0 引言
随着国民经济的飞速发展，对交通网络构建要求日益提高，隧道工程的建设也越来越多。在隧道施工过程中常遇到一些安全问题，特别是超长山岭隧道面临众多的风险，一旦发生事故将引发严重后果。自2001年以来，我国隧道建设发生了近150起重大安全事故，其中突水涌泥发生频率很高。在开挖地下工程时，由于工程扰动或其他原因导致地下储水平衡及围岩的力学平衡遭到破坏，导致大量水体、泥流在一瞬间涌出，从而危害隧道施工人员安全，影响工程进度，造成生态环境恶化等一系列问题。因此，科学评估隧道突水涌泥风险可能性的大小对隧道安全施工具有重要指导意义。
近年来国内外学者从不同角度对隧道突水涌泥风险展开相关研究。黄鑫等综合运用统计与理论分析法，构建了隧道突水突泥防突评判方法;舒森运用层次分析法建立突水突泥预报模型，分析了各预报因素的影响权值;贾磊等利用模糊理论评估隧道突水涌泥风险;Li等利用实测数据得到各评价指标的度量函数，建立了隧道突水突泥灾害风险评估模型。此外，国内外学者还借助水文地质比拟法、水均衡法等计算涌水量，从而评价隧道突水涌泥的风险等级。由于实际生产中影响隧道突水涌泥的因素繁多且难以测量，特别是大气降水、水文地质、地下水动力系统等都具有很强的随机性与模糊性，因此评估隧道突水涌泥的风险概率是一个多层次、多因素、多角度的决策过程。
本文将AHP层次分析原理和Fuzzy模糊评价原理相结合，构建隧道突水涌泥的风险可能性分级体系，并将其应用于延崇高速公路玉渡山隧道的突水涌泥评价中，综合处理各种定量与定性影响因素，提供更为科学、系统、可靠的判断，同时也可为今后类似工程风险评价提供一定的参考依据。
1 隧道突水涌泥风险评估体系
通过深入研究现有隧道发生突水涌泥的工程实例以及课题专家组综合意见，基于《工程岩体分级标准》，将诱发突水涌泥的风险因素分成6个一级指标(准则层因素)，分别为围岩特征(A1)、水文地质条件(A2)、气候条件(A3)、地质赋存条件(A4)、监控测量情况(A5)以及施工设计因素(A6)。此外，由于这6个因素较为概括，难以用数据定量表达，故需进一步划分。通过查阅现有行业技术规范[14]，将6个一级指标细化得到23个二级指标(方案层因素)，令二级指标因素集A1={a11,a12,a13,a14,a15,a16}，A2={a21,a22,a23,a24,a25}，A3={a31,a32,a33}，A4={a41,a42,a43}，A5={a51,a52,a53}，A6={a61,a62,a63}。经分析，这些指标可充分反映影响隧道突水涌泥发生概率的因素，满足整体性、客观性及代表性原则。
隧道突水涌泥风险分级评估的递阶层次结构模型如图1，评价准则见表1。
图1 递阶层次结构模型
表1 隧道突水涌泥风险分级评价准则
本文通过AHP递阶层次结构模型来确定评价因素集，并依据隧道突水涌泥灾害的特点，将风险程度分为5个等级L={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}，分别对应为无风险、低风险、中等风险、高风险、极大风险，具体等级划分及描述说明见表2。
表2 隧道突水涌泥风险可能性等级
2 工程概况
延崇高速公路(北京段)工程第6标段全长5 501 m，位于延庆的张山营镇内，其中玉渡山隧道为项目的重难点。该隧道为双线分离式隧道，进京段起止桩号为ZK16+358-ZK20+965，全长4 607 m，出京段起止桩号为YK16+342-YK21+022，全长4 680 m。隧道洞身主要是Ⅳ、Ⅴ级围岩，Ⅲ级围岩极少，以白云岩为主。白云岩属可溶性岩层，可能会有岩溶伴生。隧道穿越地层主要为蓟县系雾迷山组(Jxw4)，地势起伏，植被茂密，地下水充沛，如图2所示。
本标段玉渡山隧道地质构造复杂、不良地质发育且种类多，存在岩溶及岩溶水，断层破碎带、危岩落石等，施工难度较大，且危险程度较高。为保证隧道施工的安全，对隧道发生突水涌泥风险的可能性分级研究十分必要。本文以玉渡山隧道进京线ZK18+510～ZK18+670段为背景进行研究，评估其发生突水涌泥风险的可能性。
图2 玉渡山隧道地质纵断面
3 基于AHP-Fuzzy法的隧道突水涌泥风险分级评价
3.1 各层次影响因素判断矩阵
在前文隧道突水涌泥风险分级体系建立的基础上，本次研究通过问卷调查的形式，分别从6个一级指标和23个二级指标方面采访了5位现场施工技术人员与10位专家组成员，综合采访意见，将评价结果整理汇总得到各层次影响因素判断矩阵。判断矩阵用表格形式给出，见表3—9。
表3 准则层判断矩阵
表4 方案层围岩特征判断矩阵
表5 方案层水文地质条件判断矩阵
表6 方案层气候条件判断矩阵
表7 方案层地质赋存条件判断矩阵
表8 方案层监控测量因素判断矩阵
表9 方案层施工设计因素判断矩阵
3.2 各影响因素权重向量
借助MATLAB程序计算隧道突水涌泥风险分级各层次影响因素判断矩阵的最大特征根λmax、权重向量W(Ak)以及随机一致性比率AHPCR值，最终结果如表10所示。表中各判断矩阵AHPCR值均小于0.1，其中最大的仅为0.033 2，显然具有较好的一致性。
表1 0 各层次影响因素权重向量
3.3 方案层与准则层因素隶属度矩阵
玉渡山隧道进京线ZK18+510～575、ZK18+575～670段岩石类型分别以IV级、V级白云岩为主。通过现场工程地质、水文地质情况以及室内试验资料可以得到上述三类岩体各二级指标实测值，将其中各离散型因素与连续型因素分别求得隶属度值，按照评价因素集顺序整理离散型因素与连续型因素隶属度值，得出各段隧道方案层因素隶属度矩阵Rk={R1,R2,R3,R4,R5,R6}。
准则层因素隶属度矩阵Vk可由式Vk=Wk·Rk(K=1,2,3,4,5,6)求出，计算结果见表11。
表1 1 隧道突水涌泥准则层因素隶属度矩阵
3.4 模糊综合评判
根据已求得的目标层权重向量W(A0)与准则层因素隶属度矩阵Vk，通过式F=W(A0)·[V1;V2;V3;V4;V5;V6]进行模糊运算，最终求得隧道突水涌泥风险可能性的模糊综合评价集:
(1)隧道ZK18+510～ZK18+575段发生突水涌泥风险的可能性综合评价集为:
(2)隧道ZK18+575～ZK18+670段发生突水涌泥风险的可能性综合评价集为:
(3)根据上述隧道突水涌泥模糊综合评价集，因0.447 6>0.315 0>0.247 4>0.094 1>0.046 2,0.382 9>0.369 2>0.216 1>0.087 1>0.043 2，由最大隶属度原则可以判断，隧道ZK18+510～ZK18+575、ZK18+575～ZK18+670段的突水涌泥风险等级均为IV级，即很可能发生突水涌泥灾害。根据隧道施工安全等级，采取相应的支护方案及注浆堵水方案的防护措施，以确保工程施工及隧道使用的安全。
4 结论
(1)针对隧道发生突水涌泥的特点，以及影响隧道突水涌泥的多重因素间的层次结构，应用AHP层次分析法构建了隧道发生突水涌泥风险可能性分级体系。
(2)通过分析相关资料，得到各层次影响因素判断矩阵，运用AHP-Fuzzy法可得到各影响因素的权重，由准则层因素权重大小可知，0.384 5>0.246 7>0.171 5>0.093 8>0.062 9>0.040 7。隧道发生突水涌泥的主要因素为围岩特征和水文地质条件，其中围岩等级和不良地质影响最大。
(3)运用AHP-Fuzzy法得到所属各级别岩体的概率分布，通过对概率分布的分析，可以更好地掌握隧道发生突水涌泥的概率特征。研究结果表明，隧道ZK18+510～ZK18+575段发生突水涌泥风险的可能性综合评价集为{0.046 2,0.094 1,0.247 4,0.447 6,0.315 0}，隧道ZK18+575～ZK18+670段发生突水涌泥风险的可能性综合评价集为{0.043 2,0.087 1,0.216 1,0.382 9,0.369 2}。
(4)将隧道突水涌泥风险分级体系应用到延崇高速公路(北京段)玉渡山隧道区间，得到区间ZK18+510～ZK18+670段风险等级为IV级，即很可能发生突水涌泥灾害。评价结果与实际情况基本相符，研究成果可直接用于玉渡山隧道的突水涌泥风险可能性分级研究，为工程安全施工与后期保障提供更科学合理的依据，也为类似的隧道工程突水涌泥风险分级工作提供一些参考。
摘自《地下空间与工程学报 》