导致权重均衡，评价结果粗糙、不明显受到项目可比性的限制
主成分分析法定量
适用于风险因素繁多且互相相关的项目
常用在项目投资的可行性研究阶段对于定量要求不高的问题适用适用于有过类似或相关经验的项目
可消除评价指标之间的相互影响，客观、合理得出各因素的敏感性按大小排序后，就可以一目了然实用性、系统性、简洁性，计算结果简单明确
敏感性分析法定量
层次分析法（AHP法）
定性多目标多准则的决策方法，将一个复与定量杂的系统分解成若干个组成部分或因结合素，把定性分析的结果量化定性
根据经验编制风险清单
以风险事件的后果严重程度为表列，以风险发生的可能性为表行，在行列的交点上给出定性的加权指数。所有的加权指数构成一个矩阵，而每一个指数代表了一个风险等级
检查表法简单易操作
风险矩阵法定性适用性广
简洁明了、易于掌握、适用范围广
确定风险可能性、后果严重度过于依赖经验，主观性较大
2.3 评估方法的确定
那些难以用定量方法解决的课题。
层次分析法的主要步骤有如下几点：模型；
1）根据评价目标和评价准则建立递阶层次结构2）将同一层次的不同因素进行两两比较，构造3）由判断矩阵计算元素对上层支配元素的权重；4）对判断矩阵的一致性进行判定；在风险评估中所占分值；3.2 本次使用说明
6）根据最后总分评价风险等级。
5）利用各元素的实际分值和权重计算出该元素
根据定性评估方法、半定量评估方法和定量评估
方法的比较，土体病害对地下管线风险评估采用定性与定量相结合的半定量评估方法为好。又因为北京市地下管线的各权属单位因为各种客观原因，很难提供大量的、完整的、准确的地下管线统计数据来满足评估。所以最终确定采用层次分析法这种定性与定量相结合的半定量方法来完成本次的影响程度评估。
判断矩阵；
3 层次分析法介绍
3.1 层次分析法简介
层次分析法（AHP法）是一种解决多目标的复杂问题的定性与定量相结合的决策分析方法。该方法将定量分析与定性分析结合起来，用决策者的经验判断各衡量目标能否实现的标准之间的相对重要程度，并合理地给出每个决策方案的每个标准的权数，利用权数求出各方案的优劣次序，比较有效地应用于
由于本次对土体病害对地下管线风险评估中，不
需要考虑措施层，只需要计算出准则层的权重即可，因此可以考虑对层次分析法进行简化应用。
另外由于评估指标较多，计算量较大。因此为了减少手工计算时间及保证计算准确，使用层次分析法
170城 市 勘 测2019年11月
地下管线周边土体病害对管线的风险评估指标权重表 表2
评估指标地下管线自身状况指数
管线外部环境指数
（GX）
（HJ）
权重wjw1=0.26w2=0.24软件yaahp软件来进行运算。此软件的步骤是先建立层次结构模型，然后输入两两比较值，进行一致性判定，合格后即可算出权重。
4 层次分析法应用
在收集到的北京市相关管线管理单位、道路管
理单位数据基础上，对地下管线每百公里的事故进行了统计分析，以每百公里事故次数作为两两比较的依据，4.1 土体病害对地下管线影响评估一级指标权重分析
应用yaahp层次分析法软件对权重进行计算。根据抢险数据可以看出，管线自身情况引起的事
故是管线外部环境的6~7倍左右，因此把管线自身情况与管线外部环境的比较定为管线自身情况指数比管线外部环境指数十分重要。
从2014年北京北京市某项目检测数据中可以看出，130个土体病害中3个深度超过2m，27个深度为管线位于病害上方外，～2m，而7种管线中除了电力、大部分位于病害下方，给水和电信的部分考虑到检
测路段截面中上部的电力、电信和给水管线数量一般为下部管线的3倍左右，因此把土体病害区域情况与土体病害区域和管线关系的比较定为病害区域情况指数比土体病害区域与管线关系指数稍微重要。
从管线调查数据中可以看出，由于腐蚀、老化等管线自身情况引起的事故为21次/百公里，施工破坏、荷载过重等管线外部环境引起的事故为3次/百公里。北京建业通2014年检测的管线总长度为129公里，发现病害30处，每百公里病害数为23次，因此把土体病害区域情况与管线外部环境的比较定为土体病害区域情况指数比管线外部环境指数的重要性介于十分重要与绝对重要之间。
根据搜集资料及调研座谈得出：土体病害区域情况指数比管线自身情况指数的重要性介于同等重要与稍微重要之间；管线自身情况指数比土体病害和管线关系指数稍微重要；土体病害和管线关系指数与管线外部环境指数的重要性介于同样重要和稍微重要之间。
通过建立模型并构造判断矩阵，最终得出一级指标权重值如表2所示。
土体病害区域情况指数
土体病害区域和管线关系指数
（BH）
（WZ）
w3=0.30w4=0.204.2 地下管线自身状况指标权重分析
根据调研结果将管线自身情况分解为管线类别、
管材、埋设方式、管径、埋置深度及服务年限6个单项指标，通过所搜集的数据对比分析，建立模型构造判断矩阵，最总得出地下管线自身状况指数分值及权重，如表3所示。
管线自身状况指标权重及分值确定表 表3评估单项单项指评估指指标指标分类分值标权重w标权重1jw1电力10电信10高压燃气10中压燃气20热力20管线低压燃气40类别其它400.35给水60再生水60雨水80污水90雨污合流100钢10钢筋混凝土10镀锌管10地下管材球墨铸铁50管线自身其它500.12状况普通铸铁1000.26塑料100埋设隧道10方式管沟或管块直埋100400.05管径小管径（D≤300mm）0~10或中管径断面（300 4.3 管线外部环境指标权重分析 通过专家意见及现场工作经验，管线外部环境指 标分为道路级别、管线位置、是否处于施工影响范围内及周边土体性质4项单项指标，通过所搜集的数据对比分析，建立模型构造判断矩阵，最总得出地下管线自身状况指数分值及权重，4.4 土体病害区域情况指标权重分析 如表4所示。通过专家意见及评估经验土体病害区域情况指 标分为病害程度、病害覆土深度、病害面积、病害高度级地下水影响5项单项指标，通过所搜集的数据对比分析，建立模型构造判断矩阵，最总得出地下管线4.5自身状况指数分值及权重， 土体病害区域和管线关系指标权重分析如表5所示。 通过专家意见及评估经验土体病害区域和管线 关系指标分为病害影响范围内管线数量、病害与管线水平投影位置关系、病害与管线垂直投影位置关系、病害相对管线距离4项单项指标，通过所搜集的数据对比分析，建立模型构造判断矩阵，最总得出地 管线所在外部环境指标权重及分值确定表 表4 评估指标单项指标 分类分值单项指标评估指标权重w2j权重w2管线所在支路、外部环境 四级公路10次干路、道路三级公路20级别 主干路、500.06 二级公路快速路、一级公路100绿化带、广场 10管线人行道20位置 非机动车道500.12 管线所在机动车道 1000.24 外部环境 否 0是否处于 完工3年施工影响 （含3年）以上0~25范围内 完工3年以内 25~750.4在建75~100黏性土 0~25周边土密实填土、 体性质 粉土25~750.42杂填土、沙土、卵砾石 75~100 注：当地下管线周边5m范围内不存在土体病害时，各单项指标均 取0分。 土体病害区域情况指标分值及权重确定表 表5 评估单项单项指评估指指标 指标 分类分值标权重w标权重3jw3轻微疏松100.4 0.30 中等疏松 40病害一般富水60程度 严重疏松80严重富水80空洞100H>4m 0~100.25 病害2m 4<2 75~10050~750~100.14 病害高度 2m<1 00.06 地下水深度大于土体病害埋深 0~20地下水影响 地下水位与土体病害在同一高度20~40地下水深度小于土体病害埋深 40~100 注：当地下管线周边5m范围内不存在土体病害时，各单项指标均取0分。 下管线自身状况指数分值及权重，如表6所示。 5 评估结果分级 通过以上层次分析法的研究，最终得出土体 病害对地下管线风险评估综合指标（ZDJ）的计算方法，最终得出ZDJ按下式进行计算，ZDJ=100-（w1×GXGX+w2×HJ+wWZ3×BH+通过w加4×权WZ求）2~表5中取值计算得出。 、HJ、BH、和的方法在表 B、C土体病害地下管线的风险可划分为四个等级、D）。相应的评价标准根据表7的规定进行（A、 评价。 表7中四个等级的定义如下： 172城 市 勘 测 2019年11月 土体病害区域和管线关系指标分值及权重确定表 表6 评估 单项单项指评估指指标指标 分类分值标权重w标权重1根~2根0~104jw4病害影响范围内 管线数量 3根5根~4根10~206根以上50~10020~500.2 病害与管线水平相离10投影位置关系 相交30~1000.15 土体病 斜上方10害区域病害与管线垂直斜下方20和管线投影位置关系400.290.20 关系 正上方正下方100L>5m0病害相对管线距 4m 50~8020~500.36 注：当地下管线周边5m范围内不存在土体病害时，各单项指标均 取0分。 土体病害对既有地下管线的风险评估标准 表7ZDJ0≤＜ZDJ6565＜≤75ZDJ75＜≤85ZDJ85≤≤100ZDJ评估等级ABCD线自身灾害及次生灾害；A级：对管线产生危害的可能性很大，B级：对管线产生危害的易引发管 可能性较大，可能引发管线自身灾害及次生灾害；C级：对管线的安全运行存在一定的影响；D级：对管线的安全运行影响较小。 根据不同的风险等级，采取不同的措施进行处置，具体原则如下： 钻孔A注级，浆等应立即对土体病害部位采取开挖回填或 紧急处置措施，及时排除管线运行风险；B级，宜对该部位的管线进行重点监控和安全巡视，并根据具体情况，合理安排管周土体斌的处置工作，保证管线的安全运行；C级，宜对该部位的管线提高定期巡视的频率；D级，对该部位管线正常巡视管理。 6 应用实例 对某检测项目中检测出的一处土体病害区域进 行评估，该病害区域具体情况见表８所示，其中病害位于城市主干路，病害下方有一条给水管线，管线直径约为600mm，使用年限大约为20年，病害区域位于管线南侧1.4m，道路上方交通流量较大。 土体病害具体情况 表8病害编号病害面积病害深度病害程度JW14.2×2.00.8-5.0严重根据上述情况，在评估指标中进行该给水管线自身状况指数、管线外部环境指数、土体病害区域情况指数、土体病害区域和管线关系指数的计算（计算过程从略）。管线自身状况指数评分47.9；管线外部环境指数评分35.5；土体病害区域情况指数评分56.9；土体病害区域和管线关系指数评分36.5。 根据各评估指标评分情况，计算评估综合指标评 分，最总得出土体病害对该给水管线的风险评估分数为54.6，根据表6可确定该土体病害对给水管线的风险等级评为A级，应对土体病害部位采取开挖回填或钻孔注浆等紧急处置措施，及时排除管线运行风险。后期相关单位对该土体病害采取钻孔注浆措施进行了处置，经过处理后该土体病害为引起给水管线的自身灾害及次生灾害。 上述实例侧面反映了加权求和评估方法在道路下方病害安全评估方面的准确性。 7 结 论 利用层次分析法，通过建立模型、构造判断矩阵 等等一系列步骤，最终得出了分层加权求和的评估方法。通过评估方法得出道路下方土体病害对周边管线的影响程度的等级，最终根据不同的等级采取不同的处置措施。 在后期工作过程中，检测项目全面应用了分层加权求和的评估方法对道路下方土体病害进行评级，保证了北京市道路及地下管线的安全运行。工程实践证明，该方法对于推动城市道路及地下管线的风险管理具有良好的效果。 本课题的研究成果为北京市地方标准《地下管线周边土体病害评估防治规范》提供有力的数据支持。 参考文献 1］ 吴宝玲，郭清平.地下管道的埋设环境与安全.市政技术，2011年第 2期（3月）第29卷：61~64． ［增刊刘新娜等.地下管线周边土体病害评估方法的研究 173 ［2］ 侯福金，卢键，李军.层次分析变权综合桥梁耐久性评估方法研究.公 路交通科技，2010，第9期：67~70． ［3］ 柴旺，王琳.基于层次分析法确定桥梁可靠性评价指标的权重.江 西建材，2015年第7期：153~154． Study on Assessment Method of Surrounding Soil Disease of Underground Pipeline （Beijing Jianyetong Engineering Testing Technolog Co.，Ltd，Beijing 100076，China） hazards that may be caused to the operation of roads or pipelines by urban roads and underground diseases around pipelines. According finally selected to complete the research of this topic's risk assessment method. Abstract：The purpose of risk assessment of underground diseases on the surrounding underground pipelines is to identify the Liu Xinna，Zeng Xinxia，Chen Songzhou to the research purpose of this topic，through the analysis，comparison and screening of risk assessment methods，the ahp method is and constructing a judgment matrix. Through the evaluation method，the degree of influence of soil diseases on the surrounding relationship is obtained，and finally different treatment measures are taken according to different grades.prevention of soil damage around underground pipelines”. The evaluation method of layered weighted summation is finally obtained by a series of steps such as establishing a model The research results of this project provide strong data support for the local standard of Beijing“code for evaluation and Key words：soil disease；risk assessment；analytic hierarchy process 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容