王崢崢，張哲，高波，申玉生

(1.大連理工大學 土木工程學院，遼寧 大連，116024；2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都，610031)

20世紀以來，我國已經(jīng)經(jīng)歷了4個地震活躍期。2008年5月12日，四川省汶川縣境內(nèi)發(fā)生里氏8.0級強震，標志著我國開始進入第 5個地震活躍期[1]。據(jù)統(tǒng)計[2?4]，汶川地震后四川災區(qū)的56座隧道遭受不同程度的損壞。因而，隧道并不是“免震”結(jié)構(gòu)，在一定地震強度和復雜地質(zhì)條件下，隧道也會遭受破壞，甚至倒塌。因此，開展高烈度地震區(qū)隧道抗震風險分析與評價是一個現(xiàn)實而又迫切的問題。近年來，學術(shù)界和工程界對工程領(lǐng)域的風險管理研究非常重視，隧道及地下工程領(lǐng)域風險管理理論研究與應(yīng)用發(fā)展迅速，但研究主要集中在隧道施工期間的風險評估與管理[5?7]，專門針對隧道抗震進行風險評估的研究較少。蘇燕等[8]采用擬靜力法及累積損傷破壞機制初步探討了地震作用下隧道及其周圍土層的動力可靠性，并針對上海越江隧道提出了隧道抗震風險評估的基本思路和相應(yīng)的防震控制措施。在模糊綜合評價方面，陳潔金等[9]采用模糊層次分析法對隧道塌方風險進行了評估；蘇永華等[10]采用模糊數(shù)學法對巖體進行了模糊分類。隧道洞口是隧道唯一暴露的部分，所處的地質(zhì)條件差，多為嚴重風化的堆積體，且覆蓋層較薄。已有震害調(diào)查研究[11?13]表明：隧道洞口是其抗震薄弱部位。隧道洞口抗震風險評價具有隨機性與模糊性特點，一般來說，專家的經(jīng)驗和觀點、用戶的要求和意愿等，起著很重要的作用，人們多用如“大約”、“可能”、“差不多”等模糊語言對隧道洞口抗震風險進行評價。如何把這種模糊性加以解析化和定量化，使風險分析建立在科學基礎(chǔ)之上，這就需要應(yīng)用模糊數(shù)學。模糊數(shù)學把二值邏輯轉(zhuǎn)化為連續(xù)邏輯，把絕對的“是”與“非”變?yōu)楦屿`活的東西，在相當?shù)南揲搩?nèi)去相對地劃分“是”與“非”，這并非讓數(shù)學放棄它的嚴謹性去遷就模糊性，相反，是以嚴謹?shù)臄?shù)學方法去處理模糊現(xiàn)象[14]。針對山嶺隧道洞口抗震風險的隨機性與模糊性特點，提出采用模糊綜合評價模型對其進行風險評估。通過統(tǒng)計分析汶川地震中山嶺隧道洞口段震害資料，總結(jié)影響隧道洞口震害的因素，再遴選出主要因素作為模糊綜合評價的影響因子。采用層次分析法和隸屬函數(shù)分別計算隧道洞口段震害各風險因素的相對權(quán)重及各風險因素對洞口段震害風險水平的隸屬度，將各相關(guān)風險因素的權(quán)重與風險因素對風險水平的隸屬度進行模糊綜合運算，得出隧道洞口抗震風險水平，采用模糊綜合評價法對實際工程進行抗震風險評估。

1 隧道洞口抗震風險因素辨識

1.1 汶川地震隧道洞口震害調(diào)查統(tǒng)計

汶川地震后，本文作者趕赴四川災區(qū)，對四川災區(qū)的56座隧道進行了震害調(diào)查，特別是隧道洞口震害情況。隧道洞口震害調(diào)查的重點及損傷度評定分類標準分別見表1和表2[15]。根據(jù)調(diào)查結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得出隧道洞口震害程度，如圖1所示。由圖1可以看出：汶川地震造成四川災區(qū)的56座隧道共112個洞口發(fā)生不同程度的破壞，再一次驗證了隧道洞口是隧道抗震的薄弱環(huán)節(jié)，說明開展高烈度地震區(qū)隧道洞口抗震風險管理是一個現(xiàn)實而又迫切的問題。

表1 隧道洞口段震害調(diào)查重點Table 1 Survey emphasis of seismic damage in portals

表2 隧道洞口段損傷度評定分類Table 2 Degree of seismic damage in tunnel portals

圖1 汶川地震隧道洞口震害統(tǒng)計Fig.1 Statistics of seismic damage of tunnel portals in Wenchuan earthquake

1.2 隧道洞口抗震風險因素

隧道洞口抗震風險事故產(chǎn)生機理可以簡單地描述為：由于隧道洞口孕險環(huán)境的存在，加上致險因子(地震)的作用，就有可能引發(fā)洞口地基失效破壞和洞口結(jié)構(gòu)震動破壞，如圖2所示。

圖2 隧道洞口抗震風險發(fā)生機理Fig.2 Mechanism of seismic risk of tunnel portals

地基失效破壞是指地震引起地基喪失承載力而導致隧道結(jié)構(gòu)破壞，包括斷層錯動、砂土液化和邊(仰)坡失穩(wěn)等。結(jié)構(gòu)震動破壞是指震動過程中由于隧道與圍巖之間的剛度不匹配而產(chǎn)生的運動相互作用使襯砌發(fā)生破壞。其中，地基失效引起的隧道破壞，屬于靜力作用，是由于地基失效產(chǎn)生的相對位移引起隧道破壞；而結(jié)構(gòu)震動破壞則是運動相互作用的結(jié)果，屬于動力作用。因此，隧道洞口抗震風險評估必須辨識風險因素，以便對癥下藥，采取相應(yīng)的抗震風險管理措施，確保隧道結(jié)構(gòu)安全。

1.2.1 地震因素

(1)地震烈度

表3列出了酒家埡隧道、紫坪鋪隧道、龍洞子隧道和龍溪隧道等4座隧道的抗震設(shè)防烈度及在汶川地震中的實際地震烈度。由表3可以看出：汶川地震造成隧道洞口發(fā)生嚴重破壞的一個重要原因就是實際地震荷載遠大于設(shè)計地震水平。

表3 汶川地震中四座隧道洞口地震烈度表Table 3 Seismic intensity of four tunnel portals under Wenchuan earthquake

(2)地震波類型

地震波分為縱波(P波)、橫波(S波)、樂夫波(L波)、瑞利波(R波)4種，其中前2種為體波，在地層內(nèi)部傳播；后2種為面波，在地表淺部傳播。地震時P波傳播最快，其后依次為S波、L波、R波。其中R波傳播最慢，如圖3所示。

對于深埋隧道，體波(P波，S波)起主要作用；對于淺埋隧道，則面波(L波，R波)起主要作用，并且R波對結(jié)構(gòu)的影響比L波的影響要大。一般來說，隧道洞口所處的地質(zhì)條件差，多為嚴重風化的堆積體，且覆蓋層較薄，因此面波對其影響較大。

隧道洞口受R波的作用產(chǎn)生上下運動，襯砌被撓曲，如圖4所示。隧道作為一個縱向的梁，將承受撓曲力、剪切力。其中彎矩最大處產(chǎn)生拱頂壓潰和墻裂(環(huán)裂)，剪力最大處產(chǎn)生錯臺和斜裂。地層上下波動以洞口淺埋段最為明顯，故震害也最多。

圖4 R波作用下隧道變形與開裂機理Fig.4 Deformation and crack mechanism of tunnels under R wave

S波和L波也會使隧道結(jié)構(gòu)變形，它們的作用類似R波作用。

P波產(chǎn)生的地層前后移動，如圖5所示，在橫向P波作用下襯砌將產(chǎn)生受拉區(qū)與受壓區(qū)，從而在強度不足之處產(chǎn)生沿隧道軸向的縱向張開裂縫(受拉破壞)和壓潰區(qū)(受壓破壞)。

圖5 P波作用下隧道變形機理Fig.5 Deformation mechanism of tunnels under P wave

1.2.2 地質(zhì)因素

(1)不良地質(zhì)

隧道洞口的不良地質(zhì)問題主要包括：洞口基礎(chǔ)軟弱；洞口嚴重偏壓；洞口巨厚覆蓋層；洞口邊(仰)坡失穩(wěn)等。其中邊(仰)坡失穩(wěn)導致隧道洞口震害最為普遍，如圖6所示。

(2)埋深

圖6 邊(仰)坡失穩(wěn)導致隧道洞口震害Fig.6 Seismic damage of tunnel portals induced by slope instability

一般來說，深埋隧道震害較淺埋隧道震害輕，也就是說，埋深越大，地震作用下隧道洞口破壞的可能性也就越小。根據(jù)汶川地震隧道洞口震害資料進行統(tǒng)計分析，得出洞口埋深與受損洞口數(shù)量所占比例的關(guān)系，見圖7。由圖7可以看出：受損洞口中近一半(46.43%)是淺埋洞口。

1.2.3 結(jié)構(gòu)因素

(1)結(jié)構(gòu)型式

圖7 埋深與受損洞口的比例關(guān)系Fig.7 Relationship between depth and ratio of number of damage tunnel portals

圖8所示為隧道不同洞門型式的震害情況。并且隧道洞口震害調(diào)查時發(fā)現(xiàn)：重力式洞門(端墻式洞門、環(huán)框式洞門、翼墻式洞門)震害較輕型洞門(削竹式洞門)震害嚴重，并且洞口襯砌厚度大的部位比襯砌厚度小的部位的震害嚴重。這個規(guī)律從側(cè)面說明了柔性結(jié)構(gòu)抗震性能較剛性結(jié)構(gòu)強，也表明隧道洞口可以作為地面結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計。

(2)斷面尺寸

一般來說，隧道開挖斷面越大，洞口圍巖穩(wěn)定性也就越差。根據(jù)汶川地震隧道洞口震害資料進行統(tǒng)計分析，得出隧道開挖斷面尺寸(開挖跨度)與受損洞口數(shù)量所占比例的關(guān)系，見圖9。但開挖跨度大于15 m時，受損洞口數(shù)量所占比例不大，主要是因為目前大跨度隧道數(shù)量相對較小，因此，大跨度隧道洞口震害數(shù)據(jù)收集不多。但憑經(jīng)驗以及大跨度隧道斷面的受力狀態(tài)，還是可以認為跨度越大，地震作用下隧道洞口破壞的可能性也就越大。

(3)明洞長度

一般來說山嶺隧道存在明暗交界處，明洞為隧道暗洞接長部分，約束較暗洞弱，可以認為是地面結(jié)構(gòu)。因此，明洞長度越長，明洞震害也就越嚴重。根據(jù)汶川地震隧道洞口震害資料進行統(tǒng)計分析，得出隧道明洞長度與受損洞口數(shù)量的關(guān)系，見圖10。但明洞長度大于18 m時，受損洞口數(shù)量所占比例不大，主要是因為目前長明洞相對較少，因此，長明洞震害數(shù)據(jù)收集不多。但憑經(jīng)驗以及明洞的受力及約束狀態(tài)，可以認為明洞越長，明洞震害也就越嚴重。

圖8 不同洞門型式震害情況Fig.8 Seismic damage of different tunnel portal structures

圖9 開挖跨度與受損洞口數(shù)量的比例關(guān)系Fig.9 Relationship between excavation span and ratio of number of damage tunnel portals

圖10 明洞長度與受損洞口數(shù)量的比例關(guān)系Fig.10 Relationship between length of cut-and-cover tunnel and ratio of number of damage tunnel portals

2 抗震風險模糊綜合評價模型

2.1 建立風險因素集

進行隧道洞口抗震風險評價時，對以上每個因素進行分析是難以實現(xiàn)的，應(yīng)選擇最重要、影響最大的幾個因素。本文選取7個因素，分別為地震烈度、圍巖級別、埋深、偏壓、開挖跨度、明洞長度、洞門型式等，建立如下因素集U：

式中：u1為地震烈度；u2為圍巖級別；u3為埋深；u4為偏壓；u5為開挖跨度；u6為明洞長度；u7為洞門型式。并且滿足下式：

2.2 建立風險等級及評價集

根據(jù)風險發(fā)生概率等級和損失等級，按表4確定風險等級。

表4 風險等級Table 4 Risk gradation

評價集是對風險事件的風險水平作出可能評價結(jié)果組成的集合，用模糊語言對隧道洞口抗震風險等級評價目標進行分類表述，建立評價集V：

式中：各元素vj表示各種可能的總評價結(jié)果。其中，v1為Ⅰ級(極低風險)；v2為Ⅱ級(低風險)；v3為Ⅲ級(中等風險)；v4為Ⅳ級(高風險)；v5為Ⅴ級(極高風險)。

模糊綜合評價的目的，就是在綜合考慮所有影響因素的基礎(chǔ)上，從評價集中得出最佳的評價結(jié)果。

2.3 確定風險因素的權(quán)重值

在風險因素集中，單個因素相對于評價目標的重要性程度是不同的，為了反映各因素的重要性程度，對各個因素應(yīng)賦予相應(yīng)的權(quán)數(shù)，這些權(quán)數(shù)組成的集合稱為因素權(quán)重集。它反映了各個因素對于評價對象的影響程度，記為W：

采用層次分析法計算風險因素的權(quán)重值，層次分析法通過對風險因素進行兩兩比較，按重要性大小在一個九標度表中進行仿數(shù)量化，見表 5，各因素權(quán)重值構(gòu)成一個“判斷矩陣”，該矩陣在一致性檢驗后，其最大特征值向量為對應(yīng)隧道洞口抗震風險中各因素的權(quán)重向量，向量中的每一個元素對應(yīng)各風險因素的權(quán)重值[16]。

表5 各風險因素重要性大小比較Table 5 Intercomparison of risk factor’s importance

2.4 確定風險因素的隸屬函數(shù)

隸屬函數(shù)的確定是模糊數(shù)學理論的基礎(chǔ)，它的客觀與否決定評價結(jié)果的有效性。隸屬函數(shù)的確定通常是先初步確定粗略的隸屬函數(shù)，然后通過不斷地實踐檢驗，逐漸修正和完善，最終達到主觀與客觀的一致。

地震烈度、埋深、開挖跨度、明洞長度等4個因素與隧道洞口震害發(fā)生概率基本呈正比關(guān)系，根據(jù)隸屬函數(shù)確定原則，地震烈度、埋深、開挖跨度、明洞長度等4個因素采用梯形隸屬函數(shù)[16]，按下式計算：

式中：rij為第i個風險因素第j個風險等級對應(yīng)的隸屬度；a，b，c和d均為模糊數(shù)。

由于圍巖級別因素不便量化，而偏壓和洞門型式2個因素缺乏統(tǒng)計數(shù)據(jù)，故只能采用工程中常用的Karwowski[17]提出的隸屬函數(shù)，如表6所示。

表6 Karwowski推薦的隸屬函數(shù)Table 6 Membership function recommended by Karwowski

將隧道洞口抗震風險各風險因素的隸屬度分別計算，便可形成隧道洞口抗震風險評價矩陣：

式中：rik為第i個風險因素第k個風險等級對應(yīng)的隸屬度。

2.5 模糊綜合評價

應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則對隧道抗震風險的各相關(guān)風險因素進行模糊綜合評價[18]，得到模糊綜合評價集：

根據(jù)最大隸屬度原則，取最大隸屬度cl對應(yīng)于評價集中的元素vl作為最終的評價結(jié)果，即隧道洞口抗震風險水平，用下式表示：

3 應(yīng)用實例

3.1 工程概況

雅(安)—瀘(沽)高速公路為國家高速公路網(wǎng)北京至昆明、西部通道蘭州至磨憨公路的一段，也是四川通往云南的主要通道。雅瀘高速公路起于成雅高速公路止點(里程樁號為K140+340)，止于瀘黃高速公路止點(里程樁號為K2725+000)，路線全長240.378 km，設(shè)計速度為 80 km/h。線路多次跨越安寧河斷裂帶，地震設(shè)防烈度從Ⅶ度到Ⅸ度，地震動峰值加速度為0.15～0.40g(1g=9.8 m2/s)。地震動參數(shù)在我國目前修建的高速公路中是最大的。因此，很有必要對雅瀘高速公路隧道進行抗震風險評估。

扯羊隧道是雅瀘高速公路通過彝海鄉(xiāng)與曹古鄉(xiāng)之間山體而設(shè)計的分離式雙洞隧道，位于安寧河斷裂帶內(nèi)。隧址區(qū)域地震烈度為Ⅸ度，地震動峰值加速度為0.40g。扯羊隧道洞口地質(zhì)狀況見圖11。

3.2 風險評估計算

通過查閱相關(guān)地勘報告和設(shè)計文件，以及現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，得出扯羊隧道洞口抗震風險評估具體計算參數(shù)見表7。

通過對相關(guān)專家和設(shè)計施工等工程技術(shù)人員的調(diào)查與咨詢，統(tǒng)計出各個風險因素的兩兩比較矩陣。根據(jù)層次分析法，得出各個因素權(quán)重，并經(jīng)過一致性檢驗，建立因素權(quán)重集，最后應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則，對評價對象各相關(guān)因素作出綜合評價，評價結(jié)果見表8。

圖11 扯羊隧道洞口地質(zhì)狀況Fig.11 Geological information of Cheyang tunnel portals

表7 扯羊隧道洞口抗震風險因素Table 7 Seismic risk factors of Cheyang tunnel portals

表8 扯羊隧道洞口抗震風險評估結(jié)果Table 8 Evaluation result of seismic risk of Cheyang tunnel portals

3.3 風險評估結(jié)果討論

根據(jù)最大隸屬度原則，得出扯羊隧道進出口抗震風險等級分別為Ⅴ級和Ⅳ級，即“極高風險”與“高風險”，見表8。因此，應(yīng)加強扯羊隧道洞口抗震風險管理，特別是加強進口抗震措施。

4 結(jié)語

(1)統(tǒng)計分析了汶川地震隧道洞口典型震害情況，總結(jié)了影響隧道洞口抗震風險因素，并選取了 7個最主要因素作為模糊綜合評價的影響因素。

(2)針對隧道抗震風險的隨機性與模糊性特點，提出采用模糊綜合評價模型對其進行風險評估。其中采用層次分析法計算風險因素的權(quán)重值，并應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則對隧道洞口抗震風險的各相關(guān)風險因素進行模糊綜合評價。

(3)采用模糊綜合評價模型對實際隧道進行抗震風險評估，得出實際隧道抗震風險水平，為隧道洞口抗震設(shè)計提供參考。

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