复杂地质条件下隧道结构健康安全评价体系

张骞棋 张文居

摘要：文章基于模糊综合评价理论，采用层次分析法，以复杂地质条件下的藏区高速公路隧道为研究背景，深入分析了隧道长期结构安全的影响因素，建立了隧道结构健康安全评判模型，并将模型运用至实际工程中，同时，采取现场调研的方式对结果进行验证，发现模型对隧道安全的评价结果与实际相符，可以应用到实际工程中。

[作者简介]张骞棋（1992—），男，硕士，助理工程师，研究方向为公路工程。

我国的公路建设正处于高潮时期，随着规模的不断扩大以及运营时长的延长，我国的公路隧道的長期运营安全也将是大家着重关注的地方，因此，对运营隧道进行长期健康监测、加强结构安全评价体系研究已迫在眉睫。隧道结构的安全与多种因素相关，且存在多样性及模糊性的特点，因此对隧道结构安全的评价需结合定性和定量的方法进行。当前，我国在隧道结构安全评价这一方面的研究还较少，有很大的研究空间。

吴贤国等[1-2]通过对不确定性信息的随机性和模糊性进行讨论，基于二维及多维云推理，提出了隧道安全风险等级评价方法;刘洋[3]以外荷载作用、隧道结构应力变形、材质劣化和渗漏水平为基础，建立了对应的运营隧道结构健康安全评价体系，并将其运用到实际工程中;王勇[4]针对公路运营隧道结构的特殊性，选取具有代表性的评估指标，通过计算其权重，构建了隧道结构安全的综合评估体系;周宇锴等[5]通过建立ANSYS模型，并根据隧道各区域的受力情况与特点对活动断层中的隧道进行了安全性评价;朱苦竹等[6]、赵博剑等[7]基于层次分析法（AHP）建立了相应的隧道工程健康状态诊断模糊评价模型。可以看出，以上研究中所提出的评价方法参考的指标数较少，且大多仅适用于特定类型的隧道，普适性不高，对于我国藏区隧道的长期结构安全评价，则不适用。

本文将针对藏区高速隧道群，采用定性与定量结合的模糊综合评价作为评价方法，构建针对藏区复杂地质条件下的隧道结构长期安全评价模型。

1 工程背景

藏区高速公路里程长，受控于沿线复杂的地形、地质条件，线路上结构物众多，隧道占很大比重，藏区高速线路图如图1所示。其中特长隧道众多，例如鹧鸪山隧道，狮子坪隧道，米亚罗隧道等。纵观雅康与汶马高速公路沿线的众多隧道，同时结合该线路的典型控制工程——鹧鸪山隧道、狮子坪隧道、二郎山隧道、紫石隧道等可以看出，全线隧道工程极其复杂，主要体现在：高地应力硬岩隧道与软岩隧道占比高，且隧道成群分布;隧址区域节理裂隙发育，且水文地质条件复杂，富水问题突出;沿线穿越多个断层破碎带，大变形与塌方风险较大;围岩多为千枚岩，存在长期安全隐患。

四川藏区高速公路所在区域为典型的“三高”区域，且有着地形陡峻、岩性复杂、活动断裂发育、岩体破碎等特征，整体来看工程建设极其复杂，修建难度高。在实际施工过程中，普遍遭遇了“三高”、软弱围岩等众多风险源从而导致施工灾害。因此，对运营隧道进行长期健康监测、加强结构安全评价体系研究已迫在眉睫。

2 隧道结构健康安全评判模型

模糊综合评价法是一种基于模糊数学，同时考虑多种因素影响的综合评价方法[8]，可以较好的解决模糊且难量化的问题，综合考虑，可以运用到隧道结构安全评价中去。

2.1 建立隧道结构安全模糊综合评判指标体系

藏区高速隧道所处地质环境极其复杂，影响隧道结构安全因素众多，因此，需要多影响因素进行分级，找出主要的影响因素。在前人的研究基础上，结合藏区高速公路隧道群危险源特征，本文选取了结构的受力特征等作为主要影响因素建立模糊综合评判模型。图2为基于层次分析法建立出的评判指标体系。

2.2 建立隧道结构安全评价评语集

根据隧道结构的受力特征，结合长期健康监测数据，本文将隧道结构的安全性状态划分为4个等级[9-10]：

2.3 评判基准的建立

2.3.1 衬砌支护类型的量化

在隧道结构中，整体来看，隧道支护体系由围岩支承环、初期支护和二次衬砌共同组成，围岩作为主要承载部分，初期支护起保护围岩和发挥围岩承载能力的作用，二次衬砌则作为安全储备，但是随着隧道的使用，二次衬砌会逐渐成为主要承载部分[11-13]。本文结合施工设计资料，对支护参数进行比较分析，根据对隧道结构安全影响程度不同，得到衬砌支护类型量化表（表1）。

岩土工程与地下工程张骞棋，张文居： 复杂地质条件下隧道结构健康安全评价体系

2.3.2 建立评判标准

结合隧道结构安全等级的划分，综合工程实际情况[9]、监测结果、设计方案进行分析，同时，基于评价指标体系，考虑分级标准，可建立隧道结构影响因素的评判基准体系，见表2。

2.4 模糊综合评判模型中隶属函数的确定

调研相关文献和资料可知，正态分布型隶属度函数敏感性较好，能在不同层次的交界处做出准确的判断，因此，选取此分布来确定隶属度函数，公式为：

式中：ai和σi分别为各指标在安全等级为i的划分区段的平均值和相应的方差，相互之间的关系可表达为：

评判因素集中定量指标均可按照公式（2）和评判基准（表2），继而确定相应的隶属函数表达式。

2.5 模糊综合评判模型中指标因素权重的确定

根据层次分析法，采用“1～9标度法”进行各因素的比较并构建相应判断矩阵，对隧道结构安全影响因素的权重进行确定，为了检验其计算结果符合实际，还需对判断矩阵进行一致性检验。各个指标也因隧道处于不同的主要危险源下而权重也发生变化，普通隧道的各影响因素的指标权重如表3所示。

2.6 模糊综合评判模型的建立

综上，基于模糊综合评价理论，可建立隧道结构安全模糊综合评价模型，过程如图3所示。

2.7 评判结果处理

考虑到模糊算子M（·，⊕）可充分利用判断矩阵里的所有因素，综合程度强，且权重体现明显，因此，本文选择将其作为模糊综合评价计算中的模糊算子。运算法则为：

得到评结果bj（j=1，2，3，…，n）后，采用最大隶属度法对评价结果进行处理，可以得到更为清晰、具体的评价结果。

3 工程应用

本节将以米亚罗3号隧道监测断面为例，进行隧道结构安全模糊综合评价。

3.1 模糊综合评价指标参数

根据健康监测数据和地质勘查资料，米亚罗3号隧道的模糊综合评价指标参数见表4和表5。

3.2 建模求解

将上述数据带入隶属函数，得一级指标的模糊关系矩阵Ri：

随后对第一级指标进行模糊运算，得到相应的模糊综合评价结果Ui：

把第一级模糊综合评判结果U=U1，U2，U3，U4，U5作为总的模糊关系评价矩阵，即：

再对第二级进行模糊综合评价，得到最后的评价结果为：

根据最大隶属度原则，米亚罗3号隧道监测段的安全性评价结果为II级，处于基本安全状态。

3.3 现场验证

为了评价模型的准确性，本文采用现场调研的方法对评判结果进行验证。

图4为米亚罗3号隧道评价断面，为高水压断面。根据现场实际调研，在施工阶段，初期支护就有渗水情况，在隧道运营过程中，二衬出现了开裂，但裂缝很小，不影响使用，安全情况较好，故认为评价结果准确。其他隧道具体验证结果见表6。

由表6可以看出，整体的评价结果与实际情况吻合度较高，本隧道结构安全模糊综合评价模型的评价结果清晰准确，符合实际，具备实用性。

4 结论

本文基于模糊综合评价方法，以复杂地质条件下的藏区高速公路隧道为研究背景，建立了相应的隧道结构安全模糊综合评价模型，并进行了现场调研验证，得出结论：

（1）基于模糊综合评价方法，建立了隧道结构安全评價模型，该模型对藏区高速公路安全监测有着重大意义，使评价过程趋于科学化。

（2）将建立的隧道结构安全模糊综合评价模型运用到藏区高速隧道中，结果显示所评价隧道均处于安全状态，且仅日地1号隧道和米亚罗3号隧道监测断面处于II级基本安全状态。

（3）为验证模型准确性，对所评价隧道进行了现场调研，结果显示整体的评价结果与实际情况吻合度较高，反映了所有因素的作用，可用于实际工程。

参考文献

[1] 吴贤国，吴克宝，沈梅芳，等.基于云模型的运营隧道结构健康安全评价[J].中国安全生产科学技术，2016，12（5）：73-79.

[2] 吴贤国，覃亚伟，沈梅芳，等.基于云推理的运营隧道结构健康安全风险评价研究[J].中国安全科学学报，2017，27（02）：133-138.

[3] 刘洋.运营隧道结构健康安全评价[D].武汉：华中科技大学，2015.

[4] 王勇.公路运营隧道结构安全评估体系及评价方法的研究[J].西部探矿工程，2013，25（3）： 182-184.

[5] 周宇锴，张志强.活动断层中隧道结构受力与安全评价[J].四川建筑，2019，39（3）：135-137.

[6] 朱苦竹，刘春龙，孙洋波，等.隧道洞口健康诊断AHP模糊评判及其可视化[J].地下空间与工程学报，2016，12（3）：803-809.

[7] 赵博剑，孔德琨，谭忠盛.基于层次分析理论的宜万铁路隧道病害评价体系[J].土木工程学报，2017，50（S2）：243-248.

[8] 杨伦标，高英仪.模糊数学原理及应用[M].广州：华南理工大学出版社，1993.

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[11] 韩瑞庚.地下工程新奥法[M].北京： 科学出版社，1987.

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[13] 朱汉华，杨建辉，尚岳全.隧道新奥法原理与发展[J].隧道建设，2008，28（1）：11-14.