易震宇，龍正聰，蔣勝波

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南長(zhǎng)沙 410008; 2.湖南省吉茶高速公路建設(shè)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(wèn)題的新方法。按聚類對(duì)象分，灰色聚類可分為灰色關(guān)聯(lián)聚類和灰色白化權(quán)函數(shù)聚類?；疑P(guān)聯(lián)聚類主要用于同類因素的歸并，以使復(fù)雜系統(tǒng)簡(jiǎn)化，明顯不適用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，而灰色白化權(quán)函數(shù)聚類主要用于檢查觀測(cè)對(duì)象是否屬于事先設(shè)定的不同類別，以區(qū)別對(duì)待，可用于判斷風(fēng)險(xiǎn)。

軟弱圍巖大變形問(wèn)題歷來(lái)是地下工程研究重點(diǎn)，復(fù)雜地質(zhì)條件下(如斷裂帶影響下)對(duì)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(yīng)力、工程擾動(dòng)和地下水活動(dòng)等環(huán)境條件下，圍巖掩體的一種變形破壞現(xiàn)象，其實(shí)質(zhì)是由于圍巖開挖引起的地應(yīng)力重分布超過(guò)巖體的屈服強(qiáng)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(hù)遭到不同程度的破壞。

工程實(shí)踐表明，對(duì)于軟巖隧道，其大變形破壞過(guò)程是一個(gè)漸進(jìn)的力學(xué)過(guò)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(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的失穩(wěn)。穿越可能會(huì)引起大變形的圍巖區(qū)段時(shí)，必須通過(guò)監(jiān)控量測(cè)指導(dǎo)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，并合理預(yù)留變形量。開挖施工必須具有時(shí)效性，不能人為延長(zhǎng)時(shí)間，超前支護(hù)應(yīng)及時(shí)施作。合理選擇施工方案，對(duì)軟弱富水段應(yīng)采取注漿堵水和排水工作。

1 隧道大變形風(fēng)險(xiǎn)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(duì)于軟巖，圍巖變形破壞機(jī)制主要有:①圍巖塑性流動(dòng)擠出;②膨脹擠出。前者認(rèn)為地下工程開挖引起應(yīng)力重分布達(dá)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(yīng)力進(jìn)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(rèn)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(yīng)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(yīng)力較高或存在偏壓等情況下，隧道易發(fā)生大變形。

同時(shí)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(bǔ)給，致使圍巖進(jìn)一步軟化，呈現(xiàn)軟塑、流塑狀，自穩(wěn)能力進(jìn)一步惡化，加速地層下沉。其次對(duì)圍巖判定欠準(zhǔn)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(shè)計(jì)進(jìn)行初期支護(hù)，不能滿足強(qiáng)度和剛度要求，出現(xiàn)大變形。

參照公路橋梁和隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南及工程實(shí)踐，隧道大變形風(fēng)險(xiǎn)影響因素可大致概括為以下6個(gè)方面:

1)地層巖性:圍巖級(jí)別、彈性模量、巖石抗剪指標(biāo);

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(zhǎng)度、埋深;

5)襯砌支護(hù)強(qiáng)度:超前支護(hù)、初支、二襯;

6)施工方案:施工工法、監(jiān)控量測(cè)。

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(fēng)險(xiǎn)，首先要建立分析模型，確定各聚類指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。將隧道大變形影響因素視為聚類指標(biāo)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)視為灰類，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分類標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率和風(fēng)險(xiǎn)損失程度將隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為4個(gè)灰類，即k=1，2，3，4。

選取6個(gè)大變形影響的主要因素指標(biāo)作為聚類指標(biāo)，即 j=1，2，…，6。

選取隧道需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的各區(qū)段作為聚類對(duì)象，即 j=1，2，…，n。

各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系判斷另可采用灰色變權(quán)聚類法確定或模糊評(píng)價(jià)法確定，本文略去，通過(guò)調(diào)查確定出每個(gè)指標(biāo)關(guān)于各個(gè)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(cè)度白化權(quán)函數(shù)的一般原理為基礎(chǔ)，結(jié)合表1、表2的各指標(biāo)和灰類關(guān)系數(shù)據(jù)，可構(gòu)造適于隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的灰類白化權(quán)函數(shù)。

表1 隧道大變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分類評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 各指標(biāo)取數(shù)域延拓值

3 隧道風(fēng)險(xiǎn)因素各聚類指標(biāo)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(dá)式，通過(guò)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(biāo)的白化權(quán)函數(shù)。如下(j=1～6):

4 隧道風(fēng)險(xiǎn)因素各指標(biāo)及相應(yīng)灰類權(quán)重

灰色變權(quán)聚類適用于指標(biāo)的意義、量綱皆相同的情形，當(dāng)聚類指標(biāo)的意義、量綱不同且不同指標(biāo)的樣本值在數(shù)量上懸殊較大時(shí)，不宜完全采用灰色變權(quán)聚類，根據(jù)隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的特點(diǎn)，增加一個(gè)區(qū)域?qū)＜医?jīng)驗(yàn)定權(quán)ωj，據(jù)表1，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查專家分析結(jié)果，確定如表3。

表3 隧道大變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分類專家經(jīng)驗(yàn)定權(quán)

表4 各指標(biāo)及相應(yīng)灰類的權(quán)重

5 隧道風(fēng)險(xiǎn)因素各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

各聚類指標(biāo)的白化數(shù)值，由于在計(jì)算灰類的權(quán)重時(shí)引入了折算系數(shù)，可將各指標(biāo)視為無(wú)量綱，可直接用計(jì)算灰色變權(quán)聚類系數(shù)。設(shè)xij為對(duì)象i關(guān)于指標(biāo)j的觀測(cè)值，(·)為j指標(biāo)k子類白化權(quán)函數(shù)。為j指標(biāo)k子類的權(quán)，則稱

為對(duì)象i關(guān)于k灰類的灰色變權(quán)聚類系數(shù)。

隧道大變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型建立后，應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行分析調(diào)試，調(diào)試時(shí)需要采集現(xiàn)有施工已發(fā)生隧道大變形的基礎(chǔ)資料。將其輸入模型，通過(guò)對(duì)指標(biāo)體系、指標(biāo)取數(shù)域延拓值、灰類權(quán)重折算系數(shù)、專家經(jīng)驗(yàn)定權(quán)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整完善，從而建立適用于某區(qū)域或地區(qū)的評(píng)估模型。

根據(jù)吉茶路某隧道地質(zhì)報(bào)告和設(shè)計(jì)文件，有4個(gè)區(qū)域需要進(jìn)行隧道大變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，其觀測(cè)值見(jiàn)表5，可求得的白化函數(shù)值和權(quán)重，計(jì)算出每個(gè)聚類對(duì)象關(guān)于各灰類的灰色變權(quán)聚類系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算聚類系數(shù)向量和聚類系數(shù)矩陣，可知各評(píng)估隧道段屬于哪個(gè)灰類(風(fēng)險(xiǎn)等級(jí))。具體數(shù)值見(jiàn)表6。

表5 某隧道大變形評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

表6 聚類對(duì)象的聚類系數(shù)和聚類結(jié)果

由以上計(jì)算結(jié)果可知，隧道3區(qū)施工過(guò)程中大變形風(fēng)險(xiǎn)較高，建議調(diào)整支護(hù)設(shè)計(jì)及施工方案，在施工過(guò)程中，設(shè)計(jì)單位應(yīng)及時(shí)根據(jù)超前預(yù)報(bào)結(jié)果和出現(xiàn)的異常情況，變更設(shè)計(jì)，確保施工過(guò)程安全，同時(shí)制定大變形緊急預(yù)案，作為應(yīng)急貯備。

6 結(jié)語(yǔ)

公路隧道本身開挖斷面大、扁坦的特點(diǎn)，加上我國(guó)公路隧道建設(shè)起步較晚，導(dǎo)致我們公路隧道建設(shè)過(guò)程中還存在諸多技術(shù)問(wèn)題。就公路隧道施工而言，隧道大變形事故可以說(shuō)屢見(jiàn)不鮮。對(duì)這些事故如果處理不當(dāng)，還會(huì)造成工程質(zhì)量隱患，甚至?xí)?dǎo)致災(zāi)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型時(shí)，先應(yīng)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(yàn)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(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。否則，相關(guān)分析結(jié)果就會(huì)流于形式，起不到應(yīng)有的作用。

［1］交通運(yùn)輸部.公路橋梁和隧道工程設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南［Z］.

［2］陳韶光.青山崗隧道施工塌方的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J］.公路工程，2008，33(5):91－95.

［3］楊 玲，鄭長(zhǎng)安.基于地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的隧道施工安全評(píng)估［J］.公路工程，2010，35(4):121 －125.

［4］蘇 建.淺談湘西南某高速公路隧道施工中的安全生產(chǎn)［J］.湖南交通科技，2008，34(3):128 －131.