【摘 要】鑒于鷓鴣山深埋隧道工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜、物理力學(xué)參數(shù)極其難測和原位測試費用高等特點和無統(tǒng)一、權(quán)威的公路隧道圍巖分類方案，運用模糊理論對其圍巖分類，對隧道圍巖分類質(zhì)量指數(shù)表進(jìn)行線性函數(shù)近似表示，建立了鷓鴣山高地應(yīng)力區(qū)隧道圍巖模糊評判模型。由于計算量大，為了提高工作效率，設(shè)計了一個隧道圍巖模糊分類軟件來計算出圍巖分類類別與穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】隧道；圍巖；模糊；分類；軟件

中圖分類號:U25 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-8283(2009)01-0107-02

1 模糊綜合評判模型的建立

1.1 地質(zhì)因素選擇及圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)現(xiàn)行的《公路隧道設(shè)計規(guī)范》和《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》的有關(guān)要求，對巖體質(zhì)量系

數(shù)分級。用巖體塊度和層厚反映巖體結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)；用巖石抗壓強度、裂隙系數(shù)、軟化系數(shù)反映巖體力學(xué)性質(zhì)和水理性質(zhì)；用巖體結(jié)構(gòu)面形態(tài)反映巖體結(jié)構(gòu)面性質(zhì)及其走向與隧道軸線的關(guān)系；此外，巖體中地下水及圍巖初始應(yīng)力對圍巖穩(wěn)定的影響，也是不可忽視的。就公路隧道工程實踐經(jīng)驗和有關(guān)資料，并考慮到現(xiàn)實可行性，我們規(guī)定了上述7個地質(zhì)因素與6類圍巖和穩(wěn)定性相對應(yīng)的地質(zhì)指標(biāo)或狀態(tài)，構(gòu)成了隧道圍巖分類質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 在標(biāo)準(zhǔn)中，從左到右是按地質(zhì)因素，D1、D2，…，D7等先后次序排列的，以表明地質(zhì)因素間的主次關(guān)系，在每個地質(zhì)因素中，從上到下按指標(biāo)大小或狀態(tài)不同，劃分6個或3個等級與6類圍巖相對應(yīng)，以表明它們的優(yōu)劣性質(zhì)或巖體質(zhì)量的好壞，并使相鄰圍巖類別的地質(zhì)指標(biāo)首尾連續(xù)化。所有這些安排，都是為了建立隧道圍巖數(shù)學(xué)模型以及適應(yīng)模糊數(shù)學(xué)計算方法所需。

1.2 圍巖分類的模糊綜合評判模型

模糊數(shù)學(xué)的根本出發(fā)點在于引模糊集的概念，即將普通的二值集合{0， 1}變?yōu)樵趨^(qū)間上連續(xù)分布的模糊集合[0，1]。由此不難認(rèn)為，巖塊強度大與巖體完整性差的圍巖都屬于穩(wěn)定性圍巖，但它們的隸屬程度完全不同，前者以近于1的程度隸屬于圍巖分類，而后者隸屬于圍巖分類的程度接近零。這正是我們進(jìn)行綜合評判的基礎(chǔ) 。

據(jù)此，圍巖分類的模糊綜合評判過程可分為下列幾步：

(1)確定影響因素，即給出因素集D={D1，D2…Dn}

圍巖分類因素主要有：D1為巖體塊度或?qū)雍瘢籇2為抗壓強度；D3為巖體完整性系數(shù)；D4為軟化系數(shù)；D5為地下水；D6為應(yīng)力情況；D7為結(jié)構(gòu)面形態(tài)。故D={D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7}。

(2)給出評價集，即V={V1，V2…Vm}

在評判中，我們將圍巖分類劃分為：V1為Ⅰ類圍巖；V2為Ⅱ類圍巖；V3為Ⅲ類圍巖；V4為Ⅳ類圍巖；V5為Ⅴ類圍巖；V6為Ⅵ類圍巖。因此，V={V1，V2，V3，V4，V5，V6}。

(3)建立隧道圍巖的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)前面所述，每一個地質(zhì)因素劃分有6個地質(zhì)指標(biāo)或狀態(tài)集，記作V1、V2…V6，其中Vi={Vi1，Vi2…Vi7}(i=1，2…6)，于是表1可用矩陣表示，即 這里是一個圖片，

式中，V稱為隧道圍巖狀態(tài)矩陣或指標(biāo)矩，并視為隧道圍巖的數(shù)學(xué)模型。V的行向量稱為類別向量，V的列向量稱為狀態(tài)向量。

(4)權(quán)值的確定

權(quán)值的確定常常是評判人經(jīng)驗的反映，具有較大的波動性，由于諸地質(zhì)因素在圍巖穩(wěn)定性中所處的地位和作用不同，分配其權(quán)數(shù)應(yīng)有所不同。即A=(a1，a2，…，an)。

根據(jù)各地質(zhì)因素的優(yōu)劣性質(zhì)及其內(nèi)在聯(lián)系，對諸地質(zhì)因素的權(quán)數(shù)分布如下。

D1是評價圍巖穩(wěn)定性的首位因素，故分配其權(quán)數(shù)量最大，即a1=1，由D2、D3、D4這3個因素所構(gòu)成的巖體強度中，又有其主次關(guān)系，一般把巖石強度作為巖體強度的基礎(chǔ)，同時裂隙狀態(tài)對巖體強度影響也較大，當(dāng)然軟化系數(shù)也是控制因素之一，于是確定(a2，a3，a4)=(0.9，0.8，0.7)。D5對圍巖穩(wěn)定性的影響也較重要，尤其裂隙連通性較好時更是如此，故確定a5=0.6，D6、D7為輔助因素，故確定 (a6，a7)=(0.4，0.2)，將an值代入上式得：

A=1/D1+0.9/D2+0.8/D3+0.7/D4+0.6/D5+0.4/D6+0.2/D7，把它歸一化后，用向量表示，得(a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7)=(0.22，0.20，0.17，0.15，0.13，0.09，0.04)。

由此可見，D1所得的權(quán)數(shù)最大，占總權(quán)數(shù)的22%，D2~D4的權(quán)數(shù)之和，可視為巖體強度的權(quán)數(shù)，占總權(quán)數(shù)的52%，即巖體強度這個復(fù)合性因素是主要的因素。如果把D1~D5的權(quán)數(shù)加起來，則占總數(shù)的87%，可見圍巖穩(wěn)定性主要由于這5個基本因素構(gòu)成，在權(quán)數(shù)分配方面，亦得到了充分的體現(xiàn)。

(5)選擇模糊綜合評判模型

為反映圍巖的質(zhì)量，我們引入一個模糊關(guān)系：

式中，V稱為隧道圍巖分類質(zhì)量指數(shù)矩。

關(guān)于Pi可由經(jīng)驗判斷或?qū)＜以u定。據(jù)規(guī)范中公路隧道圍巖分級的基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]采用等差100的數(shù)列分級。為使Pi值與公路隧道設(shè)計規(guī)范一致，故對Pi值采用1/12與3/12的差值約為0.166 7的等差數(shù)列與之對應(yīng)，擴(kuò)大100倍，成為百分制的分值， 得6類圍巖Pi值如下：P1=91.7，P2=75，P3=58.3，P4=41.7，P5=25，P6=8.3。經(jīng)計算，其結(jié)果列表1。

最后通過對矩陣V的改進(jìn)，用線性函數(shù)近似表示為：

D12=1.4X+14.75，D13=11.0667X+5.0833，D14=3.4X+8.15，D15=66.6X-4.49，D22=0.1X+9，D23=0.134X+7.64，D24=0.396X+2.4，D25=0.544X+0.92，D32=5X+8.75，D33=20.72X-3.04，D34=3.0667X+5.7867，D35=34.8X-5.32，D42=5X+7.25，D43=30X-11.5，D44=3.2X+4.58，D45=30.2667X-7.6 。

現(xiàn)將矩陣V兩次改進(jìn)的結(jié)果與《隧道圍巖分類質(zhì)量指數(shù)表》合在一起，得表1，把表1稱為隧道圍巖質(zhì)量模糊評價評定表，利用表1即可進(jìn)行綜合評判。其中

D=D1+D2+D3+D4+D5+D6+D7（1）

2 鷓鴣山高地應(yīng)力區(qū)圍巖分類的模糊理論運用

依據(jù)表各點指標(biāo)數(shù)據(jù)，對照表2，得出各點指標(biāo)得分D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7值，由式1可得各點總得分D值，再評定類別與穩(wěn)定性。

為了提高工作效率，本人自主開發(fā)了一個軟件。其部分源代碼如下。

/******************************/

if(m_sort) //compute D1

{

if(m_block>1.0)

D1=20.17;

if(m_block>0.4m_block<=1.0)

D1=1.4*m_block+14.75;

if(m_block>0.2m_block<=0.4)

D1=11.0667*m_block+5.0833;

if(m_block>0.1m_block<=0.2)

D1=3.4*m_block+8.15;

if(0

D1=66.6*m_block-0.49;

}

else

D1=1.83;//end compute D1

/****************************************/

D=D1+D2+D3+D4+D5+D6+D7;

//CString grad;

//CString wending;

if (D>83)

{

grad.Format(\"Ⅰ\");

wending.Format(\"很穩(wěn)定\");

}

if (D>67D<=83)

{

grad.Format(\"Ⅱ\");

wending.Format(\"穩(wěn)定\");

}

if (D>50D<=67)

{

grad.Format(\"Ⅲ\");

wending.Format(\"基本穩(wěn)定\");

}

if (D>33D<=50)

{

grad.Format(\"Ⅳ\");

wending.Format(\"穩(wěn)定性差\");

}

if (D>17D<=33)

{

grad.Format(\"Ⅴ\");

wending.Format(\"不穩(wěn)定\");

}

if (D<=17)

{

grad.Format(\"Ⅵ\");

wending.Format(\"很不穩(wěn)定\");

}

/********************************/只要輸入點位、塊狀或?qū)雍?、飽和單軸抗壓強度、干單軸抗壓強度、巖體完整性系數(shù)、地下水、最大主應(yīng)力、結(jié)構(gòu)面形態(tài)即可計算出圍巖分類類別與穩(wěn)定性。根據(jù)所有點的輸入數(shù)據(jù)在所編軟件中可計算出所有點的圍巖分類類別和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn):

[1]吳相金等，公路隧道圍巖分類模糊綜合評判，公路交通科技，2007年1月，第24卷第1期；

[2]李圍，模糊理論在公路隧道圍巖分類中的應(yīng)用研究，公路交通科技，2004年11月，第21卷第11期；

[3]白明洲等，隧道圍巖分級的模糊信息分析模型及應(yīng)用研究，鐵道學(xué)報，2001年12月，第23卷第6期；

[4]楊挺，隧道圍巖分類中巖石等級劃分的模糊分析，中國市政工程，1995年12月25日，第4期；

[5]建設(shè)部綜合勘察研究設(shè)計院，巖土工程勘察規(guī)范（GB50021—2001），中華人民共和國建設(shè)部，2002年； (責(zé)任編輯：晏歡)