基于施工動態信息的公路隧道塌方災害模糊評價預警分析

李昌龍，盧鳳文，姬同旭

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴陽 550081)

1 概 述

近年來，公路隧道建設突飛猛進，施工建設中各種地質災害也屢屢發生，尤其是隧道塌方災害最為突出。一旦隧道發生塌方災害，不但危及施工人員生命財產安全，而且大幅度增加公路建設周期和投資費用等。

通過總結分析發現，若在隧道施工過程中建立動態塌方災害評價預警體系，通過隧道施工揭示的地質信息輸入體系可快速輸出結果警示災害情況，有益于隧道施工防災減災。目前，隧道災害評估預警有兩種模式：一是考慮施工環境和地質信息的災害綜合預警，常用打分法評價，可參考《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南》(試行2011)，方法簡單、快捷，且結果已基本被相關建設人員認同；二是僅考慮地質信息或動態地質信息的災害綜合預警，常用模糊評價法+層次分析法評價，其方法使用較繁瑣，但評估結果對災害判別更具方向性和準確性。所以，模糊評價法可作為建立動態塌方災害評價體系的基本方法。

模糊評價法是一種多因素單值化后，相對不失真的融合(聚合)因素特征值的方法，一般需要建立在層次分析法、乘積標度法等基礎上[1]。模糊評價法已被廣泛應用于工程災害等風險識別和評判中，其優點是方法簡單、結果較準確；缺點是評價因子難以確定、部分因子可能存在越界、計算繁瑣等問題。在隧道施工中的地質災害方面，已有學者進行相關分析和試用。例如，劉學增等提出采用模糊評價預警方法，對隧道施工前、施工中的塌方災害進行評價預警，并形成了評價預警體系[1]；許振浩等采用層次分析法對巖溶隧道突水突泥風險評估，并建立了評價的因素及權重體系[2]；王元漢等采用模糊數學法用戶評判預測隧道巖爆，并建立了巖爆判別方法；楊健等采用模糊綜合評價法聚合多種巖爆方法判別結果，進而對巖爆等級進行預測。

綜上，由于模糊評價法在隧道施工動態評價因素確定等細節上還存在諸多不明確的地方，本文基于公路隧道施工過程中的動態信息，進一步對塌方災害模糊評價預警分析，其目的是為了更加明確隧道施工塌方動態評價的因素確定和模糊評價法的計算思路。

2 模糊評價預警理論分析

2.1 評價預警流程

通過文獻調研總結分析，隧道塌方模糊評價預警包括確定評價指標體系、概率標度確定、評價等級確定、模糊聚合評價4個部分，評價流程見圖1。

2.2 評價指標體系

參考文獻[1]，可將隧道施工過程中的塌方災害評價體系的指標劃分為一級指標和二級指標。一級指標為父級，二級指標為子級。文獻[1]在評價前以斷層破碎帶和非斷層破碎帶為前提，劃分的基本依據是對最薄弱或最易造成塌方的地質條件因素加強考慮。在對實際工程進行評價時，可以參考該體系，也可以動態調整指標體系。以斷層破碎帶塌方評價體系為例，可根據概率和規模劃分為圖2、圖3的評價體系[1]。

圖1 塌方模糊評價預警流程

圖2 塌方概率評價體系

2.3 概率標度確定

2.3.1 方法分析

由于層次分析法計算速度慢且較復雜，可考慮融合層次分析標度法的結論形成新的標度方法——乘積標度法，見表1。

表1 層次分析法的4種標度法

綜合表1的4種標度法與塌方災害情況分析，選擇使用乘積標度法進行兩兩比較更適用，因此采用乘積標度法進行構造評價指標之間的權重體系。權重計算方法如下：

1) 一個因素A比另一個因素B稍微大時：

A∶B=(1.286+1.500+1.277)/3∶1

=1.354∶1

2) 在1)的基礎上，若C比A稍微大時：

C∶A=1.354×1.354∶1.354

C∶B=1.354×1.354∶1

根據指標數量和大小關系上的排序，采用第三個權重平方或權重相等的形式遞增即為乘積標度法，常用比較見表2。

表2 乘積標度法權重分配表

注：①一般使用分為相同和稍微大；明顯大、強烈大、極端大指標的設立顯得指標存在的意義相對可靠度降低。②若A指標比B指標極端大時，B沒有存在的必要性。

2.3.2 指標權重計算

采用乘積標度法可計算父子層因素的權重標度，可參見表3。

表3 斷層破碎帶塌方的總體評價指標權重

2.4 子層因素量化

可參考隧道設計等相關規范規程，以及工程地質手冊、經常數值量化評價指標體系中的子層因素。參見表4。

表4 子層因素量化

2.5 隸屬度計算

1)參考文獻[1]評價指標與評價等級關系見表5，數值型的計算公式如下(三角隸屬度法)：

表5 評價指標與評價等級關系

(1)

(2)

(3)

(4)

當ak,1

(5)

當ak,1>ak,3時：

(6)

2) 計算方法。以表4中的因子為例：

當因子為數值時，用隸屬公式進行計算評價向量，不作贅述。

當因子為數值時，直接用數字標注向量，如巖性指標中為硬質巖時，評價矩陣為[1,0,0,0]；如斷層性質為壓扭斷層時，評價矩陣為[0.5,0.5,0,0]。

2.6 模糊聚合評價計算

2.6.1 模糊向量

模糊評價因子矩陣用R表示，可能性評價中R為n×4階矩陣，概率規模評價中R為n×3階矩陣(n為一級指標、二級指標的個數)。Ri為評價向量，通過隸屬度計算(計算方法)確定。

2.6.2 模糊向量與標度融合

1)一級融合。一級融合為子因素標度和因子向量之間的融合，子因素的標度用ω表示，一級融合結果用Q表示：

Q=ωi·Ri

(7)

2)二級融合。二級融合為父因素標度與一級融合結果之間的融合，父因素的標度用W表示，二級融合結果用B表示：

B=W·BT

(8)

2.6.3 模糊向量單值化

F=b1×1+b2×2+b3×3+b4×4

(9)

(10)

根據評價值F得到隧道災害的概率等級和規模等級，見表6。

表6 塌方概率等級和規模等級值

3 工程實例

貴州某公路隧道全長4 108 m，隧道采用分離式雙向6車道斷面形式。隧道出口60 m位于直線上，然后接長約230 m、半徑為300 m的左轉曲線上，隧道中部位于直線上，隧道進口端位于半徑為250 m的左轉曲線上。隧道設計縱坡進口至出口為4.8%的單面下坡。全隧為小凈距隧道，間距約6～18 m。以該隧道zk1+100～zk1+200段為例，評價指標值見表7、表8。

評價得該隧道zk1+100～zk1+200段隧道的塌方概率等級為Ⅲ(可能性較大)，塌方規模等級為Ⅱ(中型)。在該段隧道二次襯砌后一個月內發生了大變形破壞，可能坍塌的方量約為60 m3，參考《工程巖體分級標準》(GB/T 50218-2014)附表E.0.1，該段破壞規模屬于中型塌方。

表7 動態概率等級評價指標體系

表8 動態規模評價指標體系

續表8

4 結論與建議

4.1 結 論

本文對模糊評價預警理論進行分析，并引入了相應案例進行評價，獲得如下結論：

1) 模糊評價法可較好地應用于隧道施工中的動態塌方評價預警。

2) 乘積標度法可用于評價因素標度計算，且可進一步簡化模糊評價步驟。

3) 總結了隸屬度向量計算的兩種思路。

4.2 建 議

1) 宜根據隧道特點建立獨立的塌方評價預警體系。

2) 體系中輸入的參數應以實際開挖揭示的信息為準。

3) 根據評價體系的共性，通過軟件編寫評價體系，可快速應用并解決工程評估預警問題。