陳素敏，王馨霆，袁真秀，左戰(zhàn)旗，郁金龍

基于層次分析法的綜合超前地質(zhì)預(yù)報及應(yīng)用

陳素敏，王馨霆，袁真秀，左戰(zhàn)旗，郁金龍

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司隧道設(shè)計分公司，天津 300133）

綜合超前地質(zhì)預(yù)報是通過不同預(yù)報方法，在隧道施工中探明不良地質(zhì)，降低工程風(fēng)險的有效技術(shù)手段。不同預(yù)報手段的有效組合成為綜合超前地質(zhì)預(yù)報工作的關(guān)鍵，為了避免預(yù)報手段的隨意組合、效率低下的問題，結(jié)合預(yù)報工程的實際情況，采用層次分析法及Yaahp軟件進行多層次組合評價，定量化各種預(yù)報手段對預(yù)報最佳方案的權(quán)重，合理選擇出以超前鉆探為主，地質(zhì)雷達(dá)、地質(zhì)分析、TSP為輔的綜合預(yù)報手段組合。經(jīng)過城市地鐵預(yù)報工作的實際應(yīng)用，在應(yīng)對地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變、環(huán)境影響因素較多的隧道預(yù)報中，顯示了良好的效果。

層次分析法；綜合超前地質(zhì)預(yù)報；Yaahp軟件；判斷矩陣；地鐵

我國已成為隧道修建規(guī)模和難度最大的國家[1]，隨著城市的快速發(fā)展，地鐵建設(shè)受到各屆政府的重視。在地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的城市里，對地鐵建設(shè)要求更加規(guī)范嚴(yán)格。城市地下管線的密集分布、建筑基礎(chǔ)多樣、地質(zhì)條件復(fù)雜給施工帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2-4]?？辈旃ぷ魍荒軠?zhǔn)確查明地質(zhì)災(zāi)害的具體位置、規(guī)模，為了減少施工的盲目性，避免無法預(yù)料的地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，施工的超前地質(zhì)預(yù)報尤為重要。

超前地質(zhì)預(yù)報主要通過地質(zhì)分析、物探、超前鉆探等手段，對隧道開挖工作面前方的圍巖情況進行檢測，以查明不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置、規(guī)模等，有效指導(dǎo)現(xiàn)場施工[5-7]。目前，超前地質(zhì)預(yù)報比較成熟的手段主要為地質(zhì)調(diào)查法、地質(zhì)雷達(dá)、TSP、超前鉆探、紅外探水等手段，不同預(yù)報手段具有不同的特點，根據(jù)現(xiàn)場施工及環(huán)境條件選擇最佳方法組合進行綜合超前地質(zhì)預(yù)報尤為關(guān)鍵，避免了預(yù)報的盲目性[8-10]。以往綜合超前地質(zhì)預(yù)報手段主要依賴人為感覺進行選擇，往往不能有效地組合，給預(yù)報成本、效果帶來影響。

根據(jù)隧道開挖工程地質(zhì)情況，結(jié)合系統(tǒng)工程方法有針對性地制定隧道超前地質(zhì)預(yù)報方案，并進行定量綜合評價，具有重要意義。

層次分析法及模糊綜合評價能夠科學(xué)地進行決策與評價，以解決超前地質(zhì)預(yù)報方法在結(jié)構(gòu)復(fù)雜工程中的決策問題。

1 層次分析法

層次分析法（AHP）是由美國運籌學(xué)家L.T.Saaty等人在20世紀(jì)70年代提出的一種定性定量相結(jié)合的多屬性決策分析方法[11]。通過比較相關(guān)因素對目標(biāo)的影響，將主觀判斷用數(shù)據(jù)表達(dá)，以確定多種因素在目標(biāo)中的權(quán)重，并利用構(gòu)建模糊評判矩陣進行多層次模糊綜合評判決策。本次主要通過Yaahp軟件進行模型建立及計算。

1.1 層次結(jié)構(gòu)模型的建立

層次模型中，將復(fù)雜問題分解為多個元素，元素根據(jù)不同性質(zhì)又分為多組，層次模型中一般分為3類：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層[12]，考慮貴陽地鐵超前地質(zhì)預(yù)報方案選擇因素及重要性，將目標(biāo)層設(shè)置為貴陽地鐵超前地質(zhì)預(yù)報最佳方案。預(yù)報過程評價準(zhǔn)則層主要從探測準(zhǔn)確性1、技術(shù)可靠性2及經(jīng)濟合理性3方面考慮。每一準(zhǔn)則層又結(jié)合實際情況細(xì)化為不同的評價指標(biāo)，層次結(jié)構(gòu)模型見表1。

表1 層次結(jié)構(gòu)模型

1.2 構(gòu)造判斷矩陣

層次結(jié)構(gòu)模型反映了因素之間的關(guān)系，需要確定衡量目標(biāo)層各準(zhǔn)則層、指標(biāo)層及方案層所占權(quán)重。層次分析法的核心是基于上層目標(biāo)對下層因素之間的兩兩比較，決定下層元素對上層元素的重要程度，即構(gòu)成多元素比較判斷矩陣，如下式為-i判斷矩陣形式公式（1）。

式中，-為下層元素和相對于之間的相對重要性；為第個目標(biāo)和第個目標(biāo)的相對重要程度；且>0，=1/，=1。

根據(jù)層次分析標(biāo)度一般采用1～9標(biāo)度法（見表2）。

表2 層次分析法判斷標(biāo)度

相對目標(biāo)層，對準(zhǔn)則層各因素進行兩兩比較，得到判斷矩陣-；相對準(zhǔn)則層，對指標(biāo)層分組進行兩兩比較，得到判斷矩陣1-、2-、3-；同理以指標(biāo)層為準(zhǔn)則，對方案層進行兩兩比較，得到-、-、-。因此，將得到15組判斷矩陣。

1.3 判斷矩陣計算方法

根據(jù)判斷矩陣計算最大特征值與特征向量，一般采用求和法或求根法計算特征值的近似值。

1.4 一致性檢驗

一致性檢驗是衡量判斷矩陣質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)，可以有效避免判斷過程中的邏輯錯誤。通過最大特征根l計算判斷矩陣偏離的一致性指標(biāo)CI：

CI=（l–）/（–1） （4）

式中，為判斷矩陣的階數(shù)。

一致性指標(biāo)CI與同階平均隨機一致性指標(biāo)RI之比為隨機一致性比例CR：

CR=CI/RI （5）

當(dāng)CR<0.10時，判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要判斷矩陣的比較值，使之通過一致性要求。

2 基于Yaahp的層次分析法計算

Yaahp是一款層次分析法輔助軟件，主要集成模型構(gòu)造、計算及分析于一體，對整個決策過程進行監(jiān)控，利用該軟件繪制層次模型非常直觀，結(jié)合本地區(qū)預(yù)報的實際情況，擬選擇篩選的探測方法為地質(zhì)分析法、地質(zhì)雷達(dá)、TSP、紅外探水及超前鉆探，基于此建立評價模型，如圖1所示。

圖1 層次結(jié)構(gòu)模型建立

根據(jù)已建立的模型，利用1～9標(biāo)度法進行判斷比較，分別建立-，1-、2-、3-，同理建立-（=1～6）、-（=1、2）、-（=1～3）共計15組判斷矩陣，見表3～表6。判斷矩陣-表示對于總目標(biāo)1-33個因素的重要程度；1-、2-、3-表示各種分組指標(biāo)對各準(zhǔn)則層的相對重要性比較；-、-、-表示探測方案在相應(yīng)各指標(biāo)中的重要性比較。

表3 判斷矩陣A-B

表4 判斷矩陣B1-C

表5 判斷矩陣B2-E

表6 判斷矩陣B3-F

同理，比較可以得到-、-、-的判斷矩陣。根據(jù)yaahp軟件，自動計算各判斷矩陣的特征向量及最大特征值，見表7。

由此可見，判斷矩陣一致性比例CR值均小于0.1，符合一致性要求。

表7 Yaahp計算結(jié)果

得到每一層的各元素的權(quán)重，依據(jù)層次分析模型，自下而上進行對目標(biāo)層的綜合權(quán)重進行計算。由表7可得地質(zhì)分析法1的綜合評判結(jié)果：

探測準(zhǔn)確性：

技術(shù)可靠性：

經(jīng)濟合理性：

目標(biāo)層權(quán)重：

同理，可得到地質(zhì)雷達(dá)2、TSP3、紅外探水4、超前鉆探5對目標(biāo)層的權(quán)重，見表8。

由表8可知，本次預(yù)報綜合重要性排序依次為超前鉆探、地質(zhì)雷達(dá)、地質(zhì)分析、TSP、紅外探測。由于地鐵施工中地質(zhì)條件的復(fù)雜性、地下水發(fā)育的實際情況，應(yīng)綜合考慮，采取超前鉆探、地質(zhì)雷達(dá)、地質(zhì)分析、TSP等手段組合預(yù)報。地質(zhì)分析有助于把握所測地區(qū)的地質(zhì)背景，有針對性地進行預(yù)報；超前鉆探對圍巖級別及水的判斷十分準(zhǔn)確，但存在一孔之見的弊端；地質(zhì)雷達(dá)的短距離探測和TSP長距離探測，通過相鄰介質(zhì)的物性差異，有助于宏觀把握地質(zhì)異常位置，但存在多解性的特點；因此在本次預(yù)報中，應(yīng)采用組合預(yù)報手段，效果最佳。

表8 方案層對決策目標(biāo)的排序權(quán)重

3 綜合預(yù)報實例

貴陽地鐵某線路區(qū)間屬巖溶槽谷地貌，區(qū)間受褶曲及斷裂構(gòu)造影響。第四紀(jì)覆蓋層較薄，下伏侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系等地層，巖性主要以灰?guī)r、白云巖為主，次為泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、砂巖、頁巖等，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖完整性較差。擬建區(qū)間地下水類型主要有：上層滯水、第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水，線路穿越市區(qū)河道，地下水補給充分。

地質(zhì)分析法顯示該段以灰?guī)r為主，部分地段夾煤層，由于地下水較發(fā)育，初步判斷存在巖溶及采空區(qū)的可能性，遂重點對該段進行超前地質(zhì)預(yù)報。

采用瑞典MALA-X3M地質(zhì)雷達(dá)對掌子面里程ZDK31+015進行掃描，經(jīng)過對數(shù)據(jù)進行去直流漂移、找直達(dá)波、增益（energy decay）、去水平信號、帶通濾波（bandpass butter worth）、滑動平均等步驟的處理[13]，得到地質(zhì)雷達(dá)剖面圖（見圖2）。剖面圖顯示該段振幅較大，物性差別較大；同相軸不連續(xù)，且無明顯的雙曲線特征，說明該段圍巖較破碎；頻率主要為低頻信號，受地下水影響較大，說明預(yù)報前方范圍內(nèi)地下水發(fā)育，綜合分析得出該預(yù)報里程ZDK31+016～ZDK31+035圍巖較破碎～破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、地下水發(fā)育，在ZDK31+030附近該段存在溶洞或采空區(qū)的可能。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)剖面

TSP（tunnel seismic prediction）采用最新的TSP203Plus儀器，在隧道掌子面附近邊墻一定范圍內(nèi)布置激發(fā)孔，通過在孔中人工激發(fā)地震波以球面波的形式在隧道圍巖中傳播，當(dāng)圍巖波阻抗發(fā)生變化時（例如遇巖溶、斷層等），一部分地震波將會被反射回來，另一部分地震波將會繼續(xù)向前傳播[14，15]。通過對原始數(shù)據(jù)進行放大、能量均衡、濾波等流程的處理。從地震波形記錄中拾取縱波波至和橫波波至，根據(jù)爆炸點與檢波器的距離可分別計算各段圍巖的縱波速度p和橫波速度s。p和s值的大小綜合反映了圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)p和s值可直接計算動力學(xué)參數(shù)，即計算動彈性模量d、動剪切模量d和泊松比d（見圖3）。

根據(jù)TSP地震波反射層及物理力學(xué)參數(shù)成果圖可以得出，在里程ZDK31+020～ZDK31+030范圍，p和s都有所降低，其中s降低的幅度更大，說明存在流體，這樣反映到p/s、泊松比顯示升高，表示該范圍地下水影響較大；在該段密度降低，說明圍巖破碎；楊氏模量的下降表示該段內(nèi)巖性較軟。綜合分析，得到該段范圍地下水發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育，存在夾層或巖溶、采空區(qū)的可能。

圖3 TSP法反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果圖

通過在掌子面ZDK31+016位置進行超前鉆探，發(fā)現(xiàn)在ZDK31+026處存在空洞，且出水量較大（見圖4）。因此在指導(dǎo)施工過程中，建議開挖后及時錨噴支護，防止巖體失穩(wěn)坍塌，以確保隧道施工設(shè)備及人員的安全，同時做好防水降排工作。經(jīng)開挖發(fā)現(xiàn)在ZDK31+028位置存在煤炭采空區(qū)，厚度約為0.7～1.5 m，采空區(qū)傾角約40°～50°，呈南北走向橫穿整個隧道斷面（見圖5）。由于預(yù)報及時，加強支護，成功發(fā)揮了超前預(yù)報的功能，為施工順利實施起到了保障作用。

圖4 超前鉆探

圖5 采空區(qū)現(xiàn)場

4 結(jié)語

本文以貴陽地鐵某線路隧道工程為研究對象，在分析該隧道相關(guān)工程地質(zhì)情況及施工條件的基礎(chǔ)上，引入層次分析法建立了多層次綜合評價模型，給出了超前地質(zhì)預(yù)報最佳方案，通過逐層次評價后再綜合評判使得復(fù)雜方案決策得到量化。實際應(yīng)用該超前地質(zhì)預(yù)報組合，達(dá)到了較好的預(yù)報效果。

1）引入系統(tǒng)工程學(xué)中的層次分析法，利用Yaahp軟件建立多層次綜合評價模型，根據(jù)實際工程情況，建立各指標(biāo)層的判斷矩陣，得到了各層特征向量、最大特征根等數(shù)據(jù)，并通過了一致性檢測。

2）層次分析法將影響決策方案的各影響因素進行多層次分組分析，并賦予各指標(biāo)因素以權(quán)重，通過綜合評判計算得到相對預(yù)報最佳組合的各方案權(quán)重，有效將預(yù)報方案進行數(shù)學(xué)化處理。

3）將層次分析法選擇的超前鉆探、地質(zhì)雷達(dá)、地質(zhì)分析及TSP探測組合應(yīng)用到實際工程地質(zhì)預(yù)報中，取得了良好的實際效果。

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（編輯：郝京紅）

Comprehensive Advanced Geological Prediction and Application Based on the Analytic Hierarchy Process

CHEN Sumin, WANG Xinting, YUAN Zhenxiu, ZUO Zhanqi, YU Jinlong

(China Railway Liuyuan Group Co., Ltd., Tianjin300133)

Comprehensive advanced geological prediction is an effective technique to detect bad geological features and reduce engineering risks in tunnel construction through different forecasting methods. The effective combination of different forecasting methods is the key to comprehensive geological prediction. In order to avoid the random combination of forecasting methods and inefficient problems, combined with current developments in forecasting engineering, AHP and Yaahp software were used to evaluate the multi-level combination, quantify the weights of the various forecasting methods to predict the best solution. A comprehensive forecasting combination methods is proposed, which focuses on reasonable selection of advanced drilling, and is aided with geological radar, geological analysis, and TSP, etc. The practical applications of the urban metro forecast are shown in the tunnel forecast for complex and changeable geological environments and other factors.

analytic hierarchy process; comprehensive advanced geological prediction; yaahp software; judgment matrix; metro

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.017

U231

A

1672-6073(2018)05-0086-07

2017-10-29

陳素敏，男，碩士研究生，助理工程師，從事隧道超前地質(zhì)預(yù)報及城市軌道交通勘察工作，610184710@ qq.com