﻿ 基于FUZZY-AHP的隧道坍塌风险综合评判模型与应用

# 基于FUZZY-AHP的隧道坍塌风险综合评判模型与应用Comprehensive Evaluation Model of Tunnel Collapse Risk Based on FUZZY-AHP and Its Application

Abstract: In the construction of expressway tunnel, adopting scientific and reasonable evaluation method is an effective method to prevent and control the collapse of tunnel construction. Based on the background of an expressway tunnel’s construction in Yunnan province, and with the Safety risk assessment guide for highway bridge and tunnel engineering construction, added monitoring factor to the tunnel construction evaluation hierarchy, then building the evaluation index system which the target layer is the tunnel collapse, and finally constructing the comprehensive evaluation model with the Analytic hierarchy process (AHP) and Fuzzy mathematics comprehensive evaluation method (FUZZY). Combined with the monitoring data of tunnel area and the actual situation, the results shows: This model is scientific and effective in establishing the risk level of tunnel collapse, and it accords with the actual situation , this model is helpful to improve the safety level of tunnel construction, and can provide theoretical support and scientific guidance for construction managers.

1. 引言

2. 高速公路隧道坍塌风险安全等级综合评价模型

2.1. 高速公路隧道坍塌风险安全等级评价指标体系

Table 1. Comprehensive evaluation index system of expressway tunnel collapse risk grade

2.2. 构建判断矩阵

$S={\left({s}_{ij}\right)}_{n×n}\text{\hspace{0.17em}}\left(i,j=1,2,\cdots ,n\right)\right)$ (1)

$S=\left[\begin{array}{ccccc}1& 3& 5& 4& 4\\ 1/3& 1& 3& 2& 2\\ 1/5& 1/3& 1& 1/2& 1/2\\ 1/4& 1/2& 2& 1& 1\\ 1/4& 1/2& 2& 1& 1\end{array}\right]$

2.3. 评价因素权重

$SW={\lambda }_{\mathrm{max}}W$ (2)

2.4. 一致性检验

$CI=\frac{{\lambda }_{\mathrm{max}}-n}{n-1}$$CR=\frac{CI}{RI}$ (3)

Table 2. Random conforming index of RI

Table 3. Calculation results of various coefficients in the index factor layer

2.5. 高速公路隧道各因素权重量化排序

Table 4. Weight of factors affecting the expressway tunnel collapse

2.6. 高速公路隧道坍塌风险模糊综合评价

${B}_{i}={W}_{i}\cdot {R}_{i}$$S=W\cdot B$ (4)

3. 工程实例应用

3.1. 工程实例概况

3.2. 建立模糊综合评价矩阵

${R}_{1}=\left[\begin{array}{ccccc}0.4& 0.5& 0.1& 0& 0\\ 0.1& 0.2& 0.5& 0.1& 0.1\\ 0.4& 0.4& 0.2& 0& 0\end{array}\right]$${R}_{2}=\left[\begin{array}{ccccc}0.3& 0.3& 0.2& 0.2& 0\\ 0.1& 0.2& 0.5& 0.1& 0.1\\ 0& 0.1& 0.2& 0.3& 0.4\end{array}\right]$

${R}_{3}=\left[\begin{array}{ccccc}0.2& 0.3& 0.3& 0.1& 0.1\\ 0.1& 0.2& 0.4& 0.2& 0.1\\ 0.1& 0.2& 0.2& 0.3& 0.2\end{array}\right]$${R}_{4}=\left[\begin{array}{ccccc}0.1& 0.2& 0.3& 0.3& 0.1\\ 0.2& 0.2& 0.3& 0.2& 0.1\\ 0.2& 0.3& 0.2& 0.2& 0.1\end{array}\right]$

${R}_{5}=\left[\begin{array}{ccccc}0.4& 0.3& 0.3& 0& 0\\ 0.3& 0.3& 0.2& 0.1& 0.1\\ 0.2& 0.3& 0.3& 0.2& 0\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{c}{B}_{1}\\ {B}_{2}\\ {B}_{3}\\ {B}_{4}\\ {B}_{5}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}0.3666& 0.4222& 0.1889& 0.0111& 0.0111\\ 0.2114& 0.2489& 0.2715& 0.1898& 0.0784\\ 0.1683& 0.2683& 0.3083& 0.1434& 0.1117\\ 0.1857& 0.2429& 0.2571& 0.2143& 0.1\\ 0.3532& 0.3& 0.2742& 0.0468& 0.0258\end{array}\right]$

3.3. 评价结果

3.4. 第三方数据对比与结果分析

Figure 1. Radar image of YK32 + 556~YK32 + 581 section of the tunnel

Figure 2. Settlement rate of the middle measuring point of the tunnel’s YK32 + 558, 568 and 578 sections

Figure 3. Accumulated settlement at the middle measuring point of the tunnel’s YK32 + 558, 568 and 578 sections

4. 结论

1) 建立模型所采用的静态评估技术路线可以有效反映各单因素影响影因子对总目标层的影响程度，有助于施工管理者“对症下药”，在改进管理方法时目标更明确，针对性更强。

2) 在对于评价结果的分析中，纳入第三方超前预报结果、监控量测数据及实际施工情况，在科学数据和实践中都证实了此隧道具较高坍塌风险的结论，从而凸显了FUZZY-AHP综合评价法的有效性和合理性，说明此方法完全适用于隧道施工安全等级的评估。

1) 施工方在施工中应加强支护措施，严格按规范施工；

2) 当隧区处于强降雨季节或出现突泥涌水的现象时，应做好截排水措施，并制定应急方案；

3) 针对现场施工以及监控等人为因素，应加强施工团队的安全教育和针对各种隧道突发事件的应对能力。同时，第三方监测人员需提供真实、准确的隧道监测数据，并及时发出预警。

NOTES

*通讯作者。

[1] 陈鑫. 基于模糊层次分析法的高速公路隧道施工风险评价研究[D]: [硕士学位论文]. 石家庄: 石家庄铁道大学, 2015.

[2] 赵伟, 卢杨路. 高速公路隧道塌方发生原因分析及处理措施[J]. 交通世界, 2019(Z1): 244-245.

[3] 广东省佛山市城市轨道交通2号线一期工程“2•7”隧道坍塌重大事故应急处置工作情况[J]. 中国应急管理, 2018(2): 25-26.

[4] 金宝森. “专家科学决策起到了关键作用”——吉珲高铁(客运专线)小盘岭隧道塌方成功抢险记事[J]. 吉林劳动保护, 2014(4): 7-8.

[5] 岳诚东. 隧道工程施工塌方风险评估研究[D]: [硕士学位论文]. 兰州: 兰州大学, 2016.

[6] Beard, A.N. (2010) Tunnel Safety, Risk Assessment and Decision-Making. Tunnelling and Underground Space Technology, 25, 91-94.
https://doi.org/10.1016/j.tust.2009.07.006

[7] Špačková, O., Novotná, E., Šejnoha, M., et al. (2013) Probabilistic Models for Tunnel Construction Risk Assessment. Advances in Engineering Software, 62, 72-84.

[8] 周峰. 山岭隧道塌方风险模糊层次评估研究[D]: [硕士学位论文]. 长沙: 中南大学, 2008.

[9] 谢小鱼. 浅埋偏压大跨度隧道风险评估与围岩稳定性研究[D]: [硕士学位论文]. 湘潭: 湖南科技大学, 2014.

[10] 安文杰. 基于模糊层次分析法的隧道施工组织方案评价与优化研究[D]: [硕士学位论文]. 成都: 西南交通大学, 2012.

[11] 张进, 马斌, 王可娜. 基于模糊层次分析法的隧道钻爆法施工风险评估[J]. 东莞理工学院学报, 2017, 24(1): 74-80.

[12] 李梓源, 吕显鹏, 刘光辉, 王海亮. MATLAB在小净距隧道塌方风险模糊层次分析评价中的应用[J]. 河北地质大学学报, 2018, 41(1): 55-59.

[13] 温世儒. 基于超前地质预报的隧道施工期风险评估及防控措施研究[D]: [硕士学位论文]. 西安: 长安大学, 2012.

[14] 许柏树. 层次分析法原理[M]. 天津: 天津大学出版社, 1988: 28-30.

[15] 谢季坚. 模糊数学方法及其应用[M]. 武汉: 华中理工大学出版社, 2006.

[16] Lesley, D. (1989) Applications of Fuzzy Set Methodologies in Industrial Engineering. International Journal of Production Research, 28, 332.
https://doi.org/10.1080/00207549008942815

[17] Weridianti, P.M. and Puspitasari, S.D. (2019) The Design of Geographic Information System Determination of Slum Area to Improve Villages in Supporting Green and Clean in Surabaya City Using Fuzzy-AHP Method. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 245, Article ID: 012037.
https://doi.org/10.1088/1755-1315/245/1/012037

[18] 于咏妍. 基于模糊层次分析法的隧道坍塌风险评估[J]. 交通科技, 2016(5): 111-114.

[19] 曹建, 施式亮, 陈晓勇, 等. 基于FUZZY-AHP的危化品管道运输安全等级综合评价模型与应用[J]. 安全, 2019, 40(5): 30-33.

[20] 吕劲松, 肖渊甫, 邓江红, 王涛, 程超杰, 龚婷婷, 于海军, 邓元兵. 香格里拉小中甸冈达概组下段岩石化学特征及构造背景分析[J]. 地质与勘探, 2012, 48(6): 1214-1220.

[21] 韦伟, 冯海昀, 刘源浩. 模糊层次分析法在公路隧道施工安全评价中的应用[J]. 西部交通科技, 2015(3): 62-66.

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