復雜地質條件下隧道結構健康安全評價體系

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，以復雜地質條件下的藏區高速公路隧道為研究背景，深入分析了隧道長期結構安全的影響因素，建立了隧道結構健康安全評判模型，并將模型運用至實際工程中，同時，采取現場調研的方式對結果進行驗證，發現模型對隧道安全的評價結果與實際相符，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注的地方，因此，對運營隧道進行長期健康監測、加強結構安全評價體系研究已迫在眉睫。隧道結構的安全與多種因素相關，且存在多樣性及模糊性的特點，因此對隧道結構安全的評價需結合定性和定量的方法進行。當前，我國在隧道結構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、隧道結構應力變形、材質劣化和滲漏水平為基礎，建立了對應的運營隧道結構健康安全評價體系，并將其運用到實際工程中;王勇[4]針對公路運營隧道結構的特殊性，選取具有代表性的評估指標，通過計算其權重，構建了隧道結構安全的綜合評估體系;周宇鍇等[5]通過建立ANSYS模型，并根據隧道各區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診斷模糊評價模型。可以看出，以上研究中所提出的評價方法參考的指標數較少，且大多僅適用于特定類型的隧道，普適性不高，對于我國藏區隧道的長期結構安全評價，則不適用。

本文將針對藏區高速隧道群，采用定性與定量結合的模糊綜合評價作為評價方法，構建針對藏區復雜地質條件下的隧道結構長期安全評價模型。

1 工程背景

藏區高速公路里程長，受控于沿線復雜的地形、地質條件，線路上結構物眾多，隧道占很大比重，藏區高速線路圖如圖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;隧址區域節理裂隙發育，且水文地質條件復雜，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。

四川藏區高速公路所在區域為典型的“三高”區域，且有著地形陡峻、巖性復雜、活動斷裂發育、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測、加強結構安全評價體系研究已迫在眉睫。

2 隧道結構健康安全評判模型

模糊綜合評價法是一種基于模糊數學，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，可以運用到隧道結構安全評價中去。

2.1 建立隧道結構安全模糊綜合評判指標體系

藏區高速隧道所處地質環境極其復雜，影響隧道結構安全因素眾多，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，結合藏區高速公路隧道群危險源特征，本文選取了結構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 建立隧道結構安全評價評語集

根據隧道結構的受力特征，結合長期健康監測數據，本文將隧道結構的安全性狀態劃分為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

在隧道結構中，整體來看，隧道支護體系由圍巖支承環、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]。本文結合施工設計資料，對支護參數進行比較分析，根據對隧道結構安全影響程度不同，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： 復雜地質條件下隧道結構健康安全評價體系

2.3.2 建立評判標準

結合隧道結構安全等級的劃分，綜合工程實際情況[9]、監測結果、設計方案進行分析，同時，基于評價指標體系，考慮分級標準，可建立隧道結構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的確定

調研相關文獻和資料可知，正態分布型隸屬度函數敏感性較好，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，公式為：

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

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表達式。

2.5 模糊綜合評判模型中指標因素權重的確定

根據層次分析法，采用“1～9標度法”進行各因素的比較并構建相應判斷矩陣，對隧道結構安全影響因素的權重進行確定，為了檢驗其計算結果符合實際，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重也發生變化，普通隧道的各影響因素的指標權重如表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，可建立隧道結構安全模糊綜合評價模型，過程如圖3所示。

2.7 評判結果處理

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，且權重體現明顯，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：

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

3 工程應用

本節將以米亞羅3號隧道監測斷面為例，進行隧道結構安全模糊綜合評價。

3.1 模糊綜合評價指標參數

根據健康監測數據和地質勘查資料，米亞羅3號隧道的模糊綜合評價指標參數見表4和表5。

3.2 建模求解

將上述數據帶入隸屬函數，得一級指標的模糊關系矩陣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果Ui：

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

再對第二級進行模糊綜合評價，得到最后的評價結果為：

根據最大隸屬度原則，米亞羅3號隧道監測段的安全性評價結果為II級，處于基本安全狀態。

3.3 現場驗證

為了評價模型的準確性，本文采用現場調研的方法對評判結果進行驗證。

圖4為米亞羅3號隧道評價斷面，為高水壓斷面。根據現場實際調研，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，故認為評價結果準確。其他隧道具體驗證結果見表6。

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

4 結論

本文基于模糊綜合評價方法，以復雜地質條件下的藏區高速公路隧道為研究背景，建立了相應的隧道結構安全模糊綜合評價模型，并進行了現場調研驗證，得出結論：

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

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

（3）為驗證模型準確性，對所評價隧道進行了現場調研，結果顯示整體的評價結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。

參考文獻

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