基于熵权模糊理论的上软下硬地层隧道施工风险评价

吴波，陈辉浩，黄惟

基于熵权模糊理论的上软下硬地层隧道施工风险评价

吴波1, 2，陈辉浩1, 2，黄惟1, 2

(1. 广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2. 工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西 南宁 530004)

上软下硬复合地层隧道施工安全所面临的影响风险因素复杂繁多，具有模糊性和不确定性，使隧道施工安全得不到保证。结合现有工程实际，在影响上软下硬复合地层隧道施工安全的众多影响因素中，分层次地进行详细剖析，建立上软下硬复合地层隧道施工安全风险评价体系。用熵值赋权法计算确定各层次风险因素的影响权重，运用多级模糊评价理论对各影响因素进行逐级逐层综合评价，直至得出对上软下硬复合地层隧道施工的风险评级，计算结果符合工程实际，对类似隧道工程施工具有指导意义。

上软下硬复合地层；施工安全；熵权法；模糊综合评价；风险评估

随着我国经济社会的发展和城市现代化的稳步推进，桥梁、道路等交通设施建设也在稳步的发展之中。中国是目前世界上隧道和地下工程数量最多、发展速度最快、地质及结构形式最复杂的国 家[1]。在隧道施工建设中会遇见各种复杂的工程地质情况，如隧道开挖断面上分布着不同种力学性质差异大的上软下硬复合地层，即是隧道开挖工作面上部为软弱地层，下部为坚硬岩石地层。上软下硬复合地层是一种极为特殊的地层，其上下部岩性差异大，对隧道施工安全带来许多安全隐患。为确保上软下硬复合地层隧道施工安全，其施工安全风险评估亟需进一步研究。闫军涛等[2]通过引入弹性模量比的概念，研究上软下硬复合地层盾构隧洞开挖面破坏形式、确定开挖面极限支护力最小值。张亚洲等[3]结合国内上软下硬复合地层工程实例，重点研究盾构隧道施工产生的问题，进行原因分析并提出应对对策。吴波等[4−5]结合常见围岩级别组成的5组地层组合，对上软下硬复合地层隧道围岩稳定性量化评价标准进行了详细的分析和系统的研究，建立围岩稳定量化评价体系，同时运用PRA方法对上软下硬地层隧道施工进行施工风险评估研究。周力军等[6]将数值模拟与现场实测相结合，分析研究了上软下硬复合地层中盾构隧道施工的地表沉降及隧道上浮的规律。王俊等[7]通过开展室内掘进实验研究分析了土压盾构掘进对上软下硬地层的扰动特征。目前，在上软下硬复合地层隧道施工安全风险评价体系尚未成熟，主要采用定性和半定量的研究方法，包括故障树法[8−9]、层次分析法(AHP)[10]、可拓理论[11−12]、神经网络算法[13]等。为建立更加合理完善的的上软下硬复合地层隧道施工风险评估体系，相关研究分析需进一步开展。本文以金台铁路五峰山隧道工程为依托，建立了上软下硬复合地层隧道施工安全风险评估系统，并将五峰山隧道作为案例分析，由熵权赋值法确定影响因素权重，由多级模糊评价理论进行风险评级。

1 上软下硬复合地层隧道施工安全风险评估系统

影响上软下硬复合地层隧道施工安全的因素复杂众多，但在某种层度上又相互联系、互相影响，因此需要一套科学合理、应用性强的风险评估方法。基于上软下硬复合地层隧道施工力学理论研究，在调研和分析国内外隧道施工安全风险管理的基础之上，针对于上软下硬复合地层隧道施工安全风险管理，对上软下硬复合地层隧道施工安全的影响指标进行识别，建立风险指标的评价体系，由熵权法确定指标权重，并最后由多级模糊综合评价方法确定最终的上软下硬复合地层隧道施工安全风险评估等级。

1.1 风险评价体系的建立

针对上软下硬复合地层隧道施工工程特殊的地形地质情况，根据专家评审意见及施工现场实际情况，综合考虑隧道工程力学知识及施工组织管理等方面，对隧道施工现场进行了科学、合理、有效的风险辨识，建立风险评估指标体系。设最高层为上软下硬复合地层隧道施工安全风险；第2级为因素集=(1，…,U)；第3级因素集U=(U1，…,U)；第4层因素集为U=(U1，…,U)。

1.2 基于熵权法的指标权重计算

1.2.1 熵权法的基本原理及分析思路

熵的概念最先是单媛等[14]由热力学引入信息论中，称为信息熵，用来衡量系统的稳定程度、信息量，并由此形成了一种相对客观的赋权方法-熵值赋权法。熵权法基于“差异驱动”的原理，能够突出指标间的局部差异，并且通过每个样本的实际数据求得最优权重，反映了指标信息熵值的实用价值，因此计算得到的指标权重比较客观[15]。熵权法是依据指标的差异来确定反映指标间激烈程度的权重。

1.2.2 熵权法的主要计算步骤

1) 构造评估矩阵

根据评估对象的指标数据建立一组参评数据矩阵，为´的矩阵，记为=[01，02，…，x]，其中评级指标的数据为个专家对指标评估结果的均值，其次按照−1个安全性等级节点构造基准评估矩阵，为(−1)´的矩阵，然后将构造的参评数据矩阵与安全性等级节点构造基准评估矩阵一起构造成决策矩阵，为矩阵，即：

2) 决策矩阵标准化处理

标准化处理即是指标的绝对值转化为相对值，解决各项不同质指标值得同质化问题。将决策矩阵(x)采用线性比例变换法进行矩阵的初等变换处理得到标准化矩阵(y)，其中计算第项指标下第个样本值占该指标的比重

3) 计算指标熵值

4) 对指标权重赋值

1.3 多级模糊综合评价

多级模糊综合评价的基本思路是先按最低层次的因素进行综合评价，然后逐级评价，直至得出最高层次的评价结果。其中的主要步骤是首先建立 评价对象的因素集：

={1,2，…，u} (5)

其次建立评价集：

={1,2，…，v} (6)

再者建立权重集：

接着建立单因素评价矩阵：

最终得到评判对象的模糊评价：

=*(9)

2 案例分析

2.1 工程概况

五峰山隧道起讫里程为LDgK11+000- LDgK11+532，隧道全长为532 m。隧道隧址区地层岩性主要为第四系全新统残坡积(Q4el+dl)粉质黏土；下伏基岩为侏罗系上统(J3c)凝灰岩；隧道测区区域构造以裂变性为主，褶皱构造不发育，断裂以北西为主，北西断裂多为张性、张扭性断裂，受断裂及岩脉侵入作用影响，测区地质构造较复杂，岩体节理裂隙发育，且多为闭合性质，岩石较破碎，易发生塌方掉块，因此隧道施工期间隧道坍塌风险较高。

隧道线路穿越上软下硬复合地层，同时与既有营业线金岭头隧道距离较近，施工期间开挖坍塌是上软下硬复合地层施工安全风险的考虑重点。隧道掌子面岩层分布图和横断面岩层分布图如图1和图2所示。

图1 五峰山隧道掌子面岩层分布图

图2 五峰山隧道横断面岩层分布图

2.2 评价体系建立

上软下硬复合地层隧道施工开挖坍塌安全风险需要对各方面的安全因素进行科学系统地考虑。从现场施工情况、安全管理及上软下硬复合地层隧道地形地质情况等方面进行风险识别，建立了上软下硬复合地层隧道施工开挖坍塌安全风险评价体系，如图3所示。

2.3 由熵权法确定各影响因素的权重

2.3.1 建立风险等级区域

建立对于上软下硬复合地层隧道施工风险评估各指标量化范围，见表1。

图3 上软下硬复合地层隧道施工安全风险评价体系

表1 上软下硬地层隧道施工风险评估各指标量化范围

2.3.2 确定评估指标的权重系数

邀请专家小组根据工程实际具体情况对上软下硬复合地层隧道施工风险评估各指标进行量化打分，最终得分结果组成矩阵如下所示=[85 85 87 90 75 87 87 80 79 83 80 82 87 84 80 80 83 90 95 92 75 84 94 90 90]，将专家打分与各指标赋值的均值之和的比值建立一组矩阵，将该矩阵与各影响因素下安全等级中值与安全等级中值之和的比值组成决策矩阵，如下：

将决策矩阵用线型比例变换法进行矩阵的初等变换处理得到标准化矩阵，依次计算各系数，最终得到各层次指标的权重值，如表2所示。

表2 上软下硬复合地层隧道施工风险影响因素权重汇总

2.4 多级模糊综合评价

2.4.1 建立评语集

根据《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估制度及指南(试行)》[16]和《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估制度及指南解析》[17]中对隧道施工区段坍塌事故可能性等级标准和典型重大风险源事故可能性等级的划分，将上软下硬复合地层隧道施工安全风险分为4级，且不同等级的概率范围如表3所示。

表3 事故可能性等级标准

2.4.2 建立评价因素隶属度矩阵

2.4.3 多级模糊综合评判

1) 一级模糊评判

由模糊评判计算结果可知，施工现场安全管理有0.466可能出现风险，而有0.534偶然出现风险，同样隧道设计参数也是偶然出现风险的概率明显大于可能出现风险的概率，因此本工程现场施工安全管理与隧道设计参数相对较为合理；而影响因素施工单位、施工情况和地形地质情况可能出现风险的可能性更大，尤其是施工单位与地形地质情况，因此需要加强对施工单位的监督管理，加强对隧道地形地质情况的勘测与监控测量。

2) 二级模糊评判

由模糊评判计算结果可知，施工因素和围岩及设计因素均为可能出现风险的可能性均明显大于偶然出现风险，施工因素对隧道施工开挖坍塌的风险影响更明显，因此隧道安全施工需重点加强对隧道施工因素的安全管理与监督。

3) 三级模糊评判

由模糊评判计算结果可知，隧道施工有概率0.555可能出现开挖坍塌风险，有概率0.449 1偶然出现开挖坍塌风险。

4) 评判结果

3 结论

1) 上软下硬复合地层隧道施工安全的影响因素繁多复杂，呈现出模糊性和不确定性。结合实际工程项目，在调研国内外学者对上软下硬复合地层隧道施工风险及相关研究的基础之上，对上软下硬复合地层隧道施工风险影响因素进行辨识，并在此基础上建立了一套科学合理的上软下硬复合隧道施工安全风险评估体系。

2) 与围岩及设计因素相比，施工因素对上软下硬复合地层隧道施工安全的影响权重更大，其中施工情况中各影响因素权重最大，地形地质情况、施工单位次之，因此对上软下硬复合地层隧道施工安全各影响因素的有效合理管控需有针对性地重点监控关键因素，辅助协调次要因素。

3) 运用模糊−熵权理论对实际工程项目现场采集的各因素进行综合评估，得出上软下硬复合地层隧道工程施工风险改为3级，为可能发生风险，与现场情况相符。

4) 基于熵权模糊理论构建的上软下硬复合地层隧道施工评估模型，能够层次分明、条理清晰地对施工安全影响因素进行风险评估，用定量的方法定性地解决模糊复杂的问题，对上软下硬复合地层隧道施工安全提供一种科学、合理的评估方法，对指导后续施工具有借鉴意义。

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Safety risk assessment of tunnel construction in upper-soft and lower-hard composite strata based on entropy method and fuzzy evaluation theory

WU Bo1, 2, CHEN Huihao1, 2, HUANG Wei1, 2

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2. Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety of Ministry of Education, Nanning 530004, China)

The risk factors of tunnel construction safety are complex and numerous in upper-soft and lower-hard composite stratum, with ambiguity and uncertainty, so that the safety of tunnel construction cannot be guaranteed. In this paper, based on a real project and among the numerous influencing factors that affect the safety of the tunnel construction in the upper-soft and lower hard stratum, a detailed analysis was carried out in layers to establish a safety risk assessment system for the tunnel construction in composite stratum. The entropy method was used to determine the weight of the risk factors at various levels, and the multi-level fuzzy evaluation theory was used to carry out a comprehensive evaluation of each influencing factor step by step until the risk rating for the tunnel construction in composite stratum was obtained. The calculated results agree with the engineering practices. In addition, the findings made are instructive for similar tunnel construction projects.

upper-soft and lower-hard composite stratum; construction safety; entropy method; fuzzy comprehensive evaluation; risk assessment

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200549

U455

A

1672 − 7029(2021)04 − 1056 − 08

2020−06−07

国家自然科学基金面上资助项目(51678164)；广西自然科学基金资助项目(2018GXNSFDA138009)；广西科技计划资助项目(桂科AD18126011)

吴波(1971−)，男，四川阆中人，教授，博士，从事隧道与地下工程技术研究；E−mail：wubo@gxu.edu.cn

(编辑 蒋学东)