基于突变理论的山岭隧道塌方风险预测

山岭隧道工程施工过程中，致塌因素众 多，机制复杂 ，很难建立统一的风险评估模型 ，再加上基础 资料缺乏，要对 隧道工程尤其是山岭隧道穿越特殊不 良地质情况下施工塌方风险进行定量评估难度非常
大 ・ ．
突 变级 数 法 是在 突 变理 论 基础 上 发展 起来 的一种 综合 评价 方法 ． 该 方法 考 虑 了各评 价 指标 的相 对 重 要 性 ，定性 和定 量相 结合 ，减 少 了主观性 又 不失科 学性 、合 理性 ，而 且计 算简 易准 确Ｉ Ｊ ． 本文 基于 突变 级
基于突 变理论 的山岭隧道塌方风险预测
胡长 明 ， 贡 少瑞 ，张超 晖 ，张礼 奎 ，张 雪 晶
（ １ ． 西安建筑科技 大学土木 工程 学院 陕西西 安 ７ １ ０ ０ ５ ５ ； ２ ． 金地集 团西北区域公 司 陕西西安 ７ １ ０ ０ ７ ５ ；３ ． 陕西煤业化工建 设（ 集 团）有限公司 ，陕西 西安 ７ １ ０ ０ ２ １ ）
（ ３ ） 导 出归一 公 式 ．归一 公 式将 系 统 内部各 控 制变 量 不 同 的质 态 归化 为 可 比较 的 同一种 质态 ，从而 对 系 统进 行量 化递 归运 算 ，求 出表 征 系统 状态 特征 的系统 总突 变隶 属 函数值 ，作 为综合 评价 的依 据 ．通 过 推 导 ，四种常 见模 型 的 归一公 式¨ 如下 ： 折叠 突变 模 型 归一 公 式为 ： 尖点 突变 模 型 归一 公 式为 ： ＝ ＝ “ ， 、 ，＝ １ ， “ ， ＝ Ｗ
数法 ，建立 了山岭隧道塌方风险综合评价分析模型 ，对塌方下穿特殊地段施工塌方风险进行预测评价 ， 结合 现 场监 控数 据 ，验证 该方法 在 塌方风 险预 测 的可行 性 ．
１突 变理 论评 价法的基本原理及理及步骤
１ ． １基 本原 理
所谓突变是指从一种稳定状态跳跃式地转变到另一种稳定状态 ，即在某一系统临界点附近 ，控制参数 的微小改变可以从根本上改变系统的结构和功能性质的现象 ．它根据势函数把临界点进行分类 ，用势函数 的存在与消失判断事物的稳定性与不稳定性 ， 通过建立数学模型演绎质量互变过程，从而可以更科学更准 确地认识不连续现象 的机理 ，并作出评估预测 ．实际上 ，隧道 的塌方失稳也是一种突发破坏现象，具有明 显的非线性和不连续性质，闰长斌ｌ Ｊ 、刘学增Ｌ １ 等学者运 用了突变理论解释探讨过隧道塌方失稳的机理 ，
关键词 ：安全管理工程 ；隧道塌方 ；突变理论 ；风险预测
中图分类号 ：Ｔ Ｕ７ ４ ５
文献标志码 ：Ａ
文章编号 ：１ ０ ０ ６ — ７ ９ ３ ０ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ — ０ ０ １ ０ — ０ ６
随着我国交通事业的蓬勃发展 ，隧道建设规模越来越大 ，施工过程中围岩稳定性问题 也越显突 出， 塌方事故 时有发 生，已成为造成经济损失、工期延误等 的重要原 因，因此对隧道的稳定性 问题进行风险 评估和预测势在必行 Ｊ ． 目前研 究 隧道 围岩 稳 定性 的方法 主要 有灰 色优 化理 论Ｉ ｊ Ｊ 、模 糊数 学 、人 工神 经 网络Ｌ ６ ｊ 、支持 向量 机 等，这些方法在围岩稳定性分级中取得 了很多成果 ，但还存在一些不足 ：灰色理论的准确性和筒捷性不 够 ；模糊理论存在着隶属度、权重难以确定等缺 陷；神经 网络方法在学 习样本数量有 限时 ，精度难 以保 证 ，当学 习样 本数量 很 多时 ，泛化 性能 不高 ．因此 ，对 隧道 围岩 稳定 性评 价有 待进一 步 研究 ．
运 用 突 变 理 论 进 行 评 价 一 般 涉 及
表 １初等 突变模型
Ｔａ ｂ． ２ ｃ ａ ｔ ａｓ ｔ ｒ ｏｐｈｅ ｔ ｈｅ ｏｒ ｙ ｍｏ ｄｅ ｌ
四种初等模型 ， 见表 １ ． 各 式 中 ） 表示 系
统 的状 态 变量 的势
函数 ， 状态变量 的 系数 甜 ，１ ， 、Ｗ、ｆ 表 示该状态变量的控制变量 ．当一个评价 目标被分解为一个、两个、三个、四个指标时 ， 分别运用折叠突变 模型、尖点突变模型、燕尾突变模型、蝴蝶突变模型来计算评价 目标值¨ 制 ．
２ ０ １ ２ ｘ １ ０ ０ ２ ）
作 者 简介 ：胡 长 明 （ １ ９ ６ ３ ． ） ，男 ，教授 ，博 士 生导 师 ，主 要从 事土 木工 程建 造与 管理 方 向的研 究 ．ｈ ｕ ． ｔ ｎ＠ １ ｉ ６ ３ ． ｃ ｏ ｎ ｒ
第１ 期
胡 长明 ，等 ：基于突变理论的山岭隧道塌方风险预测与对策
摘要 ：为建立隧道施工穿越冲沟段塌方风险的预测模型 ，统计分析 了 ２ ０ ０例隧道塌方事故 ，总结出影响隧道塌 方的 ｌ １ 大风 险 因素 ，将各 因素 归纳为工程地质、水文地质、勘察设计施工等三大指标 ，并对其进行分解 ，建立 山岭隧道的塌方风险评价 体系 ，利用突变 理论 对隧道塌 方风 险进行风 险评估 ．应用该模型对某隧道施工穿越 冲沟 地段进行 塌方风 险预测 ，结果能较好 反映该工程实 际情况 ，研究成果能够为类似隧道工程塌方风险管理 提供依据 ．
第４ ６卷 第 １期
２ ０ １ ４年 ２月
西安建筑科技大 学学报 （ 自然科学版 ）
Ｊ ． Ｘｉ ’ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ． ｏ ｆ Ａｒ ｃ ｈ ． ＆Ｔ ｅ ｃ ｈ ． （ Ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ
Ｖｂ １ ． ４６Ｎ ｏ． １ Ｆｅ ｂ． ２０１ ４
本文 从隧道 塌 方风 险 的角度进 行预 测评 估 ． １ ． ２ 评价 步骤 （ １ ）评价 指 标确 立 ． 对 评价 对 象进行 多 层次分 解 ，当分 解 到对某 个子 指标 可 以量化 时 ，分解 就可 以终止 ．
（ ２ ）确定突变模型 ．

收稿 日期 ：２ ０ １ ３ ． ０ ５ ． ２ ９ 修 改稿 日期 ：２ ０ １ ４ — ０ ２ ． １ ８ 基 金项 目：住房 和城 乡建 设 部 ２ ０ １ ２年 科 学技术 项 目计戈 — — 软 科 学研 究项 目（建设 项 目管理 ） （ ２ ０ １ ２ ． Ｒ ３ ． Ｉ ７ ） ；包 头市 科技 计划 项 目 （ ２ ０ １ ｌ ｘ ｌ ０ ０ ６