基于层次-熵值组合法的越江地铁隧道防水可靠性评价

2020-07-28李浩然岳志国李德康郗艳红

铁道标准设计 2020年8期

李浩然,岳志国,姜军,李德康,郗艳红

(1.石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所, 石家庄 050043； 2.石家庄铁道大学河北省大型结构健康诊断与控制实验室, 石家庄 050043； 3.中交路桥北方工程有限公司, 北京 100024； 4.北京交通大学土木建筑工程学院, 北京 100044)

引言

截止2019年初，我国越江地铁已建成79条[1]，确保隧道防水可靠性已经成为越江地铁工程安全保障工作的重要组成部分。近年来，由于施工质量差、前期勘测误差、地基不稳、地震灾害等原因，地铁透水事故时有发生。因此，探索一个有效的可靠性评价体系与方法，是确保越江地铁隧道运营安全亟待解决的问题。

越江地铁隧道面临水头压力高、围岩透水风险高及环境复杂等不利条件，这些因素共同作用导致其建造与运营过程中面临风险较高，对此部分学者开展了相关研究[2-6]。张维[2]等以南京地铁10号线越江隧道为例，分析了盾构掘进施工中存在的风险，并针对多类风险提出了相应的处理方法。王金龙[3]根据越江地铁隧道纵向刚度小，承受水压力高的特点，利用数值模拟方法研究了工程水文条件与地质条件等因素对越江隧道的影响。高墅[4]针对越江地铁隧道建设工程渗漏多发的问题，分析了透水原因，对应地给出施工渗漏治理措施。李冰冰[5]针对不均匀沉降影响地铁隧道运营安全的问题，研究了不均匀沉降对地铁隧道的作用机理。陈斌[6]等为了探明爆炸对地铁内部结构的损害程度，模拟TNT爆炸冲击波荷载，确定结构受载的薄弱部位。

众多学者采用了不同的风险分析理论对地铁运营安全展开研究[7-15]。白峰青等[7]将可信因子应用到风险决策中，结合实例对地下工程的可靠性进行了评价。梁肖玲[8]以武汉地铁2号线越江隧道工程为例，运用灾害风险评估矩阵法，分析了工程周边地质条件对隧道安全运行的影响。姚成铭等[9]建立风险等级制度，并利用熵值法确定指标的权重，对地铁施工安全风险做出评价。HYUN K C等[10]采用故障树分析法和层次分析法对隧道施工风险进行分析，研究了风险因素的概率和影响。袁勇等[11]将建设期和运营期中风险因素赋予量化指标，对地铁隧道防水可靠性做出评价。ZHENG X等[12]以长春1号地铁为例，采用模糊层次分析法和综合评价法对地铁施工进行风险评估。张建国[13]在有限元计算的基础上，采用层次分析法，确定地铁隧道工程防排水设计评价指标权重。WANG Guofu等[14]利用国际地理系统和层次分析法对济南市地铁防水施工进行了风险评估。傅中杰[15]以南京市纬三路越江隧道工程为例，构建质量风险耦合作用结构模型和网络层次分析法组合评价模型，对水下盾构隧道工程质量风险进行评估。

上述研究成果有力地提升了越江地铁隧道防水可靠性水平，但在风险评价过程中存在一些弊端，诸如指标权重确定主观性较强、权重值缺乏稳定性，指标因素独立性差。基于此，采用层次分析-熵权组合法评价越江地铁隧道运营期防水可靠性，使得评价结论更加科学。

1 风险分析理论

1.1 层次分析法(AHP)

20世纪70年代，美国运筹学家萨蒂基于多目标综合评价方法和应用网络系统理论，提出了一种定性和定量的层次权重决策分析方法——层次分析法。它是对问题的总目标影响因素逐层分解，直至方案层，其实施步骤包括如下3个步骤：构建判断矩阵、判断矩阵的一致性检验、指标权重计算[16]。该方法所需信息量少、应用简单方便，已经在矿业安全与交通安全评价等领域得到了广泛应用[17]。但由于给出判断矩阵时，受主观因素影响较大，致使得出结论缺少定量分析，且难以给出新的解决方案。

1.2 熵权法(EVM)

熵最早出现在热力学中，用来描述系统内部混乱程度。科学家Shannon将它引入信息论中，利用熵权解决影响因素的不确定度问题。根据信息论基本原理，指标的信息熵值越小，提供的信息量越少；在综合评价中所起的作用也就越小，权重相应越低。因此，可利用信息熵这个工具计算指标的权重，计算步骤包括：指标值归一化、确定指标的熵、计算指标权重[18]。熵权法由于其严格遵循数学规律，已经在项目质量能力评估、方案优化决策、生产安全评价等领域得到了广泛应用[19-21]。但由于忽视评价者对指标的主观意图，又使评价结果不能完全体现评价者的作用。

1.3 层次-熵值组合分析法(HECAM)

层次-熵值组合分析法(HECAM法)是兼顾主客观性的组合赋值方法，它通过两种方法的计算结果相互修正，达到平衡指标评价主客观性的效果。在实际应用时，当初始阶段样本信息数据较少，数据之间的联系体现不明，应强调评价者经验估计的作用，以主观赋权为主；随着样本数据信息的增加，即可利用指标之间的内在关系来确定指标的权重，以客观赋权为主。由于合理的赋权方法应该同时基于指标数据之间的内在规律和专家经验的决策进行赋权，本文考虑综合AHP和EVM来确定权系数，其计算步骤如下[22]：利用层次分析法计算出来的各指标权重系数W=(w1，w2，w3，…，wn)，修正熵权法计算的各指标权重系数V=(v1，v2，v3，…，vn)，得到新的HECAM权重系数γ。

(1)

式中，j为指标的个数，j=1，2，…，n；wj为层次分析法各指标下级指标权重值；vj为层次分析法各指标下级指标权重值。

2 地铁隧道防水可靠性评价模型

2.1 事故案例分析

通过查阅相关资料，汇总分析部分国内外隧道透水事故原因，见表1。可以看出，近年来，国内外隧道透水事故时有发生，并伴随带来生命和财产损失。隧道透水事故原因主要集中于工程地质条件差、前期勘察不明、违规操作爆破失误、施工质量差以及外部环境变化等因素。

表1 部分国内外隧道透水事故汇总

2.2 风险因子辨识

风险因子辨识是风险评估的首要步骤，是构造风险评价模型的基础。结合国内外隧道突水事故原因以及专家意见，将越江隧道防水可靠性的影响因素共45个影响因素划分为3个级别，一级指标风险因素8个，二级指标风险因素17个，三级指标风险因素20个。详见图1。

图1 越江地铁隧道运营期防水可靠性评价模型

2.3 构建层次结构模型

从地铁工程的建设期、运营期及意外风险防护3个方面，构造得出越江地铁隧道运营期防水可靠性评价模型[23]，如图1所示。

3 工程算例

3.1 工程背景

武汉地铁2号线越江隧道工程全长约3 100 m、越江段约1 300 m，直径5.5 m。隧道处于长江河床、Ⅰ级阶地两个地貌单元内。隧道主要通过中密粉砂层和含砾中粗砂层，部分通过松散-稍密粉砂层、中粗砂层和黏土层透镜体。土壤自稳定性差、透水性强。隧道段下伏基岩主要由志留系泥质粉砂岩、泥岩和白垩系第三系砾岩组成。越江隧道地区的地表水系统发达，主要包括长江水系、汉江水系和沙湖水系；长江水系是该地区主要的地表水系统。地下水主要由上滞水、第四纪孔隙水和基岩裂隙水组成，其中孔隙水和孔隙承压水对跨江隧道工程影响较大[24]。

3.2 层次分析法确定指标权重

以越江地铁隧道运营期防水可靠性评价模型(图1)为基础，对武汉地铁2号线越江隧道进行防水可靠性分析。综合工程管理人员、施工人员、设计人员、工程监理等10位专家意见，基于层次分析法确定各指标的权重，其计算过程如下。

(1)构造判别矩阵

以判断指标结构材料防水D234为例，其下级影响因素有耐久性E2341、管片厚度E2342、耐腐蚀性E2343、结构抗渗等级E2344。四个因素两两对比分析，得出判别矩阵D234，计算得出该矩阵的最大特征值λmax=4.087 4。

(2)一致性判断

以指标结构材料防水D234为例，利用公式(2)和公式(3)计算得出一致性指标CI=0.029 1和一致性比例CR=0.032 7。一致性比例CR<0.1，表明矩阵的一致性可以接受。

CI=(λmax-n)/(n-1)

(2)

CR=CI/RI

(3)

式中，CI为一致性指标；λmax为判断矩阵最大特征值；n为判断矩阵维度；CR为一致性比例；RI为随机一致性指标，其取值方法详见文献[16]。

(3)权重计算

依据层次分析法权重计算公式(4)，计算得出结构材料防水D234的次级影响因素权重W=(0.275 4，0.085 4，0.176 0，0.463 2)。

(4)

式中，Wi为层次分析法计算指标权重；aij为评价指标判别矩阵中元素；n为指标下级影响因素的个数。

3.3 熵权法确定指标权重

以指标影响因素D234为例，通过熵权法确定其下级各指标权重，其计算过程如下。

(1)归一化处理

从上述10名专家样本中，略去个别极端数据，选取5个优良样本，构建样本数据矩阵。对原始数据进行归一化处理，利用公式(5)计算比重pij。

(5)

式中，Pij为指标比重；xij为样本数据矩阵中元素；i为样本数，0≤i≤m；j为指标影响因素数。

(2)计算指标的熵

利用公式(6)，计算指标影响因素D234的熵值。

(6)

式中，ej为指标的熵，0≤eij≤1；k为熵值修正系数，k>0，k取k=1/lnm；j为指标个数，j=1，2，…，n。

(3)计算指标权重

利用公式(7)，计算指标D234权重。

(7)

式中，Vj为熵值法计算权重；gj为指标偏差度，gi=1-ej；j为指标个数，j=1，2，…，n。

3.4 层次-熵值法确定指标权重

根据公式(1)，结合层次分析法与熵权法，得到指标影响因素D234层次-熵权组合分析法权重值。3种方法计算得出的指标权重，见表2。层次分析法与熵权法所确定的权重有较大的差别，两种方法组合修正权重后，层次分析法的主观性和熵权法的客观性发挥了作用，突出了组合权重方法的全面性和科学性。同时，指标权重值越大，表明该因素的重要性越高，应该成为分析控制的重点。一级指标结构稳定性风险分析C11层次-熵值组合法权重占比最高，表明在运营期B1下级的3个影响因素中，结构稳定性风险分析C11重要性最高，是运营期B1中主要控制指标。同理，指标影响因素管片拼接质量、地基承载力和结构抗渗等级属于E层中控制指标，是隧道防水可靠性的主要控制节点。

表2 各指标计算权重

3.5 隧道防水可靠性安全评价

将越江地铁隧道运营期防水可靠性安全评价等级分为Ⅰ(安全性较高)、Ⅱ(安全性良好)、Ⅲ(安全性一般)、Ⅳ(安全性较差)四个评价级别。结合专家意见构建综合评价矩阵与权重矩阵，得出指标的评价结论。指标因素D234安全评价结果见式(8)。同理，可以得到一级、二级指标安全评价结果；最终得到目标层武汉地铁2号线越江隧道运营期防水可靠性安全评价结果，见式(9)与式(10)。