模糊理论在隧道病害稳定性评价中的应用研究

摘要：为了有效评价病害隧道的稳定性，判别病害隧道稳定性的等级，文章基于隧道病害的洞体监测、抽芯取样、内轮廓监测及地质雷达的实地检测手段，引入了模糊数学综合评价理论，优化采用加权平均算子，对隧道的病害等级进行量化评级。该综合评价结果能够涵盖所有的测试参量，反映隧道的受损等级，验证了模糊综合评价理论在隧道稳定性评价中的合理性。

关键词：模糊理论；隧道；病害检测；综合评价

0引言

随着经济建设的发展需要，我国修建了大量的交通、水利水电及国防工程隧道。但由于隧道的修建是将原有的地质体平衡打破，人为地改变隧道周边围岩体的应力及所处的水文地质状态，而在隧道的运营期间，隧道场区的地应力及渗流场必然会寻求新的平衡，因此，必然会对隧道衬砌及洞内构筑物产生影响。倘若隧洞体难以抵抗地质体的应力调整及地下水的渗透压调整，也会对隧洞产生侵蚀破坏，从而产生隧洞的各类病害。因此，要维系隧道的正常运营，必须对病害隧道进行有效检测，基于可靠的稳定性评价，有针对性地对病害隧道进行整治。

国内外学者针对隧道运用模糊理论开展了各种研究，学者们取得了较多的成果［1-7］。其中，贾雷［8］主要是基于地质雷达对二衬进行质量检测，以此为基础运用层次分析法和模糊数学理论建立模糊评价体系。石峰［9］主要基于粗糙集和灰色-模糊理论建立了运营交通隧道的隧道结构健康状况评价模型，用以定量评价隧道的健康值。李科等［10］采用了模块实时监测数据，并基于模糊PID控制技术建立构建隧道有害气体的模糊评价系统。吴波等［11］结合模糊理论与熵权理论，针对隧道铁路施工阶段瓦斯安全风险评估，建立了安全风险评价体系。

国内外关于隧道病害的模糊评价的研究，主要是针对隧道在施工期间可能存在的瓦斯、毒气、施工安全及围岩稳定性等方面，且所采用的模糊理论并没有形成较为系统的评价方法。而对于运营期间隧道病害的模糊评价研究明显不足，现有的关于隧道病害的模糊理论的研究也为未能完善地提出评价的有效方法。本研究主要针对病害隧道提出了以隧道病害检测为基础，运用模糊综合评价理论，采用适宜隧道病害评价的模糊算子，构建评价隧道稳定性的评价基本方法及评价指标。

1 模糊综合评价理论

1.1 模糊评价基本原理

模糊综合评价理论是借助模糊数学的概念，将自然界中边界不清晰、难以定量化的问题进行量化，从多个因素对被评价对象隶属等级状况进行综合评价的一种手段。

首先，确定被评价对象各级评价指标论域U、评语集合论域V，再分别确定各个因素的权重，从而求得评价向量矩阵；通过采用适当的模糊算子，将各指标的权重与模糊矩阵进行合成，并把模糊评价矩阵与指标的权矢量进行模糊运算后再进行归一化处理，最终获得模糊综合评价结果。

1.2 明确病害隧道综合评价指标及评语论域

病害隧道受多种地质环境及施工因素的影响，地质环境的影响因素多样复杂，各因素的独立作用和耦合作用所导致的隧道病害类型各异。此外，隧道地质环境是在自然条件下不断变化的，其不断发展变化势必会对原有的隧道产生影响。因此，隧道的病害影响因素较多，且各因素的影响程度各异，需要采用一套综合性的评价体系，将各影响因素进行整合，综合评价隧道的稳定性。首先，需要对各病害因素进行区分，即隧道病害评价指标的确定。

隧道的评价指标适宜取用多层级的评价指标，从而能够获得更加接近实际的评价结果，即：

1.5 分析評价向量确定隧道病害等级

上述的合成计算后，最后可以获取到针对评定评价对象等级的评价向量A，模糊评价的最终结果是借助于评价向量开展的。运用最大隶属度原则，采用评价向量A中最高比例数值所对应的评语作为全局评价对象的评价级别。

即按照最大隶属度原则，针对评价结果向量A=（a1，a2，a3，…an）中当ak=Max{aj}时，被评价的对象其总体上属于第k等级。

2 工程应用

2.1 工程概况

西南某山岭隧道，其所在的隧址区构造作用较弱，无明显断层；其地层较简单，层理清晰分明。地层岩性从进口到出口地层依次为：砂岩、石灰岩、泥灰岩、泥岩、石灰岩及薄层状砂岩。隧道全长784 m，属于二级同村公路隧道。隧道起迄里程为K23＋646～K24＋426。隧道设计为双向二车道，设计交通流量为650辆/h（二车道），行车速度为50 km/h。隧道行车宽度为7.5 m。隧道投入使用后，历经12年的运营，陆续出现了大范围的衬砌渗漏水及部分衬砌结构裂缝等不良病害，隧道行车安全及行车环境受到严重威胁，致使该隧道长时间终止运行，严重阻碍了该路段的交通。

为了尽快恢复该路段交通，首先需要对该隧道的稳定性及安全性进行可靠的评价。本次检测针对隧道病害基本情况，对该隧道进行病害检测，主要一级工作项目包括洞体病害检测、钻芯取样检测、洞体内轮廓变形检测及地质雷达检测。此外，洞体病害检测涵盖的二级子项目为：内衬裂缝、渗漏水、内衬异形、内衬表面病害蜂窝麻面4项。

衬砌的抽芯取样即通过取芯机对衬砌进行现场抽芯，主要了解衬砌的真实厚度及其完整程度等特征。洞体轮廓则是通过测试仪器对洞体内部轮廓的变形程度进行数字测定，如图1所示。其能较为精确地反映当前洞体内轮廓与初始的隧道轮廓间存在的差异，从而指示出洞体差异性的恶化程度。地质雷达是对抽芯取样测试的补充及验证手段，针对抽芯无法取样的区段，采用地质雷达进行测试，对比抽芯实测厚度校正后，获取衬砌其他部位的厚度。

洞内病害检测主要采用单位面积内洞体病害的个数进行统计分析；衬砌抽芯取样则是以衬砌的厚度及其标准试件单轴抗压强度作为检测指标。如上所述，地质雷达是辅助完善抽芯取样所不能覆盖的那部分衬砌，能反映衬砌的施工质量，即衬砌的完整程度。

隧道工程穿越的地层一般较长，因此，不同地段的地质赋存环境、应力环境及水文地质环境都不尽相同，不能笼统地进行全段评价，有必要对不同特征区段的隧道进行分段评估，从而实现较为准确有效的稳定性评价。根据本此检测结果，本研究主要对K23+877～K23+887段开展，主要是该区段病害较为集中，密度较大，病害较为严重，具有典型的特异性特征。本次测试检测结果如表1所示。

2.2 构建模糊评价指标及评语论域取值

根据该隧道的检测结果，明确该隧道病害评价的一级评价指标为U={U1，U2，U3，U4}；由于洞体检测所涉及的内容较多，因此，本此检测研究对洞体检测项目取定第二级评价指标，即U1={u11，u12，u12，u14}。

根据模糊数学综合评价理论，同时基于该隧道的病害的具体特征，将该隧道的病害评语集划分为4级层级，即V={v1，v2，v3，v4}={良好，一般，差，极差}。将表1中的各级指标进行评语占比计算，计算结果如表2所示。

首先，计算包含二级指标的检测成果。基于表2中洞体病害检测的4个二级指标评语的占比数值，采用模糊理论确立二级模糊矩阵，可以得到隧道病害评价中洞体病害检测的二级模糊矩阵：

2.3 确定模糊综合评价权重

根据前文所述，本研究的隧道模糊综合评价的权重采用专家打分法，专家根据其丰富的工程经验与专业知识，对该种地质赋存环境的隧道病害进行权重评分。因此，根据专家的评分权重，本次该隧道的第一、二级模糊评价权重分别如下：

2.4 隧道稳定性模糊综合评价

模糊综合评价的成果能够较为真实地反映评价对象的实际情况，而模糊算子的选取是整个评价的关键所在，选用不同的算子所得到的结果存在较大的差异。因此，根据工程的实际情况，选用适合的算子，力求真实反映评价对象的真实状态。本次研究选用加权平均型算子“M=（g，）”，其中“g”表示相乘，“”表示相加。根据该算子，则可以得到洞体病害检测的综合评价矢量：

经过计算，得到隧道病害的模糊综合评价矢量B，同时，根据最大隶属度原则。因此，在最终的评价矢量B中选取占比最大的0.43所对应的评语“差”作为最后界定的该隧道病害等级。即该隧道测试标段：K23＋646～K24＋426内的隧道稳定性定级为“差”，需要对该隧道进行病害治理，恢复隧道的正常运营。

3 結语

（1）隧道病害所涉及影响因素众多，各因素对隧道稳定性的影响权重存在差异。采用模糊综合评价的方法能够最大程度地兼容多因素评价指标，同时对不同评价指标的影响权重能够优化地选用并量化。因此，基于模糊综合评价理论的隧道稳定性评价方法能够较合理地反映隧道病害的破损情况。此外，不同类型的模糊算子对综合评价的影响较大，应结合工程实际优化选择适合的模糊算子。

（2）通过对实例工程的运用，能够快速且量化地反映隧道工程因病害所致的安全稳定性等级，且评价等级与该隧道的病害评价有较好的拟合性。试验研究的结果验证了模糊综合评价方法的正确性，对类似隧道病害所致的洞体稳定性评价具有良好的借鉴意义。

参考文献：

［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，贡 力，等.基于可变模糊集理论的铁路隧道塌方风险评价［J］.铁道科学与工程学报，2021，18（5）：1 364-1 372.

［3］姜安民，董彦辰，张晓波，等.基于粗糙集与模糊理论的公路隧道塌方风险评价［J］.公路与汽运，2020（3）：156-160.

［4］李宗坤，李 巍，葛 巍，等.基于集对分析-可变模糊集耦合方法的溃坝环境影响评价［J］.天津大学学报（自然科学与工程技术版），2019，52（3）：269-276.

［5］李 毅.基于模糊层次分析法的公路隧道施工坍塌事故风险评估［J］.湖南交通科技，2021，47（4）：123-125，151.

［6］王华牢，许崇帮，褚方平.新型模糊算子的公路隧道健康状态评价方法研究［J］.地下空间与工程学报，2012，08（S1）：1 389-1 395.

［7］杨启航.隧道工程衬砌病害机理与评价方法研究［D］.淮南：安徽理工大学，2019.

［8］贾 雷.六河高速公路隧道检测与病害处治技术［D］.西安：长安大学，2013.

［9］石 峰.基于粗糙集和灰色模糊理论的公路隧道结构病害评价方法及应用研究［D］.成都：西南交通大学，2015.

［10］李 科，李鹏辉，蔡 爽，等.基于模糊控制的隧道有害气体治理技术研究［J］.隧道建设（中英文），2022，42（S1）：120-127.

［11］吴 波，陈辉浩，黄 惟.基于模糊-熵权理论的铁路瓦斯隧道施工安全风险评估［J］.安全与环境学报，2021，21（6）：2 386-2 393.

作者简介：黄时军（1988—），工程师，主要从事道路与桥梁、隧道施工监理工作。