復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道結(jié)構(gòu)健康安全評(píng)價(jià)體系

張騫棋 張文居

摘要：文章基于模糊綜合評(píng)價(jià)理論，采用層次分析法，以復(fù)雜地質(zhì)條件下的藏區(qū)高速公路隧道為研究背景，深入分析了隧道長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)安全的影響因素，建立了隧道結(jié)構(gòu)健康安全評(píng)判模型，并將模型運(yùn)用至實(shí)際工程中，同時(shí)，采取現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的方式對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)模型對(duì)隧道安全的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際相符，可以應(yīng)用到實(shí)際工程中。

[作者簡(jiǎn)介]張騫棋（1992—），男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)楣饭こ獭?/p>

我國(guó)的公路建設(shè)正處于高潮時(shí)期，隨著規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)的延長(zhǎng)，我國(guó)的公路隧道的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全也將是大家著重關(guān)注的地方，因此，對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道進(jìn)行長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)體系研究已迫在眉睫。隧道結(jié)構(gòu)的安全與多種因素相關(guān)，且存在多樣性及模糊性的特點(diǎn)，因此對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全的評(píng)價(jià)需結(jié)合定性和定量的方法進(jìn)行。當(dāng)前，我國(guó)在隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)這一方面的研究還較少，有很大的研究空間。

吳賢國(guó)等[1-2]通過(guò)對(duì)不確定性信息的隨機(jī)性和模糊性進(jìn)行討論，基于二維及多維云推理，提出了隧道安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)方法;劉洋[3]以外荷載作用、隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形、材質(zhì)劣化和滲漏水平為基礎(chǔ)，建立了對(duì)應(yīng)的運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)健康安全評(píng)價(jià)體系，并將其運(yùn)用到實(shí)際工程中;王勇[4]針對(duì)公路運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)的特殊性，選取具有代表性的評(píng)估指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算其權(quán)重，構(gòu)建了隧道結(jié)構(gòu)安全的綜合評(píng)估體系;周宇鍇等[5]通過(guò)建立ANSYS模型，并根據(jù)隧道各區(qū)域的受力情況與特點(diǎn)對(duì)活動(dòng)斷層中的隧道進(jìn)行了安全性評(píng)價(jià);朱苦竹等[6]、趙博劍等[7]基于層次分析法（AHP）建立了相應(yīng)的隧道工程健康狀態(tài)診斷模糊評(píng)價(jià)模型?？梢钥闯?，以上研究中所提出的評(píng)價(jià)方法參考的指標(biāo)數(shù)較少，且大多僅適用于特定類型的隧道，普適性不高，對(duì)于我國(guó)藏區(qū)隧道的長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)，則不適用。

本文將針對(duì)藏區(qū)高速隧道群，采用定性與定量結(jié)合的模糊綜合評(píng)價(jià)作為評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建針對(duì)藏區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全評(píng)價(jià)模型。

1 工程背景

藏區(qū)高速公路里程長(zhǎng)，受控于沿線復(fù)雜的地形、地質(zhì)條件，線路上結(jié)構(gòu)物眾多，隧道占很大比重，藏區(qū)高速線路圖如圖1所示。其中特長(zhǎng)隧道眾多，例如鷓鴣山隧道，獅子坪隧道，米亞羅隧道等?？v觀雅康與汶馬高速公路沿線的眾多隧道，同時(shí)結(jié)合該線路的典型控制工程——鷓鴣山隧道、獅子坪隧道、二郎山隧道、紫石隧道等可以看出，全線隧道工程極其復(fù)雜，主要體現(xiàn)在：高地應(yīng)力硬巖隧道與軟巖隧道占比高，且隧道成群分布;隧址區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育，且水文地質(zhì)條件復(fù)雜，富水問題突出;沿線穿越多個(gè)斷層破碎帶，大變形與塌方風(fēng)險(xiǎn)較大;圍巖多為千枚巖，存在長(zhǎng)期安全隱患。

四川藏區(qū)高速公路所在區(qū)域?yàn)榈湫偷摹叭摺眳^(qū)域，且有著地形陡峻、巖性復(fù)雜、活動(dòng)斷裂發(fā)育、巖體破碎等特征，整體來(lái)看工程建設(shè)極其復(fù)雜，修建難度高。在實(shí)際施工過(guò)程中，普遍遭遇了“三高”、軟弱圍巖等眾多風(fēng)險(xiǎn)源從而導(dǎo)致施工災(zāi)害。因此，對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道進(jìn)行長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)體系研究已迫在眉睫。

2 隧道結(jié)構(gòu)健康安全評(píng)判模型

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)，同時(shí)考慮多種因素影響的綜合評(píng)價(jià)方法[8]，可以較好的解決模糊且難量化的問題，綜合考慮，可以運(yùn)用到隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)中去。

2.1 建立隧道結(jié)構(gòu)安全模糊綜合評(píng)判指標(biāo)體系

藏區(qū)高速隧道所處地質(zhì)環(huán)境極其復(fù)雜，影響隧道結(jié)構(gòu)安全因素眾多，因此，需要多影響因素進(jìn)行分級(jí)，找出主要的影響因素。在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合藏區(qū)高速公路隧道群危險(xiǎn)源特征，本文選取了結(jié)構(gòu)的受力特征等作為主要影響因素建立模糊綜合評(píng)判模型。圖2為基于層次分析法建立出的評(píng)判指標(biāo)體系。

2.2 建立隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)評(píng)語(yǔ)集

根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)的受力特征，結(jié)合長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本文將隧道結(jié)構(gòu)的安全性狀態(tài)劃分為4個(gè)等級(jí)[9-10]：

2.3 評(píng)判基準(zhǔn)的建立

2.3.1 襯砌支護(hù)類型的量化

在隧道結(jié)構(gòu)中，整體來(lái)看，隧道支護(hù)體系由圍巖支承環(huán)、初期支護(hù)和二次襯砌共同組成，圍巖作為主要承載部分，初期支護(hù)起保護(hù)圍巖和發(fā)揮圍巖承載能力的作用，二次襯砌則作為安全儲(chǔ)備，但是隨著隧道的使用，二次襯砌會(huì)逐漸成為主要承載部分[11-13]。本文結(jié)合施工設(shè)計(jì)資料，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行比較分析，根據(jù)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全影響程度不同，得到襯砌支護(hù)類型量化表（表1）。

巖土工程與地下工程張騫棋，張文居： 復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道結(jié)構(gòu)健康安全評(píng)價(jià)體系

2.3.2 建立評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)安全等級(jí)的劃分，綜合工程實(shí)際情況[9]、監(jiān)測(cè)結(jié)果、設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，同時(shí)，基于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，考慮分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可建立隧道結(jié)構(gòu)影響因素的評(píng)判基準(zhǔn)體系，見表2。

2.4 模糊綜合評(píng)判模型中隸屬函數(shù)的確定

調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)和資料可知，正態(tài)分布型隸屬度函數(shù)敏感性較好，能在不同層次的交界處做出準(zhǔn)確的判斷，因此，選取此分布來(lái)確定隸屬度函數(shù)，公式為：

式中：ai和σi分別為各指標(biāo)在安全等級(jí)為i的劃分區(qū)段的平均值和相應(yīng)的方差，相互之間的關(guān)系可表達(dá)為：

評(píng)判因素集中定量指標(biāo)均可按照公式（2）和評(píng)判基準(zhǔn)（表2），繼而確定相應(yīng)的隸屬函數(shù)表達(dá)式。

2.5 模糊綜合評(píng)判模型中指標(biāo)因素權(quán)重的確定

根據(jù)層次分析法，采用“1～9標(biāo)度法”進(jìn)行各因素的比較并構(gòu)建相應(yīng)判斷矩陣，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全影響因素的權(quán)重進(jìn)行確定，為了檢驗(yàn)其計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際，還需對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。各個(gè)指標(biāo)也因隧道處于不同的主要危險(xiǎn)源下而權(quán)重也發(fā)生變化，普通隧道的各影響因素的指標(biāo)權(quán)重如表3所示。

2.6 模糊綜合評(píng)判模型的建立

綜上，基于模糊綜合評(píng)價(jià)理論，可建立隧道結(jié)構(gòu)安全模糊綜合評(píng)價(jià)模型，過(guò)程如圖3所示。

2.7 評(píng)判結(jié)果處理

考慮到模糊算子M（·，⊕）可充分利用判斷矩陣?yán)锏乃幸蛩?，綜合程度強(qiáng)，且權(quán)重體現(xiàn)明顯，因此，本文選擇將其作為模糊綜合評(píng)價(jià)計(jì)算中的模糊算子。運(yùn)算法則為：

得到評(píng)結(jié)果bj（j=1，2，3，…，n）后，采用最大隸屬度法對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行處理，可以得到更為清晰、具體的評(píng)價(jià)結(jié)果。

3 工程應(yīng)用

本節(jié)將以米亞羅3號(hào)隧道監(jiān)測(cè)斷面為例，進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)安全模糊綜合評(píng)價(jià)。

3.1 模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)

根據(jù)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和地質(zhì)勘查資料，米亞羅3號(hào)隧道的模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)見表4和表5。

3.2 建模求解

將上述數(shù)據(jù)帶入隸屬函數(shù)，得一級(jí)指標(biāo)的模糊關(guān)系矩陣Ri：

隨后對(duì)第一級(jí)指標(biāo)進(jìn)行模糊運(yùn)算，得到相應(yīng)的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Ui：

把第一級(jí)模糊綜合評(píng)判結(jié)果U=U1，U2，U3，U4，U5作為總的模糊關(guān)系評(píng)價(jià)矩陣，即：

再對(duì)第二級(jí)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，得到最后的評(píng)價(jià)結(jié)果為：

根據(jù)最大隸屬度原則，米亞羅3號(hào)隧道監(jiān)測(cè)段的安全性評(píng)價(jià)結(jié)果為II級(jí)，處于基本安全狀態(tài)。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為了評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性，本文采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的方法對(duì)評(píng)判結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4為米亞羅3號(hào)隧道評(píng)價(jià)斷面，為高水壓斷面。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研，在施工階段，初期支護(hù)就有滲水情況，在隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，二襯出現(xiàn)了開裂，但裂縫很小，不影響使用，安全情況較好，故認(rèn)為評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確。其他隧道具體驗(yàn)證結(jié)果見表6。

由表6可以看出，整體的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況吻合度較高，本隧道結(jié)構(gòu)安全模糊綜合評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果清晰準(zhǔn)確，符合實(shí)際，具備實(shí)用性。

4 結(jié)論

本文基于模糊綜合評(píng)價(jià)方法，以復(fù)雜地質(zhì)條件下的藏區(qū)高速公路隧道為研究背景，建立了相應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)安全模糊綜合評(píng)價(jià)模型，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研驗(yàn)證，得出結(jié)論：

（1）基于模糊綜合評(píng)價(jià)方法，建立了隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)模型，該模型對(duì)藏區(qū)高速公路安全監(jiān)測(cè)有著重大意義，使評(píng)價(jià)過(guò)程趨于科學(xué)化。

（2）將建立的隧道結(jié)構(gòu)安全模糊綜合評(píng)價(jià)模型運(yùn)用到藏區(qū)高速隧道中，結(jié)果顯示所評(píng)價(jià)隧道均處于安全狀態(tài)，且僅日地1號(hào)隧道和米亞羅3號(hào)隧道監(jiān)測(cè)斷面處于II級(jí)基本安全狀態(tài)。

（3）為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，對(duì)所評(píng)價(jià)隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，結(jié)果顯示整體的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況吻合度較高，反映了所有因素的作用，可用于實(shí)際工程。

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