基于施工动态信息的公路隧道塌方灾害模糊评价预警分析

李昌龙，卢凤文，姬同旭

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳 550081)

1 概 述

近年来，公路隧道建设突飞猛进，施工建设中各种地质灾害也屡屡发生，尤其是隧道塌方灾害最为突出。一旦隧道发生塌方灾害，不但危及施工人员生命财产安全，而且大幅度增加公路建设周期和投资费用等。

通过总结分析发现，若在隧道施工过程中建立动态塌方灾害评价预警体系，通过隧道施工揭示的地质信息输入体系可快速输出结果警示灾害情况，有益于隧道施工防灾减灾。目前，隧道灾害评估预警有两种模式：一是考虑施工环境和地质信息的灾害综合预警，常用打分法评价，可参考《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》(试行2011)，方法简单、快捷，且结果已基本被相关建设人员认同；二是仅考虑地质信息或动态地质信息的灾害综合预警，常用模糊评价法+层次分析法评价，其方法使用较繁琐，但评估结果对灾害判别更具方向性和准确性。所以，模糊评价法可作为建立动态塌方灾害评价体系的基本方法。

模糊评价法是一种多因素单值化后，相对不失真的融合(聚合)因素特征值的方法，一般需要建立在层次分析法、乘积标度法等基础上[1]。模糊评价法已被广泛应用于工程灾害等风险识别和评判中，其优点是方法简单、结果较准确；缺点是评价因子难以确定、部分因子可能存在越界、计算繁琐等问题。在隧道施工中的地质灾害方面，已有学者进行相关分析和试用。例如，刘学增等提出采用模糊评价预警方法，对隧道施工前、施工中的塌方灾害进行评价预警，并形成了评价预警体系[1]；许振浩等采用层次分析法对岩溶隧道突水突泥风险评估，并建立了评价的因素及权重体系[2]；王元汉等采用模糊数学法用户评判预测隧道岩爆，并建立了岩爆判别方法；杨健等采用模糊综合评价法聚合多种岩爆方法判别结果，进而对岩爆等级进行预测。

综上，由于模糊评价法在隧道施工动态评价因素确定等细节上还存在诸多不明确的地方，本文基于公路隧道施工过程中的动态信息，进一步对塌方灾害模糊评价预警分析，其目的是为了更加明确隧道施工塌方动态评价的因素确定和模糊评价法的计算思路。

2 模糊评价预警理论分析

2.1 评价预警流程

通过文献调研总结分析，隧道塌方模糊评价预警包括确定评价指标体系、概率标度确定、评价等级确定、模糊聚合评价4个部分，评价流程见图1。

2.2 评价指标体系

参考文献[1]，可将隧道施工过程中的塌方灾害评价体系的指标划分为一级指标和二级指标。一级指标为父级，二级指标为子级。文献[1]在评价前以断层破碎带和非断层破碎带为前提，划分的基本依据是对最薄弱或最易造成塌方的地质条件因素加强考虑。在对实际工程进行评价时，可以参考该体系，也可以动态调整指标体系。以断层破碎带塌方评价体系为例，可根据概率和规模划分为图2、图3的评价体系[1]。

图1 塌方模糊评价预警流程

图2 塌方概率评价体系

2.3 概率标度确定

2.3.1 方法分析

由于层次分析法计算速度慢且较复杂，可考虑融合层次分析标度法的结论形成新的标度方法——乘积标度法，见表1。

表1 层次分析法的4种标度法

综合表1的4种标度法与塌方灾害情况分析，选择使用乘积标度法进行两两比较更适用，因此采用乘积标度法进行构造评价指标之间的权重体系。权重计算方法如下：

1) 一个因素A比另一个因素B稍微大时：

A∶B=(1.286+1.500+1.277)/3∶1

=1.354∶1

2) 在1)的基础上，若C比A稍微大时：

C∶A=1.354×1.354∶1.354

C∶B=1.354×1.354∶1

根据指标数量和大小关系上的排序，采用第三个权重平方或权重相等的形式递增即为乘积标度法，常用比较见表2。

表2 乘积标度法权重分配表

注：①一般使用分为相同和稍微大；明显大、强烈大、极端大指标的设立显得指标存在的意义相对可靠度降低。②若A指标比B指标极端大时，B没有存在的必要性。

2.3.2 指标权重计算

采用乘积标度法可计算父子层因素的权重标度，可参见表3。

表3 断层破碎带塌方的总体评价指标权重

2.4 子层因素量化

可参考隧道设计等相关规范规程，以及工程地质手册、经常数值量化评价指标体系中的子层因素。参见表4。

表4 子层因素量化

2.5 隶属度计算

1)参考文献[1]评价指标与评价等级关系见表5，数值型的计算公式如下(三角隶属度法)：

表5 评价指标与评价等级关系

(1)

(2)

(3)

(4)

当ak,1

(5)

当ak,1>ak,3时：

(6)

2) 计算方法。以表4中的因子为例：

当因子为数值时，用隶属公式进行计算评价向量，不作赘述。

当因子为数值时，直接用数字标注向量，如岩性指标中为硬质岩时，评价矩阵为[1,0,0,0]；如断层性质为压扭断层时，评价矩阵为[0.5,0.5,0,0]。

2.6 模糊聚合评价计算

2.6.1 模糊向量

模糊评价因子矩阵用R表示，可能性评价中R为n×4阶矩阵，概率规模评价中R为n×3阶矩阵(n为一级指标、二级指标的个数)。Ri为评价向量，通过隶属度计算(计算方法)确定。

2.6.2 模糊向量与标度融合

1)一级融合。一级融合为子因素标度和因子向量之间的融合，子因素的标度用ω表示，一级融合结果用Q表示：

Q=ωi·Ri

(7)

2)二级融合。二级融合为父因素标度与一级融合结果之间的融合，父因素的标度用W表示，二级融合结果用B表示：

B=W·BT

(8)

2.6.3 模糊向量单值化

F=b1×1+b2×2+b3×3+b4×4

(9)

(10)

根据评价值F得到隧道灾害的概率等级和规模等级，见表6。

表6 塌方概率等级和规模等级值

3 工程实例

贵州某公路隧道全长4 108 m，隧道采用分离式双向6车道断面形式。隧道出口60 m位于直线上，然后接长约230 m、半径为300 m的左转曲线上，隧道中部位于直线上，隧道进口端位于半径为250 m的左转曲线上。隧道设计纵坡进口至出口为4.8%的单面下坡。全隧为小净距隧道，间距约6～18 m。以该隧道zk1+100～zk1+200段为例，评价指标值见表7、表8。

评价得该隧道zk1+100～zk1+200段隧道的塌方概率等级为Ⅲ(可能性较大)，塌方规模等级为Ⅱ(中型)。在该段隧道二次衬砌后一个月内发生了大变形破坏，可能坍塌的方量约为60 m3，参考《工程岩体分级标准》(GB/T 50218-2014)附表E.0.1，该段破坏规模属于中型塌方。

表7 动态概率等级评价指标体系

表8 动态规模评价指标体系

续表8

4 结论与建议

4.1 结 论

本文对模糊评价预警理论进行分析，并引入了相应案例进行评价，获得如下结论：

1) 模糊评价法可较好地应用于隧道施工中的动态塌方评价预警。

2) 乘积标度法可用于评价因素标度计算，且可进一步简化模糊评价步骤。

3) 总结了隶属度向量计算的两种思路。

4.2 建 议

1) 宜根据隧道特点建立独立的塌方评价预警体系。

2) 体系中输入的参数应以实际开挖揭示的信息为准。

3) 根据评价体系的共性，通过软件编写评价体系，可快速应用并解决工程评估预警问题。