李昌龍，盧鳳文，姬同旭

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽 550081)

1 概 述

近年來，公路隧道建設(shè)突飛猛進(jìn)，施工建設(shè)中各種地質(zhì)災(zāi)害也屢屢發(fā)生，尤其是隧道塌方災(zāi)害最為突出。一旦隧道發(fā)生塌方災(zāi)害，不但危及施工人員生命財(cái)產(chǎn)安全，而且大幅度增加公路建設(shè)周期和投資費(fèi)用等。

通過總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，若在隧道施工過程中建立動態(tài)塌方災(zāi)害評價(jià)預(yù)警體系，通過隧道施工揭示的地質(zhì)信息輸入體系可快速輸出結(jié)果警示災(zāi)害情況，有益于隧道施工防災(zāi)減災(zāi)。目前，隧道災(zāi)害評估預(yù)警有兩種模式：一是考慮施工環(huán)境和地質(zhì)信息的災(zāi)害綜合預(yù)警，常用打分法評價(jià)，可參考《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指南》(試行2011)，方法簡單、快捷，且結(jié)果已基本被相關(guān)建設(shè)人員認(rèn)同；二是僅考慮地質(zhì)信息或動態(tài)地質(zhì)信息的災(zāi)害綜合預(yù)警，常用模糊評價(jià)法+層次分析法評價(jià)，其方法使用較繁瑣，但評估結(jié)果對災(zāi)害判別更具方向性和準(zhǔn)確性。所以，模糊評價(jià)法可作為建立動態(tài)塌方災(zāi)害評價(jià)體系的基本方法。

模糊評價(jià)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(biāo)度法等基礎(chǔ)上[1]。模糊評價(jià)法已被廣泛應(yīng)用于工程災(zāi)害等風(fēng)險(xiǎn)識別和評判中，其優(yōu)點(diǎn)是方法簡單、結(jié)果較準(zhǔn)確；缺點(diǎn)是評價(jià)因子難以確定、部分因子可能存在越界、計(jì)算繁瑣等問題。在隧道施工中的地質(zhì)災(zāi)害方面，已有學(xué)者進(jìn)行相關(guān)分析和試用。例如，劉學(xué)增等提出采用模糊評價(jià)預(yù)警方法，對隧道施工前、施工中的塌方災(zāi)害進(jìn)行評價(jià)預(yù)警，并形成了評價(jià)預(yù)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(fēng)險(xiǎn)評估，并建立了評價(jià)的因素及權(quán)重體系[2]；王元漢等采用模糊數(shù)學(xué)法用戶評判預(yù)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(jià)法聚合多種巖爆方法判別結(jié)果，進(jìn)而對巖爆等級進(jìn)行預(yù)測。

綜上，由于模糊評價(jià)法在隧道施工動態(tài)評價(jià)因素確定等細(xì)節(jié)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(tài)信息，進(jìn)一步對塌方災(zāi)害模糊評價(jià)預(yù)警分析，其目的是為了更加明確隧道施工塌方動態(tài)評價(jià)的因素確定和模糊評價(jià)法的計(jì)算思路。

2 模糊評價(jià)預(yù)警理論分析

2.1 評價(jià)預(yù)警流程

通過文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)分析，隧道塌方模糊評價(jià)預(yù)警包括確定評價(jià)指標(biāo)體系、概率標(biāo)度確定、評價(jià)等級確定、模糊聚合評價(jià)4個(gè)部分，評價(jià)流程見圖1。

2.2 評價(jià)指標(biāo)體系

參考文獻(xiàn)[1]，可將隧道施工過程中的塌方災(zāi)害評價(jià)體系的指標(biāo)劃分為一級指標(biāo)和二級指標(biāo)。一級指標(biāo)為父級，二級指標(biāo)為子級。文獻(xiàn)[1]在評價(jià)前以斷層破碎帶和非斷層破碎帶為前提，劃分的基本依據(jù)是對最薄弱或最易造成塌方的地質(zhì)條件因素加強(qiáng)考慮。在對實(shí)際工程進(jìn)行評價(jià)時(shí)，可以參考該體系，也可以動態(tài)調(diào)整指標(biāo)體系。以斷層破碎帶塌方評價(jià)體系為例，可根據(jù)概率和規(guī)模劃分為圖2、圖3的評價(jià)體系[1]。

圖1 塌方模糊評價(jià)預(yù)警流程

圖2 塌方概率評價(jià)體系

2.3 概率標(biāo)度確定

2.3.1 方法分析

由于層次分析法計(jì)算速度慢且較復(fù)雜，可考慮融合層次分析標(biāo)度法的結(jié)論形成新的標(biāo)度方法——乘積標(biāo)度法，見表1。

表1 層次分析法的4種標(biāo)度法

綜合表1的4種標(biāo)度法與塌方災(zāi)害情況分析，選擇使用乘積標(biāo)度法進(jìn)行兩兩比較更適用，因此采用乘積標(biāo)度法進(jìn)行構(gòu)造評價(jià)指標(biāo)之間的權(quán)重體系。權(quán)重計(jì)算方法如下：

1) 一個(gè)因素A比另一個(gè)因素B稍微大時(shí)：

A∶B=(1.286+1.500+1.277)/3∶1

=1.354∶1

2) 在1)的基礎(chǔ)上，若C比A稍微大時(shí)：

C∶A=1.354×1.354∶1.354

C∶B=1.354×1.354∶1

根據(jù)指標(biāo)數(shù)量和大小關(guān)系上的排序，采用第三個(gè)權(quán)重平方或權(quán)重相等的形式遞增即為乘積標(biāo)度法，常用比較見表2。

表2 乘積標(biāo)度法權(quán)重分配表

注：①一般使用分為相同和稍微大；明顯大、強(qiáng)烈大、極端大指標(biāo)的設(shè)立顯得指標(biāo)存在的意義相對可靠度降低。②若A指標(biāo)比B指標(biāo)極端大時(shí)，B沒有存在的必要性。

2.3.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

采用乘積標(biāo)度法可計(jì)算父子層因素的權(quán)重標(biāo)度，可參見表3。

表3 斷層破碎帶塌方的總體評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.4 子層因素量化

可參考隧道設(shè)計(jì)等相關(guān)規(guī)范規(guī)程，以及工程地質(zhì)手冊、經(jīng)常數(shù)值量化評價(jià)指標(biāo)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(jì)算

1)參考文獻(xiàn)[1]評價(jià)指標(biāo)與評價(jià)等級關(guān)系見表5，數(shù)值型的計(jì)算公式如下(三角隸屬度法)：

表5 評價(jià)指標(biāo)與評價(jià)等級關(guān)系

(1)

(2)

(3)

(4)

當(dāng)ak,1

(5)

當(dāng)ak,1>ak,3時(shí)：

(6)

2) 計(jì)算方法。以表4中的因子為例：

當(dāng)因子為數(shù)值時(shí)，用隸屬公式進(jìn)行計(jì)算評價(jià)向量，不作贅述。

當(dāng)因子為數(shù)值時(shí)，直接用數(shù)字標(biāo)注向量，如巖性指標(biāo)中為硬質(zhì)巖時(shí)，評價(jià)矩陣為[1,0,0,0]；如斷層性質(zhì)為壓扭斷層時(shí)，評價(jià)矩陣為[0.5,0.5,0,0]。

2.6 模糊聚合評價(jià)計(jì)算

2.6.1 模糊向量

模糊評價(jià)因子矩陣用R表示，可能性評價(jià)中R為n×4階矩陣，概率規(guī)模評價(jià)中R為n×3階矩陣(n為一級指標(biāo)、二級指標(biāo)的個(gè)數(shù))。Ri為評價(jià)向量，通過隸屬度計(jì)算(計(jì)算方法)確定。

2.6.2 模糊向量與標(biāo)度融合

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

Q=ωi·Ri

(7)

2)二級融合。二級融合為父因素標(biāo)度與一級融合結(jié)果之間的融合，父因素的標(biāo)度用W表示，二級融合結(jié)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(jù)評價(jià)值F得到隧道災(zāi)害的概率等級和規(guī)模等級，見表6。

表6 塌方概率等級和規(guī)模等級值

3 工程實(shí)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(zhuǎn)曲線上，隧道中部位于直線上，隧道進(jìn)口端位于半徑為250 m的左轉(zhuǎn)曲線上。隧道設(shè)計(jì)縱坡進(jìn)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(jià)指標(biāo)值見表7、表8。

評價(jià)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(guī)模等級為Ⅱ(中型)。在該段隧道二次襯砌后一個(gè)月內(nèi)發(fā)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(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218-2014)附表E.0.1，該段破壞規(guī)模屬于中型塌方。

表7 動態(tài)概率等級評價(jià)指標(biāo)體系

表8 動態(tài)規(guī)模評價(jià)指標(biāo)體系

續(xù)表8

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

本文對模糊評價(jià)預(yù)警理論進(jìn)行分析，并引入了相應(yīng)案例進(jìn)行評價(jià)，獲得如下結(jié)論：

1) 模糊評價(jià)法可較好地應(yīng)用于隧道施工中的動態(tài)塌方評價(jià)預(yù)警。

2) 乘積標(biāo)度法可用于評價(jià)因素標(biāo)度計(jì)算，且可進(jìn)一步簡化模糊評價(jià)步驟。

3) 總結(jié)了隸屬度向量計(jì)算的兩種思路。

4.2 建 議

1) 宜根據(jù)隧道特點(diǎn)建立獨(dú)立的塌方評價(jià)預(yù)警體系。

2) 體系中輸入的參數(shù)應(yīng)以實(shí)際開挖揭示的信息為準(zhǔn)。

3) 根據(jù)評價(jià)體系的共性，通過軟件編寫評價(jià)體系，可快速應(yīng)用并解決工程評估預(yù)警問題。