基于動態不確定隨機模擬的隧道突水風險評價

摘" 要：為進一步完善隧道突水風險評價方法，在考慮地下工程地質條件的復雜性與影響隧道突水風險因素的基礎上，建立基于時間加權的多源不確定動態評價模型。其中，將由語言值、區間值、直覺模糊數組成的多源不確定信息進行分類整合形成信息框架。屬性權重使用BWM法計算，時間權重采用熵值規劃法進行確定。然后從隨機模擬的視角對多源不確定數據隨機聚合求解，得出帶有概率特征的可能性排序。最后通過實例說明該隨機模型的具體應用。

關鍵詞：隧道工程；突水；動態不確定評價；隨機模擬；信息框架

中圖分類號：U458" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）15-0047-06

Abstract：" In order to further improve the risk assessment method of tunnel water inrush， a multi-source uncertain dynamic evaluation model based on time weighting is established on the basis of considering the complexity of underground engineering geological conditions and the factors affecting tunnel water inrush risk. Among them， the multi-source uncertain information composed of linguistic value， interval value and intuitionistic fuzzy number is classified and integrated to form an information framework. The attribute weight is calculated by BWM method， and the time weight is determined by entropy programming method. Then， the multi-source uncertain data are randomly aggregated from the perspective of random simulation， and the possibility ranking with probability characteristics is obtained. Finally， an example is given to illustrate the application of the stochastic model.

Keywords： tunnel engineering; water inrush; dynamic uncertainty evaluation; stochastic simulation; information framework

近年來，我國已建、在建、擬建隧道工程量迅猛增長，隧道建設已擴展到巖地質條件復雜巖性巖相變化大的山嶺地區，對于潛在的含水體、溶洞暗河等不良地質環境，施工中一旦發生突水災害，人員生命安全將受到威脅，施工設備遭到損壞，項目工期被嚴重拖延，引起重大經濟損失。因此，開展隧道突水潛在風險評價對維護隧道施工安全有重大理論意義和工程價值。目前，模糊數學相關理論廣泛應用在隧道工程中[1-5]；李錄等[6]提出了基于IAHP-Fuzzy法的隧道突水風險預測方法；李利平等[7]提出了隧道施工許可機制，并在應用中證明了規避突水風險的有效性；楊卓等[8]建立了基于PCA-改進RBF神經網絡鐵路隧道突水風險評價模型優化了預測算法精度。

雖然上述研究結果充分考慮了影響隧道突水風險因素的變異性、模糊性和復雜性特征，但普遍沒有注意到隧道突水的影響因素是隨著掘進進度和時間的變化而不同的，即隧道內是一個動態的、不可逆的開放系統。同時，現有的評價方法大多在建立了相應的評價指標體系后，指標數據往往是一個精確的值，忽略了地下工程地質條件的復雜性和風險本身的不確定性。事實上，在影響坡度風險的指標因子中，有一些更適合數值型，有一些更適合語言型，還有一些可能更適合區間值型。因此，多源不確定信息評價是比較普遍的。本文討論了考慮時變的多源不確定動態信息評價在隧道突水風險評價中的應用。

1" 隧道突水風險分析

1.1" 影響隧道突水的水文地質條件

水文地質條件是影響隧道突水決定性因素，為突水提供物質基礎。隧道周邊有含水體或地下水位較高均會增加突水風險。同樣，地表徑流與突水量也有著直接關系，隧道在穿越斷層帶或裂隙發育帶時，地表水流量越大，施工擾動下突水的可能性越大[9]。

大氣降水是隧道突水評價的重要因素，其周期性動態影響著地下水位的升降。汛期強降雨增加滲透壓力是導致隧道突水的主要原因與直接原因。

1.2" 影響隧道突水的工程地質條件

工程地質條件包括不良地質、巖層傾角、巖體裂隙密度等。隧道施工附近潛在的含水層、溶洞、地下暗河等不良地質構造，其構造的富水性、導水性及其與空間位置關系的差異性，在很大程度上決定突水風險的大小。巖層傾角與巖體裂隙密度是影響隧道抗滲系數重要因素[10]，不同巖層傾角引起的水流匯聚變化直接影響著地下水走向與巖溶發育；而巖體裂隙密度增加，導致隧道突水的臨界水壓力減少，抗滲穩定性降低[11]。

1.3" 影響隧道突水的巖體質量條件

巖體質量條件是巖溶隧道突水的誘發因素。如果圍巖完整性好，強度高，無結構面缺陷，結構面填充物不透水，內部不含軟巖礦物，則圍巖具有較強的抗變形能力，隧道施工中引發的各種變形都較小，產生突水的可能性很小；反之，如果圍巖完整性較差，強度不足，不利結構面較多，圍巖滲透性大，圍巖形變量增大，突水風險上升[12]。

1.4" 影響隧道突水的致險因素

人類對隧道的開挖活動必然會導致隧道內部的物理力學性質發生變化，科學地開挖配合有效的支護措施，可以降低突水的風險。錯誤的開挖方式將直接揭露潛在的巖溶水體，而支護是突水防治的最后一環，支護的強度與耐久性對防止突水有重大影響。

隧道開挖時大多采用鉆爆法開挖，爆破產生的振擊波對隧道圍巖穩定性造成強烈沖擊，隨著荷載傳遞圍巖瞬時應力飆升。同時，沖擊波對圍巖產生的巖體拉伸也對圍巖穩定性產生極大影響，若開挖前的超前地質預報不合理，則巖土體開挖面前方的地質情況和圍巖等級判斷不正確，爆破沖擊將對隧道施工安全造成較大影響[13]。

2" 方法原理

2.1" 區間數定義

4" 結論

利用語言值、區間值、直覺模糊數的隧道突水風險動態評價更符合工程實際需要，時間變量的引入可以保證在復雜多變的地質條件和諸多不確定因素作用下觀測系統的持續研究。通過增加評價模型中隨機模擬次數得到的隧道突水評價結果的可靠性將得到提高，且整個評價過程的計算量小，易于編程。本研究不僅豐富了隧道突水風險評價方法，而且可推廣到其他領域。

參考文獻：

[1] 陳舞，張國華，王浩，等.基于T-S模糊故障樹的鉆爆法施工隧道坍塌可能性評價[J].巖土力學，2019，40（S1）：319-328.

[2] 王德明，張慶松，張霄，等.隧道及地下工程注漿效果模糊評價方法的研究與應用[J].巖石力學與工程學報，2017，36（S1）：3431-3439.

[3] 吳波，陳輝浩，黃惟.基于熵權模糊理論的上軟下硬地層隧道施工風險評價[J].鐵道科學與工程學報，2021，18（4）：1056-1063.

[4] 葉飛，李文輝，韓鑫，等.基于動靜結合的公路隧道洞口設計綜