杨悦，周新东，李永超，黄樟浩，陈孝国，裴世博
基于区间模糊贴近度的地铁隧道可靠度评价方法
杨悦1，周新东2，李永超2，黄樟浩2，陈孝国2，裴世博3
（1.三明学院 建筑工程学院，福建 三明 365004；
2.三明学院 信息工程学院，福建 三明 365004；
3.东北大学 信息科学与工程学院，沈阳 110819）
为了提高地铁隧道可靠度安全评价精度，首先建立由3个一级指标和24个二级指标构成的评价指标体系，并对监测值进行无量纲模糊化处理。其次利用区间模糊熵权法分别确定各级指标权重，并将指标值进行加权融合得到综合等级划分区间值。然后提出区间模糊贴近度计算公式，对监测点数据进行模糊值转化，并计算区间模糊数与综合等级划分值的贴近度。最后利用贴近度排序法对监测点进行可靠度等级评价，所得结果与工程实际相符。
区间模糊综合评价；
贴近度；
可靠度；
地铁隧道评估
2021年《全国地铁建设规划》指出，目前国内已有10个城市开通了31条城市轨道交通线，运营里程总共达到835.5公里，同时城市对于地铁的需求在不断提高。地铁隧道工程属于高风险建设项目，当前仍然面临大体积塌方、围岩大变形、地表沉陷、管涌突水等地质和工程问题，安全形势突出。特别是随着隧道工程呈现出“深、长、大”的发展趋势，其工程量和耗资巨大，一旦发生事故不仅会造成隧道本身结构破坏和人员生命财产损失，而且还可能导致各种难以估量的次生灾害。因此，确保隧道工程在设计、施工和运营等阶段的安全和稳定至关重要，隧道工程围岩变形与稳定评价及风险分析将成为隧道安全施工和可靠运行所需解决的关键问题之一[1]。资料显示，我国从2003年至2011年底，地铁隧道事故的发生呈现上升趋势，如何建立科学的安全评价方法显得至关重要，近年来国内外学者不断探索地铁可靠度评价方法。王景春等[2]利用欧式距离对地铁隧道围岩韧性进行评估，夏超等[3]利用集对分析对地铁隧道塌方风险进行评价，魏伟青等[4]利用聚类分析对地铁安全进行评价。王迎超等[5]将隧道围岩失稳险情划分为巨警、重警、中警、轻警和无警5个等级，选取岩石的单轴饱和抗压强度、岩石质量指标、岩体完整性系数、结构面强度系数、地下水作用指标、洞轴线与主要结构面的夹角作为评价指标，采用专家评估法确定各指标的权重系数，建立隧道围岩失稳风险预警模型，实例分析可以看出功效系数法具有一定的工程应用价值。孙浩等[6]选取岩体软化系数、地下水流量、岩体完整性指数、岩石单轴抗压强度、结构面状况、主要结构面与洞轴夹角6个指标建立富水隧道围岩安全风险评价体系，运用集对分析原理构建联系隶属度函数，采用AHP法计算指标权重，根据最大隶属度原则获取隧道围岩风险等级。杨润霞[7]针对复杂地质条件下岩溶隧道风险评估，建立数值与图形相结合的雷达图法评估模型，引入四个风险等级对应的参考样本，定量并直观地得出各等级综合评估范围，实现岩溶隧道风险评估。汤扬屹等[8]建立基于云模型与D-S证据理论的盾构施工隧道管片上浮风险评价模型，针对安全等级低的材料给出相应的处理措施，为施工阶段隧道管片上浮风险评价与管理提供一种新的思路和方法。吴全立等[9]采用网络分析法构建盾构施工风险评价模型，研究分析多层级风险源条件下，风险控制技术的不同层级权重排序。陈孝国等[10]利用中智集、熵权法和加权集成算子建立长斜井煤矿TBM施工灾害风险预警模型，确立一般风险、显著风险、高度风险、极其危险四个等级分类标准，然后对神华集团相关长斜井煤矿TBM施工风险进行实例分析。陈三强等[11]将Copula函数与云模型相结合，提出一种适用于运营隧道渗漏水危害等级评价的模型，建立自然条件、围岩及地下水、隧道设计、施工与运营五个方面一级指标，以及17个具体二级子因素，获得运营地铁隧道渗漏水危害指标评价体系及等级评定标准。
上述文献对隧道安全风险评价指标体系构建和风险评估进行了广泛探讨，成果丰富。但是现有模型大多采取静态预警，而实际上随着研究问题的不断深入动态评估将更加普遍。同时，模型中参数指标的取值也可能为区间值、模糊值或信息缺失。本文将借助贴近度理论开展地铁隧道可靠度研究，建立混合型动态监测评价模型。
1.1 可靠度评价指标体系构建
在考虑地下水及地应力的情况下，以围岩的物理性质、岩石结构面状况、其他因素为一级指标，以重度、弹性反力系、变形模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力、计算摩擦角、围岩弹性纵波速度、岩体完整性指数、单轴抗压强度、点荷载强度、钻孔的岩石质量、岩体（最不利）间断的间距、长度、间隔、粗糙程度、填充厚度、风化状况、岩体节理相对方位、地下水流量、地下水压强与岩体初始大主应力的比值、节理组指数、节理含水折算因子为二级指标建立指标体系，详见表1。
在稳定性评价中，各级指标数据的变化不一定相同，因此利用数据越小越稳定的成本型函数和数据越大越稳定的效益型函数将其转化为无量纲的区间模糊数，其中重度、弹性反力系、变形模量、内摩擦角、粘聚力、计算摩擦角、围岩弹性纵波速度、岩体完整性指数、单轴抗压强度、点荷载强度、钻孔的岩石质量、岩体（最不利）间断的间距、节理含水折算因子、隧道开挖支炉比按照效益型转换，泊松比、长度、间隔（开度）、地下水流量、地下水压强与岩体初始大主应力的比值、节理组指数按照成本型转换，粗糙程度、填充厚度、风化状况、岩石节理相对方位按照等级将隶属度划分成6个区间。
表1 可靠度评价指标体系
将表1中指标数据按照式(1),(2)进行计算，得到各级指标相对的取值如表2所示。
表2 可靠度评价指标模糊标准化数据
1.2 建立区间模糊评价矩阵
1.3 评价指标权重的确定
利用式(3)可以得到模糊评价矩阵中每个模糊数的熵值，最后通过式(4)来确定各个因素的权重。
1.4 区间模糊数的综合评价
1.5 区间模糊数的格贴近度的确定
区间模糊数的格贴近度公式为
1.6 评价步骤
以某地铁二号线为例，测得重度为20.3～24.6，弹性反力为11.6～17.4，变形模量为0.9～1.7，泊松比为0.16～0.3，内摩擦角为58.3～68.4，粘聚力为0.68～1.35，计算摩擦角为58.6～67.3，围岩弹性纵波速度为4.36～5.27，岩体完整性指数为0.68～0.93，单轴抗压强度为79～198，点荷载强度为7～9，钻孔的岩石质量为40～69，岩体（最不利）间断的间距0.2～1.9，长度为18～25，间隔（开度）为2～4，粗糙程度为粗糙，填充厚度为硬填充<5，风化情况为中等风化，岩体节理相对方位为有利，地下水流量为80～100，地下水压强与岩体初始大主应力的比值为0.05～0.12，节理组指数为0.43～1.2，节理含水折算因子为0.77～1.12，隧道开挖支炉比为2.9～4.1。
步骤一：利用式(1,)(2)得到各二级指标权重向量。
步骤二：指标体系的一级综合评价。
求得指标体系的二级综合评价
步骤三：对监测点数据按照式(1),(2)进行无量纲模糊化，该检测点评价矩阵。
步骤四：监测点的一级综合评价。
步骤五：公式(6)贴近度计算。
考虑到大多数工程数据难以准确监测，本文提出采用区间模糊熵权法和格贴近度建立地铁隧道综合评价模型。通过对某地铁二号线监测点数据进行分析，得到结果为较稳定。由于引入模糊理论使得综合评价更加有效合理，并解决了监测点数据波动性对可靠度精度的影响。上述研究可以进一步推广到山体隧道或边坡稳定性预警等领域。
[1] 杨悦，肖修鸿，朱捷，等. 隧道围岩Vague集可拓安全评估模型[J]. 灾害学，2022, 37(01): 25-29.
[2] 王景春，赵福全，何旭升，等. 基于欧式距离的地铁隧道围岩韧性评估[J]. 铁道标准设计，2019, 63(10): 106-111.
[3] 夏超，李洁. 基于集对分析的地铁隧道塌方风险评价[J]. 筑路机械与施工机械化，2016, 33(04): 112-116.
[4] 魏伟青，陈磊，骆汉宾. 基于聚类分析的越江地铁隧道地质安全评价[J]. 土木工程与管理学报，2015, 32(01): 72-76.
[5] 王迎超，孙红月，尚岳全，等. 功效系数法在隧道围岩失稳风险预警中的应用[J]. 岩石力学与工程学报，2010, 29(02): 3679-3684．
[6] 孙浩，王林峰，翁其能. 基于集对-可拓层次法的富水隧道围岩安全风险评价[J]. 重庆理工大学学报，2019, 33(09): 80-85.
[7] 杨润霞. 雷达图法在复杂地质下岩溶隧道风险评估中的应用[J]. 现代隧道技术，2020, 57(01): 125-129.
[8] 汤扬屹，吴贤国，陈虹宇，等. 基于云模型与D-S证据理论的盾构施工隧道管片上浮风险评价[J]. 隧道建设（中英文），2019, 39(12): 2011-2019.
[9] 吴全立，王梦恕，殷明伦. 基于网络分析法盾构下穿隧道风险分析[J]. 地下空间与工程学报，2019, 15(06): 1881-1888.
[10] 陈孝国，黄鸿辉，杨悦，等. 长斜井煤矿TBM施工灾害风险预警模型[J]. 灾害学，2019, 34(03): 146-149.
[11] 陈三强，陈虹宇，吴贤国，等. 基于Copula云模型的地铁运营隧道渗漏水风险评价[J]. 土木工程与管理学报，2019, 36(05): 90-101.
[12] 陈孝国. 模糊软集决策理论扩展研究及其在矿业工程中的应用[D]. 北京：中国矿业大学（北京），2016.
Reliability evaluation of subway tunnel based on interval-valued fuzzy similarity measure
YANG Yue1，ZHOU Xin-dong2，LI Yong-chao2，HUANG Zhang-hao2，CHEN Xiao-guo2，PEI Shi-bo3
(1.College of Architecture and Civil Engineering, Sanming University, Fujian Sanming 365004, China; 2.School of Information Engineering, Sanming University, Fujian Sanming 365004, China; 3.School of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)
In order to improve the accuracy of safety evaluation of subway tunnel reliability, this paper firstly established an evaluation index system consisting of 3 primary indicators and 24 secondary indicators, and carried out dimensionless fuzzification of the monitoring values. Secondly, the interval fuzzy entropy weighting method was used to determine the index weights at each level separately, and the index values were weighted and fused to obtain the comprehensive grade division interval values. Then the interval fuzzy similarity measure formula was proposed to fuzzify the monitoring point data and calculate the similarity measure between the interval fuzzy number and the comprehensive grade classification value. Finally, the reliability rating of monitoring points was evaluated by using the similarity measure ranking method, and the obtained results are consistent with the engineering reality.
interval fuzzy comprehensive evaluation；
similarity measure；
reliability；
subway tunnel assessment
2022-08-07
福建省自然科学基金面上项目（2020J01384；
2020J01391）；
黑龙江省自然科学基金项目（LH2019E085）；
福建省中青年教师教育科研项目（JAT190688；
B201901）
杨悦（1979-），女，河南虞城人，副教授，博士，主要从事岩土工程研究，kjdxcxg@sohu.com。
U455.1;U451
A
1007-984X(2023)01-0075-06
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