侯東賽， 張 霄， 王 磊,2,*

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)高速鐵路運(yùn)營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室， 四川 成都 610031)

?

基于綜合賦權(quán)-TOPSIS法隧道突涌水風(fēng)險評價及應(yīng)用

侯東賽1， 張 霄1， 王 磊1,2,*

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)高速鐵路運(yùn)營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室， 四川 成都 610031)

為解決目前隧道突涌水風(fēng)險性評估結(jié)果模糊、評價指標(biāo)定量化不全面的問題，改進(jìn)評價指標(biāo)并將TOPSIS法運(yùn)用于隧道突涌水風(fēng)險性評估中，將AHP法和變異系數(shù)法相結(jié)合組成同時考慮主、客觀因素的綜合賦權(quán)法，根據(jù)評價指標(biāo)分級結(jié)果構(gòu)造4個風(fēng)險等級的典型樣本，以典型樣本與正理想解的貼進(jìn)度確定隧道突涌水風(fēng)險等級區(qū)間，建立TOPSIS法隧道突涌水風(fēng)險評估體系。以廣大鐵路祥云隧道為例，應(yīng)用該方法對6個洞段進(jìn)行突涌水風(fēng)險性評估。結(jié)果表明，綜合賦權(quán)-TOPSIS法隧道突涌水風(fēng)險性評估結(jié)果準(zhǔn)確且與隧道開挖結(jié)果相符，可為隧道突涌水風(fēng)險評估提供一種新的方法。

綜合賦權(quán)法；TOPSIS法；隧道突涌水；風(fēng)險評價體系；祥云隧道

0 引言

在山嶺地區(qū)修建公路隧道、鐵路隧道以及引水隧洞等地下工程時，有可能誘發(fā)突涌水、巖爆、大變形以及塌方等不良地質(zhì)災(zāi)害，造成嚴(yán)重的工程損失和人員傷亡。在國內(nèi)外隧道施工過程中突涌水事故頻發(fā)且危害巨大，如瑞士的Vereina隧道、日本的青函隧道、我國的大瑤山、秦嶺、烏鞘嶺、銅鑼山、大相嶺、圓梁山、雪峰山等隧道在施工階段均發(fā)生過多次突涌水事故，造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

近年來，隧道施工階段的突涌水風(fēng)險評估已成為國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。許振浩等[1]研究了相關(guān)工程實例，基于層次分析法研究了巖溶隧道突水突泥控制因素與因素權(quán)值，提出了巖溶隧道突水突泥風(fēng)險3階段評估與控制方法；李利平等[2]基于突涌水典型影響因素建立了巖溶隧道突涌水風(fēng)險模糊層次評價模型，并進(jìn)行了隧道施工前勘察和設(shè)計2個階段的突涌水風(fēng)險預(yù)評價和施工中的動態(tài)評價；周宗青等[3]為有效控制巖溶隧道突涌水風(fēng)險、確保隧道建設(shè)安全，基于屬性數(shù)學(xué)理論建立了巖溶隧道突涌水危險性識別模型，并將其應(yīng)用到巖溶地區(qū)隧道突涌水預(yù)測及危險性評價中；韓紅桂等[4]建立了模糊綜合層次評估模型，用以評價隧道的突水涌水、塌方風(fēng)險等級；楊天鴻等[5]采用滲流耦合力學(xué)理論、計算科學(xué)技術(shù)和高新微震測量技術(shù)手段，在深層次上對擾動巖層破壞突水通道形成特征、突水巖層微震活動前兆信息和并行滲流耦合數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行綜合反演，通過微震活動信息來基準(zhǔn)標(biāo)定突水模型；羅文藝[6]應(yīng)用二級模糊綜合評價的方法對武陵山2號巖溶隧道涌水風(fēng)險進(jìn)行了評價；李昌友等[7]采用模糊綜合層次評估模型對某水下隧道河底超淺埋段進(jìn)行突水涌水、塌方風(fēng)險評估。上述研究將模糊數(shù)學(xué)、層次分析法、BP-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色優(yōu)化理論等引入隧道突涌水評估工程實踐中，均取得了一定的效果，但實質(zhì)均為主觀賦權(quán)法，評價結(jié)果的全面性和準(zhǔn)確性還受到專家組的知識結(jié)構(gòu)、認(rèn)識能力、經(jīng)驗水平和個人偏好的制約，故很難排除人為主觀因素帶來的偏差由于隧道突涌水的致險因素自身的不確定性和復(fù)雜性，評價指標(biāo)僅用確定值存在一定的盲目性，另外模糊數(shù)學(xué)限制了定量化分析造成評價等級具有模糊性，結(jié)果難免存在偏差，就增大了施工風(fēng)險。

針對上述問題，本文在結(jié)合許多學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，改進(jìn)了評價指標(biāo)，以層次分析法為基礎(chǔ)，應(yīng)用AHP法與變異系數(shù)法相結(jié)合構(gòu)成綜合賦權(quán)法，再與理想解的排序法相結(jié)合從而構(gòu)建評估模型，提出基于綜合賦權(quán)-TOPSIS法的隧道突涌水風(fēng)險性評估新方法，該方法不僅可使指標(biāo)參數(shù)定量化，還在等級識別方面具有細(xì)微區(qū)分能力，評價結(jié)果更準(zhǔn)確，將此方法應(yīng)用在祥云隧道中，取得了良好的效果，是對隧道突涌水風(fēng)險評價新的探索。

1 綜合賦權(quán)-TOPSIS法原理

1.1 AHP 層次分析法

AHP法是一種將定性與定量分析方法相結(jié)合的賦權(quán)法，該法以專家會的形式對待評價指標(biāo)之間的重要程度作出評價，用一定標(biāo)度對專家的主觀判斷進(jìn)行客觀量化后建立判斷矩陣，計算判斷矩陣的最大特征值和對應(yīng)的特征向量，從而得到各評價指標(biāo)的權(quán)重[8-11]。

1.2 變異系數(shù)法

變異系數(shù)法是一種客觀賦權(quán)法，通過計算各評價指標(biāo)實測值的變異系數(shù)，來衡量各評價指標(biāo)在所有被評價對象上的變異程度，變異程度越大說明該評價指標(biāo)越難以實現(xiàn)，更能反映評價對象之間的差距，應(yīng)賦予較大的權(quán)重，反之應(yīng)賦予較小的權(quán)重[12-14]。假設(shè)有n組實測數(shù)據(jù)m個評價指標(biāo)，實測數(shù)據(jù)組成矩陣：

X=(xij)n×m(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)。

(1)

(2)

(3)

2)計算各指標(biāo)的變異系數(shù)：

(4)

3)對變異系數(shù)進(jìn)行歸一化，可得：

(5)

1.3 確定綜合權(quán)重

指標(biāo)權(quán)重的確定目前應(yīng)用較多的是層次分析法，該方法雖能夠充分利用專家組的主觀意見，但賦權(quán)時難免有一定的不確定性。變異系數(shù)法的評價結(jié)果雖不受人為主觀因素的影響，卻不能反映決策者的偏好。針對主、客觀賦權(quán)法的優(yōu)缺點(diǎn)，為了充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，本文通過引入主、客觀偏好系數(shù)，采用線性加權(quán)將AHP法和變異系數(shù)法相結(jié)合，組成了同時考慮主、客觀因素的綜合賦權(quán)法[8-13]。具體計算如下：

W=αW*+(1-α)W′=[ω1,ω2,…,ωn]T。

(6)

式中：W為綜合權(quán)重；W*為AHP法得到的權(quán)重；W′為變異系數(shù)法得到的權(quán)重；α∈[0,1]，為主觀偏好系數(shù)，本文取0.5。

1.4 TOPSIS(理想點(diǎn)法)原理

TOPSIS(理想點(diǎn)法)是一種多目標(biāo)決策分析方法，由C.L.Hwang和K.Yoon于1981年首次提出。TOPSIS法通過歸一化后的數(shù)據(jù)規(guī)范化矩陣，找到多個目標(biāo)中的最優(yōu)目標(biāo)(或稱理想解)和最劣目標(biāo)(或稱反理想解)，計算各評價目標(biāo)與反理想解及理想解的距離，由此得到各評價目標(biāo)與理想解的貼近度并按大小排序，由此來評價目標(biāo)的優(yōu)劣。貼進(jìn)度的值取[0,1]，貼進(jìn)度越接近1則該評價目標(biāo)越接近最優(yōu)水平，貼進(jìn)度越接近0則該評價目標(biāo)越接近最劣水平。到目前為止，該方法已經(jīng)被成功地應(yīng)用到各個領(lǐng)域中，是一種簡單易行、科學(xué)、準(zhǔn)確的多目標(biāo)決策分析方法[14-17]。具體計算步驟如下。

1.4.1 建立初始評價矩陣

假設(shè)有m個待評價單元，n個評價指標(biāo)，得到初始評價矩陣

(7)

式中aij表示第m個待評價單元的第n個評價指標(biāo)(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。

1.4.2 建立標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣

對初始評價矩陣A進(jìn)行歸一化。

對越大越優(yōu)的指標(biāo),有：

(8)

對越小越優(yōu)的指標(biāo),有：

(9)

得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣B=(bij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。

1.4.3 建立加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣

加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣C由標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣B與由綜合權(quán)重法得到的權(quán)重W相乘得到。

C=(cij)m×n=BW(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。

(10)

1.4.4 貼進(jìn)度計算

1)確定加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣C的理想解C+和反理想解C-(取值與理想解相反)：

(11)

(12)

式中：J1為收益性指標(biāo)集，取最大值；J2為消耗性指標(biāo)集，取最小值。

(13)

(14)

3)各評價對象與正理想解的貼進(jìn)度：

(15)

2 隧道突涌水風(fēng)險評價指標(biāo)選擇和分級

隧道洞內(nèi)突涌水評價一般從巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、巖溶水作用環(huán)境、地下水動力特征以及施工因素等各個方面綜合考慮，各影響因素的影響程度模糊性較大，定性因素具有很強(qiáng)的主觀經(jīng)驗性，實際工程中應(yīng)用起來盲目性較大，并且任何一種地質(zhì)預(yù)報方法都不可能準(zhǔn)確地評估突涌水風(fēng)險[18]，多數(shù)評價體系也只能定性或半定量化地確定風(fēng)險等級。

針對上述問題，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計和地勘資料并結(jié)合廣大鐵路工程在施工中發(fā)生的多個突涌水災(zāi)害實例，實際調(diào)查后對各個致險因素加以統(tǒng)計分析，選取憑借因子均為影響最深的致險因子，加以定量化后構(gòu)成評價指標(biāo)體系，考慮到各風(fēng)險源之間的相互影響，選取的評價指標(biāo)在圍巖破壞前后均有，將評價指標(biāo)值的選取進(jìn)行局部改進(jìn)，用指標(biāo)值用區(qū)間值代替確定值，應(yīng)用區(qū)間值建立突涌水風(fēng)險等級典型樣本。

2.1 隧道涌水量

隧道的涌水量是影響巖溶隧道突涌水風(fēng)險性的關(guān)鍵因素，可根據(jù)前期地勘資料和超前地質(zhì)預(yù)報資料對涌水量進(jìn)行定量估算。地下水動力學(xué)法計算的隧道涌水量考慮的因素較全面，故采用此方法來進(jìn)行分段涌水量計算[19]。查閱相關(guān)文獻(xiàn)后，結(jié)合廣大鐵路中多座隧道突涌水情況確定出突涌水風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 隧道涌水量估算與突涌水風(fēng)險等級的關(guān)系Table 1 Relationships between evaluation results of water inrush and risk grade of water inrush in tunnel

2.2 巖體的完整性系數(shù)與泊松比

巖體完整性系數(shù)直觀地反映了巖體的完整程度，而隧道圍巖中地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄、入滲條件及巖溶發(fā)育程度均與巖體的完整性緊密相關(guān)，我國現(xiàn)行的《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》將巖體完整性系數(shù)作為計算巖體質(zhì)量指標(biāo)的2個參數(shù)之一。巖塊的變形模量和泊松比受巖石礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、風(fēng)化程度、孔隙性、含水率、微結(jié)構(gòu)面及其與荷載方向的關(guān)系等多種因素的影響，變化較大，而TSP203plus原始數(shù)據(jù)恰能計算出來，統(tǒng)計出數(shù)百次數(shù)據(jù)，計算出巖體完整性系數(shù)、泊松比與突涌水風(fēng)險等級存在的關(guān)系如表2所示。

表2 巖體完整性系數(shù)、泊松比與突涌水等級的關(guān)系Table 2 Relationships among integrity coefficient of rockmass,Poisson’s ratio and grade of water inrush

2.3 巖溶隧道地下水動力剖面

地下水系統(tǒng)是隧道巖溶是否發(fā)生的決定性因素之一。地下水流態(tài)在巖溶地區(qū)長隧道平剖面上的可溶巖與非可溶巖的分布，地質(zhì)構(gòu)造特征以及其與隧道地質(zhì)的關(guān)系，將直接影響隧道巖溶水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)。依據(jù)文獻(xiàn)[20]將巖溶地區(qū)長隧道地下水動力剖面分成4種，見表3。

表3 地下水動力剖面分級表Table 3 Classification of hydrodynamic section of groundwater

注：Kn為垂直方向上的滲透系數(shù)；Kh為水平方向上的滲透系數(shù)。

2.4 巖層產(chǎn)狀

巖層產(chǎn)狀是巖溶發(fā)育和地下水流動的重要影響因素之一，由于巖層產(chǎn)狀具有各向異性，故地下巖層的滲透性具有各向異性，沿層面的滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于垂直層面的滲透系數(shù)。巖溶地區(qū)隧道巖溶水害的分布、巖溶發(fā)育、含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水流態(tài)等都與巖層產(chǎn)狀緊密相關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)[1-2]統(tǒng)計資料分析，將巖層傾角劃分為4個等級。但是傾角等級劃分后并不連續(xù)，據(jù)文獻(xiàn)[3]采用修正值，如表4所示。

表4 巖層傾角與突涌水風(fēng)險等級關(guān)系Table 4 Relationships between strata inclination and risk grade of water inrush

2.5 含水構(gòu)造

隧道附近一般會有含水構(gòu)造，這些構(gòu)造在隧道附近構(gòu)成了潛在的突水通道或突水水源，諸如導(dǎo)水?dāng)鄬?、充水溶洞、巖溶管道以及寬裂隙等不同類型，這些類型與隧道的空間位置關(guān)系直接決定了隧道的突涌水風(fēng)險等級。根據(jù)文獻(xiàn)[1-3]將突涌水風(fēng)險分為4個等級，如表5所示。

表5 含水構(gòu)造與突涌水風(fēng)險等級關(guān)系Table 5 Relationships between water-bearing structure and risk grade of water inrush

2.6 地層巖性

可溶巖地層是隧道發(fā)生突涌水的物質(zhì)基礎(chǔ)，主要包括灰?guī)r、白云巖以及大理巖等。由于可溶巖的類型、厚度以及發(fā)育環(huán)境的差異性，地層巖性表現(xiàn)出不同的可溶性，導(dǎo)致含導(dǎo)水構(gòu)造具有不同的賦存特征。根據(jù)地層巖性的可溶性，可將其劃分為強(qiáng)可溶巖、中等可溶巖、弱可溶巖和非可溶巖4個等級，不同地層巖性發(fā)生突水的頻率差別也較大。又由文獻(xiàn)[3]以測量t=∑AiBj作為評價指標(biāo)值，統(tǒng)計與隧道發(fā)生概率之間的關(guān)系如表6所示。

表6 巖性與突涌水發(fā)生頻率間關(guān)系Table 6 Relationships between lithology and occurrencing frequency of water inrush

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

廣大鐵路擴(kuò)能改造工程為國家Ⅰ級雙線鐵路，途經(jīng)云南省楚雄市至大理市，設(shè)計速度為200 km/h，線路全長174.45 km，線路東端接既有成昆線，并通過成昆與貴昆、南昆、昆玉鐵路及規(guī)劃建設(shè)的中越通道相連；中部與規(guī)劃建設(shè)的祥云—臨滄—景洪—磨憨鐵路相連；西端通過大理向北與大麗鐵路、規(guī)劃建設(shè)的麗香鐵路和滇藏鐵路相連，向西與中緬通道大瑞鐵路相連接。全線設(shè)8個車站，新建橋梁78座，新建隧道42座，橋隧總長達(dá)109.88 km，占全線總長的63%。其中普棚1號隧道、下莊4號隧道、下莊1號隧道、祥云隧道、祥和隧道屬于高風(fēng)險隧道，跨越楚雄盆地，橫穿三江褶皺帶中部，地質(zhì)條件極為復(fù)雜，構(gòu)造作用強(qiáng)烈，以軟弱圍巖為主，且地下水發(fā)育，隧道施工過程中過斷層時發(fā)生多次坍塌、突泥涌水的事故。例如桃園1號隧道D4K20+329～+350段在仰拱開挖作業(yè)后排除積水的過程中發(fā)生塌方，塌方體充填洞身全斷面；南華3號隧道進(jìn)口段在施工開挖時發(fā)生圍巖坍塌，初期支護(hù)嚴(yán)重變形；普棚1號隧道施工至里程D1K83+184時，掌子面圍巖突變，掌子面匯聚流量約45 L/s，拱頂?shù)叵滤植砍手杏隊钸B續(xù)下滴，掌子面出現(xiàn)拱頂坍塌；祥云隧道進(jìn)口平導(dǎo)在上臺階施工到PDK143+074時，掌子面左側(cè)拱腰出現(xiàn)線狀承壓水，上臺階圍巖為黃褐色強(qiáng)風(fēng)化玄武巖，巖體整體性及穩(wěn)定性極差，在水的作用下局部有掉塊現(xiàn)象并在掌子面出現(xiàn)突水涌泥，瞬間涌出的泥石流把施作的管棚全部破壞，涌出的泥石流約150 m3，現(xiàn)場測量涌水量約200 m3/h。掌子面突然發(fā)生突水突泥情況，泥石流涌出約2 300 m3，機(jī)械損壞比較嚴(yán)重。南華1號隧道涌水圖如圖1所示，祥云隧道平導(dǎo)突泥涌水圖如圖2所示。

圖1 南華1號隧道涌水圖Fig.1 Water inrush of Nanhua Tunnel No.1

圖2 祥云隧道平導(dǎo)突泥涌水圖Fig.2 Mud outburst and water inrush of parallel guide-pit of Xiangyun Tunnel

祥云隧道是廣大線控制工程，隧道全長6 940 m，最大埋深約430 m，位于D1K144+455附近，祥云至上錦場段二疊系下統(tǒng)至泥盆系下統(tǒng)地層以白云巖、灰?guī)r為主，巖溶中等-強(qiáng)烈發(fā)育，地下巖溶水主要通過巖溶管道賦存于暗河及大型溶洞中，水量較豐富，分布不均勻，受巖溶發(fā)育形態(tài)及程度控制。地表常見泉流量為0.5～10 L/s，主要受大氣降水及線路右側(cè)高處裂隙水補(bǔ)給，向線路左側(cè)彌渡盆地排泄。D1K150+025左側(cè)2 070 m 發(fā)育水茂坪暗河，出露高程約1 941 m，調(diào)查暗河流量約為84.64 L/s。開展隧道突涌水研究對保證隧道施工非常必要，根據(jù)研究結(jié)果，優(yōu)化工程施工方案，及時排除險情。

3.2 評價指標(biāo)數(shù)據(jù)

本文以正在建設(shè)中的祥云隧道為例，選取6個有代表性的洞段，由本文所述的數(shù)據(jù)確定方法列出評價指標(biāo)數(shù)據(jù)值，如表7所示。

3.3 綜合賦權(quán)-TOPSIS法評價流程

通過AHP法與變異系數(shù)法相結(jié)合組成同時考慮主客觀因素的綜合賦權(quán)法得到各評價指標(biāo)的綜合權(quán)重，建立綜合賦權(quán)-TOPSIS評價方法，應(yīng)用于祥云隧道這一實際工程中，選取典型突涌水洞段，計算得到各洞段突涌水風(fēng)險等級。

3.3.1 指標(biāo)綜合權(quán)重計算

1)由AHP法計算出權(quán)重如下。

W*=[0.346 6 0.045 9 0.112 4 0.034 7 0.050 8 0.164 5 0.245 1]T。

CR=0.004 9<0.1，一致性符合要求。

2)由式(1)—(5)得到變異系數(shù)法計算出權(quán)重如下。

W′=[0.286 3 0.096 0 0.061 4 0.075 2 0.074 1 0.181 0 0.221 6]T。

表7 各洞段指標(biāo)數(shù)據(jù)Table 7 Indexes of every section of tunnel

3)由式(6)得到評價指標(biāo)綜合權(quán)重如下。

W=[0.316 5 0.070 9 0.086 9 0.054 9 0.062 5 0.172 7 0.235 6]T。

3.3.2 建立隧道突涌水風(fēng)險評估TOPSIS模型

1)根據(jù)表2—6各指標(biāo)分類區(qū)間下限值，構(gòu)造4個不同等級的典型樣本，以此建立初始評價矩陣如下。

2)由式(8)—(10)得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣如下。

表8 突涌水風(fēng)險等級典型樣本評價結(jié)果Table 8 Evaluation results of typical samples of risk grade of water inrush

5)由表8得到隧道突涌水危險性等級貼進(jìn)度的分類如下。

Ⅰ級突水風(fēng)險：0.509 9

Ⅱ級突水風(fēng)險：0.297 2

Ⅲ級突水風(fēng)險：0.151 4

Ⅳ級突水風(fēng)險：0≤E+<0.151 4。

3.3.3 評價結(jié)果及對比

1)由式(8)—(10)對表8中的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，得到實測數(shù)據(jù)的加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣如下。

2)由式(13)—(15)得到各組實測數(shù)據(jù)的貼進(jìn)度以及突涌水危險性等級判別結(jié)果，并與模糊層次分析法突涌水危險性判別結(jié)果進(jìn)行對比，有2段明顯不同，具體如表9所示。

3.4 開挖驗證

廣大線祥云隧道施工里程至D1K143+905(第5洞段內(nèi))時，左側(cè)拱腳以上1 m，向掌子面內(nèi)2.5 m處開始坍塌，泥砂伴隨水流出，泥砂按自然坡堆積，最大粒徑10 cm。隨后掌子面涌出泥砂致使仰拱沿線路長28 m被埋，洞內(nèi)積水長度達(dá)60 m，涌水量約12 000 m3，涌泥砂量約1 200 m3。若采用傳統(tǒng)評判法為Ⅲ級風(fēng)險應(yīng)對，顯然與開挖實際不相符，這必將影響預(yù)防措施并造成一定的損失。2013年11月20日涌水涌泥見圖3。

表9 評價結(jié)果及對比Table 9 Evaluation results

(a) 洞內(nèi)淤泥

(b) 掌子面拱頂突涌水

開挖掌子面里程至D1K144+475(第6洞段內(nèi))時，隧道掌子面發(fā)生突泥涌水，從加深炮孔內(nèi)流出大股水，水質(zhì)渾濁，并攜帶泥砂，且在掌子面左側(cè)拱頂上方出現(xiàn)直徑約8 m、高度約10 m漏斗形坑洞。掌子面涌出泥砂致使仰拱沿線路長7 m被埋，洞內(nèi)積水長度達(dá)50 m，涌水量約9 900 m3，涌泥砂量約300 m3。2014年9月15日涌水涌泥見圖4。

(a) 洞內(nèi)積水

(b) 掌子面左上方突涌水

4 結(jié)論與討論

1)采用綜合賦權(quán)-TOPSIS法進(jìn)行突涌水風(fēng)險評價，同時應(yīng)用主客觀賦權(quán)方法，區(qū)間值代替確定值使得評價指標(biāo)有了局部改進(jìn)，從而建立了突涌水風(fēng)險等級典型樣本。一定程度上避免了因隧道突涌水致險因素復(fù)雜而引起的難于分配權(quán)重的弊端，豐富了不確定分析理論在突涌水預(yù)測的評價體系研究，可作為降低隧道施工期風(fēng)險的一種新探索，對規(guī)避隧道洞內(nèi)突涌水的危害具有重大意義。

2)將層次分析法(AHP)與變異系數(shù)法結(jié)合構(gòu)成的綜合賦權(quán)法再與逼近理想解排序法(TOPSIS)相結(jié)合后，構(gòu)建的綜合賦權(quán)-TOPSIS綜合評價模型為屬性數(shù)學(xué)模型。針對廣大鐵路復(fù)線工程多座隧道多次發(fā)生突涌水的情況，對祥云隧道這一高風(fēng)險隧道突涌水風(fēng)險評估，確定出隧道突涌水風(fēng)險等級。與傳統(tǒng)的模糊數(shù)學(xué)模型評價結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果存在一些差異，經(jīng)開挖驗證后該方法評價結(jié)果可行且更準(zhǔn)確。

3)傳統(tǒng)中常用的突涌水評價方法的本質(zhì)模型為模糊數(shù)學(xué)模型，而本文采用的是屬性數(shù)學(xué)模型，前者構(gòu)造的隸屬函數(shù)具有隨意性且不滿足可加性，評價結(jié)果難免存在不合理性，應(yīng)用于隧道突涌水風(fēng)險評價這一有序評價集的識別問題，實踐表明屬性識別模型更符合實際。

4)本文僅對滇西地區(qū)廣大鐵路的隧道突涌水的評價指標(biāo)和評價方法進(jìn)行了研究。由于隧道突涌水的誘發(fā)機(jī)制及致險因素的復(fù)雜性，指標(biāo)定量化及權(quán)重確定均仍需繼續(xù)研究和討論，在實踐中應(yīng)用不同的評價方法時，建議針對風(fēng)險評價識別問題的數(shù)學(xué)模型做進(jìn)一步的探討。

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Risk Evaluation of Tunnel Water Inrush Based on Comprehensive Weighting-TOPSIS Method and Its Application

HOU Dongsai1,ZHANG Xiao1,WANG Lei1,2,*

(1.FacultyofGeosciencesandEnvironmentalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China; 2.State-provinceJointEngineeringLaboratoryofSpatialInformationTechnologyforHigh-SpeedRailwaySafety,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031，Sichuan,China)

The risk evaluation results of tunnel water inrush based on existing method is fuzzy and the quantification of evaluation index is incomplete.As a result,the existing risk evaluation method for tunnel water inrush is improved and the TOPSIS method is adopted.The comprehensive weighting method formed by analytic hierarchy process (AHP) method and coefficient of variation method considering both the main and objective factors is used.According to the results of the evaluation index classification,four typical samples of risk level are constructed.The risk level of the tunnel water inrush is established based on the samples and closeness degree of the idealized solution.Therefore,the risk evaluation method for tunnel water inrush based on TOPSIS method is established systematically and has been applied to water inrush evaluation of Xiangyun Tunnel on Guangtong-Dali Railway.The results show that the risk evaluation results of tunnel water inrush based on comprehensive weighting-TOPSIS method coincide with the actual excavation results,so as to provide a new method for tunnel water inrush evaluation.

comprehensive weighting method; TOPSIS method; tunnel water inrush; risk evaluation system; Xiangyun Tunnel

2017-01-20;

2017-03-20

國家自然科學(xué)基金(51078318)

侯東賽(1990—)，男，河南滑縣人，西南交通大學(xué)地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè)在讀碩士，主要研究方向為巖土體穩(wěn)定及隧道超前地質(zhì)預(yù)報。E-mail:924890758@qq.com。*通訊作者：王磊， E-mail：wanglei@swjtu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.06.007

U 45

A

1672-741X(2017)06-0691-09