基于層次-綜合模糊分析法的復雜山嶺隧道風險評估

周小杰 張志強

【摘要】

復雜山嶺隧道運營期存在著諸多影響隧道安全的風險因素，不僅給隧道的維修養護帶來了巨大挑戰，也對山嶺隧道運營期的風險評估提出了更高的要求。基于此，文章綜合層次分析法和綜合模糊評判法分析復雜山嶺隧道運營期的安全影響因素及其權重，建立了影響因素模糊權重集，采用了模糊統計法確定了指標層各影響因素的隸屬函數，構建了運營期復雜山嶺隧道綜合評判矩陣，通過權重模糊集和綜合評判矩陣對風險概率進行了模糊估計，提出了一種適用于運營期復雜山嶺隧道的風險評估方法。通過大相嶺隧道運營期的風險評估的實證研究，確定其分析結果是合理的，為今后類似運營隧道的風險分析提供有益的借鑒與參考。

【關鍵詞】

山嶺隧道; 層次分析法; 綜合模糊法; 風險評估; 風險控制

【中國分類號】U456.3+3【文獻標志碼】A

近年來，伴隨我國交通基礎設施建設的不斷推進，在中西部山區涌現出大量的復雜山嶺隧道。復雜山嶺隧道存在投資風險高、地質環境復雜、施工難度大、結構病害多且程度不一等特點，這對復雜隧道的設計、施工和維修養護帶來了巨大的挑戰。因此，如何建立基于復雜山嶺隧道特點的可靠、有效的風險評估方法，以降低山嶺隧道在全生命期的風險，具有十分重要的理論意義和工程價值。

目前，國內外相關學者針對隧道風險評估已經開展了大量的相關研究工作。張永剛等[1]選取信心指數法和層次分析法對渤海灣海底隧道工程的施工期進行了安全評估，并給出了其施工期的風險等級;史小麗等[2]依據現行指南中各評估指標的相關性，提出了基于貝葉斯理論的改進風險評估方法，并在西鐘嶺隧道施工期中得到驗證;劉靖等[3]針對新奧法施工的施工過程，通過綜合模糊數學理論以及層次分析法來構建隸屬度函數和動態風險評估模型，獲得了保阜高速隧道段施工的風險評估結果;盧浩等[4]人基于水下隧道盾構法施工的特點，對肯特應用于石油管道的指數法進行改進，并將改進的指數模型應用于南京地鐵某過江隧道各施工階段的風險指數評估;鄭俊杰等[5]依托模糊故障樹理論提出了將隧道施工總成本受各風險因素的影響程度用模糊成本重要度來評價，以實現對盾構隧道施工的成本風險控制;劉保國等[6]提出模糊網絡分析法，通過構造模糊加權超矩陣來確定龍山隧道施工中各風險因素的權重，成功實現公路山嶺隧道施工的風險評價。盡管國內外學者針對隧道風險評估已經產生取得眾多研究成果，但大多集中關注隧道施工期的風險控制與評估。基于此，本文根據復雜山嶺隧道運營期的材料老化、結構易出現病害等特點，綜合層次分析法和綜合模糊評判法建立復雜山嶺隧道運營期風險綜合評估模型，并在大相嶺隧道運營期風險評估中進行驗證，以期為復雜山嶺隧道運營期風險評估提供新的思路和參考。

1 復雜山嶺隧道風險評估模型的建立

1.1 模型建立步驟

（1）綜合分析相關因素，根據屬性的不同將其劃分成多個層次，構建出層次結構模型。

（2）根據目標主體受各因素的影響程度進行綜合考慮，構建因素集及風險指標體系。

（3）確定各風險因素的相對權重。

（4）考慮主體對象中各因素的隸屬度評價，形成各因素的評價結果矩陣，確定隸屬函數。

（5）基于隸屬度和相對權重所構成的矩陣，計算風險發生的概率，進行風險概率的模糊估計。

（6）結合計算所得概率，分析評價結果進行綜合評價。

1.2 隧道風險評估層次模型建立

在對隧道結構的安全性進行評價前，首先應建立隧道結構安全性評價模型。基于所確定致險因子的層次性和模糊性，把影響隧道主體結構健康狀態的評價指標分為三層：

（1）目標層：山嶺隧道結構主體結構健康狀態。

（2）準則層：由對隧道結構安全造成影響的因素組成，包括孕險環境、荷載作用、結構體缺陷三個方面。

（3）指標層：由對準則層因素有影響的各項定量指標和定性指標組成。

具體風險評估層次模型如表1所示。

1.3 權重確定

本文采用標度值表示其相對權重。通過分別對同層各元素的相對重要性進行相互比對，可得到判斷矩陣。其中，標度值用1～9及其倒數表示，各數字含義如表2所示。

可得判斷矩陣的形式如式（1）所示：

針對影響因素權重值，本文考慮特征根法進行計算。在求得判斷矩陣的最大特征根后，將層次單排序的結果用歸一化計算結果對應的特征向量來表示，得到各影響因素所對應的權重向量，并形成對應的權重集，如式（2）所示。

為確保數值選取的準確性，需在最后對取得結果進行一致性檢驗。

1.4 隸屬函數確定

隸屬函數是將評判等級與影響因素之間的定量關系通過構建數學表達式來對其進行表征。對于處在某一特定狀態的影響因素，可通過隸屬函數獲得該影響因素此刻對目標的隸屬度。本文中對隧道結構的健康評價屬于模糊評判，依據模糊集而建立的隸屬函數稱為模糊分布。考慮到模糊統計法操作簡便且更加符合隧道結構健康評判的實際情況，因此本文采用模糊統計法來確定隸屬函數。

1.5 風險概率的模糊估計

在進行風險概率模糊估計前首先應該對各種評判的結果做出各種設定，建立相應的集合，結合隸屬函數構建綜合評判矩陣，綜合評判矩陣表示見式（3）。

式中：rij為的是第i個影響因素占評語集中第j個評語的重要程度。

為反映所有因素的綜合影響，采用因素的權重模糊集和綜合評判矩陣來運算進行風險概率的模糊估計。

式中：C表示風險概率的綜合評判結果，Cj表示綜合評判的結果占評語集中第j個評語的重要程度。

對于式（4）運算，存在許多種計算模型。考慮到本文主要研究各影響因素對山嶺隧道結構健康狀態的綜合影響，故綜合評判運算中選取了加權平均型評判模型。該模型綜合考慮了各種因素，并將各因素對目標影響的大小充分表征了出來，如式（5）所示。

1.6 綜合評價

目前最常用的分別是平均值法和最大隸屬度法兩種評價方法，本文采用最大隸屬度法對隧道安全風險概率進行結果評價處理。其中，最大隸屬度法就是將其中最大的評判指標Cj所對應的評語集作為對綜合分析矩陣C最終的評定結果，表達式如式（6）所示。

V={vi|vi←C中最大元素}（6）

為了對復雜山嶺隧道結構所處的健康狀態進行充分描述，本文選取四級劃分法對復雜山嶺隧道主體結構健康狀態等級進行劃分，具體安全性等級如表3所示。

因此，由最大隸屬度法所建立的綜合評語集可表示為[18]：

V={v1，v2，v3，v4}={I、II、III、IV}

2 應用研究

2.1 工程概況

本文依托京昆高速的重點控制工程大相嶺隧道，隧道采用復合式襯砌，隧址如圖1所示。由于大相嶺隧道建成迄今已有10年之久，受限于當時的施工工藝和材料制造水平，隧

在進行隧道風險評估時，選取典型斷面位置進行分析，該處圍巖級別為V級，通過混凝土裂縫、二襯混凝土強度監測和現場監控量測等，得到的分析斷面處各評判指標的監測數據如表4所示。

2.2 風險綜合評價

在孕險環境方面，斷層及破碎帶、隧道滲漏水和空洞等孕險環境的存在加大了隧道結構滲漏水的風險，對隧道襯砌結構力學性能存在不利影響。因此可得關于斷層及破碎帶、隧道滲漏水和襯砌背后圍巖空洞的相對權重如表5所示。

可得孕險環境條件下各指標所構成的權重集為：

a1=（0.097 0.055 0.037 0.167 0.258 0.386）

λmax=6.242，CI=0.048，CR=0.039<0.1，滿足一致性要求。

在結構體缺陷方面，襯砌厚度不足和初支強度劣化都會致使隧道結構受力增大，進而使得襯砌結構上的裂縫增加。因此所確定的關于襯砌厚度不足、襯砌結構裂縫和初支強度劣化的相對權重如表6所示。

可得結構體缺陷條件下各指標所構成的權重集為：

λmax=5.229，CI=0.057，CR=0.051<0.1，滿足一致性要求。

在荷載作用方面，通過數值計算可以發現大相嶺隧道主體結構受力以軸力為主，且彎矩值遠小于軸力值。因此所確定的主體結構所受軸力和主體結構所受彎矩的相對權重如表7所示。

可得荷載作用條件下各指標所構成的權重集為：

λmax=2.00，CI=0，CR=0<0.1，滿足一致性要求。

故可得孕險環境、結構體缺陷、荷載作用的相對權重如表8所示。

綜上所述，影響大相嶺隧道主體結構健康狀態的各種影響因素權重值如表9所示。

對其進行二級模糊綜合評判可得：

采用最大隸屬度原則對矩陣C進行處理得知，隧道結構安全性最終的評定結果III級，即結構處于潛在不安全狀態，存在一般性損傷和一些可觀測到的隧道病害，安全性能下降，在使用時，需加強監測并采取相應維修對策。風險綜合評判結果與實際工程情況相符，驗證了評估模型的有效性。

3 結論

本文通過層次-綜合模糊分析法建立復雜山嶺隧道運營期的風險評估模型并其應用于大相嶺隧道的風險評估，可以得出以下結論：

（1）基于層次分析法和模糊綜合評判法，對復雜山嶺隧道運營期風險影響因素及其權重進行研究。結果表明，荷載作用是運營期復雜山嶺隧道風險的主控因素，其次是結構體缺陷，孕險環境的對隧道風險的影響最小。

（2）采用了層次-模糊綜合分析法，結合實際工程經驗，建立了復雜山嶺隧道風險影響因素的權重模糊集，確定了指標層各因素隸屬函數，構建了隧道風險綜合評判矩陣，提出了復雜山嶺隧道風險模糊綜合評判方法。

（3）采用上述復雜山嶺隧道風險模糊綜合評判法對大相嶺隧道運營期風險進行了評估，評估結果顯示大相嶺隧道的結構處于第III級的風險等級，即處于潛在不安全狀態。評估結果符合實際，驗證了該評判方法具有有效性和實用價值。

參考文獻

[1] 張永剛，王永紅，王夢恕.渤海灣海底隧道工程施工風險評估與控制分析[J].土木工程學報，2015，48（S1）：414-418.

[2] 史小麗，姚玉玲，付浩然，等.公路隧道施工安全重大風險源風險等級評估方法研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2018，42（6）：906-910.

[3] 劉靖，艾智勇，蘇輝.山嶺隧道新奧法施工過程動態風險評估[J].同濟大學學報：自然科學版，2012，40（8）：1142-1146.

[4] 盧浩，施燁輝，戎曉力.水下隧道盾構法施工安全風險評估探討[J].中國工程科學，2013，15（10）：91-96.

[5] 鄭俊杰，林池峰，趙冬安，等.基于模糊故障樹的盾構隧道施工成本風險評估[J].巖土工程學報，2011，33（4）：501-508.

[6] 劉保國，沈銘龍，馬強.模糊網絡分析法在公路山嶺隧道施工風險分析中的應用[J].巖石力學與工程學報，2014，33（S1）：2861-2869.