易震宇，龍正聰，蔣勝波

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院，湖南長沙 410008; 2.湖南省吉茶高速公路建設開發(fā)有限公司，湖南吉首 416000)

0 引言

灰色變權(quán)聚類法是依據(jù)鄧聚龍教授創(chuàng)立的灰色系統(tǒng)理論，是一種研究少數(shù)據(jù)、貧信息不確定性問題的新方法。按聚類對象分，灰色聚類可分為灰色關聯(lián)聚類和灰色白化權(quán)函數(shù)聚類?；疑P聯(lián)聚類主要用于同類因素的歸并，以使復雜系統(tǒng)簡化，明顯不適用風險評估，而灰色白化權(quán)函數(shù)聚類主要用于檢查觀測對象是否屬于事先設定的不同類別，以區(qū)別對待，可用于判斷風險。

軟弱圍巖大變形問題歷來是地下工程研究重點，復雜地質(zhì)條件下(如斷裂帶影響下)對軟巖隧道的穩(wěn)定性更加不利，隧道圍巖大變形是圍巖體在地應力、工程擾動和地下水活動等環(huán)境條件下，圍巖掩體的一種變形破壞現(xiàn)象，其實質(zhì)是由于圍巖開挖引起的地應力重分布超過巖體的屈服強度而使巖體發(fā)生塑形化，圍巖自承能力的喪失或部分喪失，變形得不到有效約束，圍巖發(fā)生塑形變形破壞，從而使圍巖支護遭到不同程度的破壞。

工程實踐表明，對于軟巖隧道，其大變形破壞過程是一個漸進的力學過程，總是從小變形開始，然后變形積累，在一處或幾處首先產(chǎn)生破壞，進而導致整個支護系統(tǒng)的失穩(wěn)。穿越可能會引起大變形的圍巖區(qū)段時，必須通過監(jiān)控量測指導支護參數(shù)設計，并合理預留變形量。開挖施工必須具有時效性，不能人為延長時間，超前支護應及時施作。合理選擇施工方案，對軟弱富水段應采取注漿堵水和排水工作。

1 隧道大變形風險影響因素

圍巖大變形產(chǎn)生的原因主要有:①破碎帶松弛變形;②周邊出現(xiàn)塑性破環(huán)區(qū);③膨脹性圍巖(如石膏)作用。而對于軟巖，圍巖變形破壞機制主要有:①圍巖塑性流動擠出;②膨脹擠出。前者認為地下工程開挖引起應力重分布達到屈服后，圍巖處于塑性狀態(tài)，發(fā)生塑性變形并引起圍巖應力進一步調(diào)整，最終形成剪切滑移面并組成塑性楔形體向洞內(nèi)滑移。后者認為含膨脹性礦物的軟巖，在一定條件下圍巖產(chǎn)生膨脹，引起變形。圍巖膨脹的應力條件是:徑向圍巖壓力小于起始膨脹壓力，而切向圍巖壓力大于膨脹壓力。在巖性條件差，地下水豐富，地應力較高或存在偏壓等情況下，隧道易發(fā)生大變形。

同時隧道連降大暴雨，因巖石破碎，裂隙發(fā)育，地下水直接受地表水補給，致使圍巖進一步軟化，呈現(xiàn)軟塑、流塑狀，自穩(wěn)能力進一步惡化，加速地層下沉。其次對圍巖判定欠準確，在該段圍巖整體性、穩(wěn)定性差，涌水量大的情況下，仍按原設計進行初期支護，不能滿足強度和剛度要求，出現(xiàn)大變形。

參照公路橋梁和隧道風險評估指南及工程實踐，隧道大變形風險影響因素可大致概括為以下6個方面:

1)地層巖性:圍巖級別、彈性模量、巖石抗剪指標;

2)地質(zhì)構(gòu)造:節(jié)理、擠壓性地層;

3)水文地質(zhì):地下水、降雨量;

4)隧道特征:斷面、長度、埋深;

5)襯砌支護強度:超前支護、初支、二襯;

6)施工方案:施工工法、監(jiān)控量測。

2 隧道大變形灰色變權(quán)聚類模型

用灰色變權(quán)聚類法分析隧道大變形風險，首先要建立分析模型，確定各聚類指標評價體系。將隧道大變形影響因素視為聚類指標，風險等級視為灰類，根據(jù)風險評估分類標準，根據(jù)風險發(fā)生概率和風險損失程度將隧道風險等級劃分為4個灰類，即k=1，2，3，4。

選取6個大變形影響的主要因素指標作為聚類指標，即 j=1，2，…，6。

選取隧道需要進行風險評估的各區(qū)段作為聚類對象，即 j=1，2，…，n。

各項評價指標體系判斷另可采用灰色變權(quán)聚類法確定或模糊評價法確定，本文略去，通過調(diào)查確定出每個指標關于各個類型的取值范圍以及取數(shù)域的右延拓值，以三角白化權(quán)函數(shù)和上、下限測度白化權(quán)函數(shù)的一般原理為基礎，結(jié)合表1、表2的各指標和灰類關系數(shù)據(jù)，可構(gòu)造適于隧道風險評估的灰類白化權(quán)函數(shù)。

表1 隧道大變形風險評估分類評價指標體系

表2 各指標取數(shù)域延拓值

3 隧道風險因素各聚類指標白化權(quán)函數(shù)

根據(jù)表1，表2的數(shù)據(jù)及白化權(quán)函數(shù)基本表達式，通過模型分析調(diào)整，可以得到研究區(qū)域適用的隧道大變形各聚類指標的白化權(quán)函數(shù)。如下(j=1～6):

4 隧道風險因素各指標及相應灰類權(quán)重

灰色變權(quán)聚類適用于指標的意義、量綱皆相同的情形，當聚類指標的意義、量綱不同且不同指標的樣本值在數(shù)量上懸殊較大時，不宜完全采用灰色變權(quán)聚類，根據(jù)隧道風險評估的特點，增加一個區(qū)域?qū)＜医?jīng)驗定權(quán)ωj，據(jù)表1，結(jié)合風險調(diào)查專家分析結(jié)果，確定如表3。

表3 隧道大變形風險評估分類專家經(jīng)驗定權(quán)

表4 各指標及相應灰類的權(quán)重

5 隧道風險因素各指標風險等級

各聚類指標的白化數(shù)值，由于在計算灰類的權(quán)重時引入了折算系數(shù)，可將各指標視為無量綱，可直接用計算灰色變權(quán)聚類系數(shù)。設xij為對象i關于指標j的觀測值，(·)為j指標k子類白化權(quán)函數(shù)。為j指標k子類的權(quán)，則稱

為對象i關于k灰類的灰色變權(quán)聚類系數(shù)。

隧道大變形風險評估模型建立后，應對模型進行分析調(diào)試，調(diào)試時需要采集現(xiàn)有施工已發(fā)生隧道大變形的基礎資料。將其輸入模型，通過對指標體系、指標取數(shù)域延拓值、灰類權(quán)重折算系數(shù)、專家經(jīng)驗定權(quán)系數(shù)進行調(diào)整完善，從而建立適用于某區(qū)域或地區(qū)的評估模型。

根據(jù)吉茶路某隧道地質(zhì)報告和設計文件，有4個區(qū)域需要進行隧道大變形風險評價，其觀測值見表5，可求得的白化函數(shù)值和權(quán)重，計算出每個聚類對象關于各灰類的灰色變權(quán)聚類系數(shù)，進而計算聚類系數(shù)向量和聚類系數(shù)矩陣，可知各評估隧道段屬于哪個灰類(風險等級)。具體數(shù)值見表6。

表5 某隧道大變形評價指標數(shù)據(jù)

表6 聚類對象的聚類系數(shù)和聚類結(jié)果

由以上計算結(jié)果可知，隧道3區(qū)施工過程中大變形風險較高，建議調(diào)整支護設計及施工方案，在施工過程中，設計單位應及時根據(jù)超前預報結(jié)果和出現(xiàn)的異常情況，變更設計，確保施工過程安全，同時制定大變形緊急預案，作為應急貯備。

6 結(jié)語

公路隧道本身開挖斷面大、扁坦的特點，加上我國公路隧道建設起步較晚，導致我們公路隧道建設過程中還存在諸多技術(shù)問題。就公路隧道施工而言，隧道大變形事故可以說屢見不鮮。對這些事故如果處理不當，還會造成工程質(zhì)量隱患，甚至會導致災難性的后果。

不同地區(qū)隧道大變形主要誘因存在差異，在建立大變形風險評估模型時，先應廣泛收集隧道大變形資料，綜合分析原因，從而合理確定經(jīng)驗定權(quán)系數(shù)，是采用灰色變權(quán)聚類法分析隧道大變形風險的關鍵。否則，相關分析結(jié)果就會流于形式，起不到應有的作用。

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