王景春,林佳秀,靳俊中

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,石家莊 050043； 2.河南省公路工程局集團(tuán)有限公司,鄭州 450052)

隧道開挖會(huì)擾動(dòng)圍巖原始應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致水體涌入隧道引發(fā)突水突泥。作為一種復(fù)雜的動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象，突水突泥已成為隧道穿越斷層破碎帶時(shí)的主要地質(zhì)災(zāi)害[1-3]。2010年1月16日，南廣鐵路某隧道發(fā)生大規(guī)模突水突泥災(zāi)害，造成6人死亡、4人受傷；2011年6月26日，蘭渝鐵路某隧道掌子面處發(fā)生突水突泥災(zāi)害，造成2人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失約200萬元。突水突泥災(zāi)害嚴(yán)重制約了隧道工程的安全發(fā)展，造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，科學(xué)系統(tǒng)地對(duì)突水突泥災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估已經(jīng)成為提高隧道施工安全水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)隧道突水突泥問題進(jìn)行了相關(guān)研究。舒森[4]應(yīng)用層次分析法建立了突水突泥預(yù)報(bào)模型，研究了各項(xiàng)預(yù)報(bào)因素在突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的影響權(quán)值；賈磊等[5]針對(duì)隧道施工突水突泥災(zāi)害影響因素多且相互關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，提出了利用模糊綜合評(píng)判方法來評(píng)判隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)；S.C.Li等[6]在未確知測(cè)度模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的度量函數(shù)，建立了隧道突水突泥災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。各類指標(biāo)因素的隨機(jī)性與不確定性在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中是普遍存在的，但目前大多評(píng)估方法均未有效解決隨機(jī)性與不確定性對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響問題。

云模型能夠?qū)崿F(xiàn)評(píng)估值到評(píng)語域的雙向不確定性映射，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊性與隨機(jī)性進(jìn)行度量，實(shí)現(xiàn)定性概念與定量表達(dá)之間的轉(zhuǎn)換[7]。由于該算法對(duì)隨機(jī)性問題強(qiáng)大的處理能力，而被成功應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域。郭榮昌等[8]應(yīng)用云模型對(duì)列控運(yùn)營(yíng)進(jìn)行安全評(píng)估，張友鵬等[9]將云模型應(yīng)用于鐵路信號(hào)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。云模型在處理各類指標(biāo)的模糊性與隨機(jī)性問題得到了一定程度的應(yīng)用與發(fā)展，但針對(duì)隧道突水突泥領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估尚沒有系統(tǒng)研究。本文首次將云模型理論引入到隧道突水突泥的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，構(gòu)建了基于云模型的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，對(duì)隧道突水突泥災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)了研究，以期為隧道施工突水突泥災(zāi)害預(yù)防提供理論依據(jù)。

1 云模型基本理論

云模型屬于不確定性人工智能領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)定性評(píng)定與定量評(píng)定的互相轉(zhuǎn)換。設(shè)某一對(duì)象可以用定性概念和定量概念表示，C為描述該對(duì)象的定性論域，x是C的一次隨機(jī)定量描述，Z是x的集合，μ(x)∈[0，1]是x對(duì)C的確定度，具有一定的穩(wěn)定傾向，每一個(gè)x代表一個(gè)云滴，則x在定性概念Z上的分布形態(tài)稱為云[10，11]。

期望Ex、熵En和超熵He是云模型的3個(gè)數(shù)字特征。期望Ex表示云滴在坐標(biāo)系中分布函數(shù)的期望，反映對(duì)某一定性概念認(rèn)知的穩(wěn)定性和統(tǒng)一性，最能直接反映該評(píng)價(jià)對(duì)象的定性特征；熵En反映了定性概念的模糊程度，直觀上為云滴的離散程度；超熵He是熵的熵，將模糊性與隨機(jī)性相關(guān)聯(lián)，直觀上表現(xiàn)為云的厚度[12]。

云模型通過兩種云發(fā)生器實(shí)現(xiàn)定性與定量的轉(zhuǎn)換，通過正向云發(fā)生器可以計(jì)算出一定數(shù)量的云滴，通過逆向云發(fā)生器可以確定云的3個(gè)數(shù)字特征(Ex，En，He)，具體計(jì)算方法如下式所示[13]。

(1)

式中，q為樣本數(shù)量；xk為第k位專家的打分值；S2為樣本方差。

2 隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

隧道突水突泥災(zāi)害的影響因素復(fù)雜多樣，可以概括為地質(zhì)因素和工程因素[14]。本文旨在進(jìn)行初步設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，考慮隧道地質(zhì)因素對(duì)突水突泥災(zāi)害的影響程度，確定初始風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，以指導(dǎo)隧道施工階段的組織設(shè)計(jì)。因此從地質(zhì)構(gòu)造條件、水文地質(zhì)條件和氣候條件展開研究，建立如圖1所示的隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系[15-17]。

2.1.1地質(zhì)構(gòu)造條件(U1)

圍巖級(jí)別(U11)：圍巖級(jí)別是隧道施工的重要參數(shù)，對(duì)突水突泥災(zāi)害的發(fā)生有重要影響。圍巖強(qiáng)度高、完整性好，不利于突水突泥災(zāi)害的發(fā)生。圍巖強(qiáng)度低、完整性差，尤其是斷層破碎帶，水體容易進(jìn)入隧道引發(fā)突水突泥事故。

巖層產(chǎn)狀(U12)：巖層產(chǎn)狀通常由傾角、走向和傾向描述。其中巖層傾角對(duì)于水體的運(yùn)移和積聚有重要影響，最容易引發(fā)隧道突水突泥災(zāi)害的傾角范圍為25°～65°。

不良地質(zhì)(U13)：隧道施工具有隱蔽性與不可預(yù)見性的特點(diǎn)，常常遇到溶洞、采空區(qū)、斷層破碎帶、暗河等不良地質(zhì)，成為突水通道或突水水源[18]。

層面與層間裂隙(U14)：層面與層間裂隙的發(fā)育程度與地下水的活躍程度具有很強(qiáng)的正相關(guān)性。裂隙發(fā)育程度高，地下水通過層間裂隙滲透，促使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張，加速地下水進(jìn)一步滲透運(yùn)移。

地形地貌(U15)：地形地貌能夠影響大氣降雨補(bǔ)給地下水，地表徑流條件好，降雨不易涌入或滲入地下；而巖溶洼地、降水漏斗和落水洞等地形作為大氣降雨灌入地下的通道，增加了突水突泥災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。用負(fù)地形的程度對(duì)地形地貌進(jìn)行量化。

2.1.2水文地質(zhì)條件(U2)

地下富水性(U21)：地下水是突水突泥災(zāi)害發(fā)生的決定性因素之一，地下富水性越強(qiáng)，發(fā)生災(zāi)害的可能性越大。

匯水面積(U22)：匯水面積可以反映地下水源的儲(chǔ)水量，一旦水體進(jìn)入隧道，不同的突水量會(huì)造成不同程度的事故損失。

承壓水壓力(U23)：當(dāng)水體壓力超過隧道圍巖承受極限時(shí)，底板破裂水體進(jìn)入隧道，造成大規(guī)模的突水突泥事故。

地下水位(U24)：地下水位與隧道底板間的高程差h越大，水體壓力越大，突水突泥災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越高，選擇高程差h作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1.3氣候條件(U3)

氣溫高低(U31)：低溫條件下水的溶蝕力、滲透運(yùn)移和巖溶作用速率都比較小，隨著溫度升高，地下水的活躍程度加劇，穩(wěn)定性變差，增加了突水突泥風(fēng)險(xiǎn)。

降水強(qiáng)度(U32)：降水強(qiáng)度影響地下水的補(bǔ)給量和水的滲透運(yùn)移，當(dāng)?shù)匦蔚孛苍试S時(shí)，大量降雨攜帶泥沙灌入地下坑洞，引發(fā)突水突泥災(zāi)害。

季節(jié)分布(U33)：我國(guó)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，降水主要集中在夏季，暴雨可能會(huì)引起地下水位大幅上漲，水壓力增大，引發(fā)突水突泥災(zāi)害。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)量化

圖1所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，不同指標(biāo)的量級(jí)和量綱差異較大，無法進(jìn)行統(tǒng)一運(yùn)算。因此，將評(píng)價(jià)指標(biāo)向[0，10]進(jìn)行量化，劃分為4個(gè)等級(jí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體量化標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

2.3 層次分析法確定權(quán)重

權(quán)重反映了各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)突水突泥災(zāi)害的影響程度。層次分析法是確定權(quán)重的常用方法，能夠?qū)Q策者的經(jīng)驗(yàn)判斷定量化，為決策者提供定量形式的決策數(shù)據(jù)[19-20]。一級(jí)指標(biāo)Ui(i=1，2，…，m)對(duì)應(yīng)權(quán)重記為ωi，m為一級(jí)指標(biāo)個(gè)數(shù)；二級(jí)指標(biāo)Uij(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)對(duì)應(yīng)權(quán)重記為ωij，n為第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)下屬二級(jí)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

表1 量化標(biāo)準(zhǔn)

2.4 風(fēng)險(xiǎn)云

參照表1中的量化標(biāo)準(zhǔn)對(duì)12個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化，為了減少量化過程的主觀性與隨機(jī)性，邀請(qǐng)q位專家同時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)量化評(píng)定，分值精度為0.1，分別記為x1，x2，…，xq。應(yīng)用逆向云發(fā)生器生成二級(jí)子風(fēng)險(xiǎn)云的3個(gè)特征數(shù)字，記為Rij=(Exij，Enij，Heij)。

對(duì)二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重與風(fēng)險(xiǎn)云特征數(shù)字按下式進(jìn)行計(jì)算，得到一級(jí)子風(fēng)險(xiǎn)云特征數(shù)字Ri=(Exi，Eni，Hei)。

(2)

式中，Exi、Eni、Hei分別為一級(jí)指標(biāo)Ui風(fēng)險(xiǎn)云的期望、熵、超熵；Exij、Enij、Heij分別為二級(jí)指標(biāo)Uij風(fēng)險(xiǎn)云的期望、熵、超熵。

同理，對(duì)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重與風(fēng)險(xiǎn)云特征數(shù)字進(jìn)行計(jì)算，得到綜合風(fēng)險(xiǎn)云特征數(shù)字R=(Ex，En，He)。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)云

根據(jù)《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理暫行規(guī)定》的相關(guān)要求[21]，將鐵路隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)劃分為低、中、高、超高4個(gè)等級(jí)，利用云模型描述隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語集的4個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分值采用滿分十分制，分為4個(gè)區(qū)間，記為[Cmin，Cmax]。利用標(biāo)準(zhǔn)云逆向發(fā)生器生成標(biāo)準(zhǔn)云特征數(shù)字S=(Ex，En，He)，具體按下式進(jìn)行計(jì)算。

(3)

式中，Ex、En、He分別為標(biāo)準(zhǔn)云的期望、熵、超熵；Cmin與Cmax分別為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)間分值的最小值和最大值；k反映的是主觀評(píng)定的隨機(jī)性，取值不宜過大，本文取k=0.1。

Ⅰ～Ⅴ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)的描述、對(duì)應(yīng)的分值區(qū)間和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)云數(shù)字特征如表2所示。

表2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)描述

2.6 風(fēng)險(xiǎn)云圖

應(yīng)用Matlab對(duì)正向云發(fā)生器編程，生成標(biāo)準(zhǔn)云圖和風(fēng)險(xiǎn)云圖。觀察風(fēng)險(xiǎn)云的位置及形狀，確定評(píng)價(jià)對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。期望Ex落在某標(biāo)準(zhǔn)云區(qū)間內(nèi)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)即為該標(biāo)準(zhǔn)云等級(jí)；熵En與超熵He越大，風(fēng)險(xiǎn)云的跨度越大，云層越厚，該評(píng)價(jià)指標(biāo)離散性和隨機(jī)性越大。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

安理寨隧道位于云貴高原息烽南山一帶，年平均氣溫15～19 ℃，年平均降雨量為950～1 200 mm，雨量充沛，但不均勻，夏季雨水集中。隧道全長(zhǎng)1 517 m，最大埋深約125 m；地層巖性主要為三疊系和二疊系泥巖、灰?guī)r及煤層，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈；隧道位于地下水垂直滲流帶，洞身淺埋段較長(zhǎng)，地表多以漏斗、洼地、溶洞等形式產(chǎn)出，地表水易于大量下滲，開挖中可能揭穿地下巖溶管道造成突水突泥災(zāi)害。本文采用基于云模型的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，對(duì)安理寨隧道D1K284+650～D1K284+710 段進(jìn)行突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，該段穿越斷層破碎帶，圍巖等級(jí)為Ⅵ級(jí)，巖層產(chǎn)狀傾角為70°左右，巖體破碎，易于富水；在斷層與線路交匯地帶發(fā)育一溶蝕洼地(導(dǎo)水結(jié)構(gòu))，匯水面積約為5 km2，承壓水壓力為0.3 MPa，含水層之間無統(tǒng)一地下水位；降雨時(shí)部分地表水順斷層向下滲流，對(duì)隧道施工影響較大。

3.2 分析過程

邀請(qǐng)6位專家對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行量化，具體量化分值如表3所示。應(yīng)用層次分析法求出各級(jí)指標(biāo)權(quán)重；應(yīng)用逆向云發(fā)生器處理二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化值，得到二級(jí)子風(fēng)險(xiǎn)云；應(yīng)用式(2)進(jìn)行計(jì)算，得到一級(jí)子風(fēng)險(xiǎn)云數(shù)字特征，進(jìn)而得到綜合風(fēng)險(xiǎn)云數(shù)字特征。具體結(jié)果如表4所示。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分值

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)云數(shù)字特征

應(yīng)用正向云發(fā)生器生成綜合風(fēng)險(xiǎn)云與標(biāo)準(zhǔn)云對(duì)比圖，如圖2所示。為觀察一級(jí)指標(biāo)氣候條件的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，生成U3風(fēng)險(xiǎn)云與標(biāo)準(zhǔn)云對(duì)比圖，如圖3所示。為觀察二級(jí)指標(biāo)層面與層間裂隙的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，生成U14風(fēng)險(xiǎn)云與標(biāo)準(zhǔn)云對(duì)比圖，如圖4所示。

圖2 綜合風(fēng)險(xiǎn)云與標(biāo)準(zhǔn)云

圖3 U3風(fēng)險(xiǎn)云與標(biāo)準(zhǔn)云

圖4 U14風(fēng)險(xiǎn)云與標(biāo)準(zhǔn)云

3.3 分析結(jié)果

由圖2可知，該隧道突水突泥的綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高，風(fēng)險(xiǎn)不可接受，需進(jìn)行管理和決策，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。綜合圖3和圖4可知，該隧道的氣候條件風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為超高，地質(zhì)條件中的層面與層間裂隙風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為超高，夏季雨水集中，降雨強(qiáng)度大，該段隧道位于斷層破碎帶，層面與層間裂隙完全發(fā)育，極易引起大氣降雨向地下滲透運(yùn)移甚至涌灌，擾動(dòng)地下水力平衡，造成大規(guī)模的突水突泥災(zāi)害。需在夏季防汛期嚴(yán)格注意突水突泥危害，提前做好災(zāi)害預(yù)防工作。

現(xiàn)有安理寨隧道 D1K284+650～+710段的初步風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告顯示，該段發(fā)生突水突泥災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“高”，需選擇合理的超前注漿方式加固圍巖，確保施工安全。該結(jié)果與本文的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果基本吻合，說明了應(yīng)用云模型進(jìn)行隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有一定的準(zhǔn)確性與可行性。相較于現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告，本文提出的云模型不僅能夠識(shí)別隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，還能夠挖掘?yàn)?zāi)害背后的深層次原因，便于后期提出針對(duì)性的災(zāi)害預(yù)防措施。

4 結(jié)論

(1)通過研究隧道突水突泥災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理，構(gòu)建了水文條件、地質(zhì)條件和氣候條件3個(gè)一級(jí)指標(biāo)和12個(gè)二級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，全面反映隧道突水突泥災(zāi)害的影響因素。

(2)以云模型理論為基礎(chǔ)，提出一種隧道突水突泥災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。利用逆向云發(fā)生器處理原始數(shù)據(jù)，考慮了評(píng)價(jià)指標(biāo)離散性與隨機(jī)性的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了定量與定性之間的轉(zhuǎn)換。以對(duì)比云圖的形式呈現(xiàn)云模型評(píng)估結(jié)果，直觀地反映出隧道突水突泥災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，以及各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。

(3)結(jié)合安理寨隧道工程對(duì)基于云模型的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明，該模型的評(píng)估結(jié)果與工程實(shí)際相吻合，驗(yàn)證了云模型應(yīng)用于隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性、合理性，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。