蔣英禮 張彥龍 王景梅

摘要：開展科學合理的水害危險性分級評價并制定相應(yīng)的防范治理措施，已成為巖溶隧道建設(shè)及其運營中亟待解決的首要問題。選取地形地貌、隧道區(qū)植被覆蓋率、隧道區(qū)降雨量、隧道區(qū)平均氣溫等14項指標作為運營期巖溶隧道水害的判別指標，結(jié)合未確知測度理論、層次分析（AHP）-熵權(quán)（EW）的主客觀組合賦權(quán)法、集對分析法，建立了一種新的未確知測度-集對分析耦合的巖溶隧道水害危險性分級體系。在此基礎(chǔ)上，以6條運營巖溶隧道為例進行水害危險性評價，并將評價結(jié)果與未確知測度模型、模糊綜合評價模型結(jié)果進行了比較，同時與實際情況進行了對比分析。結(jié)果顯示：評價結(jié)果與其他評價模型基本一致或趨于保守，與隧道實際情況相吻合。研究成果可為我國巖溶隧道水害的預(yù)測和防治提供參考。

關(guān) 鍵 詞：

未確知測度; 集對分析（SPA）; 巖溶隧道; 水害; 危險性評價; 組合賦權(quán)法

中圖法分類號： U457

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.013

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)及交通事業(yè)的快速發(fā)展，我國的隧道運營里程日益增加。統(tǒng)計資料顯示[1-2]，截至2018年底，我國鐵路隧道運營里程為16 331 km，公路隧道運營里程為15 285 km，預(yù)計到2020年底中國鐵路隧道和公路隧道運營里程分別為2.0萬km和1.9萬km。中國已然成為隧道工程的超級大國。然而，隧道水害同時出現(xiàn)在隧道建設(shè)施工期和運營期，對隧道建設(shè)安全及運營的行車安全造成了極其嚴重的影響。據(jù)統(tǒng)計，約30%～40%的隧道發(fā)生過較為嚴重的水害事故，造成巨大的財產(chǎn)損失、人員傷亡及隧道管理困擾等。而巖溶發(fā)育地區(qū)的隧道水害問題更為嚴重，如京廣線大瑤山隧道、南嶺隧道等在施工期及其運營期都發(fā)生過較為嚴重的水害事故。因此，對巖溶隧道水害的防治是一項重要而艱巨的任務(wù)，對巖溶隧道水害進行危險性判定研究具有重要的意義。

學界對隧道水害，特別是巖溶隧道水害的研究傾向于防止水害發(fā)生及其進行整治，且相關(guān)研究也主要集中于隧道施工期的突水、突泥等水害事故，但對于運營期的巖溶隧道水害危險性分級評價的研究則顯不足，而且多為定性評價，在評價指標以及評價方法的選取上帶有較強的主觀性，較大地影響了評價結(jié)果。呂新建等[3]基于粒子群算法優(yōu)化的支持向量機（PSO-SVM）方法，進行了公路隧道施工中的水害危險性預(yù)測;游波等[4]基于信息熵和集對分析理論，選取了公路隧道區(qū)滲透系數(shù)等3個相關(guān)指標作為評判因子來構(gòu)建水害傾向性判別;譚洪強等[5]運用Bayes判別法，建立了隧道區(qū)滲透系數(shù)等7個評判指標體系，進行了公路隧道水害危險傾向性評價。以上評價方法存在側(cè)重于單個或某幾個指標的影響因素、評判因子權(quán)重比例不明晰，評判結(jié)果誤差較大的問題。巖溶隧道水害受多種因素影響，涉及多種影響因素的不確定性問題，應(yīng)用傳統(tǒng)研究方法具有一定的局限性。鑒于此，將未確知數(shù)學理論提供了一個較好的途徑。未確知測度評價模型是一種適用于大數(shù)據(jù)集的不確定性分析方法，具有簡單、實用、可靠等特點。黃丹和萬炳彤等[6-7]運用未確知測度理論將不確定性信息轉(zhuǎn)化為相對確知的信息，并引入集對分析的同異反聯(lián)系度進行綜合評價，取得了較好的效果。基于此，本文以系統(tǒng)工程學為基礎(chǔ)，從自然地理特征、地質(zhì)環(huán)境、水文條件、工程條件這4方面建立巖溶隧道水害危險性評價體系，選取地形地貌、隧道區(qū)植被覆蓋率、隧道區(qū)降雨量、隧道區(qū)平均氣溫等14項指標作為判別指標，并構(gòu)建評判指標與巖溶隧道水害危險性間的未確知測度模型，建立單指標測度矩陣，運用AHP-EW的主客觀組合賦權(quán)法求得各指標的權(quán)重，從而得到多指標綜合測度評價向量，最后將未確知測度評價向量應(yīng)用于集對系統(tǒng)中再評價，構(gòu)建了基于未確知-集對耦合的運營期巖溶隧道水害危險性評價體系，并對模型進行了工程實踐驗證與應(yīng)用，為快速有效地分析運營期巖溶隧道水害危險性提供了一個新方法。

4 建立巖溶隧道水害危險性分級的未確知測度-集對分析綜合評價體系

4.1 巖溶隧道水害危險性分級的評價指標體系

隧道水害實質(zhì)上是圍巖中的地下水或部分地表水運移過程中發(fā)生的漸進式破壞失穩(wěn)現(xiàn)象。以系統(tǒng)工程學為基礎(chǔ)，隧道與外界環(huán)境相互融合構(gòu)成統(tǒng)一體系，隧道水害是在“自然、物質(zhì)（即水）、通道和人工”的復合系統(tǒng)下發(fā)生的。因此，巖溶隧道水害與自然地理特征、地質(zhì)環(huán)境、水文條件、工程條件等存在密切的聯(lián)系，“自然地理特征-地質(zhì)環(huán)境-水文條件-工程條件”是隧道水害的最主要的控制因素，建立的巖溶隧道水害危險性分級多層次評價模型如圖1所示。

4.2 分級標準建立

根據(jù)巖溶隧道水害危險性分級要求，采用單因素法將巖溶隧道水害危險性分為4個評價等級，即C=C1，C2，C3，C4，其中C1～C4分別為危險性極大（Ⅰ）、危險性較大（Ⅱ）、危險性一般（Ⅲ）、危險性小（Ⅳ）。指標體系中包含有定性和定量指標，為了實現(xiàn)巖溶隧道水害危險性分級評價，需要通過特定的方法將定性指標量化，單因素法的具體劃分標準或范圍區(qū)間如表1所列。

4.3 多層次未確知測度-集對分析綜合評價體系的建立

運用AHP-EW組合法確定每個指標在巖溶隧道水害危害性評價中的影響權(quán)重，將未確知測度理論確定SPA聯(lián)系數(shù)矩陣，從而利用SPA優(yōu)化了未確知測度理論評價結(jié)果，多層次未確知測度-集對分析綜合評價體系的具體計算流程如圖2所示。

5 應(yīng)用實例

根據(jù)巖溶隧道水害評價與防治實踐工作及大量的實測數(shù)據(jù)[3～5，18-19]，從中選取6條最具代表性的巖溶隧道，運用多層次未確知測度-集對分析模型評價其水害危險性，隧道相應(yīng)的指標統(tǒng)計值如表2所列。

5.1 構(gòu)造單指標未確知測度函數(shù)及其矩陣

根據(jù)單指標測度函數(shù)的定義和表1中有關(guān)各指標評價等級標準，構(gòu)建巖溶隧道水害危險性評價的各指標未確知測度函數(shù)，由此得出14個評價指標的未確知測度值，單指標測度函數(shù)圖如圖3所示。其中，地形地貌B1、圍巖分級B5、巖性B6等8個指標為定性指標，通過賦值方法進行定量處理，其指標測度函數(shù)完全相同。

5.2 AHP-EW組合法確定權(quán)重向量

結(jié)合巖溶隧道水害危險性分級的多層次評價模型（見圖1），利用AHP法構(gòu)造巖溶隧道水害危險性分級評價模型層級間的判斷矩陣，編制MATLAB程序求解權(quán)重向量，并進行一致性檢驗，得到評價指標的主觀權(quán)重向量SW;同時運用EW法，將z1jk代入式（7）～（8）可以得到大寶山隧道A1的客觀權(quán)重向量OW，最后依據(jù)最小鑒別信息原理構(gòu)造的目標函數(shù)式（9）～（10）對主、客觀權(quán)重進行耦合，得到組合權(quán)重向量CW，具體值如表3所示。

6 結(jié) 論

（1） 根據(jù)“自然、物質(zhì)（即水）、通道和人工”的邏輯思路，提出了“自然地理特征-地質(zhì)環(huán)境-水文條件-工程條件”是隧道水害的最主要的控制因素，選取了地形地貌、隧道區(qū)植被覆蓋率、降水量等14個指標作為分級因子，建立了巖溶隧道水害危險性分級多層次評價模型。

（2） 本文將層次分析法（AHP）和熵權(quán)法（EW）依據(jù)最小鑒別信息原理耦合在一起，構(gòu)造了主客觀組合賦權(quán)方法的目標函數(shù)，確定了每個指標在巖溶隧道水害危害性評價中的綜合權(quán)重。

（3） 未確知-集對分析耦合的評價方法充分考慮了評價體系的不確定因素，將隧道樣本的評價指標的隸屬度進行了未確知測度評價，并將得到的多指標綜合測度評價向量應(yīng)用于集對系統(tǒng)中再評價，通過構(gòu)建多元聯(lián)系度函數(shù)實現(xiàn)了定量評價;為考慮等級邊界的模糊性，引入集對勢，得到巖溶隧道水害危險性的變化態(tài)勢。最后，結(jié)合實例對6條典型巖溶隧道進行水害評價，評價結(jié)果與未確知測度模型、模糊綜合評價模型基本一致或趨于保守。該評價體系和評價模型可為我國巖溶隧道水害的預(yù)測和防治提供參考。

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（編輯：劉 媛）