模糊理論在隧道病害穩定性評價中的應用研究

摘要：為了有效評價病害隧道的穩定性，判別病害隧道穩定性的等級，文章基于隧道病害的洞體監測、抽芯取樣、內輪廓監測及地質雷達的實地檢測手段，引入了模糊數學綜合評價理論，優化采用加權平均算子，對隧道的病害等級進行量化評級。該綜合評價結果能夠涵蓋所有的測試參量，反映隧道的受損等級，驗證了模糊綜合評價理論在隧道穩定性評價中的合理性。

關鍵詞：模糊理論；隧道；病害檢測；綜合評價

0引言

隨著經濟建設的發展需要，我國修建了大量的交通、水利水電及國防工程隧道。但由于隧道的修建是將原有的地質體平衡打破，人為地改變隧道周邊圍巖體的應力及所處的水文地質狀態，而在隧道的運營期間，隧道場區的地應力及滲流場必然會尋求新的平衡，因此，必然會對隧道襯砌及洞內構筑物產生影響。倘若隧洞體難以抵抗地質體的應力調整及地下水的滲透壓調整，也會對隧洞產生侵蝕破壞，從而產生隧洞的各類病害。因此，要維系隧道的正常運營，必須對病害隧道進行有效檢測，基于可靠的穩定性評價，有針對性地對病害隧道進行整治。

國內外學者針對隧道運用模糊理論開展了各種研究，學者們取得了較多的成果［1-7］。其中，賈雷［8］主要是基于地質雷達對二襯進行質量檢測，以此為基礎運用層次分析法和模糊數學理論建立模糊評價體系。石峰［9］主要基于粗糙集和灰色-模糊理論建立了運營交通隧道的隧道結構健康狀況評價模型，用以定量評價隧道的健康值。李科等［10］采用了模塊實時監測數據，并基于模糊PID控制技術建立構建隧道有害氣體的模糊評價系統。吳波等［11］結合模糊理論與熵權理論，針對隧道鐵路施工階段瓦斯安全風險評估，建立了安全風險評價體系。

國內外關于隧道病害的模糊評價的研究，主要是針對隧道在施工期間可能存在的瓦斯、毒氣、施工安全及圍巖穩定性等方面，且所采用的模糊理論并沒有形成較為系統的評價方法。而對于運營期間隧道病害的模糊評價研究明顯不足，現有的關于隧道病害的模糊理論的研究也為未能完善地提出評價的有效方法。本研究主要針對病害隧道提出了以隧道病害檢測為基礎，運用模糊綜合評價理論，采用適宜隧道病害評價的模糊算子，構建評價隧道穩定性的評價基本方法及評價指標。

1 模糊綜合評價理論

1.1 模糊評價基本原理

模糊綜合評價理論是借助模糊數學的概念，將自然界中邊界不清晰、難以定量化的問題進行量化，從多個因素對被評價對象隸屬等級狀況進行綜合評價的一種手段。

首先，確定被評價對象各級評價指標論域U、評語集合論域V，再分別確定各個因素的權重，從而求得評價向量矩陣；通過采用適當的模糊算子，將各指標的權重與模糊矩陣進行合成，并把模糊評價矩陣與指標的權矢量進行模糊運算后再進行歸一化處理，最終獲得模糊綜合評價結果。

1.2 明確病害隧道綜合評價指標及評語論域

病害隧道受多種地質環境及施工因素的影響，地質環境的影響因素多樣復雜，各因素的獨立作用和耦合作用所導致的隧道病害類型各異。此外，隧道地質環境是在自然條件下不斷變化的，其不斷發展變化勢必會對原有的隧道產生影響。因此，隧道的病害影響因素較多，且各因素的影響程度各異，需要采用一套綜合性的評價體系，將各影響因素進行整合，綜合評價隧道的穩定性。首先，需要對各病害因素進行區分，即隧道病害評價指標的確定。

隧道的評價指標適宜取用多層級的評價指標，從而能夠獲得更加接近實際的評價結果，即：

1.5 分析評價向量確定隧道病害等級

上述的合成計算后，最后可以獲取到針對評定評價對象等級的評價向量A，模糊評價的最終結果是借助于評價向量開展的。運用最大隸屬度原則，采用評價向量A中最高比例數值所對應的評語作為全局評價對象的評價級別。

即按照最大隸屬度原則，針對評價結果向量A=（a1，a2，a3，…an）中當ak=Max{aj}時，被評價的對象其總體上屬于第k等級。

2 工程應用

2.1 工程概況

西南某山嶺隧道，其所在的隧址區構造作用較弱，無明顯斷層；其地層較簡單，層理清晰分明。地層巖性從進口到出口地層依次為：砂巖、石灰巖、泥灰巖、泥巖、石灰巖及薄層狀砂巖。隧道全長784 m，屬于二級同村公路隧道。隧道起迄里程為K23＋646～K24＋426。隧道設計為雙向二車道，設計交通流量為650輛/h（二車道），行車速度為50 km/h。隧道行車寬度為7.5 m。隧道投入使用后，歷經12年的運營，陸續出現了大范圍的襯砌滲漏水及部分襯砌結構裂縫等不良病害，隧道行車安全及行車環境受到嚴重威脅，致使該隧道長時間終止運行，嚴重阻礙了該路段的交通。

為了盡快恢復該路段交通，首先需要對該隧道的穩定性及安全性進行可靠的評價。本次檢測針對隧道病害基本情況，對該隧道進行病害檢測，主要一級工作項目包括洞體病害檢測、鉆芯取樣檢測、洞體內輪廓變形檢測及地質雷達檢測。此外，洞體病害檢測涵蓋的二級子項目為：內襯裂縫、滲漏水、內襯異形、內襯表面病害蜂窩麻面4項。

襯砌的抽芯取樣即通過取芯機對襯砌進行現場抽芯，主要了解襯砌的真實厚度及其完整程度等特征。洞體輪廓則是通過測試儀器對洞體內部輪廓的變形程度進行數字測定，如圖1所示。其能較為精確地反映當前洞體內輪廓與初始的隧道輪廓間存在的差異，從而指示出洞體差異性的惡化程度。地質雷達是對抽芯取樣測試的補充及驗證手段，針對抽芯無法取樣的區段，采用地質雷達進行測試，對比抽芯實測厚度校正后，獲取襯砌其他部位的厚度。

洞內病害檢測主要采用單位面積內洞體病害的個數進行統計分析；襯砌抽芯取樣則是以襯砌的厚度及其標準試件單軸抗壓強度作為檢測指標。如上所述，地質雷達是輔助完善抽芯取樣所不能覆蓋的那部分襯砌，能反映襯砌的施工質量，即襯砌的完整程度。

隧道工程穿越的地層一般較長，因此，不同地段的地質賦存環境、應力環境及水文地質環境都不盡相同，不能籠統地進行全段評價，有必要對不同特征區段的隧道進行分段評估，從而實現較為準確有效的穩定性評價。根據本此檢測結果，本研究主要對K23+877～K23+887段開展，主要是該區段病害較為集中，密度較大，病害較為嚴重，具有典型的特異性特征。本次測試檢測結果如表1所示。

2.2 構建模糊評價指標及評語論域取值

根據該隧道的檢測結果，明確該隧道病害評價的一級評價指標為U={U1，U2，U3，U4}；由于洞體檢測所涉及的內容較多，因此，本此檢測研究對洞體檢測項目取定第二級評價指標，即U1={u11，u12，u12，u14}。

根據模糊數學綜合評價理論，同時基于該隧道的病害的具體特征，將該隧道的病害評語集劃分為4級層級，即V={v1，v2，v3，v4}={良好，一般，差，極差}。將表1中的各級指標進行評語占比計算，計算結果如表2所示。

首先，計算包含二級指標的檢測成果?；诒?中洞體病害檢測的4個二級指標評語的占比數值，采用模糊理論確立二級模糊矩陣，可以得到隧道病害評價中洞體病害檢測的二級模糊矩陣：

2.3 確定模糊綜合評價權重

根據前文所述，本研究的隧道模糊綜合評價的權重采用專家打分法，專家根據其豐富的工程經驗與專業知識，對該種地質賦存環境的隧道病害進行權重評分。因此，根據專家的評分權重，本次該隧道的第一、二級模糊評價權重分別如下：

2.4 隧道穩定性模糊綜合評價

模糊綜合評價的成果能夠較為真實地反映評價對象的實際情況，而模糊算子的選取是整個評價的關鍵所在，選用不同的算子所得到的結果存在較大的差異。因此，根據工程的實際情況，選用適合的算子，力求真實反映評價對象的真實狀態。本次研究選用加權平均型算子“M=（g，）”，其中“g”表示相乘，“”表示相加。根據該算子，則可以得到洞體病害檢測的綜合評價矢量：

經過計算，得到隧道病害的模糊綜合評價矢量B，同時，根據最大隸屬度原則。因此，在最終的評價矢量B中選取占比最大的0.43所對應的評語“差”作為最后界定的該隧道病害等級。即該隧道測試標段：K23＋646～K24＋426內的隧道穩定性定級為“差”，需要對該隧道進行病害治理，恢復隧道的正常運營。

3 結語

（1）隧道病害所涉及影響因素眾多，各因素對隧道穩定性的影響權重存在差異。采用模糊綜合評價的方法能夠最大程度地兼容多因素評價指標，同時對不同評價指標的影響權重能夠優化地選用并量化。因此，基于模糊綜合評價理論的隧道穩定性評價方法能夠較合理地反映隧道病害的破損情況。此外，不同類型的模糊算子對綜合評價的影響較大，應結合工程實際優化選擇適合的模糊算子。

（2）通過對實例工程的運用，能夠快速且量化地反映隧道工程因病害所致的安全穩定性等級，且評價等級與該隧道的病害評價有較好的擬合性。試驗研究的結果驗證了模糊綜合評價方法的正確性，對類似隧道病害所致的洞體穩定性評價具有良好的借鑒意義。

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作者簡介：黃時軍（1988—），工程師，主要從事道路與橋梁、隧道施工監理工作。