譚立偉,溫少卿,2,李開華,靳春玲,安祥

(1.中鐵開發(fā)投資集團(tuán)有限公司,昆明 650501; 2.中鐵二局第五工程有限公司,成都 610091;3.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司,成都 611731; 4.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070)

引水工程中的隧洞規(guī)模越來越大,地域跨度廣,地質(zhì)條件復(fù)雜,施工難度大,成為整個(gè)線路的關(guān)鍵工程。引水隧洞施工過程中安全事故不僅會(huì)造成人員傷亡,而且給國(guó)家和社會(huì)帶來了不良影響。滇中引水工程作為云南省可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性工程,具有引水規(guī)模大、隧洞線路長(zhǎng)、穿越地質(zhì)條件十分復(fù)雜等特點(diǎn),存在巖溶地下水、活動(dòng)斷裂、高地應(yīng)力、軟巖大變形等重大工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題,而塌方是滇中引水工程中最為常見的工程事故,是影響隧洞安全施工運(yùn)營(yíng)的重要隱患[1],如何預(yù)防塌方事故是我們面臨的重要問題。因此,在滇中引水工程施工中,開展引水隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)具有重要的意義。

中外學(xué)者在引水隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面進(jìn)行了許多研究,呂擎峰等[2]采用模糊層次綜合分析法確定塌方風(fēng)險(xiǎn)影響因素的判斷矩陣、權(quán)重及隸屬度,引用風(fēng)險(xiǎn)后果當(dāng)量估計(jì)法建立風(fēng)險(xiǎn)事故后果評(píng)估模型;王婧等[3]從工程地質(zhì)、勘察設(shè)計(jì)、施工技術(shù)與管理3方面分析隧道塌方的風(fēng)險(xiǎn)因素,建立鐵路隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;詹金武等[4]在綜合考慮影響隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)因素的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了山嶺隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估模型;貢力等[5]通過主成分分析法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本,利用粒子群算法優(yōu)化徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(radical basis function,RBF)訓(xùn)練過程;劉燦等[6]選取工程地質(zhì)等4項(xiàng)一級(jí)指標(biāo),建立熵權(quán)-改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)的公路隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型;王天瑜等[7]利用可拓集合理論的關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算預(yù)警指標(biāo)對(duì)預(yù)警等級(jí)的關(guān)聯(lián)系數(shù),建立基于熵權(quán)的可拓評(píng)價(jià)預(yù)警方法;Kim等[8]采用層次分析法和德爾菲調(diào)查分析法對(duì)隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的影響因素和分級(jí)體系進(jìn)行量化,提出了隧道塌方危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型;Chen等[9]提出了一種基于案例推理、粗糙集理論和未確知測(cè)度集對(duì)分析理論的隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)新方法。

綜上所述,上述研究均獲得了一定的成果,但存在對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取考慮不周全、數(shù)據(jù)處理不完善等問題。因此,現(xiàn)針對(duì)滇中引水工程特點(diǎn)選取全面考慮隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo),建立隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系,構(gòu)建改進(jìn)G2-EWM-TOPSIS模型,在隧洞塌方事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面具有一定的研究意義,為滇中引水工程的施工運(yùn)營(yíng)提供理論支持。

1 建立引水隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

引水隧洞往往地勢(shì)惡劣且遭受寒冷氣候的影響,容易產(chǎn)生凍融破壞,導(dǎo)致引水隧洞表面破壞,經(jīng)常導(dǎo)致塌方事故,使得引水隧洞出現(xiàn)側(cè)墻開裂、底板隆起等狀況。經(jīng)過分析,造成塌方事故的主要因素包括:①工程地質(zhì),巖體完整性越好,其自穩(wěn)能力越強(qiáng);巖層傾角越大,隧道偏壓越嚴(yán)重,可能造成隧道塌方;②自然條件,地下水會(huì)影響巖體穩(wěn)定性,并極大可能會(huì)造成突水突泥事故,影響施工安全;③施工設(shè)計(jì),隧道埋深越淺,發(fā)生塌方的可能性越高;過大的爆破擾動(dòng)經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致巖體坍塌;隧洞的支護(hù)強(qiáng)度不夠、不及時(shí)支護(hù)等問題會(huì)造成塌方事故。

在引水隧洞塌方事故普遍影響因素的基礎(chǔ)上,考慮復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造,并參考《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》《水利水電工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)與評(píng)定規(guī)程》等相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),遵循全面性、科學(xué)性、層次性和實(shí)用性的原則[10],選取了11個(gè)代表性指標(biāo),建立了引水隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,如圖1所示。參照中外隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)、隧道塌方特征及相關(guān)文獻(xiàn),將各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí),劃分為 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個(gè)等級(jí),分別代表低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、極高風(fēng)險(xiǎn)。其中,低風(fēng)險(xiǎn)表示風(fēng)險(xiǎn)極低,不需要采取應(yīng)對(duì)措施;中風(fēng)險(xiǎn)表示事故影響在可接受范圍內(nèi),可采取一定應(yīng)對(duì)措施減少損失;高風(fēng)險(xiǎn)表示事故影響超出可接受范圍,必須采取相應(yīng)措施;極高風(fēng)險(xiǎn)表示必須重視并采取所有可實(shí)施的應(yīng)對(duì)措施防止事故發(fā)生。具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

2 引水隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

引水隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型運(yùn)用改進(jìn)G2法及熵權(quán)法對(duì)引水隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán),再運(yùn)用矩估計(jì)理論進(jìn)行組合賦權(quán),將賦權(quán)后的結(jié)果引入改進(jìn)G2-EWM-TOPSIS模型中,評(píng)價(jià)引水隧洞的塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),其評(píng)價(jià)流程如圖2所示。

圖2 改進(jìn)G2-EWM-TOPSIS模型的引水隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程

2.1 改進(jìn)G2法

G2法是一種主觀賦權(quán)法,又名唯一參照物比較判斷法,可以體現(xiàn)專家的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)和主觀信息[11]。但G2法受主觀因素影響較大,因此本文研究引用改進(jìn)G2法。改進(jìn)G2法使用客觀數(shù)據(jù)計(jì)算的變異系數(shù)之比替代專家賦予指標(biāo)的重要程度之比,盡可能地避免主觀因素的影響[12]。

專家在評(píng)價(jià)指標(biāo)集{Xj}中挑選出他認(rèn)為是最不重要的一個(gè)且只一個(gè)指標(biāo)并記為Xk,然后將其余指標(biāo)標(biāo)記為Xk1,Xk2,…,Xkm。將最不重要的指標(biāo)Xk作為參照物,通過指標(biāo)間的變異系數(shù)之比確定其余指標(biāo)相對(duì)于Xk的重要程度,最后分布計(jì)算指標(biāo)Xj的權(quán)重。計(jì)算步驟如下。

步驟1根據(jù)各個(gè)指標(biāo)的均值ˉxj以及標(biāo)準(zhǔn)差sj確定指標(biāo)的變異系數(shù)。

(1)

式(1)中:Vj為指標(biāo)變異指數(shù)。

步驟2根據(jù)變異系數(shù)確定指標(biāo)Xj與Xk相對(duì)重要程度之比的客觀賦值。

(2)

式(2)中:rj為相對(duì)重要程度比值;Vk為指標(biāo)Xk的變異指數(shù)。

步驟3計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。

(3)

式(3)中:wj為指標(biāo)權(quán)重。

2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法(entropy weight method,EWM)是一種根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)觀測(cè)值所提供的信息量的大小來確定指標(biāo)權(quán)重的客觀賦權(quán)方法[13]。熵權(quán)法根據(jù)各指標(biāo)的變異程度,利用信息熵來度量這種信息量的大小,通過熵權(quán)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行修正,從而計(jì)算出較為客觀的權(quán)重,減少了主觀因素的干擾,使得指標(biāo)權(quán)重更加精確可信[14]。計(jì)算步驟如下。

步驟1對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系往往包含多項(xiàng)指標(biāo),由于數(shù)量級(jí)不同不能直接比較,為了將各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一比較,需要先進(jìn)行無量綱化處理。

正向指標(biāo)的計(jì)算公式為

(4)

負(fù)向指標(biāo)的計(jì)算公式為

(5)

步驟2對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

(6)

步驟3計(jì)算指標(biāo)信息熵值及信息效用值。

(7)

dj=1-ej

(8)

式中:ej為信息熵值;dj為信息效用值;m為評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù)。

步驟4計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。

(9)

式(9)中:wj為指標(biāo)權(quán)重。

2.3 組合權(quán)重的確定

主觀賦權(quán)法主要依靠專家經(jīng)驗(yàn)確定指標(biāo)權(quán)重,受人為因素影響較大。客觀賦權(quán)法能夠避免主觀因素影響,但對(duì)于數(shù)據(jù)的依賴性較高,賦權(quán)不合理情況時(shí)常發(fā)生。矩估計(jì)理論組合賦權(quán)法能夠綜合考慮主客觀因素,既保證數(shù)據(jù)的客觀聯(lián)系,又尊重專家的主觀經(jīng)驗(yàn),處理后的權(quán)重更加合理可靠[15]。因此,本文研究運(yùn)用矩估計(jì)理論對(duì)主客觀權(quán)重進(jìn)行處理,既可以直觀體現(xiàn)改進(jìn)G2法的主觀信息和風(fēng)險(xiǎn)意識(shí),同時(shí)可以保持熵權(quán)法對(duì)指標(biāo)客觀描述的特點(diǎn)。

組合權(quán)重為

W=αW1+βW2

(10)

式(10)中:W為組合權(quán)重,0≤W≤1;W1、W2分別為主、客觀權(quán)重;α+β=1。

計(jì)算上述兩種權(quán)重對(duì)應(yīng)的期望值為

(11)

(12)

式中:E(w1i)為主觀權(quán)重對(duì)應(yīng)的期望值;E(w2i)為客觀權(quán)重對(duì)應(yīng)的期望值。

則有

(13)

(14)

則α、β為

(15)

(16)

2.4 TOPSIS法

TOPSIS法的基本原理是通過計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與“正理想解”和“負(fù)理想解”之間的接近程度來對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行優(yōu)劣排序[16]。TOPSIS法中的正理想解就是各評(píng)價(jià)對(duì)象中能夠達(dá)到的最優(yōu)解,其各項(xiàng)屬性都能達(dá)到最優(yōu);負(fù)理想解則是各評(píng)價(jià)對(duì)象中的最劣解,各項(xiàng)屬性都達(dá)到最劣。TOPSIS法的基本思路是將各評(píng)價(jià)對(duì)象的正理想解和負(fù)理想解相比較,其中最接近正理想解且遠(yuǎn)離負(fù)理想解的評(píng)價(jià)對(duì)象即為最優(yōu)[17]。TOPSIS法計(jì)算步驟如下。

步驟1對(duì)于m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象A={a1,a2,…,am}都有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)r={r1,r2,…,rn},首先建立評(píng)價(jià)矩陣R為

(17)

式(17)中:rij為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo);i=1,2,…,m;j=1,2,…,n。

對(duì)初始評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行平方和歸一化處理,從而求得標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y為

(18)

(19)

步驟2將標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y與綜合權(quán)重相乘,得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣T為

(20)

tij=yijWj,i=1,2,…,m;j=1,2,…,n

(21)

式(21)中:Wj為第j項(xiàng)指標(biāo)的綜合權(quán)重。

步驟3計(jì)算加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣T的正理想解和負(fù)理想解。

(22)

式中:t+為正理想解;t-為負(fù)理想解。

(23)

對(duì)于越小越優(yōu)型指標(biāo),其理想解tj+和負(fù)理想解tj-分別為

(24)

步驟4計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解和負(fù)理想解的歐式距離。

i= 1,2,…,m

(25)

i= 1,2,…,m

(26)

步驟5計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象的相對(duì)貼近度。

(27)

式(27)中:Ni為相對(duì)貼近度。

將計(jì)算得出的相對(duì)貼近度Ni作為依據(jù)評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),相對(duì)貼近度越大則評(píng)價(jià)對(duì)象距離正理想解越近,表明風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越低,反之,相對(duì)貼近度越小表明風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越高。

3 實(shí)例分析

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

滇中引水工程是國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程中的標(biāo)志性工程,工程多年平均引水量34.03億m3,渠首流量135 m3/s,末端流量20 m3/s。線路區(qū)位于云南山字型構(gòu)造前弧與青、藏、滇、緬、印尼歹字型構(gòu)造體系東支中段復(fù)合部位,總體地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜。輸水隧洞全長(zhǎng)165.433 km,經(jīng)初步圍巖分類統(tǒng)計(jì),其中Ⅳ、Ⅴ類圍巖合計(jì)占比57.14%,占比偏大,易產(chǎn)生塌方事故。本文研究選取滇中引水工程里程范圍為YX24+100～24+850、YX24+850～25+165、YX25+165～25+545、YX25+545～26+897、YX26+897～27+500、YX27+500～27+750、YX27+750～28+200、YX28+200～28+826、YX28+826～29+462的典型隧洞段進(jìn)行塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

3.2 工程數(shù)據(jù)

選取滇中引水工程中的9段引水隧洞進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,根據(jù)《工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB50026—2020)的指標(biāo)量化細(xì)則及滇中引水工程勘察設(shè)計(jì)、地質(zhì)報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)資料得到具體數(shù)據(jù)如表2所示。

3.3 改進(jìn)G2-EWM-TOPSIS評(píng)價(jià)分析模型

3.3.1 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

運(yùn)用改進(jìn)G2法和熵權(quán)法確定評(píng)價(jià)對(duì)象的主、客觀權(quán)重,再結(jié)合矩估計(jì)理論賦權(quán)法確定綜合權(quán)重,權(quán)重結(jié)果如表3所示,指標(biāo)權(quán)重雷達(dá)圖如圖3所示。

圖3 指標(biāo)權(quán)重雷達(dá)圖

結(jié)合圖3評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重雷達(dá)圖可知,矩估計(jì)綜合權(quán)重與G2法權(quán)重折線趨勢(shì)一致,說明G2法得到的指標(biāo)權(quán)重更符合優(yōu)化權(quán)重結(jié)果。由表3指標(biāo)權(quán)重表可以看出,在11個(gè)隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)中,綜合權(quán)重值大于0.1的評(píng)價(jià)指標(biāo)有巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度、節(jié)理面平均間距、施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)量,說明該3項(xiàng)指標(biāo)是對(duì)隧洞塌方影響較大的指標(biāo),結(jié)合該地區(qū)地質(zhì)情況及引水隧洞施工情況,巖石含水量的增加,削弱了顆粒間的聯(lián)系,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度明顯減小;巖體的完整性是表現(xiàn)巖體強(qiáng)度、巖體變形性的重要標(biāo)志之一,節(jié)理面平均間距是直接影響巖體完整性的重要因素,對(duì)巖石的穩(wěn)定性有較大影響;施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致襯砌的破壞,反復(fù)擾動(dòng)有可能形成裂縫,更易造成塌方。

3.3.2 綜合評(píng)價(jià)等級(jí)分析

根據(jù)引水隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,結(jié)合某工程某隧洞實(shí)際情況,通過改進(jìn)G2-EWM-TOPSIS模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后,得到各隧洞段的正理想解、負(fù)理想解的歐式距離及相對(duì)貼近度,其中相對(duì)貼近度大于0.8為Ⅰ級(jí),(0.5,0.8]為Ⅱ級(jí),(0.2,0.5]為Ⅲ級(jí),≤0.2為Ⅳ級(jí)。為對(duì)比該模型的準(zhǔn)確性,運(yùn)用云模型求出熵值表示評(píng)價(jià)結(jié)果分散度,計(jì)算出塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最大隸屬度,得出各評(píng)價(jià)樣本塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與相應(yīng)置信度因子,從而對(duì)滇中引水工程隧洞進(jìn)行塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià),并分別與現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘察結(jié)果相比較,評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示。

表4 引水隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

3.3.3 結(jié)果分析

(1)通過指標(biāo)權(quán)重計(jì)算可知,結(jié)構(gòu)面黏聚力、巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度、節(jié)理面平均間距是可能造成塌方事故的主要因素,在引水隧洞的施工運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控和管理。

(2)通過計(jì)算可知,引水隧洞里程范圍為YX24+100～24+850、YX24+850～25+165、YX25+545～26+897、YX27+750～28+200段的塌方評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅱ級(jí),里程范圍為YX25+165～25+545、YX26+897～27+500、YX27+500～27+750、YX28+200～28+826、YX28+826～29+462段的塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ級(jí)。與實(shí)際等級(jí)相比,除YX28+826～29+462外其他段塌方評(píng)價(jià)等級(jí)均相同。

(3)改進(jìn)G2-EWM-TOPSIS模型計(jì)算的評(píng)價(jià)等級(jí)與實(shí)際情況基本吻合,該模型能夠分析出研究對(duì)象的典型分布規(guī)律,得出可靠評(píng)價(jià)結(jié)果,評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)的引水隧洞,圍巖為微風(fēng)化,節(jié)理裂隙不發(fā)育,巖體完整,不需要采取特殊措施,只需保證合理施工,及時(shí)處理意外情況,避免事故發(fā)生;評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)的引水隧洞發(fā)育有斷層,巖體主要呈塊裂結(jié)構(gòu),部分呈碎塊狀結(jié)構(gòu),以Ⅳ類圍巖為主,部分為Ⅴ類圍巖?？梢圆捎勉@孔灌漿法進(jìn)行加固,自上而下分段灌漿,使裂縫中充滿水泥漿,同時(shí)要抽排塌方流水,清理流泥及流沙,可以提高隧洞的整體性及防滲性能。

4 結(jié)論

(1)遵循全面性、科學(xué)性、層次性、穩(wěn)定性和實(shí)用性的原則,構(gòu)建了包含3個(gè)一級(jí)指標(biāo)和11個(gè)代表性二級(jí)指標(biāo)的引水隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

(2)由于影響塌方的因素繁多復(fù)雜,因此本文研究選用能避免數(shù)據(jù)的主觀性,刻畫多個(gè)影響指標(biāo)的綜合影響力度的TOPSIS法,引入改進(jìn)G2法和熵權(quán)法計(jì)算主客觀權(quán)重,運(yùn)用矩估計(jì)理論賦權(quán)法進(jìn)行組合賦權(quán),構(gòu)建改進(jìn)G2-EWM-TOPSIS模型計(jì)算出各引水隧洞的塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)。

(3)改進(jìn)G2-EWM-TOPSIS模型相比云模型可將塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度由55.6%提高到88.9%,且該評(píng)價(jià)模型指標(biāo)選取全面,適用性較強(qiáng),可應(yīng)用于滇中引水隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面,為滇中引水工程的施工運(yùn)營(yíng)提供支持幫助。