黃惠峰，張獻(xiàn)州，張 拯，劉 龍，喻 巧，樂亞南

（西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都610031）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會的進(jìn)步，生產(chǎn)安全與運營的要求越來越高。安全狀態(tài)評估是實現(xiàn)安全生產(chǎn)與運營管理現(xiàn)代化、科學(xué)化的重要手段。運用安全監(jiān)測方法對高風(fēng)險的隧道工程的運營狀態(tài)進(jìn)行實時的安全評估，具有重大的現(xiàn)實意義。目前的安全監(jiān)測手段眾多，安全評價方法不一，找到最適合實際工程的方法是本文探討的關(guān)鍵問題。

1 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的隧道安全狀態(tài)評估模型

隧道安全評價是根據(jù)隧道施工或者運營期間影響隧道安全的各種定量與非定量因素所表現(xiàn)的信息，運用各種理論或方法綜合評判隧道的實際工況，判斷隧道的安全性是否滿足現(xiàn)行規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求的方法。

由于影響隧道安全的因素很多，各因素的重要性各不相同，評價者主觀因素對隧道安全狀態(tài)評估結(jié)果的影響較大，因此現(xiàn)有的安全狀態(tài)評估模型不能最真實地反映隧道的實際安全狀況［1］。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能利用其自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、高抗干擾能力及強容錯性的優(yōu)勢自動調(diào)節(jié)各個影響因素的權(quán)重，能吸收學(xué)習(xí)樣本中專家的思維及經(jīng)驗，能高效率高精度地求解，得出更為合理的評價結(jié)果。

1．1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是誤差反傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的簡稱，它是一種多層前饋式誤差反傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由單個輸入、輸出及單個或多個隱含層構(gòu)成，每層包括若干數(shù)量的無相關(guān)聯(lián)系的節(jié)點，鄰層之間的節(jié)點由權(quán)值連接。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法原理是通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)樣本與網(wǎng)絡(luò)實際輸出之間的誤差，修正節(jié)點之間的連接權(quán)值，使輸出與期望輸出盡可能的一致（輸出誤差平方和最小）。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由信號正向傳播與誤差逆向傳播兩個學(xué)習(xí)過程的反復(fù)記憶訓(xùn)練，使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到收斂為止。它在信息處理方式方面具有信息并行處理、極強的容錯性，具有自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)能力，其主要優(yōu)點在于網(wǎng)絡(luò)具有極強的非線性映射能力，能解決多維非線性問題。

1．2 評價模型的構(gòu)建

隧道安全狀態(tài)評估主要包括評價指標(biāo)體系的建立、評價指標(biāo)度量方法及安全綜合評估3個方面。

1．2．1 隧道安全狀態(tài)評估體系及評價集設(shè)計

隧道屬于高度非靜定結(jié)構(gòu)物類別，影響其安全狀態(tài)的影響因子眾多，受到土木工程領(lǐng)域中各類復(fù)雜問題的交叉影響。［2］本文只探討變形監(jiān)測領(lǐng)域中基于隧道變形監(jiān)測成果的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在此類隨機(jī)的、模糊的工程問題中的應(yīng)用。因此，本文中的隧道安全狀態(tài)評估體系構(gòu)建僅考慮變形監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)的內(nèi)容。

評價集是關(guān)于隧道安全狀態(tài)“優(yōu)”“劣”的描述，是評價指標(biāo)所屬等級的集合。將評價集分成5級，用集合V表示：

V ＝ ｛V（i），i＝1，2，3，4，5｝＝ ｛正常，基本正常，輕度異常，重度異常，惡性失常｝

其評價集的安全系數(shù)取值范圍為［0～1］，各級系數(shù)范圍下文中將探討。

1．2．2 隧道安全狀態(tài)評估指標(biāo)度量方法

監(jiān)測指標(biāo)是一種用來衡量隧道運營是否正常與安全的數(shù)值界限，是反映隧道處于安全、病態(tài)、危險三類狀態(tài)的界限值，可以分為警戒值與危險值兩類。對監(jiān)測指標(biāo)的度量即主要從數(shù)值表現(xiàn)和趨勢表現(xiàn)兩個方面對單個監(jiān)測點的實測成果進(jìn)行分析。

本文主要研究定量指標(biāo)數(shù)值表現(xiàn)的度量方法（見圖1）。

圖1 隧道安全狀態(tài)評估指標(biāo)體系

其監(jiān)測指標(biāo)度量模型可以表示為

其中，n為實測效應(yīng)量總數(shù)，t為自由度。

用［ymax］和［ymin］表示監(jiān)測指標(biāo)的限制值，可將評價集的5級狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值表現(xiàn)：

1 級：［ymin］≤y≤ ［ymax］，且－2S≤y≤＋2S；

2級：［ymin］≤y≤［ymax］，且－3S≤y≤－2S或者＋2S≤y≤＋3S；

3級：［ymin］≤y≤［ymax］，且y＜－3S或者y＞＋3S；

4級：y＜［ymin］或者y＞［ymax］，且y≥－3S或者y≤＋3S；

5級：y＜［ymin］或者y＞［ymax］，且y＜－3S或者y＞＋3S。

1．2．3 安全狀態(tài)評估

隧道安全狀態(tài)評估可以轉(zhuǎn)換成評價特征空間的映射問題［3］。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有其良好的非線性映射能力，能實現(xiàn)對多維空間的任意映射。一個三層（輸入層、隱含層與輸出層）的BP可以任意逼近連續(xù)函數(shù)。評價指標(biāo)數(shù)與評價等級數(shù)的乘積為輸入層節(jié)點數(shù)目，評價等級數(shù)目即為輸出層節(jié)點數(shù)，隱含層節(jié)點數(shù)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自行調(diào)整確定。對隧道的安全狀態(tài)評估，首先要根據(jù)隧道各級監(jiān)測項目建立評價指標(biāo)體系，然后根據(jù)評價指標(biāo)體系，自下而上依次評價下層評價因子的結(jié)構(gòu)性態(tài)和上層評價因子的結(jié)構(gòu)性態(tài)，逐級至頂層隧道整體性態(tài)做出最終的評判。

下文將會詳細(xì)闡述安全狀態(tài)評估相關(guān)步驟及算例。

2 隧道變形監(jiān)測

某山嶺直線型隧道位于新疆阿克蘇地區(qū)丘里塔格戈壁山區(qū)，此地區(qū)雅丹地貌發(fā)育，巖石風(fēng)化嚴(yán)重，溝谷深切，自然條件惡劣。隧道全長1 983．0 m，設(shè)計坡度－41．4‰，軸線方向112°47′30″。隧址區(qū)在大地構(gòu)造單元上，位于塔里木板塊之阿克蘇坳陷的丘里塔格構(gòu)造帶。阿克蘇坳陷是南天山中段新構(gòu)造運動異常強烈的地區(qū)，內(nèi)部發(fā)育有四排近東西向展布的逆斷裂－背斜帶，東丘里塔格背斜屬其中的丘里塔格逆斷裂－背斜帶東段部分，其構(gòu)造運動尤為強烈。隧道安全使用數(shù)年來，隧道洞身和地表均出現(xiàn)不同程度的開裂和沉降現(xiàn)象。為準(zhǔn)確掌握此隧道的變形發(fā)展趨勢，保障整個隧道工程的安全運營，必須利用變形監(jiān)測手段進(jìn)行分析及災(zāi)害的預(yù)測評估。

2．1 監(jiān)測方案

工程測量技術(shù)需實現(xiàn)半自動化監(jiān)測，進(jìn)行周期性觀測；傳感器技術(shù)實現(xiàn)實時、連續(xù)、自動化監(jiān)測。這種多頻次、多傳感器、多數(shù)據(jù)源、多模型的綜合監(jiān)測技術(shù)，可以彌補各技術(shù)的不足，發(fā)揮各技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)數(shù)據(jù)相互檢核，得出最可靠的分析與評估結(jié)論。

對隧道的監(jiān)測主要包括隧址區(qū)域變形監(jiān)測、隧道地表沉降監(jiān)測、隧道圍巖收斂監(jiān)測、隧道裂縫和應(yīng)力及滲水監(jiān)測。隧址區(qū)域變形監(jiān)測分為4個GPS靜態(tài)觀測點及2個需要實時、連續(xù)、不間斷進(jìn)行觀測的GPS連續(xù)運行參考站，GPS連續(xù)運行參考站自動化監(jiān)測運用GNSS Spider系統(tǒng)進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)的接收和解算，使用Geo MoS Monitor系統(tǒng)［5］進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)投影來獲取區(qū)域位移在坐標(biāo)軸方向上的位移變化趨勢；隧道地表沉降監(jiān)測采用精密二等水準(zhǔn)測量的方法對隧道內(nèi)每隔120 m一個監(jiān)測點進(jìn)行周期性的測量；隧道圍巖收斂監(jiān)測采用周期性監(jiān)測和實時監(jiān)測手段結(jié)合的辦法，用徠卡測量機(jī)器人T M30參考高速鐵路CPIII技術(shù)自由設(shè)站邊角交會法進(jìn)行隧道監(jiān)測網(wǎng)的測量。測點間距為50 m，自由設(shè)站間距為100 m。每個斷面布設(shè)3個靶標(biāo)（拱頂、兩側(cè)拱腰）。其中實時監(jiān)測用Geo MoS Monitor系統(tǒng)可對全測量機(jī)器人進(jìn)行通訊配置、數(shù)據(jù)接收等功能，使用Geo MoS Analyzer系統(tǒng)可對變形信息進(jìn)行可視化分析；隧道裂縫、應(yīng)力及滲水監(jiān)測主要采用傳感器系統(tǒng)DATATAKER配合裂縫傳感器、應(yīng)力傳感器和滲壓計在線實時監(jiān)測，裂縫監(jiān)測還可應(yīng)用近景攝影測量的方法進(jìn)行周期性監(jiān)測。其中周期性監(jiān)測為每季度一次，實時監(jiān)測為各個系統(tǒng)按需設(shè)定，如圖2所示。

圖2 隧道位移監(jiān)測網(wǎng)示意圖

整個變形監(jiān)測工程分為實時監(jiān)測系統(tǒng)和人工周期性監(jiān)測，其中實時監(jiān)測是由供電系統(tǒng)、通訊傳輸系統(tǒng)、在線傳感器采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)組成的物聯(lián)網(wǎng)模式遠(yuǎn)程自動化系統(tǒng)。監(jiān)測區(qū)域采用分級布網(wǎng)，CORS／GPS監(jiān)測網(wǎng)為首級控制網(wǎng)，隧道三維位移監(jiān)測網(wǎng)為二級控制網(wǎng)，兩者之間通過洞口的觀測墩進(jìn)行聯(lián)系。

2．2 變形監(jiān)測成果

隧址區(qū)域變形監(jiān)測的實時監(jiān)測主要由埋設(shè)兩個CORS站實時監(jiān)測點來反映變形特征，有6 h、12 h和24 h解算監(jiān)測數(shù)據(jù)，圖3為CORS1的24 h監(jiān)測位移曲線。

隧道地表沉降監(jiān)測主要采用人工精密二等水準(zhǔn)測量的方法完成監(jiān)測及解算，2011年11月至2013年4月，隧底沉降監(jiān)測得到的水準(zhǔn)監(jiān)測點高程信息如表1所示。

圖3 連續(xù)運行監(jiān)測站CORS1的24 h監(jiān)測位移曲線

表1 隧底沉降監(jiān)測成果m

隧道全站儀實時自動化位移監(jiān)測采取一天每隔4 h采集一次位移數(shù)據(jù)，通過與首期數(shù)據(jù)比較得到隧道26個監(jiān)測點2013年10～12月間的北方向位移變化趨勢（見圖4）。圖5為隧道進(jìn)口端DX0000－DX1000范圍內(nèi)22支裂縫傳感器監(jiān)測到的裂縫變化趨勢。

目前，針對變形監(jiān)測成果最普遍的安全狀態(tài)評估方法是采用人工對每項監(jiān)測項目的監(jiān)測成果進(jìn)行簡單的分項指標(biāo)評價。由于具體問題復(fù)雜多樣，各個監(jiān)測項目的重要性不盡相同，評價結(jié)果往往受主觀因素的影響較大，缺乏系統(tǒng)的、科學(xué)的整體評價方法，因此下文將探究運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行隧道安全狀態(tài)評估。

3 隧道安全狀態(tài)評估

3．1 隧道安全狀態(tài)評估步驟

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與變形監(jiān)測成果的隧道安全狀態(tài)評估具體步驟如下：

1）生成學(xué)習(xí)樣本。隧道安全狀態(tài)評估BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸入對各個評價指標(biāo)和評價集歸一化后的隸屬度，輸出各評價指標(biāo)的上層評價目標(biāo)。通過對各個評價指標(biāo)因子結(jié)構(gòu)性態(tài)的排列組合得到學(xué)習(xí)樣本的輸入層。以隧道體變形為例（見圖1），取隧底沉降、襯砌位移、圍巖應(yīng)力和隧體裂縫4個因子，如果輸入全為正常，其輸入矢量為（1，0，0，0，0，1，0，0，0，0，1，0，0，0，0，1，0，0，0，0），如 果 輸 入 全 為基本正常，其輸入矢量為（0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0，1，0，0，0，0，1，0，0，0），以此類推，總的輸入矢量維數(shù)為54＝625。學(xué)習(xí)樣本的輸出層則需要通過推理或者咨詢行業(yè)專家得到。如輸入全為正常，則可以推理得到輸出肯定全為正常，如果4個評價因子有一個正常一個重度異常其他為基本正常等復(fù)雜情況，則需通過專家的判斷給出合理的輸出結(jié)果。

圖4 隧道位移監(jiān)測點北方向位移實時變化趨勢

圖5 隧道裂縫實時監(jiān)測變化趨勢

2）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。對于生成好的學(xué)習(xí)樣本，通過MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的學(xué)習(xí)，網(wǎng)絡(luò)獲取學(xué)習(xí)樣本中體現(xiàn)的評價專家的知識經(jīng)驗。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練達(dá)到設(shè)置的目標(biāo)精度時，應(yīng)用這一網(wǎng)絡(luò)可以對樣本集以外的任一輸入進(jìn)行映射，最后得出能再現(xiàn)專家思維與經(jīng)驗的比較科學(xué)合理的評價結(jié)論。

3）逐級評價，得出最終結(jié)果。逐級輸入下層評價指標(biāo)對評語集的隸屬度矩陣，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得出相鄰上級評價目標(biāo)的評價結(jié)果，最終按照最大隸屬度原則，對隧道實際安全性態(tài)進(jìn)行綜合評價［6－9］。

3．2 隧道安全狀態(tài)評估分析

隧道從進(jìn)口DX0060開始每隔120 m設(shè)置共計18個斷面，其中斷面前后60 m內(nèi)所做的監(jiān)測項目包括隧底沉降、襯砌位移、圍巖應(yīng)力和隧體裂縫進(jìn)行綜合，對此斷面做安全綜合評價。為了更好地監(jiān)測隧道安全，應(yīng)監(jiān)測隧址區(qū)域范圍內(nèi)的變形，并通過巡視的手段檢視隧道內(nèi)的滲流、裂縫情況。本文選取DX0060 DX0540 DX0900 DX1020 DX1380 DX1860總共6個斷面做基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與變形監(jiān)測成果的隧道安全狀態(tài)評估。選取2012年10月至2014年3月間的定量觀測資料做安全狀態(tài)評估分析，如表3～表5所示。

表3 隧底沉降對評價集的隸屬度

表4 隧道變形對評價集的隸屬度

表5 隧道整體性態(tài)對評價集的隸屬度

根據(jù)表3～表5中對隧道隧底沉降、隧道變形及隧道整體性態(tài)的評價隸屬度，由最大隸屬度原則可知：隧底沉降均正常，隧道變形也趨向正常，隧道整體性態(tài)方面均為正常，隧道安全狀態(tài)評估結(jié)果為安全。

為了證明該方法具有合理性，本文將DX0060斷面的4個評價因子加入部分的變形超限量，再由該方法得出隧道變形和隧道整體性態(tài)對評價集的隸屬度：

隧道變形：正常0．327 1，基本正常0．371 9，輕度異 常 0．266 0，重 度 異 常 0．022 7，惡 性 失 常0．012 3；

隧道整體性態(tài)：正常0．251 7 基本正常0．300 4，輕度異常0．411 3，重度異常0．019 8，惡性失常0．016 8；

加入少量變形超限量后，評價結(jié)果發(fā)生變化。由最大隸屬度可知，隧道變形屬于基本正常，隧道整體性態(tài)為輕度異常，則該隧道處于病態(tài)，其結(jié)果由變形監(jiān)測成果超限決定。該結(jié)果與專家判斷一致，可見，該方法具有一定的科學(xué)性。

4 結(jié)束語

隧道變形監(jiān)測是隧道安全性態(tài)分析與綜合評估的基礎(chǔ)，對監(jiān)控隧道的安全運營具有重要的作用。由于隧道工作環(huán)境比較惡劣，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，監(jiān)測量影響因素眾多，常規(guī)的測量手段難以獲取全面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，加上傳統(tǒng)的安全狀態(tài)評估方法受評價者主觀意識影響較大，難以得出比較合理的安全狀態(tài)評估結(jié)果。本文研究BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)模式下變形監(jiān)測成果的隧道安全狀態(tài)評估，既克服了以往監(jiān)測手段的不足，也能彌補安全狀態(tài)評估方法的缺陷，能得出比較科學(xué)合理的結(jié)論。

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