閆鑫雨，文江泉

（西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031）

1 引言

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作為隧道施工過程中的一道重要工序，在地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建設(shè)防災(zāi)減災(zāi)工作中起著非常重要的作用。通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，可以及時(shí)掌握和反饋隧道地質(zhì)條件信息，調(diào)整和優(yōu)化隧道設(shè)計(jì)參數(shù)、防護(hù)措施，為優(yōu)化隧道施工組織、制定施工安全應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)，可以直接或間接創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益［1]。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)通過TSP203系統(tǒng)可以得到地下硐室掌子面和工作面前方巖體P波Vp波速特征，通過地質(zhì)雷達(dá)（GPR）法得到前方巖體的波形特征等，通過這些方法，可以對(duì)掌子面前方巖體做一個(gè)半定量的分析。

在高地應(yīng)力區(qū)進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工，巖爆的危害一直得到地質(zhì)工程師們的極大重視。一般而言，巖爆的發(fā)生主要由地應(yīng)力和巖性兩個(gè)因素決定：一是要有堅(jiān)硬較完整的脆性巖石，二是巖體中存在有高地應(yīng)力，地應(yīng)力一般與隧道埋深有比例關(guān)系［2]。如果細(xì)化來分，則影響地下硐室?guī)r爆發(fā)生的因素更多，從巖性和地應(yīng)力方面均存在影響巖爆的因素。比如其中主要有與巖性有關(guān)的巖石脆性指數(shù)K、脆性系數(shù)R、傾向性指數(shù)Wet、線彈性能We、能量?jī)?chǔ)耗指數(shù)k等，與圍巖應(yīng)力狀態(tài)條件有關(guān)的應(yīng)力指數(shù)S、應(yīng)力系數(shù)P、Turchaninov準(zhǔn)則T等，以及與圍巖條件有關(guān)的巖爆強(qiáng)度系數(shù) W 、巖體質(zhì)量RQD指標(biāo)、圍巖類別等［3]。由此可見，單純的從一種因素來預(yù)測(cè)巖爆和評(píng)估巖爆危險(xiǎn)等級(jí)是片面的。

模糊綜合評(píng)判是對(duì)受多種因素影響的事物作出全面評(píng)價(jià)的的一種十分有效的多因素決策方法［4]。在地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工過程中，基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，利用糊綜合評(píng)判進(jìn)行巖爆預(yù)測(cè)評(píng)估的工作，借助于模糊數(shù)學(xué)方法，進(jìn)行圍巖巖爆危險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)估，既可以發(fā)揮專家經(jīng)驗(yàn)法的優(yōu)勢(shì)，又可以做出定量化的科學(xué)結(jié)論。

2 大秦嶺隧道巖爆超前預(yù)報(bào)模糊綜合評(píng)判模型的建立

大秦嶺隧道隧址區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造極其發(fā)育，屬于長(zhǎng)大埋深隧道，秦嶺隧道地區(qū)地應(yīng)力包括地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力、殘余構(gòu)造應(yīng)力、由于巖漿侵入而產(chǎn)生的擠壓變力及巖體的自重應(yīng)力等。根據(jù)同處秦嶺山區(qū)的西康鐵路秦嶺特長(zhǎng)隧道（最大埋深1 600 m）的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力達(dá)20～30 MPa，顯示本地區(qū)地應(yīng)力值較高。大秦嶺隧道大部分埋深超過500 m，最大埋深達(dá)1 150 m，屬于深埋隧道。巖爆是大秦嶺隧道施工過程中極其容易面臨的一種地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)在大秦嶺隧道的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)并且為在工作中達(dá)到模糊判別模型更高的判別速度和效率，結(jié)合利用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的物探方法，選擇與隧道巖爆相關(guān)度最大的部分參數(shù)作為因子。

2.1 評(píng)價(jià)因子的取值和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

在大秦嶺隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，本文主要選取五類因素作為巖爆的模糊評(píng)判因子：隧道埋深、地應(yīng)力情況、GPR波形特征、TSP的P 波Vp波速特征和隧道水文地質(zhì)條件。

根據(jù)預(yù)報(bào)段的圍巖巖體巖爆程度的不同，將預(yù)報(bào)段的圍巖發(fā)生巖爆的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為四類：強(qiáng)烈危險(xiǎn)巖爆、中等危險(xiǎn)巖爆、微巖爆、無巖爆，分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等級(jí)符來表現(xiàn)。

2.2 確定評(píng)判因素集

評(píng)判因素集為：U＝｛U1，U2，U3，U4，U5｝；其中U1表示該預(yù)報(bào)段的隧道埋深；U2表示該預(yù)報(bào)段的隧道高地應(yīng)力情況；U3表示該預(yù)報(bào)段的隧道GPR波形特征；U4表示該預(yù)報(bào)段的隧道TSP的P波Vp波速特征，U5表示該預(yù)報(bào)段的水文地質(zhì)條件。

（1）確定評(píng)語集

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及王蘭生和李天斌等人［5－7]的描述，巖爆是實(shí)際工作中被劃分為四類（表1）。

據(jù)此得到大秦嶺隧道圍巖發(fā)生巖爆評(píng)判因素等級(jí)（表2）。

表1 巖爆特征描述評(píng)語集Table 1 Characterization of rock－burst

表2 大秦嶺隧道巖爆評(píng)判因素等級(jí)表Table 2 Evaluation factors for rock burst in Daqinling Tunnel

（2）確定隸屬函數(shù)

根據(jù)評(píng)判因素的分布特征，確定隸屬函數(shù)為k次拋物線型模糊分布如下：

①代表每個(gè)評(píng)判因素隸屬于評(píng)語集集u1（x）的程度；

②代表每個(gè)評(píng)判因素隸屬于評(píng)語集u2（x）的程度；

③代表每個(gè)評(píng)判因素隸屬于評(píng)語集u3（x）的程度；

④代表每個(gè)評(píng)判因素隸屬于評(píng)語集u4（x）的程度；

其中，ui（x）表示各評(píng)判因素的隸屬函數(shù)，a、b、b表示評(píng)判因素對(duì)評(píng)判等級(jí)的分解值，取值為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和室內(nèi)解譯得到的影響因素判據(jù)值。

（3）確定各因素權(quán)重

建立預(yù)測(cè)段圍巖巖爆情況為總目標(biāo)層（Y），U1表示該預(yù)報(bào)段的隧道埋深；U2表示該預(yù)報(bào)段的隧道高地應(yīng)力情況；U3表示該預(yù)報(bào)段的隧道GPR波形特征；U4表示該預(yù)報(bào)段的隧道TSP的P波Vp波速特征，U5表示該預(yù)報(bào)段的水文地質(zhì)條件；建立單層次結(jié)構(gòu)模型，類似對(duì)其他因素進(jìn)行評(píng)判，得到單因素評(píng)判矩陣R：

得到排序結(jié)果權(quán)向量w＝（0.089，0.098，0.310，0.171，0.307），得到λmax＝5.012，一致性指標(biāo)CI＝0.003，隨機(jī)一致性指標(biāo)RI＝1.12（查表得），得一致性比率CR＝0.002 6＜0.1，通過一致性檢驗(yàn)。

3 工程實(shí)例

大秦嶺隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，專業(yè)地質(zhì)人員首先對(duì)隧道及輔助坑道的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)編錄，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行相應(yīng)的物探工作。選取了Dg K98＋705～Dg K98＋605預(yù)報(bào)段來做圍巖巖爆模糊綜合預(yù)報(bào)。按照實(shí)際隧道地質(zhì)勘察資料，結(jié)合TSP203、地質(zhì)雷達(dá)（GPR）物探手段，得到隧道圍巖巖爆可能發(fā)生的危險(xiǎn)等級(jí)模糊綜合評(píng)判因素值（表3、4）。

表3 Dg K98＋705～Dg K98＋675段模糊綜合評(píng)判因素值Table 3 Fuzzy comprehensive evaluation of Section Dg K98＋705～Dg K98＋675

表4 Dg K98＋635～Dg K98＋605段模糊綜合評(píng)判因素值Table 4 Fuzzy comprehensive evaluation of Section Dg K98＋635～Dg K98＋605

根據(jù)表3各評(píng)判因素值構(gòu)建的圍巖巖爆危險(xiǎn)等級(jí)模糊矩陣：

將隧道圍巖巖爆危險(xiǎn)等級(jí)影響因素權(quán)重矩陣w＝（0.089，0.098，0.310，0.171，0.307）和模糊矩陣R（A）代入到綜合評(píng)判公式，得：

B（U）＝w×R（A）＝（0，0.481，0.363，0.089），根據(jù)最大隸屬度原則判別，預(yù)報(bào)段Dg K98＋705～Dg K98＋675段有可能存在輕微巖爆危險(xiǎn)。從后來實(shí)際開挖反饋的情況來看，Dg K98＋700～Dg K98＋680段掌子面圍巖在開挖過程中，偶爾發(fā)出輕微劈啪聲，人工擾動(dòng)之后容易掉塊、爆塊松脫，剝離或出現(xiàn)空鼓，無彈射情況出現(xiàn)。與綜合模糊判別的預(yù)報(bào)結(jié)果能夠較好的吻合。

根據(jù)表4各評(píng)判因素值構(gòu)建的圍巖巖爆危險(xiǎn)等級(jí)模糊矩陣：

將隧道圍巖巖爆危險(xiǎn)等級(jí)影響因素權(quán)重矩陣w＝（0.089，0.098，0.310，0.171，0.307）和模糊矩陣R（A）代入到綜合評(píng)判公式，得：

B（U）＝w×R（A）＝（0.171，0.617，0.187，0），根據(jù)最大隸屬度原則判別，預(yù)報(bào)段Dg K98＋635～Dg K98＋605段有可能存在輕微巖爆危險(xiǎn)。從后來實(shí)際開挖反饋的情況來看，Dg K98＋635～Dg K98＋605段掌子面圍巖在開挖過程中僅出現(xiàn)拱頂偶有掉塊的情況，并沒有出現(xiàn)巖爆發(fā)生的災(zāi)害，究其原因，在Dg K98＋700～Dg K98＋680段掌子面圍巖施工過程中，施工單位對(duì)巖爆發(fā)生危險(xiǎn)有了清醒的認(rèn)識(shí)，在接下里程循環(huán)施工中，加大了對(duì)巖爆的防治措施，比如爆破之后隨即對(duì)掌子面和工作面噴水作業(yè)，以讓圍巖濕潤(rùn)；對(duì)掌子面圍巖和工作面進(jìn)行噴錨和掛鋼筋網(wǎng)；對(duì)掌子面采用光面爆破以減少聚能角等防治措施，事實(shí)證明這些措施可以很有效的提前對(duì)巖爆發(fā)生進(jìn)行預(yù)防。

4 結(jié)論

在大秦嶺隧道工程實(shí)例中，本文在對(duì)隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)過程中做了初步的嘗試，也取得了一定的成果，得到的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)如下：

（1）建立了隧道圍巖巖爆綜合模糊判別的隸屬函數(shù)和判別矩陣，是定性預(yù)測(cè)與定量評(píng)判相結(jié)合的一種巖爆綜評(píng)判方法，避免了利用單一因素判別造成的誤判，為隧道圍巖巖爆評(píng)判帶來了一種行之有效的方法。

（2）考慮并重點(diǎn)突出了隧道巖爆可能發(fā)生的五個(gè)因素，一定程度上提高了預(yù)報(bào)的效率，并且經(jīng)過在西成客專大秦嶺隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐反饋，能夠較好的符合現(xiàn)場(chǎng)的情況，有效的指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

（3）在實(shí)踐過程中，對(duì)可能發(fā)生巖爆的里程段，提前對(duì)掌子面和工作面進(jìn)行防治作業(yè)，如掌子面噴水和噴錨，掛接鋼筋網(wǎng)等方式，可以有效減少巖爆發(fā)生的危險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明也是行之有效的措施。

［1]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南［S].2008.

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