基于改進G2-EWM-TOPSIS模型的引水隧洞塌方風險評價

譚立偉,溫少卿,2,李開華,靳春玲,安祥

(1.中鐵開發投資集團有限公司,昆明 650501; 2.中鐵二局第五工程有限公司,成都 610091;3.中鐵西南科學研究院有限公司,成都 611731; 4.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070)

引水工程中的隧洞規模越來越大,地域跨度廣,地質條件復雜,施工難度大,成為整個線路的關鍵工程。引水隧洞施工過程中安全事故不僅會造成人員傷亡,而且給國家和社會帶來了不良影響。滇中引水工程作為云南省可持續發展的戰略性工程,具有引水規模大、隧洞線路長、穿越地質條件十分復雜等特點,存在巖溶地下水、活動斷裂、高地應力、軟巖大變形等重大工程地質和環境地質問題,而塌方是滇中引水工程中最為常見的工程事故,是影響隧洞安全施工運營的重要隱患[1],如何預防塌方事故是我們面臨的重要問題。因此,在滇中引水工程施工中,開展引水隧洞塌方風險的評價具有重要的意義。

中外學者在引水隧洞塌方風險評價方面進行了許多研究,呂擎峰等[2]采用模糊層次綜合分析法確定塌方風險影響因素的判斷矩陣、權重及隸屬度,引用風險后果當量估計法建立風險事故后果評估模型;王婧等[3]從工程地質、勘察設計、施工技術與管理3方面分析隧道塌方的風險因素,建立鐵路隧道塌方風險評價指標體系;詹金武等[4]在綜合考慮影響隧道塌方風險因素的基礎上,構建了山嶺隧道塌方風險等級評估模型;貢力等[5]通過主成分分析法對原始數據進行預處理后作為神經網絡訓練樣本,利用粒子群算法優化徑向基函數神經網絡(radical basis function,RBF)訓練過程;劉燦等[6]選取工程地質等4項一級指標,建立熵權-改進灰色關聯的公路隧道塌方風險評價模型;王天瑜等[7]利用可拓集合理論的關聯函數計算預警指標對預警等級的關聯系數,建立基于熵權的可拓評價預警方法;Kim等[8]采用層次分析法和德爾菲調查分析法對隧道塌方風險評價的影響因素和分級體系進行量化,提出了隧道塌方危險性評價模型;Chen等[9]提出了一種基于案例推理、粗糙集理論和未確知測度集對分析理論的隧道塌方風險綜合評價新方法。

綜上所述,上述研究均獲得了一定的成果,但存在對于評價指標的選取考慮不周全、數據處理不完善等問題。因此,現針對滇中引水工程特點選取全面考慮隧洞塌方風險的指標,建立隧洞塌方風險評價體系,構建改進G2-EWM-TOPSIS模型,在隧洞塌方事故風險評價方面具有一定的研究意義,為滇中引水工程的施工運營提供理論支持。

1 建立引水隧洞塌方風險評價指標體系

引水隧洞往往地勢惡劣且遭受寒冷氣候的影響,容易產生凍融破壞,導致引水隧洞表面破壞,經常導致塌方事故,使得引水隧洞出現側墻開裂、底板隆起等狀況。經過分析,造成塌方事故的主要因素包括:①工程地質,巖體完整性越好,其自穩能力越強;巖層傾角越大,隧道偏壓越嚴重,可能造成隧道塌方;②自然條件,地下水會影響巖體穩定性,并極大可能會造成突水突泥事故,影響施工安全;③施工設計,隧道埋深越淺,發生塌方的可能性越高;過大的爆破擾動經常會導致巖體坍塌;隧洞的支護強度不夠、不及時支護等問題會造成塌方事故。

在引水隧洞塌方事故普遍影響因素的基礎上,考慮復雜的地質構造,并參考《水利水電工程地質勘察規范》《水工隧洞設計規范》《水利水電工程施工質量檢驗與評定規程》等相關規范標準,遵循全面性、科學性、層次性和實用性的原則[10],選取了11個代表性指標,建立了引水隧洞塌方風險評價指標體系,如圖1所示。參照中外隧洞塌方風險等級劃分標準、隧道塌方特征及相關文獻,將各指標的標準進行分級,劃分為 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個等級,分別代表低風險、中風險、高風險、極高風險。其中,低風險表示風險極低,不需要采取應對措施;中風險表示事故影響在可接受范圍內,可采取一定應對措施減少損失;高風險表示事故影響超出可接受范圍,必須采取相應措施;極高風險表示必須重視并采取所有可實施的應對措施防止事故發生。具體分級標準如表1所示。

2 引水隧洞塌方風險評價模型

引水隧洞塌方風險評價模型運用改進G2法及熵權法對引水隧洞塌方風險評價指標進行賦權,再運用矩估計理論進行組合賦權,將賦權后的結果引入改進G2-EWM-TOPSIS模型中,評價引水隧洞的塌方風險等級,其評價流程如圖2所示。

圖2 改進G2-EWM-TOPSIS模型的引水隧洞塌方風險評價流程

2.1 改進G2法

G2法是一種主觀賦權法,又名唯一參照物比較判斷法,可以體現專家的風險意識和主觀信息[11]。但G2法受主觀因素影響較大,因此本文研究引用改進G2法。改進G2法使用客觀數據計算的變異系數之比替代專家賦予指標的重要程度之比,盡可能地避免主觀因素的影響[12]。

專家在評價指標集{Xj}中挑選出他認為是最不重要的一個且只一個指標并記為Xk,然后將其余指標標記為Xk1,Xk2,…,Xkm。將最不重要的指標Xk作為參照物,通過指標間的變異系數之比確定其余指標相對于Xk的重要程度,最后分布計算指標Xj的權重。計算步驟如下。

步驟1根據各個指標的均值ˉxj以及標準差sj確定指標的變異系數。

(1)

式(1)中:Vj為指標變異指數。

步驟2根據變異系數確定指標Xj與Xk相對重要程度之比的客觀賦值。

(2)

式(2)中:rj為相對重要程度比值;Vk為指標Xk的變異指數。

步驟3計算指標權重。

(3)

式(3)中:wj為指標權重。

2.2 熵權法

熵權法(entropy weight method,EWM)是一種根據各項指標觀測值所提供的信息量的大小來確定指標權重的客觀賦權方法[13]。熵權法根據各指標的變異程度,利用信息熵來度量這種信息量的大小,通過熵權對各指標進行修正,從而計算出較為客觀的權重,減少了主觀因素的干擾,使得指標權重更加精確可信[14]。計算步驟如下。

步驟1對指標數據進行無量綱化處理。評價指標體系往往包含多項指標,由于數量級不同不能直接比較,為了將各項指標進行統一比較,需要先進行無量綱化處理。

正向指標的計算公式為

(4)

負向指標的計算公式為

(5)

步驟2對指標數據進行歸一化處理。

(6)

步驟3計算指標信息熵值及信息效用值。

(7)

dj=1-ej

(8)

式中:ej為信息熵值;dj為信息效用值;m為評價對象數。

步驟4計算指標權重。

(9)

式(9)中:wj為指標權重。

2.3 組合權重的確定

主觀賦權法主要依靠專家經驗確定指標權重,受人為因素影響較大。客觀賦權法能夠避免主觀因素影響,但對于數據的依賴性較高,賦權不合理情況時常發生。矩估計理論組合賦權法能夠綜合考慮主客觀因素,既保證數據的客觀聯系,又尊重專家的主觀經驗,處理后的權重更加合理可靠[15]。因此,本文研究運用矩估計理論對主客觀權重進行處理,既可以直觀體現改進G2法的主觀信息和風險意識,同時可以保持熵權法對指標客觀描述的特點。

組合權重為

W=αW1+βW2

(10)

式(10)中:W為組合權重,0≤W≤1;W1、W2分別為主、客觀權重;α+β=1。

計算上述兩種權重對應的期望值為

(11)

(12)

式中:E(w1i)為主觀權重對應的期望值;E(w2i)為客觀權重對應的期望值。

則有

(13)

(14)

則α、β為

(15)

(16)

2.4 TOPSIS法

TOPSIS法的基本原理是通過計算評價對象與“正理想解”和“負理想解”之間的接近程度來對各個評價對象進行優劣排序[16]。TOPSIS法中的正理想解就是各評價對象中能夠達到的最優解,其各項屬性都能達到最優;負理想解則是各評價對象中的最劣解,各項屬性都達到最劣。TOPSIS法的基本思路是將各評價對象的正理想解和負理想解相比較,其中最接近正理想解且遠離負理想解的評價對象即為最優[17]。TOPSIS法計算步驟如下。

步驟1對于m個評價對象A={a1,a2,…,am}都有n個評價指標r={r1,r2,…,rn},首先建立評價矩陣R為

(17)

式(17)中:rij為第i個評價對象的第j項評價指標;i=1,2,…,m;j=1,2,…,n。

對初始評價矩陣進行平方和歸一化處理,從而求得標準化矩陣Y為

(18)

(19)

步驟2將標準化矩陣Y與綜合權重相乘,得到加權標準化矩陣T為

(20)

tij=yijWj,i=1,2,…,m;j=1,2,…,n

(21)

式(21)中:Wj為第j項指標的綜合權重。

步驟3計算加權標準化矩陣T的正理想解和負理想解。

(22)

式中:t+為正理想解;t-為負理想解。

(23)

對于越小越優型指標,其理想解tj+和負理想解tj-分別為

(24)

步驟4計算各評價對象與理想解和負理想解的歐式距離。

i= 1,2,…,m

(25)

i= 1,2,…,m

(26)

步驟5計算各評價對象的相對貼近度。

(27)

式(27)中:Ni為相對貼近度。

將計算得出的相對貼近度Ni作為依據評價風險等級,相對貼近度越大則評價對象距離正理想解越近,表明風險等級越低,反之,相對貼近度越小表明風險等級越高。

3 實例分析

3.1 數據準備

滇中引水工程是國務院確定的172項節水供水重大水利工程中的標志性工程,工程多年平均引水量34.03億m3,渠首流量135 m3/s,末端流量20 m3/s。線路區位于云南山字型構造前弧與青、藏、滇、緬、印尼歹字型構造體系東支中段復合部位,總體地質構造背景復雜。輸水隧洞全長165.433 km,經初步圍巖分類統計,其中Ⅳ、Ⅴ類圍巖合計占比57.14%,占比偏大,易產生塌方事故。本文研究選取滇中引水工程里程范圍為YX24+100～24+850、YX24+850～25+165、YX25+165～25+545、YX25+545～26+897、YX26+897～27+500、YX27+500～27+750、YX27+750～28+200、YX28+200～28+826、YX28+826～29+462的典型隧洞段進行塌方風險評價。

3.2 工程數據

選取滇中引水工程中的9段引水隧洞進行風險分析,根據《工程測量標準》(GB50026—2020)的指標量化細則及滇中引水工程勘察設計、地質報告及現場統計資料得到具體數據如表2所示。

3.3 改進G2-EWM-TOPSIS評價分析模型

3.3.1 指標權重計算

運用改進G2法和熵權法確定評價對象的主、客觀權重,再結合矩估計理論賦權法確定綜合權重,權重結果如表3所示,指標權重雷達圖如圖3所示。

圖3 指標權重雷達圖

結合圖3評價指標權重雷達圖可知,矩估計綜合權重與G2法權重折線趨勢一致,說明G2法得到的指標權重更符合優化權重結果。由表3指標權重表可以看出,在11個隧洞塌方風險評價指標中,綜合權重值大于0.1的評價指標有巖石單軸飽和抗壓強度、節理面平均間距、施工對圍巖的擾動量,說明該3項指標是對隧洞塌方影響較大的指標,結合該地區地質情況及引水隧洞施工情況,巖石含水量的增加,削弱了顆粒間的聯系,導致抗壓強度明顯減小;巖體的完整性是表現巖體強度、巖體變形性的重要標志之一,節理面平均間距是直接影響巖體完整性的重要因素,對巖石的穩定性有較大影響;施工對圍巖的擾動會導致襯砌的破壞,反復擾動有可能形成裂縫,更易造成塌方。

3.3.2 綜合評價等級分析

根據引水隧洞塌方風險評價指標體系,結合某工程某隧洞實際情況,通過改進G2-EWM-TOPSIS模型進行數據處理后,得到各隧洞段的正理想解、負理想解的歐式距離及相對貼近度,其中相對貼近度大于0.8為Ⅰ級,(0.5,0.8]為Ⅱ級,(0.2,0.5]為Ⅲ級,≤0.2為Ⅳ級。為對比該模型的準確性,運用云模型求出熵值表示評價結果分散度,計算出塌方風險等級最大隸屬度,得出各評價樣本塌方風險等級與相應置信度因子,從而對滇中引水工程隧洞進行塌方風險等級評價,并分別與現場工程地質勘察結果相比較,評價結果如表4所示。

表4 引水隧洞塌方風險評價結果

3.3.3 結果分析

(1)通過指標權重計算可知,結構面黏聚力、巖石單軸飽和抗壓強度、節理面平均間距是可能造成塌方事故的主要因素,在引水隧洞的施工運營期間應加強監控和管理。

(2)通過計算可知,引水隧洞里程范圍為YX24+100～24+850、YX24+850～25+165、YX25+545～26+897、YX27+750～28+200段的塌方評價等級為Ⅱ級,里程范圍為YX25+165～25+545、YX26+897～27+500、YX27+500～27+750、YX28+200～28+826、YX28+826～29+462段的塌方風險評價等級為Ⅲ級。與實際等級相比,除YX28+826～29+462外其他段塌方評價等級均相同。

(3)改進G2-EWM-TOPSIS模型計算的評價等級與實際情況基本吻合,該模型能夠分析出研究對象的典型分布規律,得出可靠評價結果,評價等級為Ⅱ級風險的引水隧洞,圍巖為微風化,節理裂隙不發育,巖體完整,不需要采取特殊措施,只需保證合理施工,及時處理意外情況,避免事故發生;評價等級為Ⅲ級風險的引水隧洞發育有斷層,巖體主要呈塊裂結構,部分呈碎塊狀結構,以Ⅳ類圍巖為主,部分為Ⅴ類圍巖。可以采用鉆孔灌漿法進行加固,自上而下分段灌漿,使裂縫中充滿水泥漿,同時要抽排塌方流水,清理流泥及流沙,可以提高隧洞的整體性及防滲性能。

4 結論

(1)遵循全面性、科學性、層次性、穩定性和實用性的原則,構建了包含3個一級指標和11個代表性二級指標的引水隧洞塌方風險評價指標體系。

(2)由于影響塌方的因素繁多復雜,因此本文研究選用能避免數據的主觀性,刻畫多個影響指標的綜合影響力度的TOPSIS法,引入改進G2法和熵權法計算主客觀權重,運用矩估計理論賦權法進行組合賦權,構建改進G2-EWM-TOPSIS模型計算出各引水隧洞的塌方風險評價等級。

(3)改進G2-EWM-TOPSIS模型相比云模型可將塌方風險評價準確度由55.6%提高到88.9%,且該評價模型指標選取全面,適用性較強,可應用于滇中引水隧洞塌方風險評價方面,為滇中引水工程的施工運營提供支持幫助。