基于改進 AHP-突變理論的陡傾邊坡下隧道洞口段施工風險評價

摘要：陡傾邊坡下隧道洞口段施工風險評價是隧道工程災害防治的關鍵任務，科學合理地評估隧道施工風險至關重要。文章以濟新高速公路項目峽里隧道為例，引入最優(yōu)傳遞矩陣來計算影響隧道洞口段施工風險評價指標的權重排序，同時結合突變理論，通過對評估指標值進行無量綱化處理，并根據(jù)權重排序進行歸一化處理，得到了總體的突變級數(shù)值。通過對改進 AHP-突變理論綜合評估和實地調查結果進行對比，發(fā)現(xiàn)結果基本一致，驗證了該方法在隧道洞口段施工風險評估中的可靠性。

關鍵詞：陡傾邊坡下隧道;洞口段施工;風險評價;AHP-突變理論

中圖分類號：U459.2 文獻標志碼：A

0引言

陡傾邊坡下隧道洞口段施工在隧道工程中占重要地位，是關乎后序施工能夠順利進行的關鍵。因此，隧道洞口段施工的綜合風險評價是隧道工程中不可或缺的。近年來，諸多學者對隧道洞口段施工開展了研究，并提出了許多評價方法及相應的措施。宋平原[1]通過結合可拓模型和層次分析法對隧道洞口段作綜合風險評價，得到結果與實際相符，驗證了層次可拓模型的可靠性;楊佳奇[2]利用模糊層次綜合評價法對高寒區(qū)域隧道洞口段施工安全風險進行研究，結果表明了該方法的科學合理性。

綜上所述，本文采用改進層次分析法結合突變理論對陡傾邊坡下隧道洞口段施工風險做綜合評價，通過引入最優(yōu)傳遞矩陣省去一致性檢驗的復雜計算，過程簡潔且精度滿足要求，為隧道洞口段施工風險預測提供了參考。

1改進 AHP-突變理論

1.1改進層次分析法

層次分析法（AHP）是一種決策方法，通過將與決策相關的元素分解為目標、準則、方案等層次，并在此基礎上進行定性和定量分析來進行決策。改進層次分析法使用的是新三標度法[3-4]，能夠更好地判別因素之間的重要性，而且引入最優(yōu)傳遞矩陣后可以省去一致性檢驗，計算過程簡便的同時能夠滿足精度要求。

基于改進層次分析法的計算步驟為：

（1）構建層次分析模型

其中，Dij 表示的是因素 i 和因素 j 之間的重要性對比。

（3）計算重要性排序指數(shù) Qi

（4）構造判斷矩陣 T

式中，k= q min（q max）。

（5）計算矩陣 T 的最優(yōu)傳遞矩陣 L

（6）計算矩陣 T 的擬優(yōu)一致矩陣 H

最后，求出矩陣 H 的最大特征值以及所對應的特征向量，并將特征向量歸一化得到各個指標的權重值。

1.2突變理論

突變理論是一種利用拓撲學作為主要工具，基于結構穩(wěn)定性理論提出的、判別突變和跳躍現(xiàn)象的新原則。Thom 指出，在三維空間和一維時間這4個因素的控制下，突變的類型可以分為7種，而常用的類型如表1所示。

突變理論評價方法的步驟為[5]：

（1）根據(jù)風險類別和層次等級確定相應的風險評價指標，建立風險評價指標體系。

（2）對各個底層風險指標的原始數(shù)據(jù)進行[0～1]的無量綱化處理。

（3）按各個指標的權重排序選相應的突變模型做歸一化計算，得到二級指標的突變級數(shù)值。

（4）根據(jù)各層次指標之間相關性來計算二級指標突變級數(shù)。如果指標之間可以相互彌補， 則采取“互補”原則求其平均數(shù)作為突變級數(shù);如果指標之間并沒有相關性，則求取“非互補”原則取其中的最小值。

（5）對二級指標突變級數(shù)重復（3）和（4）步驟得到總突變級數(shù)。

2 施工風險等級及評價指標

2.1 評價指標選取

本文參考前人研究[6]的基礎上，結合現(xiàn)場勘察情況，從工程地質、自然條件和施工3個因素，選取了以下10個評價指標。

（1）工程地質因素（ X1）：主要包括圍巖級別（ X11）、偏差角度（ X12）、洞口坡度（ X13）和巖體風化程度（ X14）。

圍巖級別（ X11）是指在工程建設中評估巖石圍巖的質量和穩(wěn)定性的等級劃分， 圍巖的等級對隧道穩(wěn)定性起到重要作用。

偏壓角度（ X12）反應的圍巖因巖層傾角與隧道開挖方向夾角的不同，對圍巖內部受力不均勻導致隧道結構的剪切破壞[7]。

洞口坡度（ X13）指的是洞口段邊坡坡度，對坡體的變形和破壞產生重大影響。

巖體風化程度（ X14）指的是巖石受長期風化作用后的破壞程度。

（2）自然條件因素（ X2）：主要因素包括植被覆蓋率（ X21）、降雨（ X22）等自然災害。

植被覆蓋率（ X21）指的是大量的植被可以防止雨水下滲，減少水土流失，有利于坡體穩(wěn)定。

降雨（ X22）指的是雨水下滲增加巖土體飽和度， 導致孔隙水壓增大從而降低土壤的強度至坡體失穩(wěn)。

（3）施工因素（ X3）：主要因素包括隧道及邊坡支護（ X31）、監(jiān)控量測（ X32）、施工技術水平（ X33）和爆破振動（ X34）等。

隧道及邊坡支護（ X31）指的是金屬網支護、鋼拱架支護、噴射混凝土、錨桿支護和擋土墻支護等。

監(jiān)控量測（ X32）指的是對圍巖、支護、地表和襯砌的變形進行觀察和測量，并評估它們的穩(wěn)定性。

施工技術水平（ X33）指在項目實施過程中所采用的技術手段、方法和工藝， 以及施工人員的技能水平和經驗等因素。

爆破振動（ X34）會對圍巖和支護造成強大的沖擊和震動，從而降低它們的穩(wěn)定性。

2.2 施工風險分級標準

根據(jù)陡傾邊坡下隧道洞口段施工的風險情況劃分低風險、中風險、高風險和極高風險4個等級（見表2）。

2.3 隧道洞口段施工風險指標評價體系

將影響隧道洞口段施工穩(wěn)定性評價指標劃分為3個層次，3個二級指標和10個三級指標，具體層次體系如圖1所示。

2.4 改進層次分析法計算各層次因素的權重

（1）比較兩兩因素之間的重要性，構建三級指標工程地質因素的比較矩陣 D，如表3所示。

（2）計算重要性排序 Qi， 據(jù)式（1）可得： q1=7， q2=1，q3=5，q4=3，qmin =1，q max =7。

（3）根據(jù)式（2）計算構造判斷矩陣 T， 如表4所示。

（4）根據(jù)式（3）求判斷矩陣 T 的最優(yōu)傳遞矩陣 L，如表5所示。

（5）根據(jù)式（4）求判斷矩陣 T 的擬優(yōu)一致矩陣 H，如表6所示。

通過矩陣 H 求得其最大特征值為4，將其對應的特征向量歸一化得到其權重向量 P1 為（0.5638， 0.0550，0.2634，0.1178）。按以上步驟分別計算指標權重 P、P2和 P3。

將以上指標權重數(shù)據(jù)按不同層次排序如表7所示。

2.5 隧道洞口段施工總突變級數(shù)評價標準

將隧道洞口段施工風險性的各等級的評價指標值標準化處理為[0～1]的值，再用表1所示的突變理論歸一公式計算得到突變級數(shù)評價標準：低風險0.952～1， 中風險0.885～0.952， 高風險 0.791～0.885，極高風險0～0.791。低風險說明隧道洞口施工風險低，無需處理;中風險說明隧道洞口施工存在一定危險，需要增加監(jiān)控量測的頻率;高風險說明隧道施工風險較大，需對隧道洞口圍巖和邊坡進行錨固和支護處理;極高風險說明隧道洞口會發(fā)生失穩(wěn)，急需停工整改，保證風險排除后才可繼續(xù)施工。

3 工程案例

3.1 工程概況

峽里隧道是擬建在濟源至新安高速公路上的一座分離式隧道。隧道位于峽里村與翟溝后村之間（見圖2），左右兩側進口均位于陡崖中部，垂直等高線展布。工程地質條件較為良好，土石工程分級為 VI 級堅石。

3.2 突變級數(shù)的計算及評價結果

根據(jù)專家對隧道現(xiàn)場地質勘察獲得三級底層評價指標 X11～ X34 的評估值分別為210、38、63、80、75、642、84、4、84、10， 對其標準化處理得0.323、0.367、0.3、0.2、0.75、0.679、0.6、0.19、0.6、0.5。

根據(jù)表1選擇相應的突變模型計算其突變等級值。

對于 X11、X12、X13和 X14采用的蝴蝶突變計算有 PX11=（0.323）1/2=0.568，PX12=（0.367）1/5=0.818， PX13=（0.3）1/3=0.669，PX14=（0.2）1/4=0.669， 因為PX11、PX12、PX13和 PX14相關性較小，采用“非互補”原則，即“大中取小”，得到 PX1=0.568。

對于 X21和 X22采用尖點突變計算有 PX21=（0.75）1/2=0.909，PX22=（0.679）1/3=0.824，因為 PX21與 PX22相關性較小，采用“非互補”原則，即“大中取小”，得到 PX2=0.824。

對于 X21、X32、X33和 X34采用蝴蝶突變計算有 PX31=（0.6）1/2=0.775，PX32=（0.19）1/4=0.660，PX33"""""" =（0.6）1/3=0.843，PX44=（0.5）1/5=0.871，因為 PX31、 PX32、PX33和 PX34相關性較大，采用“互補”原則， 即“取平均值”，得到 PX3=0.787。

由于 PX1、PX2和 PX3相關性較小，采用“非互補”的蝴蝶突變的計算得 MX = min {（PX1）1/3、（PX1）1/4、（PX1）1/2}=0.828。將隧道進口的突變級數(shù)對照突變級數(shù)評價標準得到隧道進口為高風險。

3.3現(xiàn)場工況分析

根據(jù)上述分析結果顯示，隧道進口端的洞口施工風險為高風險。現(xiàn)場施工過程中出現(xiàn)坍塌，臨時支護被破壞，現(xiàn)場情況與風險評估模型結果基本一致，如圖3所示。

4結論

（1）本文通過改進層次分析法將引起隧道洞口段施工風險分為3個層次，以工程地質因素、自然因素、施工因素3個二級指標10個三級指標結合構成的風險評估體系。該方法比傳統(tǒng)層次分析法運算簡便，還降低了專家在評估過程的主觀因素的影響。

（2）突變理論結合改進層次分析法對各指標的權重的排序進行歸一化處理，使得到的結果更為科學合理。

參考文獻

[1]宋平原.基于層次可拓模型的隧道洞口段風險評估[J].公路，2019（5）：292-296.

[2]楊佳奇， 申玉生， 曹幫俊，等.寒區(qū)隧道洞口段施工安全風險研究[J].公路，2020（5）：317-324.

[3]張?zhí)燔姡?蘇琳，喬寶明，等.改進的層次分析法在煤與瓦斯突出危險等級預測中的應用[J].西安科技大學學報，2010（5）：536-542，547.

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[6]劉廣進，彭亞雄，蘇瑩等.基于 AHP -云模型的隧道斷層破碎帶施工風險評價[J].安全與環(huán)境工程， 2023（3）：118-128.

[7]羅晶，彭立敏，施成華，等.不同埋深及偏壓角度條件下隧道力學特性[J].鐵道科學與工程學報，2012（4）：75-78.

（編輯 何 琳）

Construction risk assessment of tunnel entrance section under steep slope based on improved AHP mutation theory

Huang Yanghui， Su Ying， Zhou Zipei， Peng Yaxiong ?

（College of Civil Engineering， Hunan University of Science and Technology， Xiangtan 411201， China）

Abstract The construction risk assessment of the tunnel entrance section under steep slopes is a key task for tunnel engineering disaster prevention and control， and it is crucial to scientifically and reasonably evaluate the construction risks of tunnels. The article takes the Xiali Tunnel of the Jixin Expressway project as an example， introduces the optimal transfer matrix to calculate the weight ranking of the construction risk evaluation indicators affecting the tunnel entrance section. At the same time， combined with mutation theory， the evaluation indicator values are dimensionless processed and normalized according to the weight ranking to obtain the overall mutation level value. By comparing the comprehensive evaluation of the improved AHP mutation theory with the results of field investigations， it was found that the results were basically consistent， verifying the reliability of this method in the risk assessment of tunnel entrance construction.

Key words tunnel under steep slope; construction of the entrance section; risk assessment; AHP mutation theory