摘要：為了有效評價病害隧道的穩(wěn)定性，判別病害隧道穩(wěn)定性的等級，文章基于隧道病害的洞體監(jiān)測、抽芯取樣、內(nèi)輪廓監(jiān)測及地質(zhì)雷達的實地檢測手段，引入了模糊數(shù)學(xué)綜合評價理論，優(yōu)化采用加權(quán)平均算子，對隧道的病害等級進行量化評級。該綜合評價結(jié)果能夠涵蓋所有的測試參量，反映隧道的受損等級，驗證了模糊綜合評價理論在隧道穩(wěn)定性評價中的合理性。

關(guān)鍵詞：模糊理論；隧道；病害檢測；綜合評價

0引言

隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展需要，我國修建了大量的交通、水利水電及國防工程隧道。但由于隧道的修建是將原有的地質(zhì)體平衡打破，人為地改變隧道周邊圍巖體的應(yīng)力及所處的水文地質(zhì)狀態(tài)，而在隧道的運營期間，隧道場區(qū)的地應(yīng)力及滲流場必然會尋求新的平衡，因此，必然會對隧道襯砌及洞內(nèi)構(gòu)筑物產(chǎn)生影響。倘若隧洞體難以抵抗地質(zhì)體的應(yīng)力調(diào)整及地下水的滲透壓調(diào)整，也會對隧洞產(chǎn)生侵蝕破壞，從而產(chǎn)生隧洞的各類病害。因此，要維系隧道的正常運營，必須對病害隧道進行有效檢測，基于可靠的穩(wěn)定性評價，有針對性地對病害隧道進行整治。

國內(nèi)外學(xué)者針對隧道運用模糊理論開展了各種研究，學(xué)者們?nèi)〉昧溯^多的成果［1-7］。其中，賈雷［8］主要是基于地質(zhì)雷達對二襯進行質(zhì)量檢測，以此為基礎(chǔ)運用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論建立模糊評價體系。石峰［9］主要基于粗糙集和灰色-模糊理論建立了運營交通隧道的隧道結(jié)構(gòu)健康狀況評價模型，用以定量評價隧道的健康值。李科等［10］采用了模塊實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并基于模糊PID控制技術(shù)建立構(gòu)建隧道有害氣體的模糊評價系統(tǒng)。吳波等［11］結(jié)合模糊理論與熵權(quán)理論，針對隧道鐵路施工階段瓦斯安全風(fēng)險評估，建立了安全風(fēng)險評價體系。

國內(nèi)外關(guān)于隧道病害的模糊評價的研究，主要是針對隧道在施工期間可能存在的瓦斯、毒氣、施工安全及圍巖穩(wěn)定性等方面，且所采用的模糊理論并沒有形成較為系統(tǒng)的評價方法。而對于運營期間隧道病害的模糊評價研究明顯不足，現(xiàn)有的關(guān)于隧道病害的模糊理論的研究也為未能完善地提出評價的有效方法。本研究主要針對病害隧道提出了以隧道病害檢測為基礎(chǔ)，運用模糊綜合評價理論，采用適宜隧道病害評價的模糊算子，構(gòu)建評價隧道穩(wěn)定性的評價基本方法及評價指標(biāo)。

1 模糊綜合評價理論

1.1 模糊評價基本原理

模糊綜合評價理論是借助模糊數(shù)學(xué)的概念，將自然界中邊界不清晰、難以定量化的問題進行量化，從多個因素對被評價對象隸屬等級狀況進行綜合評價的一種手段。

首先，確定被評價對象各級評價指標(biāo)論域U、評語集合論域V，再分別確定各個因素的權(quán)重，從而求得評價向量矩陣；通過采用適當(dāng)?shù)哪：阕樱瑢⒏髦笜?biāo)的權(quán)重與模糊矩陣進行合成，并把模糊評價矩陣與指標(biāo)的權(quán)矢量進行模糊運算后再進行歸一化處理，最終獲得模糊綜合評價結(jié)果。

1.2 明確病害隧道綜合評價指標(biāo)及評語論域

病害隧道受多種地質(zhì)環(huán)境及施工因素的影響，地質(zhì)環(huán)境的影響因素多樣復(fù)雜，各因素的獨立作用和耦合作用所導(dǎo)致的隧道病害類型各異。此外，隧道地質(zhì)環(huán)境是在自然條件下不斷變化的，其不斷發(fā)展變化勢必會對原有的隧道產(chǎn)生影響。因此，隧道的病害影響因素較多，且各因素的影響程度各異，需要采用一套綜合性的評價體系，將各影響因素進行整合，綜合評價隧道的穩(wěn)定性。首先，需要對各病害因素進行區(qū)分，即隧道病害評價指標(biāo)的確定。

隧道的評價指標(biāo)適宜取用多層級的評價指標(biāo)，從而能夠獲得更加接近實際的評價結(jié)果，即：

1.5 分析評價向量確定隧道病害等級

上述的合成計算后，最后可以獲取到針對評定評價對象等級的評價向量A，模糊評價的最終結(jié)果是借助于評價向量開展的。運用最大隸屬度原則，采用評價向量A中最高比例數(shù)值所對應(yīng)的評語作為全局評價對象的評價級別。

即按照最大隸屬度原則，針對評價結(jié)果向量A=（a1，a2，a3，…an）中當(dāng)ak=Max{aj}時，被評價的對象其總體上屬于第k等級。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

西南某山嶺隧道，其所在的隧址區(qū)構(gòu)造作用較弱，無明顯斷層；其地層較簡單，層理清晰分明。地層巖性從進口到出口地層依次為：砂巖、石灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖、石灰?guī)r及薄層狀砂巖。隧道全長784 m，屬于二級同村公路隧道。隧道起迄里程為K23＋646～K24＋426。隧道設(shè)計為雙向二車道，設(shè)計交通流量為650輛/h（二車道），行車速度為50 km/h。隧道行車寬度為7.5 m。隧道投入使用后，歷經(jīng)12年的運營，陸續(xù)出現(xiàn)了大范圍的襯砌滲漏水及部分襯砌結(jié)構(gòu)裂縫等不良病害，隧道行車安全及行車環(huán)境受到嚴重威脅，致使該隧道長時間終止運行，嚴重阻礙了該路段的交通。

為了盡快恢復(fù)該路段交通，首先需要對該隧道的穩(wěn)定性及安全性進行可靠的評價。本次檢測針對隧道病害基本情況，對該隧道進行病害檢測，主要一級工作項目包括洞體病害檢測、鉆芯取樣檢測、洞體內(nèi)輪廓變形檢測及地質(zhì)雷達檢測。此外，洞體病害檢測涵蓋的二級子項目為：內(nèi)襯裂縫、滲漏水、內(nèi)襯異形、內(nèi)襯表面病害蜂窩麻面4項。

襯砌的抽芯取樣即通過取芯機對襯砌進行現(xiàn)場抽芯，主要了解襯砌的真實厚度及其完整程度等特征。洞體輪廓則是通過測試儀器對洞體內(nèi)部輪廓的變形程度進行數(shù)字測定，如圖1所示。其能較為精確地反映當(dāng)前洞體內(nèi)輪廓與初始的隧道輪廓間存在的差異，從而指示出洞體差異性的惡化程度。地質(zhì)雷達是對抽芯取樣測試的補充及驗證手段，針對抽芯無法取樣的區(qū)段，采用地質(zhì)雷達進行測試，對比抽芯實測厚度校正后，獲取襯砌其他部位的厚度。

洞內(nèi)病害檢測主要采用單位面積內(nèi)洞體病害的個數(shù)進行統(tǒng)計分析；襯砌抽芯取樣則是以襯砌的厚度及其標(biāo)準(zhǔn)試件單軸抗壓強度作為檢測指標(biāo)。如上所述，地質(zhì)雷達是輔助完善抽芯取樣所不能覆蓋的那部分襯砌，能反映襯砌的施工質(zhì)量，即襯砌的完整程度。

隧道工程穿越的地層一般較長，因此，不同地段的地質(zhì)賦存環(huán)境、應(yīng)力環(huán)境及水文地質(zhì)環(huán)境都不盡相同，不能籠統(tǒng)地進行全段評價，有必要對不同特征區(qū)段的隧道進行分段評估，從而實現(xiàn)較為準(zhǔn)確有效的穩(wěn)定性評價。根據(jù)本此檢測結(jié)果，本研究主要對K23+877～K23+887段開展，主要是該區(qū)段病害較為集中，密度較大，病害較為嚴重，具有典型的特異性特征。本次測試檢測結(jié)果如表1所示。

2.2 構(gòu)建模糊評價指標(biāo)及評語論域取值

根據(jù)該隧道的檢測結(jié)果，明確該隧道病害評價的一級評價指標(biāo)為U={U1，U2，U3，U4}；由于洞體檢測所涉及的內(nèi)容較多，因此，本此檢測研究對洞體檢測項目取定第二級評價指標(biāo)，即U1={u11，u12，u12，u14}。

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)綜合評價理論，同時基于該隧道的病害的具體特征，將該隧道的病害評語集劃分為4級層級，即V={v1，v2，v3，v4}={良好，一般，差，極差}。將表1中的各級指標(biāo)進行評語占比計算，計算結(jié)果如表2所示。

首先，計算包含二級指標(biāo)的檢測成果?；诒?中洞體病害檢測的4個二級指標(biāo)評語的占比數(shù)值，采用模糊理論確立二級模糊矩陣，可以得到隧道病害評價中洞體病害檢測的二級模糊矩陣：

2.3 確定模糊綜合評價權(quán)重

根據(jù)前文所述，本研究的隧道模糊綜合評價的權(quán)重采用專家打分法，專家根據(jù)其豐富的工程經(jīng)驗與專業(yè)知識，對該種地質(zhì)賦存環(huán)境的隧道病害進行權(quán)重評分。因此，根據(jù)專家的評分權(quán)重，本次該隧道的第一、二級模糊評價權(quán)重分別如下：

2.4 隧道穩(wěn)定性模糊綜合評價

模糊綜合評價的成果能夠較為真實地反映評價對象的實際情況，而模糊算子的選取是整個評價的關(guān)鍵所在，選用不同的算子所得到的結(jié)果存在較大的差異。因此，根據(jù)工程的實際情況，選用適合的算子，力求真實反映評價對象的真實狀態(tài)。本次研究選用加權(quán)平均型算子“M=（g，）”，其中“g”表示相乘，“”表示相加。根據(jù)該算子，則可以得到洞體病害檢測的綜合評價矢量：

經(jīng)過計算，得到隧道病害的模糊綜合評價矢量B，同時，根據(jù)最大隸屬度原則。因此，在最終的評價矢量B中選取占比最大的0.43所對應(yīng)的評語“差”作為最后界定的該隧道病害等級。即該隧道測試標(biāo)段：K23＋646～K24＋426內(nèi)的隧道穩(wěn)定性定級為“差”，需要對該隧道進行病害治理，恢復(fù)隧道的正常運營。

3 結(jié)語

（1）隧道病害所涉及影響因素眾多，各因素對隧道穩(wěn)定性的影響權(quán)重存在差異。采用模糊綜合評價的方法能夠最大程度地兼容多因素評價指標(biāo)，同時對不同評價指標(biāo)的影響權(quán)重能夠優(yōu)化地選用并量化。因此，基于模糊綜合評價理論的隧道穩(wěn)定性評價方法能夠較合理地反映隧道病害的破損情況。此外，不同類型的模糊算子對綜合評價的影響較大，應(yīng)結(jié)合工程實際優(yōu)化選擇適合的模糊算子。

（2）通過對實例工程的運用，能夠快速且量化地反映隧道工程因病害所致的安全穩(wěn)定性等級，且評價等級與該隧道的病害評價有較好的擬合性。試驗研究的結(jié)果驗證了模糊綜合評價方法的正確性，對類似隧道病害所致的洞體穩(wěn)定性評價具有良好的借鑒意義。

參考文獻：

［1］JING Hong-wen，WU Jun-hao，MA Ao，.Prediction model and its application of deep mine tunnel surrounding rock deformation aased on fuzzy-gray system［J］.Journal of China Coal Society，2012，37（7）：1 099-1 104.

［2］王 婧，靳春玲，貢 力，等.基于可變模糊集理論的鐵路隧道塌方風(fēng)險評價［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2021，18（5）：1 364-1 372.

［3］姜安民，董彥辰，張曉波，等.基于粗糙集與模糊理論的公路隧道塌方風(fēng)險評價［J］.公路與汽運，2020（3）：156-160.

［4］李宗坤，李 巍，葛 巍，等.基于集對分析-可變模糊集耦合方法的潰壩環(huán)境影響評價［J］.天津大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)與工程技術(shù)版），2019，52（3）：269-276.

［5］李 毅.基于模糊層次分析法的公路隧道施工坍塌事故風(fēng)險評估［J］.湖南交通科技，2021，47（4）：123-125，151.

［6］王華牢，許崇幫，褚方平.新型模糊算子的公路隧道健康狀態(tài)評價方法研究［J］.地下空間與工程學(xué)報，2012，08（S1）：1 389-1 395.

［7］楊啟航.隧道工程襯砌病害機理與評價方法研究［D］.淮南：安徽理工大學(xué)，2019.

［8］賈 雷.六河高速公路隧道檢測與病害處治技術(shù)［D］.西安：長安大學(xué)，2013.

［9］石 峰.基于粗糙集和灰色模糊理論的公路隧道結(jié)構(gòu)病害評價方法及應(yīng)用研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2015.

［10］李 科，李鵬輝，蔡 爽，等.基于模糊控制的隧道有害氣體治理技術(shù)研究［J］.隧道建設(shè)（中英文），2022，42（S1）：120-127.

［11］吳 波，陳輝浩，黃 惟.基于模糊-熵權(quán)理論的鐵路瓦斯隧道施工安全風(fēng)險評估［J］.安全與環(huán)境學(xué)報，2021，21（6）：2 386-2 393.

作者簡介：黃時軍（1988—），工程師，主要從事道路與橋梁、隧道施工監(jiān)理工作。