鐘威，高劍鋒，陳建平

(1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢430074)

超深埋特長隧道穿越斷層破碎帶施工風(fēng)險(xiǎn)研究

鐘威1，高劍鋒1，陳建平2

(1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢430074)

在詳細(xì)分析斷層破碎帶隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素的基礎(chǔ)上，綜合斷層特征信息，采用層次分析法建立斷層破碎帶的施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。計(jì)算各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，同時(shí)制定各指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。引入工程實(shí)例對(duì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合，說明模糊綜合評(píng)判指標(biāo)體系是有效的。

超深埋特長隧道 斷層破碎帶 地質(zhì)災(zāi)害 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

斷層破碎帶是隧道施工中常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，易引起塌方、大變形、涌水突泥等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，斷層破碎帶引起的隧道塌方占塌方總數(shù)的27%以上［1］。原因可歸結(jié)為兩類:①斷層破碎帶為強(qiáng)度低、易變形、透水性大的軟弱帶，圍巖的失穩(wěn)破壞正是沿著巖體的這種軟弱帶產(chǎn)生;②斷層破碎帶是巖溶發(fā)育地區(qū)溶洞水、地下暗河等巖溶水的最主要發(fā)育場(chǎng)所，易發(fā)生大規(guī)模涌水突泥。

國內(nèi)外文獻(xiàn)已對(duì)斷層破碎帶問題進(jìn)行了大量研究。杜煒平等［2］從斷層力學(xué)機(jī)制著手，分析了不同斷層區(qū)域?qū)λ淼篱_挖的影響機(jī)制;李忠等［3-4］研究了引起塌方的斷層破碎帶的地質(zhì)特征、力學(xué)性質(zhì);黃俊等［5］研究了斷層破碎帶與隧道的關(guān)系;朱小明等［6］運(yùn)用FLAC3D分析了斷層角度對(duì)隧道縱向穩(wěn)定性的影響;羅利銳等［7］分析了各種力學(xué)性質(zhì)斷層的特點(diǎn)，以及斷層對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。但是，目前主要從斷層帶的某一方面研究其對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，而未基于全面的斷層信息建立一套完整的評(píng)價(jià)體系。為此，本文在詳細(xì)分析斷層破碎帶對(duì)隧道穩(wěn)定性影響的基礎(chǔ)上，建立隧道穿越斷層破碎帶的施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，提出一套易于操作、切實(shí)可行的評(píng)價(jià)方法，以期指導(dǎo)施工期間的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

1 斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性影響因素

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的概念包含兩層含義:災(zāi)害發(fā)生的頻率或可能性(即易發(fā)性)、災(zāi)害造成的后果(易損性)。本文的重點(diǎn)為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性，不考慮對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響，因此，僅對(duì)災(zāi)害的易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

影響斷層破碎帶段隧道圍巖穩(wěn)定的因素很多，可以歸結(jié)為兩類:①客觀因素，即地質(zhì)因素及水文因素;②人為因素，包括勘察設(shè)計(jì)因素和施工因素。

1.1 地質(zhì)因素

1)斷層性質(zhì)。從力學(xué)性質(zhì)來看，張性、張扭性斷層破碎帶由大小不等、棱角尖銳、膠結(jié)差的斷層角礫巖組成，角礫和碎裂巖塊間膠結(jié)程度差，其穩(wěn)定性最差;扭性或以扭性為主的斷層破碎帶主要由節(jié)理密集帶或片石狀巖石組成，相對(duì)來說，其碎裂程度最低，碎裂巖塊之間的膠結(jié)程度較好，其穩(wěn)定性相對(duì)要好;壓性、壓扭性斷層帶內(nèi)由強(qiáng)烈擠壓的壓扁巖、壓碎巖、糜棱巖和斷層泥等構(gòu)成，在擠壓作用下，破碎巖塊呈密實(shí)狀，所以其穩(wěn)定性介于張性、張扭性斷層破碎帶和扭性、以扭性為主的斷層破碎帶之間［7］。

2)斷層破碎帶厚度。一般來說，斷層破碎帶厚度越大，越容易塌方。

3)斷層破碎帶破碎程度及其充填物。斷層角礫的破碎程度及其間的膠結(jié)情況直接影響隧道的穩(wěn)定，斷層破碎帶破碎越嚴(yán)重，膠結(jié)程度越差，隧道穩(wěn)定性越差。同時(shí)，泥質(zhì)和鐵質(zhì)膠結(jié)物含量越高，斷層破碎帶穩(wěn)定性越差［8］。

4)斷層兩側(cè)巖性。若兩側(cè)均為硬脆巖或可溶巖，斷層帶破碎嚴(yán)重且膠結(jié)差，空隙發(fā)育，導(dǎo)水、富水性強(qiáng)，穩(wěn)定性差［9］;若兩側(cè)均為軟塑巖，斷層帶破碎程度低，膠結(jié)好，導(dǎo)水性弱，穩(wěn)定性相對(duì)較好。若一側(cè)是硬脆巖，一側(cè)是軟塑巖，圍巖穩(wěn)定性介于上述兩者之間［10］。

5)含水性與導(dǎo)水性。含水性與導(dǎo)水性好的巖層，能夠儲(chǔ)存大量地下水，開挖時(shí)易發(fā)生涌水突泥，危害性極大。

6)斷層傾角。斷層破碎帶傾向隧道，且傾角＞10°時(shí)，容易產(chǎn)生側(cè)壓力［11］。

7)巖石強(qiáng)度。圍巖強(qiáng)度越高，自承能力越強(qiáng)，圍巖變形破壞的程度越小，隧道就越容易支護(hù);圍巖強(qiáng)度低，其本身穩(wěn)定性和承載能力就比較低。

8)巖體結(jié)構(gòu)。巖體結(jié)構(gòu)有整體狀、塊狀、層狀、碎裂狀和散體狀5種類型。在圍巖巖性相同的情況下，巖體越破碎，隧道越容易失穩(wěn)破壞，碎裂狀和散體狀圍巖穩(wěn)定性最差。

9)地應(yīng)力(原巖應(yīng)力和偏壓)。隧道開挖引起應(yīng)力重分布及應(yīng)力集中，如果重分布的應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度，圍巖就可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。洞口及淺埋段由于橫斷面荷載不平衡容易引起支護(hù)結(jié)構(gòu)剪切破壞，最終導(dǎo)致塌方。

10)隧道埋深。淺埋隧道圍巖級(jí)別一定時(shí)，埋深越淺，越容易發(fā)生塌穿型塌方(通天)。深埋隧道恰恰相反，埋深越大，圍巖應(yīng)力水平越高，越容易出現(xiàn)拱形塌方或者巖爆。

1.2 水文因素

地下水是僅次于不良地質(zhì)之后影響圍巖穩(wěn)定的第二大主要因素，它不僅影響應(yīng)力狀態(tài)，還可因軟化作用使圍巖強(qiáng)度降低。同時(shí)，結(jié)構(gòu)面中地下水的存在，還會(huì)降低圍巖的抗剪強(qiáng)度。

1.3 勘察設(shè)計(jì)因素

①地質(zhì)勘察不準(zhǔn)確;②隧道斷面形狀、跨度設(shè)計(jì)不合理;③開挖方式不當(dāng);④設(shè)計(jì)的支護(hù)形式、支護(hù)參數(shù)欠妥;⑤針對(duì)不良地質(zhì)段未專門設(shè)計(jì);⑥斷層破碎帶走向與隧道軸線小角度相交或平行。

1.4 施工因素

①施工技術(shù)水平，主要包括爆破震動(dòng)、循環(huán)進(jìn)尺、支護(hù)時(shí)機(jī)、支護(hù)質(zhì)量及強(qiáng)度;②施工管理水平，包括施工工序安排、監(jiān)控量測(cè)及信息反饋、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等。

2 評(píng)價(jià)方法

進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，首先辨識(shí)出影響風(fēng)險(xiǎn)事件的各個(gè)因素，并建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定各因素的相對(duì)權(quán)重，然后將各因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件的影響程度分級(jí)，確定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，最后根據(jù)各因素的權(quán)重和隸屬度，進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，按一定的風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則作出風(fēng)險(xiǎn)決策。

2.1 建立指標(biāo)體系

在評(píng)估過程中，不可能將所有影響因素全部反映到評(píng)估中，必須選取起控制作用的主要因素，并忽略次要因素。在分析影響因素的基礎(chǔ)上，運(yùn)用層次分析法的基本原理，建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2.2 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

目前國內(nèi)外關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的確定方法有數(shù)十種之多，其中層次分析法(AHP法)是實(shí)際應(yīng)用中使用得最多的方法，它將復(fù)雜問題層次化，將定性問題定量化。該方法簡(jiǎn)述如下:

對(duì)同一層指標(biāo)相對(duì)于上一層指標(biāo)的重要程度進(jìn)行兩兩比較。兩兩比較時(shí)，采用saaty提出的“1～9標(biāo)度法”［12］(具體含義見表1)，得到判斷矩陣A;計(jì)算出判斷矩陣A的最大特征根λmax，λmax對(duì)應(yīng)的特征向量為W，將W歸一化后即為同一層次相應(yīng)指標(biāo)對(duì)于上一層次某一指標(biāo)相對(duì)重要性的權(quán)重wi。塌方風(fēng)險(xiǎn)(A)和涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)(B)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表2、表3。

表1 “1～9標(biāo)度法”各標(biāo)度值的含義

塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系各指標(biāo)權(quán)重表2

表3 涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系各指標(biāo)權(quán)重

一般而言，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，地質(zhì)因素是誘發(fā)因素，是主因。其重要程度相對(duì)于施工設(shè)計(jì)因素要高。進(jìn)行兩兩比較后，得到判斷矩陣RA。

在此以塌方風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系中地質(zhì)類8個(gè)基本風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重的確定為例，給出比較判斷矩陣

2.3 確定各指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)隧道災(zāi)害特征和《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理暫行規(guī)定》，將風(fēng)險(xiǎn)分為4級(jí)，建立評(píng)價(jià)集V=(v1，v2，v3，v4)=(Ⅰ級(jí)，Ⅱ級(jí)，Ⅲ級(jí)，Ⅳ級(jí))。

結(jié)合大量已有研究成果，將各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表4、表5。

表4 塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.4 確定各指標(biāo)隸屬度

在計(jì)算隸屬度時(shí)，采用單值隸屬函數(shù)，其隸屬度取值如下:當(dāng)某一評(píng)價(jià)指標(biāo)的特征對(duì)應(yīng)于Ⅰ級(jí)時(shí)，(rⅠ，rⅡ，rⅢ，rⅣ)=(1，0，0，0);對(duì)應(yīng)于Ⅱ級(jí)時(shí)，(rⅠ，rⅡ，rⅢ，rⅣ)=(0，1，0，0)。相應(yīng)地，對(duì)應(yīng)于Ⅳ級(jí)時(shí)，(rⅠ，rⅡ，rⅢ，rⅣ)=(0，0，0，1)。

2.5 模糊綜合評(píng)判

由n個(gè)指標(biāo)的隸屬度組成模糊評(píng)判矩陣R。

把模糊評(píng)判矩陣R乘以相應(yīng)的權(quán)重wi(i=1，2，…，n)，就能合理反映所有指標(biāo)的綜合影響，可以表示為B=W×R

表5 涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

式中:bj(j=1，2，3，4)為模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

求出模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)bj后，可根據(jù)最大隸屬度原則取最大的指標(biāo)bjmax相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)集元素vj為評(píng)判的結(jié)果。

2.6 風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則

對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行處理前，需要評(píng)價(jià)工程的風(fēng)險(xiǎn)水平是否處于決策各方及公眾可以容忍的風(fēng)險(xiǎn)水平范圍內(nèi)，以及是否需要采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施進(jìn)一步降低其風(fēng)險(xiǎn)水平，這都需要預(yù)先制定風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，見表6。

表6 風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則［13］

3 工程實(shí)例應(yīng)用

3.1 工程概況

大坪山隧道為分離式超深埋特長隧道，位于湖北省襄陽市谷城縣紫金鎮(zhèn)與寺坪鎮(zhèn)境內(nèi)，左洞全長為8 263 m，最大埋深約896 m，右洞全長為8 242 m，最大埋深約892 m。隧址區(qū)大地構(gòu)造位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)(揚(yáng)子克拉通)北緣的青峰臺(tái)褶束，走向近東西向。青峰斷裂帶與隧道軸線小角度相交，在隧址區(qū)形成數(shù)條逆沖斷層、破碎帶及韌性剪切帶。經(jīng)調(diào)查，有規(guī)模不等的10條斷層以不同角度穿越隧道洞身，破碎帶寬度較大，巖體破碎，且可能發(fā)育有微型～小型巖溶管道，對(duì)隧道影響較大［14］。其中，F(xiàn)6斷層為近直立斷層，兩盤巖層主要呈水平向移動(dòng)，走向約325°，延伸長度＞2 km，斷層兩盤無明顯的擠壓痕跡，為平移斷層。斷層穿越隧道約70 m，斷層破碎帶的洞內(nèi)起始樁號(hào)為ZK43 +120—ZK43+180，YK43+080—YK43+140。圍巖主要為寒武系中風(fēng)化灰?guī)r，薄層狀，灰黑色，炭質(zhì)成分含量較高，部分巖層夾有少量頁巖或泥化頁巖，土黃色，產(chǎn)狀82°～112°∠12°～20°。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值

以大坪山隧道穿越F6斷層破碎帶為例，分別對(duì)塌方、涌水突泥的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，F(xiàn)6斷層破碎帶的實(shí)際參數(shù)見表7。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.3.1 塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

1)確定指標(biāo)隸屬度及模糊評(píng)判矩陣

采用2.4節(jié)單值隸屬函數(shù)，確定各指標(biāo)的隸屬度，斷層性質(zhì)A11=(0100)，按上述方法計(jì)算出全部指標(biāo)的隸屬度，組成一級(jí)指標(biāo)模糊評(píng)判矩陣

表7 F6斷層破碎帶評(píng)價(jià)參數(shù)取值

2)一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

用加權(quán)平均型運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算，得出地質(zhì)因素的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為

施工設(shè)計(jì)因素的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為

3)二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

將一級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果組成二級(jí)評(píng)判矩陣RA。

斷層破碎帶段塌方總體二級(jí)評(píng)判矩陣

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為

根據(jù)最大隸屬度原則，F(xiàn)6斷層破碎帶的塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，屬于中度風(fēng)險(xiǎn)，此類風(fēng)險(xiǎn)可以接受，但需予以監(jiān)測(cè)。

3.3.2 涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

參照塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為

根據(jù)最大隸屬度原則，F(xiàn)6斷層破碎帶的涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，屬于中度風(fēng)險(xiǎn)，此類風(fēng)險(xiǎn)可以接受，但需予以監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

1)在詳細(xì)分析斷層破碎帶不同特征對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響的基礎(chǔ)上，全面綜合斷層特征信息，建立一套完整的隧道穿越斷層破碎帶的施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。

2)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度的確定。從實(shí)用、易于操作的角度出發(fā)，將各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)分級(jí)，可為施工方在施工過程中實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

3)基于建立的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系及方法，對(duì)大坪山隧道穿越的F6斷層破碎帶的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，得出施工中塌方和涌水突泥的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均為Ⅱ級(jí)，屬于中度風(fēng)險(xiǎn)，此類風(fēng)險(xiǎn)可以接受，但需予以監(jiān)測(cè)。

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Research on construction risk of ultralong super-deep buried tunnel passing through fault fracture zone

ZHONG Wei1，GAO Jianfeng1，CHEN Jianping2
(1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang Hebei 065000，China; 2.Faculty of Engineering，China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan Hubei 430074，China)

T his paper studied the influence factor of the tunnel surrounding rock stability in the fault fracture zone in detail，integrated the characteristic information of fault zone，established construction risk evaluation index system of the fault fracture zone by the AHP method，calculated the relative weight of each index，formulated grading standards of each index，and made a fuzzy comprehensive evaluation.T he evaluation method was verified by an engineering example and the results are consistent with the actual situation，which shows that the proposed fuzzy comprehensive evaluation index system is effective.

Ultralong super-deep buried tunnel;Fault fracture zone;Geological disaster;Risk evaluation

U455

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.19

1003-1995(2015)05-0072-06

(責(zé)任審編葛全紅)

2014-05-10;

2015-03-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41202201);中央高?？蒲谢鹳Y助項(xiàng)目(CUGL110215)

鐘威(1987—)，男，山東濰坊人，工程師，碩士。