基于层次-综合模糊分析法的复杂山岭隧道风险评估

周小杰 张志强

【摘要】

复杂山岭隧道运营期存在着诸多影响隧道安全的风险因素，不仅给隧道的维修养护带来了巨大挑战，也对山岭隧道运营期的风险评估提出了更高的要求。基于此，文章综合层次分析法和综合模糊评判法分析复杂山岭隧道运营期的安全影响因素及其权重，建立了影响因素模糊权重集，采用了模糊统计法确定了指标层各影响因素的隶属函数，构建了运营期复杂山岭隧道综合评判矩阵，通过权重模糊集和综合评判矩阵对风险概率进行了模糊估计，提出了一种适用于运营期复杂山岭隧道的风险评估方法。通过大相岭隧道运营期的风险评估的实证研究，确定其分析结果是合理的，为今后类似运营隧道的风险分析提供有益的借鉴与参考。

【关键词】

山岭隧道; 层次分析法; 综合模糊法; 风险评估; 风险控制

【中国分类号】U456.3+3【文献标志码】A

近年来，伴随我国交通基础设施建设的不断推进，在中西部山区涌现出大量的复杂山岭隧道。复杂山岭隧道存在投资风险高、地质环境复杂、施工难度大、结构病害多且程度不一等特点，这对复杂隧道的设计、施工和维修养护带来了巨大的挑战。因此，如何建立基于复杂山岭隧道特点的可靠、有效的风险评估方法，以降低山岭隧道在全生命期的风险，具有十分重要的理论意义和工程价值。

目前，国内外相关学者针对隧道风险评估已经开展了大量的相关研究工作。张永刚等[1]选取信心指数法和层次分析法对渤海湾海底隧道工程的施工期进行了安全评估，并给出了其施工期的风险等级;史小丽等[2]依据现行指南中各评估指标的相关性，提出了基于贝叶斯理论的改进风险评估方法，并在西钟岭隧道施工期中得到验证;刘靖等[3]针对新奥法施工的施工过程，通过综合模糊数学理论以及层次分析法来构建隶属度函数和动态风险评估模型，获得了保阜高速隧道段施工的风险评估结果;卢浩等[4]人基于水下隧道盾构法施工的特点，对肯特应用于石油管道的指数法进行改进，并将改进的指数模型應用于南京地铁某过江隧道各施工阶段的风险指数评估;郑俊杰等[5]依托模糊故障树理论提出了将隧道施工总成本受各风险因素的影响程度用模糊成本重要度来评价，以实现对盾构隧道施工的成本风险控制;刘保国等[6]提出模糊网络分析法，通过构造模糊加权超矩阵来确定龙山隧道施工中各风险因素的权重，成功实现公路山岭隧道施工的风险评价。尽管国内外学者针对隧道风险评估已经产生取得众多研究成果，但大多集中关注隧道施工期的风险控制与评估。基于此，本文根据复杂山岭隧道运营期的材料老化、结构易出现病害等特点，综合层次分析法和综合模糊评判法建立复杂山岭隧道运营期风险综合评估模型，并在大相岭隧道运营期风险评估中进行验证，以期为复杂山岭隧道运营期风险评估提供新的思路和参考。

1 复杂山岭隧道风险评估模型的建立

1.1 模型建立步骤

（1）综合分析相关因素，根据属性的不同将其划分成多个层次，构建出层次结构模型。

（2）根据目标主体受各因素的影响程度进行综合考虑，构建因素集及风险指标体系。

（3）确定各风险因素的相对权重。

（4）考虑主体对象中各因素的隶属度评价，形成各因素的评价结果矩阵，确定隶属函数。

（5）基于隶属度和相对权重所构成的矩阵，计算风险发生的概率，进行风险概率的模糊估计。

（6）结合计算所得概率，分析评价结果进行综合评价。

1.2 隧道风险评估层次模型建立

在对隧道结构的安全性进行评价前，首先应建立隧道结构安全性评价模型。基于所确定致险因子的层次性和模糊性，把影响隧道主体结构健康状态的评价指标分为三层：

（1）目标层：山岭隧道结构主体结构健康状态。

（2）准则层：由对隧道结构安全造成影响的因素组成，包括孕险环境、荷载作用、结构体缺陷三个方面。

（3）指标层：由对准则层因素有影响的各项定量指标和定性指标组成。

具体风险评估层次模型如表1所示。

1.3 权重确定

本文采用标度值表示其相对权重。通过分别对同层各元素的相对重要性进行相互比对，可得到判断矩阵。其中，标度值用1～9及其倒数表示，各数字含义如表2所示。

可得判断矩阵的形式如式（1）所示：

针对影响因素权重值，本文考虑特征根法进行计算。在求得判断矩阵的最大特征根后，将层次单排序的结果用归一化计算结果对应的特征向量来表示，得到各影响因素所对应的权重向量，并形成对应的权重集，如式（2）所示。

为确保数值选取的准确性，需在最后对取得结果进行一致性检验。

1.4 隶属函数确定

隶属函数是将评判等级与影响因素之间的定量关系通过构建数学表达式来对其进行表征。对于处在某一特定状态的影响因素，可通过隶属函数获得该影响因素此刻对目标的隶属度。本文中对隧道结构的健康评价属于模糊评判，依据模糊集而建立的隶属函数称为模糊分布。考虑到模糊统计法操作简便且更加符合隧道结构健康评判的实际情况，因此本文采用模糊统计法来确定隶属函数。

1.5 风险概率的模糊估计

在进行风险概率模糊估计前首先应该对各种评判的结果做出各种设定，建立相应的集合，结合隶属函数构建综合评判矩阵，综合评判矩阵表示见式（3）。

式中：rij为的是第i个影响因素占评语集中第j个评语的重要程度。

为反映所有因素的综合影响，采用因素的权重模糊集和综合评判矩阵来运算进行风险概率的模糊估计。

式中：C表示风险概率的综合评判结果，Cj表示综合评判的结果占评语集中第j个评语的重要程度。

对于式（4）运算，存在许多种计算模型。考虑到本文主要研究各影响因素对山岭隧道结构健康状态的综合影响，故综合评判运算中选取了加权平均型评判模型。该模型综合考虑了各种因素，并将各因素对目标影响的大小充分表征了出来，如式（5）所示。

1.6 综合评价

目前最常用的分别是平均值法和最大隶属度法两种评价方法，本文采用最大隶属度法对隧道安全风险概率进行结果评价处理。其中，最大隶属度法就是将其中最大的评判指标Cj所对应的评语集作为对综合分析矩阵C最终的评定结果，表达式如式（6）所示。

V={vi|vi←C中最大元素}（6）

为了对复杂山岭隧道结构所处的健康状态进行充分描述，本文选取四级划分法对复杂山岭隧道主体结构健康状态等级进行划分，具体安全性等级如表3所示。

因此，由最大隶属度法所建立的综合评语集可表示为[18]：

V={v1，v2，v3，v4}={I、II、III、IV}

2 應用研究

2.1 工程概况

本文依托京昆高速的重点控制工程大相岭隧道，隧道采用复合式衬砌，隧址如图1所示。由于大相岭隧道建成迄今已有10年之久，受限于当时的施工工艺和材料制造水平，隧

在进行隧道风险评估时，选取典型断面位置进行分析，该处围岩级别为V级，通过混凝土裂缝、二衬混凝土强度监测和现场监控量测等，得到的分析断面处各评判指标的监测数据如表4所示。

2.2 风险综合评价

在孕险环境方面，断层及破碎带、隧道渗漏水和空洞等孕险环境的存在加大了隧道结构渗漏水的风险，对隧道衬砌结构力学性能存在不利影响。因此可得关于断层及破碎带、隧道渗漏水和衬砌背后围岩空洞的相对权重如表5所示。

可得孕险环境条件下各指标所构成的权重集为：

a1=（0.097 0.055 0.037 0.167 0.258 0.386）

λmax=6.242，CI=0.048，CR=0.039<0.1，满足一致性要求。

在结构体缺陷方面，衬砌厚度不足和初支强度劣化都会致使隧道结构受力增大，进而使得衬砌结构上的裂缝增加。因此所确定的关于衬砌厚度不足、衬砌结构裂缝和初支强度劣化的相对权重如表6所示。

可得结构体缺陷条件下各指标所构成的权重集为：

λmax=5.229，CI=0.057，CR=0.051<0.1，满足一致性要求。

在荷载作用方面，通过数值计算可以发现大相岭隧道主体结构受力以轴力为主，且弯矩值远小于轴力值。因此所确定的主体结构所受轴力和主体结构所受弯矩的相对权重如表7所示。

可得荷载作用条件下各指标所构成的权重集为：

λmax=2.00，CI=0，CR=0<0.1，满足一致性要求。

故可得孕险环境、结构体缺陷、荷载作用的相对权重如表8所示。

综上所述，影响大相岭隧道主体结构健康状态的各种影响因素权重值如表9所示。

对其进行二级模糊综合评判可得：

采用最大隶属度原则对矩阵C进行处理得知，隧道结构安全性最终的评定结果III级，即结构处于潜在不安全状态，存在一般性损伤和一些可观测到的隧道病害，安全性能下降，在使用时，需加强监测并采取相应维修对策。风险综合评判结果与实际工程情况相符，验证了评估模型的有效性。

3 结论

本文通过层次-综合模糊分析法建立复杂山岭隧道运营期的风险评估模型并其应用于大相岭隧道的风险评估，可以得出以下结论：

（1）基于层次分析法和模糊综合评判法，对复杂山岭隧道运营期风险影响因素及其权重进行研究。结果表明，荷载作用是运营期复杂山岭隧道风险的主控因素，其次是结构体缺陷，孕险环境的对隧道风险的影响最小。

（2）采用了层次-模糊综合分析法，结合实际工程经验，建立了复杂山岭隧道风险影响因素的权重模糊集，确定了指标层各因素隶属函数，构建了隧道风险综合评判矩阵，提出了复杂山岭隧道风险模糊综合评判方法。

（3）采用上述复杂山岭隧道风险模糊综合评判法对大相岭隧道运营期风险进行了评估，评估结果显示大相岭隧道的结构处于第III级的风险等级，即处于潜在不安全状态。评估结果符合实际，验证了该评判方法具有有效性和实用价值。

参考文献

[1] 张永刚，王永红，王梦恕.渤海湾海底隧道工程施工风险评估与控制分析[J].土木工程学报，2015，48（S1）：414-418.

[2] 史小丽，姚玉玲，付浩然，等.公路隧道施工安全重大风险源风险等级评估方法研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2018，42（6）：906-910.

[3] 刘靖，艾智勇，苏辉.山岭隧道新奥法施工过程动态风险评估[J].同济大学学报：自然科学版，2012，40（8）：1142-1146.

[4] 卢浩，施烨辉，戎晓力.水下隧道盾构法施工安全风险评估探讨[J].中国工程科学，2013，15（10）：91-96.

[5] 郑俊杰，林池峰，赵冬安，等.基于模糊故障树的盾构隧道施工成本风险评估[J].岩土工程学报，2011，33（4）：501-508.

[6] 刘保国，沈铭龙，马强.模糊网络分析法在公路山岭隧道施工风险分析中的应用[J].岩石力学与工程学报，2014，33（S1）：2861-2869.