祝艷波

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院巖土工程與工程地質(zhì)系，湖北武漢 430074)

基于灰色聚類(lèi)法的下洲隧道圍巖分級(jí)研究

祝艷波

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院巖土工程與工程地質(zhì)系，湖北武漢 430074)

在隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到圍巖失穩(wěn)、變形的問(wèn)題。本文結(jié)合了寧德至武夷山高速公路S4合同段下洲隧道工程，利用灰色聚類(lèi)法對(duì)隧道圍巖分級(jí)進(jìn)行了分析計(jì)算，對(duì)比傳統(tǒng)分級(jí)法與灰色聚類(lèi)法兩種分級(jí)結(jié)果，并對(duì)隧道開(kāi)挖施工后圍巖穩(wěn)定、支護(hù)提出了意見(jiàn)。

隧道；圍巖分級(jí)；圍巖穩(wěn)定性；灰色理論；灰色聚類(lèi)

0 引言

地下硐室是指人工開(kāi)挖或者天然存在于巖土體中，作為各種用途的構(gòu)筑物。在高速公路隧道施工過(guò)程中，由于巖體的天然應(yīng)力平衡遭到破壞，引起隧道圍巖體的卸載回彈和應(yīng)力重分布，當(dāng)這種回彈應(yīng)力和重分布應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)度所能承受的范圍時(shí)，將造成工程巖體的失穩(wěn)破壞，給隧道施工和運(yùn)營(yíng)帶來(lái)危害。

基于灰色理論的應(yīng)用逐漸成熟，其中的灰色聚類(lèi)法在隧道圍巖分析中，有著較好的適用性和應(yīng)用前景?；疑垲?lèi)主要用于隧道圍巖分級(jí)中，這種灰色方法很好地解決了傳統(tǒng)方法只靠經(jīng)驗(yàn)、定性地分析的局限，逐步從定性走向定量分析。本文對(duì)相同5段樁段，運(yùn)用BQ法和灰色聚類(lèi)法對(duì)隧道工程圍巖進(jìn)行了分析計(jì)算，為開(kāi)挖施工提供建議。

1 下洲隧道工程概況

寧德至武夷山高速公路S4合同段D10線下洲隧道，是線路通過(guò)下洲山而設(shè)計(jì)分離式隧道。其左線起止里程為D10Zk284+850～D10Zk285+733，全長(zhǎng)883m，最大埋深118.0m；右線起止里程為D10K284+825～D10K285+710，全長(zhǎng)885m，最大埋深81.0m。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，測(cè)區(qū)地質(zhì)時(shí)期經(jīng)歷海里東、海西、印支、燕山等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，其中以燕山期運(yùn)動(dòng)最為強(qiáng)烈，發(fā)育次正長(zhǎng)石斑巖等侵入巖體。隧址區(qū)存在侏羅系上統(tǒng)兜嶺群上亞群第一段弱—微風(fēng)化凝灰熔巖及燕山期次正長(zhǎng)石斑巖兩種巖性，其接觸帶位于左線D10ZK285+078及右線D10K285+031附近。

根據(jù)野外調(diào)查及鉆探資料，隧道通過(guò)地層為侏羅系上統(tǒng)兜嶺群上亞群第一段弱—微風(fēng)化凝灰熔巖及燕山期次正長(zhǎng)石斑巖。上覆地層為第四系坡殘積亞粘土（Qdl+el），下伏地層為凝灰熔巖（J3dl1b）及次正長(zhǎng)石斑巖（επ），見(jiàn)圖1。

圖1 下洲隧道地質(zhì)剖面圖

2 下洲隧道圍巖聚類(lèi)分級(jí)

2.1 灰色聚類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

在對(duì)圍巖進(jìn)行聚類(lèi)分析過(guò)程中，參考公路隧道圍巖級(jí)別判定表，采用圍巖的工程地質(zhì)特征、結(jié)構(gòu)完整狀態(tài)和開(kāi)挖以后的穩(wěn)定程度3項(xiàng)指標(biāo)，考慮彈性波速度影響，將各項(xiàng)指標(biāo)量化如表1。地下水及地應(yīng)力狀態(tài)通常只對(duì)軟弱圍巖產(chǎn)生明顯影響，在分級(jí)過(guò)后進(jìn)行修正[14]。

表1 各量化指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[3]

2.2 白化函數(shù)的確定

為了反映不同指標(biāo)在聚類(lèi)過(guò)程中作用的差異性，不對(duì)指標(biāo)樣本值無(wú)量綱化，采用指標(biāo)定權(quán)聚類(lèi)。記fjk為第j個(gè)指標(biāo)屬于第k個(gè)灰類(lèi)的白化函數(shù)。各量化指標(biāo)見(jiàn)圖2～5［14］。

圖2 巖體完整性指數(shù)（Kv）白化權(quán)函數(shù)

圖3 單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc的白化權(quán)函數(shù)

圖4 開(kāi)挖后穩(wěn)定性狀態(tài)評(píng)分的白化權(quán)函數(shù)

圖5 圍巖彈性波縱波波速Vp的白化權(quán)函數(shù)

具體函數(shù)解析式如下：

當(dāng) j=1時(shí)：

當(dāng) j=2時(shí)：

當(dāng) j=3時(shí)：

當(dāng) j=4時(shí)：

2.3 灰色聚類(lèi)圍巖分級(jí)

2.3.1 聚類(lèi)分級(jí)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及定性分析將影響圍巖等級(jí)的兩項(xiàng)主要因素聚類(lèi)權(quán)定為0.30 ，其余兩項(xiàng)為0.20。即取聚類(lèi)權(quán)η1=η2= 0.30 ，η3=η4= 0.20[10]。

因隧道圍巖分段較多，本文只選出較為典型的5段加以灰色聚類(lèi)理論進(jìn)行圍巖分級(jí)。其地質(zhì)概況及分級(jí)指標(biāo)如表2所示。

表2 下洲隧道部分圍巖地質(zhì)概況及分級(jí)指標(biāo)值

以下給出各段的圍巖分級(jí)聚類(lèi)分析過(guò)程，記σik為i個(gè)對(duì)象對(duì)第k個(gè)灰類(lèi)的聚類(lèi)系數(shù)，在此有5個(gè)聚類(lèi)對(duì)象，5個(gè)灰類(lèi)。記dk為分級(jí)指標(biāo)值，ηj為權(quán)數(shù)。

則當(dāng)i=1時(shí)，

代入數(shù)值到（1）公式中計(jì)算得到：

則

由max{σ1k}=σ13則可初步判別編號(hào)為1的圍巖屬于第Ⅲ級(jí)。

當(dāng)i=2時(shí)，

同理帶入數(shù)據(jù)到公式（2）計(jì)算得到：

由max{σ2k}=σ22則可初步判別編號(hào)為2的圍巖屬于第Ⅱ級(jí)。

當(dāng)i=3時(shí)，

帶入數(shù)據(jù)到公式（3）計(jì)算得到：

由max{σ3k}=σ32則可初步判別編號(hào)為2的圍巖屬于第Ⅱ級(jí)。

當(dāng)i=4時(shí),

帶入數(shù)據(jù)到公式（4）計(jì)算得到：

由{σ4k}=σ63則可初步判別編號(hào)為4的圍巖屬于第Ⅲ級(jí)。

當(dāng)i=5時(shí)，

帶入數(shù)據(jù)到公式（5）計(jì)算得到：

由{σ5k}=σ52則可初步判別編號(hào)為5的圍巖屬于第Ⅱ級(jí).則圍巖分級(jí)聚類(lèi)結(jié)果如表3所示

表3 圍巖分級(jí)聚類(lèi)結(jié)果

2.3.2 結(jié)合地下水及地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)圍巖分級(jí)的修正

在地下水豐富，特別是軟弱圍巖地段，在按以上聚類(lèi)的基礎(chǔ)上，需根據(jù)勘測(cè)資料進(jìn)行修正。一般原則是“遇水降級(jí)”，但還需根據(jù)水量、圍巖類(lèi)別進(jìn)行修正。地下水狀態(tài)的等級(jí)劃分如表4。

表4 地下水狀態(tài)的分級(jí)

地下水影響對(duì)圍巖分級(jí)的修正如表5。

表5 地下水影響的修正

根據(jù)地下水對(duì)圍巖分級(jí)的影響，現(xiàn)根據(jù)編號(hào)1-5的圍巖體水文地質(zhì)條件進(jìn)行地下水狀態(tài)分級(jí)，并對(duì)已經(jīng)分好的圍巖進(jìn)行修正。具體修正結(jié)果如下6表。

表6 修正后的圍巖分級(jí)聚類(lèi)結(jié)果

3 總結(jié)及建議

利用巖體分類(lèi)中的國(guó)標(biāo)BQ法對(duì)下洲隧道各段圍巖進(jìn)行分級(jí)，劃分為Ⅱ～Ⅴ級(jí)；利用灰色理論中的灰色聚類(lèi)法對(duì)圍巖進(jìn)行分級(jí)，也得到相應(yīng)的Ⅱ～Ⅴ級(jí)。兩種分級(jí)方法對(duì)比，結(jié)果趨于一致，充分說(shuō)明了灰色聚類(lèi)法定量確定圍巖級(jí)別的可靠性。結(jié)合相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行修正，使其更加符合工程實(shí)際。

根據(jù)灰色系統(tǒng)理論對(duì)隧道圍巖進(jìn)行聚類(lèi)分析，僅依靠少數(shù)指標(biāo)，按影響分級(jí)的主要因素聚類(lèi)，即可定量化確定圍巖級(jí)別，其數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)，概念清晰，評(píng)價(jià)結(jié)果可靠。隧道圍巖分級(jí)應(yīng)向多參數(shù)定量化、統(tǒng)一化發(fā)展，運(yùn)用灰色聚類(lèi)法進(jìn)行圍巖分級(jí)是在此方面的有益探索。但在確定圍巖分級(jí)的量化指標(biāo)上還需進(jìn)一步完善，使其更加符合工程實(shí)際。

根據(jù)隧道圍巖分級(jí)的結(jié)果，對(duì)隧道開(kāi)挖提出以下建議：

（1）隧道洞身處在Ⅴ級(jí)圍巖地段，巖體穩(wěn)定性差，開(kāi)挖易坍塌、冒頂，隧道掘進(jìn)時(shí)應(yīng)采取支護(hù)措施；處在Ⅲ級(jí)圍巖處的洞身建議采用錨噴混凝土支護(hù)。

（2）隧道洞口仰坡、土質(zhì)邊坡采用1：1.25。當(dāng)邊坡超過(guò)12m時(shí)，需在10m高處留一寬約2.0m平臺(tái)，并以漿砌塊石骨架植草護(hù)坡防護(hù)?；鶐r強(qiáng)風(fēng)化帶采用1：1.0m設(shè)計(jì)放坡，挖溝植草護(hù)坡?；鶐r微、弱風(fēng)化帶邊坡采用1:0.75放坡，可采用藤蔓植物放坡。

（3）隧道進(jìn)、出口段風(fēng)化嚴(yán)重，頂板薄，成洞困難，洞身穩(wěn)定性差，易發(fā)生塌方，施工中需要采取必要的支護(hù)措施，必要時(shí)可采用明挖施工。

[1]劉佑榮，唐輝明.巖體力學(xué).北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1999年9月，第一版.

[2]李智毅，楊裕云.工程地質(zhì)學(xué)概論. 北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1994年10月第一版.

[3]李世輝.隧道圍巖穩(wěn)定性系統(tǒng)分析. 北京：中國(guó)鐵道出版社，1991年6月，第一版.

[4]王思敬，楊志法等.地下工程巖體穩(wěn)定性分析.北京：科學(xué)出版社，1984.109～180.

[5]李智毅，唐輝明.巖土工程勘察. 北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2000年9月，第一版.

[6]重慶交通科研設(shè)計(jì)院.JTG D70-2004 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范.北京：人民交通出版社，2004.

[7]楊新安，吳德康. 鐵路隧道[M] . 上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2003，第一版.

[8]劉思峰，郭天榜.灰色系統(tǒng)理論及其應(yīng)用.南京：河南大學(xué)出版社，1991年2月，第一版.

[9]鄧聚龍.灰理論基礎(chǔ).華中科技大學(xué)出版社，2002年2月，第一版.

[10]鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法.華中科技大學(xué)出版社，2005年8月，第一版.

[11] 張慶飛，巫錫勇.灰色聚類(lèi)法在圍巖分級(jí)中的應(yīng)用.西部探礦工程學(xué)報(bào)，2005 年第5 期.

[12]Malay Bhattacharrya，F(xiàn)uzzy Mark ovia decision process，F(xiàn)uzzy Sets and systems，1998

[13]Goodman R.E and Shi Genhua Block Theory and Its Application to Rock Engineering，rentice-Hall，Inc.，Englewood Cliffs，1985

[14]Hoek E，Marinos P.Predicting squeeze[J].Tunnels an Tunneling Internationnal，2000，(11):45～51.

Tunnel Surrounding Rock Classification based on Gray Theory

ZHU Yanbo
(Department of Geotechnical Engineering, Chinese University of Geosciences, Wuhan 430071)

In the course of excavation of tunnel, the problems of rock stability, deformation and damage are often encountered. In this paper the tunnel projects of the Ningde to Wuyishan S4 highway contracts and Bidanya Tunnel Engineering of the Chengdu-Shanghai highway are combined, and the knowledge of Rock Mechanics and Gray Theory are used in the surrounding rock classification and calculation of stability analysis. At the same time, this paper puts forward the suggestion to the rock stability after the excavation of the tunnel, and discusses whether to need supporting or not.

Tunnel; Surrounding rock classification; Rock stability; Grey theory; Grey cluster

TU45

A

祝艷波（1985-），男，遼寧省葫蘆島市人，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，碩士研究生，主要從事巖土地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害研究。Email:342948684@qq.com