張騫棋 張文居

摘要：文章基于模糊綜合評價理論，采用層次分析法，以復雜地質(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)健康安全評判模型，并將模型運用至實際工程中，同時，采取現(xiàn)場調(diào)研的方式對結(jié)果進行驗證，發(fā)現(xiàn)模型對隧道安全的評價結(jié)果與實際相符，可以應用到實際工程中。

[作者簡介]張騫棋（1992—），男，碩士，助理工程師，研究方向為公路工程。

我國的公路建設正處于高潮時期，隨著規(guī)模的不斷擴大以及運營時長的延長，我國的公路隧道的長期運營安全也將是大家著重關(guān)注的地方，因此，對運營隧道進行長期健康監(jiān)測、加強結(jié)構(gòu)安全評價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，因此對隧道結(jié)構(gòu)安全的評價需結(jié)合定性和定量的方法進行。當前，我國在隧道結(jié)構(gòu)安全評價這一方面的研究還較少，有很大的研究空間。

吳賢國等[1-2]通過對不確定性信息的隨機性和模糊性進行討論，基于二維及多維云推理，提出了隧道安全風險等級評價方法;劉洋[3]以外荷載作用、隧道結(jié)構(gòu)應力變形、材質(zhì)劣化和滲漏水平為基礎，建立了對應的運營隧道結(jié)構(gòu)健康安全評價體系，并將其運用到實際工程中;王勇[4]針對公路運營隧道結(jié)構(gòu)的特殊性，選取具有代表性的評估指標，通過計算其權(quán)重，構(gòu)建了隧道結(jié)構(gòu)安全的綜合評估體系;周宇鍇等[5]通過建立ANSYS模型，并根據(jù)隧道各區(qū)域的受力情況與特點對活動斷層中的隧道進行了安全性評價;朱苦竹等[6]、趙博劍等[7]基于層次分析法（AHP）建立了相應的隧道工程健康狀態(tài)診斷模糊評價模型?？梢钥闯?，以上研究中所提出的評價方法參考的指標數(shù)較少，且大多僅適用于特定類型的隧道，普適性不高，對于我國藏區(qū)隧道的長期結(jié)構(gòu)安全評價，則不適用。

本文將針對藏區(qū)高速隧道群，采用定性與定量結(jié)合的模糊綜合評價作為評價方法，構(gòu)建針對藏區(qū)復雜地質(zhì)條件下的隧道結(jié)構(gòu)長期安全評價模型。

1 工程背景

藏區(qū)高速公路里程長，受控于沿線復雜的地形、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。其中特長隧道眾多，例如鷓鴣山隧道，獅子坪隧道，米亞羅隧道等。縱觀雅康與汶馬高速公路沿線的眾多隧道，同時結(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雜，主要體現(xiàn)在：高地應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)條件復雜，富水問題突出;沿線穿越多個斷層破碎帶，大變形與塌方風險較大;圍巖多為千枚巖，存在長期安全隱患。

四川藏區(qū)高速公路所在區(qū)域為典型的“三高”區(qū)域，且有著地形陡峻、巖性復雜、活動斷裂發(fā)育、巖體破碎等特征，整體來看工程建設極其復雜，修建難度高。在實際施工過程中，普遍遭遇了“三高”、軟弱圍巖等眾多風險源從而導致施工災害。因此，對運營隧道進行長期健康監(jiān)測、加強結(jié)構(gòu)安全評價體系研究已迫在眉睫。

2 隧道結(jié)構(gòu)健康安全評判模型

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

2.1 建立隧道結(jié)構(gòu)安全模糊綜合評判指標體系

藏區(qū)高速隧道所處地質(zhì)環(huán)境極其復雜，影響隧道結(jié)構(gòu)安全因素眾多，因此，需要多影響因素進行分級，找出主要的影響因素。在前人的研究基礎上，結(jié)合藏區(qū)高速公路隧道群危險源特征，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判模型。圖2為基于層次分析法建立出的評判指標體系。

2.2 建立隧道結(jié)構(gòu)安全評價評語集

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

2.3 評判基準的建立

2.3.1 襯砌支護類型的量化

在隧道結(jié)構(gòu)中，整體來看，隧道支護體系由圍巖支承環(huán)、初期支護和二次襯砌共同組成，圍巖作為主要承載部分，初期支護起保護圍巖和發(fā)揮圍巖承載能力的作用，二次襯砌則作為安全儲備，但是隨著隧道的使用，二次襯砌會逐漸成為主要承載部分[11-13]。本文結(jié)合施工設計資料，對支護參數(shù)進行比較分析，根據(jù)對隧道結(jié)構(gòu)安全影響程度不同，得到襯砌支護類型量化表（表1）。

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

2.3.2 建立評判標準

結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)安全等級的劃分，綜合工程實際情況[9]、監(jiān)測結(jié)果、設計方案進行分析，同時，基于評價指標體系，考慮分級標準，可建立隧道結(jié)構(gòu)影響因素的評判基準體系，見表2。

2.4 模糊綜合評判模型中隸屬函數(shù)的確定

調(diào)研相關(guān)文獻和資料可知，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確的判斷，因此，選取此分布來確定隸屬度函數(shù)，公式為：

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

評判因素集中定量指標均可按照公式（2）和評判基準（表2），繼而確定相應的隸屬函數(shù)表達式。

2.5 模糊綜合評判模型中指標因素權(quán)重的確定

根據(jù)層次分析法，采用“1～9標度法”進行各因素的比較并構(gòu)建相應判斷矩陣，對隧道結(jié)構(gòu)安全影響因素的權(quán)重進行確定，為了檢驗其計算結(jié)果符合實際，還需對判斷矩陣進行一致性檢驗。各個指標也因隧道處于不同的主要危險源下而權(quán)重也發(fā)生變化，普通隧道的各影響因素的指標權(quán)重如表3所示。

2.6 模糊綜合評判模型的建立

綜上，基于模糊綜合評價理論，可建立隧道結(jié)構(gòu)安全模糊綜合評價模型，過程如圖3所示。

2.7 評判結(jié)果處理

考慮到模糊算子M（·，⊕）可充分利用判斷矩陣里的所有因素，綜合程度強，且權(quán)重體現(xiàn)明顯，因此，本文選擇將其作為模糊綜合評價計算中的模糊算子。運算法則為：

得到評結(jié)果bj（j=1，2，3，…，n）后，采用最大隸屬度法對評價結(jié)果進行處理，可以得到更為清晰、具體的評價結(jié)果。

3 工程應用

本節(jié)將以米亞羅3號隧道監(jiān)測斷面為例，進行隧道結(jié)構(gòu)安全模糊綜合評價。

3.1 模糊綜合評價指標參數(shù)

根據(jù)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)和地質(zhì)勘查資料，米亞羅3號隧道的模糊綜合評價指標參數(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)，得一級指標的模糊關(guān)系矩陣Ri：

隨后對第一級指標進行模糊運算，得到相應的模糊綜合評價結(jié)果Ui：

把第一級模糊綜合評判結(jié)果U=U1，U2，U3，U4，U5作為總的模糊關(guān)系評價矩陣，即：

再對第二級進行模糊綜合評價，得到最后的評價結(jié)果為：

根據(jù)最大隸屬度原則，米亞羅3號隧道監(jiān)測段的安全性評價結(jié)果為II級，處于基本安全狀態(tài)。

3.3 現(xiàn)場驗證

為了評價模型的準確性，本文采用現(xiàn)場調(diào)研的方法對評判結(jié)果進行驗證。

圖4為米亞羅3號隧道評價斷面，為高水壓斷面。根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)研，在施工階段，初期支護就有滲水情況，在隧道運營過程中，二襯出現(xiàn)了開裂，但裂縫很小，不影響使用，安全情況較好，故認為評價結(jié)果準確。其他隧道具體驗證結(jié)果見表6。

由表6可以看出，整體的評價結(jié)果與實際情況吻合度較高，本隧道結(jié)構(gòu)安全模糊綜合評價模型的評價結(jié)果清晰準確，符合實際，具備實用性。

4 結(jié)論

本文基于模糊綜合評價方法，以復雜地質(zhì)條件下的藏區(qū)高速公路隧道為研究背景，建立了相應的隧道結(jié)構(gòu)安全模糊綜合評價模型，并進行了現(xiàn)場調(diào)研驗證，得出結(jié)論：

（1）基于模糊綜合評價方法，建立了隧道結(jié)構(gòu)安全評價模型，該模型對藏區(qū)高速公路安全監(jiān)測有著重大意義，使評價過程趨于科學化。

（2）將建立的隧道結(jié)構(gòu)安全模糊綜合評價模型運用到藏區(qū)高速隧道中，結(jié)果顯示所評價隧道均處于安全狀態(tài)，且僅日地1號隧道和米亞羅3號隧道監(jiān)測斷面處于II級基本安全狀態(tài)。

（3）為驗證模型準確性，對所評價隧道進行了現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)果顯示整體的評價結(jié)果與實際情況吻合度較高，反映了所有因素的作用，可用于實際工程。

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