基于未確知測(cè)度-SPA的巖溶隧道水害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

蔣英禮 張彥龍 王景梅

摘要：開(kāi)展科學(xué)合理的水害危險(xiǎn)性分級(jí)評(píng)價(jià)并制定相應(yīng)的防范治理措施，已成為巖溶隧道建設(shè)及其運(yùn)營(yíng)中亟待解決的首要問(wèn)題。選取地形地貌、隧道區(qū)植被覆蓋率、隧道區(qū)降雨量、隧道區(qū)平均氣溫等14項(xiàng)指標(biāo)作為運(yùn)營(yíng)期巖溶隧道水害的判別指標(biāo)，結(jié)合未確知測(cè)度理論、層次分析（AHP）-熵權(quán)（EW）的主客觀組合賦權(quán)法、集對(duì)分析法，建立了一種新的未確知測(cè)度-集對(duì)分析耦合的巖溶隧道水害危險(xiǎn)性分級(jí)體系。在此基礎(chǔ)上，以6條運(yùn)營(yíng)巖溶隧道為例進(jìn)行水害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，并將評(píng)價(jià)結(jié)果與未確知測(cè)度模型、模糊綜合評(píng)價(jià)模型結(jié)果進(jìn)行了比較，同時(shí)與實(shí)際情況進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果顯示：評(píng)價(jià)結(jié)果與其他評(píng)價(jià)模型基本一致或趨于保守，與隧道實(shí)際情況相吻合。研究成果可為我國(guó)巖溶隧道水害的預(yù)測(cè)和防治提供參考。

關(guān) 鍵 詞：

未確知測(cè)度; 集對(duì)分析（SPA）; 巖溶隧道; 水害; 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià); 組合賦權(quán)法

中圖法分類號(hào)： U457

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.013

1 研究背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)及交通事業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)的隧道運(yùn)營(yíng)里程日益增加。統(tǒng)計(jì)資料顯示[1-2]，截至2018年底，我國(guó)鐵路隧道運(yùn)營(yíng)里程為16 331 km，公路隧道運(yùn)營(yíng)里程為15 285 km，預(yù)計(jì)到2020年底中國(guó)鐵路隧道和公路隧道運(yùn)營(yíng)里程分別為2.0萬(wàn)km和1.9萬(wàn)km。中國(guó)已然成為隧道工程的超級(jí)大國(guó)。然而，隧道水害同時(shí)出現(xiàn)在隧道建設(shè)施工期和運(yùn)營(yíng)期，對(duì)隧道建設(shè)安全及運(yùn)營(yíng)的行車安全造成了極其嚴(yán)重的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約30%～40%的隧道發(fā)生過(guò)較為嚴(yán)重的水害事故，造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡及隧道管理困擾等。而巖溶發(fā)育地區(qū)的隧道水害問(wèn)題更為嚴(yán)重，如京廣線大瑤山隧道、南嶺隧道等在施工期及其運(yùn)營(yíng)期都發(fā)生過(guò)較為嚴(yán)重的水害事故。因此，對(duì)巖溶隧道水害的防治是一項(xiàng)重要而艱巨的任務(wù)，對(duì)巖溶隧道水害進(jìn)行危險(xiǎn)性判定研究具有重要的意義。

學(xué)界對(duì)隧道水害，特別是巖溶隧道水害的研究?jī)A向于防止水害發(fā)生及其進(jìn)行整治，且相關(guān)研究也主要集中于隧道施工期的突水、突泥等水害事故，但對(duì)于運(yùn)營(yíng)期的巖溶隧道水害危險(xiǎn)性分級(jí)評(píng)價(jià)的研究則顯不足，而且多為定性評(píng)價(jià)，在評(píng)價(jià)指標(biāo)以及評(píng)價(jià)方法的選取上帶有較強(qiáng)的主觀性，較大地影響了評(píng)價(jià)結(jié)果。呂新建等[3]基于粒子群算法優(yōu)化的支持向量機(jī)（PSO-SVM）方法，進(jìn)行了公路隧道施工中的水害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè);游波等[4]基于信息熵和集對(duì)分析理論，選取了公路隧道區(qū)滲透系數(shù)等3個(gè)相關(guān)指標(biāo)作為評(píng)判因子來(lái)構(gòu)建水害傾向性判別;譚洪強(qiáng)等[5]運(yùn)用Bayes判別法，建立了隧道區(qū)滲透系數(shù)等7個(gè)評(píng)判指標(biāo)體系，進(jìn)行了公路隧道水害危險(xiǎn)傾向性評(píng)價(jià)。以上評(píng)價(jià)方法存在側(cè)重于單個(gè)或某幾個(gè)指標(biāo)的影響因素、評(píng)判因子權(quán)重比例不明晰，評(píng)判結(jié)果誤差較大的問(wèn)題。巖溶隧道水害受多種因素影響，涉及多種影響因素的不確定性問(wèn)題，應(yīng)用傳統(tǒng)研究方法具有一定的局限性。鑒于此，將未確知數(shù)學(xué)理論提供了一個(gè)較好的途徑。未確知測(cè)度評(píng)價(jià)模型是一種適用于大數(shù)據(jù)集的不確定性分析方法，具有簡(jiǎn)單、實(shí)用、可靠等特點(diǎn)。黃丹和萬(wàn)炳彤等[6-7]運(yùn)用未確知測(cè)度理論將不確定性信息轉(zhuǎn)化為相對(duì)確知的信息，并引入集對(duì)分析的同異反聯(lián)系度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，取得了較好的效果。基于此，本文以系統(tǒng)工程學(xué)為基礎(chǔ)，從自然地理特征、地質(zhì)環(huán)境、水文條件、工程條件這4方面建立巖溶隧道水害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系，選取地形地貌、隧道區(qū)植被覆蓋率、隧道區(qū)降雨量、隧道區(qū)平均氣溫等14項(xiàng)指標(biāo)作為判別指標(biāo)，并構(gòu)建評(píng)判指標(biāo)與巖溶隧道水害危險(xiǎn)性間的未確知測(cè)度模型，建立單指標(biāo)測(cè)度矩陣，運(yùn)用AHP-EW的主客觀組合賦權(quán)法求得各指標(biāo)的權(quán)重，從而得到多指標(biāo)綜合測(cè)度評(píng)價(jià)向量，最后將未確知測(cè)度評(píng)價(jià)向量應(yīng)用于集對(duì)系統(tǒng)中再評(píng)價(jià)，構(gòu)建了基于未確知-集對(duì)耦合的運(yùn)營(yíng)期巖溶隧道水害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系，并對(duì)模型進(jìn)行了工程實(shí)踐驗(yàn)證與應(yīng)用，為快速有效地分析運(yùn)營(yíng)期巖溶隧道水害危險(xiǎn)性提供了一個(gè)新方法。

4 建立巖溶隧道水害危險(xiǎn)性分級(jí)的未確知測(cè)度-集對(duì)分析綜合評(píng)價(jià)體系

4.1 巖溶隧道水害危險(xiǎn)性分級(jí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

隧道水害實(shí)質(zhì)上是圍巖中的地下水或部分地表水運(yùn)移過(guò)程中發(fā)生的漸進(jìn)式破壞失穩(wěn)現(xiàn)象。以系統(tǒng)工程學(xué)為基礎(chǔ)，隧道與外界環(huán)境相互融合構(gòu)成統(tǒng)一體系，隧道水害是在“自然、物質(zhì)（即水）、通道和人工”的復(fù)合系統(tǒng)下發(fā)生的。因此，巖溶隧道水害與自然地理特征、地質(zhì)環(huán)境、水文條件、工程條件等存在密切的聯(lián)系，“自然地理特征-地質(zhì)環(huán)境-水文條件-工程條件”是隧道水害的最主要的控制因素，建立的巖溶隧道水害危險(xiǎn)性分級(jí)多層次評(píng)價(jià)模型如圖1所示。

4.2 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)建立

根據(jù)巖溶隧道水害危險(xiǎn)性分級(jí)要求，采用單因素法將巖溶隧道水害危險(xiǎn)性分為4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，即C=C1，C2，C3，C4，其中C1～C4分別為危險(xiǎn)性極大（Ⅰ）、危險(xiǎn)性較大（Ⅱ）、危險(xiǎn)性一般（Ⅲ）、危險(xiǎn)性?。á簦Ｖ笜?biāo)體系中包含有定性和定量指標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)巖溶隧道水害危險(xiǎn)性分級(jí)評(píng)價(jià)，需要通過(guò)特定的方法將定性指標(biāo)量化，單因素法的具體劃分標(biāo)準(zhǔn)或范圍區(qū)間如表1所列。

4.3 多層次未確知測(cè)度-集對(duì)分析綜合評(píng)價(jià)體系的建立

運(yùn)用AHP-EW組合法確定每個(gè)指標(biāo)在巖溶隧道水害危害性評(píng)價(jià)中的影響權(quán)重，將未確知測(cè)度理論確定SPA聯(lián)系數(shù)矩陣，從而利用SPA優(yōu)化了未確知測(cè)度理論評(píng)價(jià)結(jié)果，多層次未確知測(cè)度-集對(duì)分析綜合評(píng)價(jià)體系的具體計(jì)算流程如圖2所示。

5 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)巖溶隧道水害評(píng)價(jià)與防治實(shí)踐工作及大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[3～5，18-19]，從中選取6條最具代表性的巖溶隧道，運(yùn)用多層次未確知測(cè)度-集對(duì)分析模型評(píng)價(jià)其水害危險(xiǎn)性，隧道相應(yīng)的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值如表2所列。

5.1 構(gòu)造單指標(biāo)未確知測(cè)度函數(shù)及其矩陣

根據(jù)單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)的定義和表1中有關(guān)各指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建巖溶隧道水害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的各指標(biāo)未確知測(cè)度函數(shù)，由此得出14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的未確知測(cè)度值，單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)圖如圖3所示。其中，地形地貌B1、圍巖分級(jí)B5、巖性B6等8個(gè)指標(biāo)為定性指標(biāo)，通過(guò)賦值方法進(jìn)行定量處理，其指標(biāo)測(cè)度函數(shù)完全相同。

5.2 AHP-EW組合法確定權(quán)重向量

結(jié)合巖溶隧道水害危險(xiǎn)性分級(jí)的多層次評(píng)價(jià)模型（見(jiàn)圖1），利用AHP法構(gòu)造巖溶隧道水害危險(xiǎn)性分級(jí)評(píng)價(jià)模型層級(jí)間的判斷矩陣，編制MATLAB程序求解權(quán)重向量，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重向量SW;同時(shí)運(yùn)用EW法，將z1jk代入式（7）～（8）可以得到大寶山隧道A1的客觀權(quán)重向量OW，最后依據(jù)最小鑒別信息原理構(gòu)造的目標(biāo)函數(shù)式（9）～（10）對(duì)主、客觀權(quán)重進(jìn)行耦合，得到組合權(quán)重向量CW，具體值如表3所示。

6 結(jié) 論

（1） 根據(jù)“自然、物質(zhì)（即水）、通道和人工”的邏輯思路，提出了“自然地理特征-地質(zhì)環(huán)境-水文條件-工程條件”是隧道水害的最主要的控制因素，選取了地形地貌、隧道區(qū)植被覆蓋率、降水量等14個(gè)指標(biāo)作為分級(jí)因子，建立了巖溶隧道水害危險(xiǎn)性分級(jí)多層次評(píng)價(jià)模型。

（2） 本文將層次分析法（AHP）和熵權(quán)法（EW）依據(jù)最小鑒別信息原理耦合在一起，構(gòu)造了主客觀組合賦權(quán)方法的目標(biāo)函數(shù)，確定了每個(gè)指標(biāo)在巖溶隧道水害危害性評(píng)價(jià)中的綜合權(quán)重。

（3） 未確知-集對(duì)分析耦合的評(píng)價(jià)方法充分考慮了評(píng)價(jià)體系的不確定因素，將隧道樣本的評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度進(jìn)行了未確知測(cè)度評(píng)價(jià)，并將得到的多指標(biāo)綜合測(cè)度評(píng)價(jià)向量應(yīng)用于集對(duì)系統(tǒng)中再評(píng)價(jià)，通過(guò)構(gòu)建多元聯(lián)系度函數(shù)實(shí)現(xiàn)了定量評(píng)價(jià);為考慮等級(jí)邊界的模糊性，引入集對(duì)勢(shì)，得到巖溶隧道水害危險(xiǎn)性的變化態(tài)勢(shì)。最后，結(jié)合實(shí)例對(duì)6條典型巖溶隧道進(jìn)行水害評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與未確知測(cè)度模型、模糊綜合評(píng)價(jià)模型基本一致或趨于保守。該評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)模型可為我國(guó)巖溶隧道水害的預(yù)測(cè)和防治提供參考。

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（編輯：劉 媛）