楊 奎，毛金龍，劉永恒

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210000)

圍巖大變形是隧道在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下的一種變形破壞現(xiàn)象，在施工中比較常見(jiàn)。圍巖變形過(guò)大，不僅會(huì)引發(fā)侵限或二襯厚度不足等問(wèn)題，極端情況下甚至可能導(dǎo)致塌方，嚴(yán)重危及現(xiàn)場(chǎng)施工人員的生命安全，同時(shí)對(duì)施工工期和工程費(fèi)用產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。因此，施工過(guò)程中有必要對(duì)隧道圍巖的大變形情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

針對(duì)隧道施工過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)及其評(píng)估方法，已有眾多專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。路美麗等[1]對(duì)隧道與地下工程的多種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法進(jìn)行了研究總結(jié)；周建昆等[2]利用事故樹(shù)理論對(duì)巖石公路隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量分析，確定了各因素的發(fā)生概率及其影響權(quán)重；陳潔金等[3]利用模糊層次分析法對(duì)青山崗隧道等山嶺隧道塌方事故的影響因素進(jìn)行了分析，統(tǒng)計(jì)得到了各影響因素與塌方概率和塌方量之間的隸屬關(guān)系；許振浩等[4]基于層次分析法，對(duì)巖溶隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)的影響因素及其權(quán)值進(jìn)行了分析；王崢崢等[5]利用層次分析法和隸屬函數(shù)法對(duì)山嶺隧道洞口的震害因素進(jìn)行了模糊綜合評(píng)價(jià)；臧萬(wàn)軍等[6]在調(diào)研山嶺隧道洞身震害規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)地震風(fēng)險(xiǎn)的多個(gè)影響因素進(jìn)行了模糊綜合評(píng)價(jià)分析；王頠等[7]利用改進(jìn)模糊評(píng)價(jià)方法對(duì)隧道的總體風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析；袁永才等[8]運(yùn)用突變理論模型對(duì)紅巖寺隧道的塌方風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定量分析。影響隧道圍巖大變形的因素較多，且各因素之間相互制約，難以定量描述，因此，上述研究雖然取得了一定的成果，卻仍有其局限性。本文結(jié)合河南省三門峽市韶峰隧道斷層破碎帶圍巖大變形綜合評(píng)價(jià)實(shí)例，將模糊數(shù)學(xué)理論及層次分析法結(jié)合起來(lái)，建立了相應(yīng)的指標(biāo)體系，同時(shí)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的最大隸屬度原則進(jìn)行優(yōu)化，有效地減小了人為因素的干擾，提高了評(píng)估的準(zhǔn)確性。

1 工程概況

韶峰隧道為雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度80 km/h，隧道長(zhǎng)3 100 m，斷面寬度為11.1～13.85 m。隧址區(qū)屬山嶺地貌，地形起伏較大，地貌單元屬中低山區(qū)，隧道地面高程760～1 140 m，埋深150～340 m，山體自然坡度為30°～85°，地表植被良好。

隧址區(qū)內(nèi)地層主要由上元古界青白口系崔莊組(Z3c)紫紅色砂質(zhì)頁(yè)巖、北大尖組(Z2bd) 灰綠色石英砂巖、白草坪組(Z2b)灰白色砂質(zhì)頁(yè)巖和云夢(mèng)山組(Z2y) 紫紅色石英砂巖等巖層組成，巖層近水平狀，巖石風(fēng)化程度為強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖心單軸飽和抗壓強(qiáng)度為20～60 MPa。地下水補(bǔ)給為大氣降水，主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。隧址區(qū)坡頭斷層位于韶峰隧道進(jìn)口北約300 m左右，走向與隧道近垂直。斷層走向NE45°，傾向NW，傾角為70°，斷距為500～800 m，地貌類型以斷層崖出現(xiàn)。

隧道內(nèi)輪廓采用三心圓曲邊墻結(jié)構(gòu)，拱部及邊墻采用R=555 cm單心圓，仰拱采用R=1 300 cm圓弧，仰拱與側(cè)墻間采用R=150 cm小半徑圓弧連接，路面以上凈空面積為65.60 m2。設(shè)計(jì)標(biāo)高點(diǎn)至拱頂高度為7.1 m，內(nèi)輪廓總寬11.1 m。具體如圖1所示。

圖1 韶峰隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)(單位：cm)

2 隧道大變形的影響因素

隧道圍巖大變形是因開(kāi)挖引起了隧道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的重新分布，圍巖應(yīng)力超過(guò)巖體的屈服強(qiáng)度進(jìn)而達(dá)到塑性變形。此種情況下，圍巖自成拱能力減弱，若變形得不到及時(shí)約束會(huì)形成塑性破壞，進(jìn)一步發(fā)展可能對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)形成破壞甚至導(dǎo)致塌方。

(1) 地質(zhì)因素

隧道施工過(guò)程中，往往會(huì)遇到軟弱圍巖，如變質(zhì)砂巖、板巖、頁(yè)巖、泥巖等。此類圍巖含泥量較大，遇水易軟化或發(fā)生膨脹，大大降低了巖體的抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，軟弱巖石強(qiáng)度低，其圍巖等級(jí)隨工程條件和環(huán)境影響的變化較大，易發(fā)生較大變形。

(2) 水文因素

地下水對(duì)巖體強(qiáng)度的影響較大，其作用于巖體的裂隙面會(huì)影響其有效結(jié)合應(yīng)力，降低巖體的穩(wěn)定性，甚至引發(fā)剪切破壞。而且，當(dāng)巖體含有蒙脫石、高嶺石或水云母類礦物成分時(shí)，遇水會(huì)發(fā)生膨脹。因此，水文因素往往是隧道圍巖大變形的重要影響因素。

(3) 勘察設(shè)計(jì)因素

地質(zhì)勘察工作是隧道工程設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，主要是為了查明隧址區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及有無(wú)不良地質(zhì)等問(wèn)題，地質(zhì)勘察工作不到位將會(huì)影響到設(shè)計(jì)施工方案的可靠性。

(4) 施工因素

隧道圍巖大變形的設(shè)計(jì)和控制方法已漸趨成熟，故施工操作不規(guī)范是引發(fā)隧道大變形的常見(jiàn)因素。施工單位為了趕進(jìn)度、增效益，往往忽視技術(shù)和管理等方面的控制，造成施工操作不規(guī)范，如選擇不合適的施工技術(shù)、支護(hù)不及時(shí)牢靠、無(wú)有效的超前支護(hù)等，都會(huì)引發(fā)隧道圍巖大變形，若處置不及時(shí)甚至?xí)?dǎo)致塌方等嚴(yán)重事故。

3 風(fēng)險(xiǎn)源重要度分析

引發(fā)隧道圍巖大變形的因素有很多，如工程地質(zhì)條件、地下水、應(yīng)力條件和設(shè)計(jì)施工等。此處基于韶峰隧道工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特點(diǎn)，并結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)源專家調(diào)查表及其他工程案例，建立韶峰隧道斷層破碎帶的大變形風(fēng)險(xiǎn)源層次結(jié)構(gòu)，其中，該設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下斷面微小變化造成的影響不作為風(fēng)險(xiǎn)源考慮。隧道斷層破碎帶圍巖大變形風(fēng)險(xiǎn)源層次如圖2所示，其中，B層各元素相對(duì)于目標(biāo)A的判斷矩陣如表1所示。

圖2 隧道斷層破碎帶圍巖大變形風(fēng)險(xiǎn)源層次

AB1B2B3B4B5B112556B21/21445B31/51/4122B41/51/41/211B51/61/51/211

經(jīng)計(jì)算，可得判斷矩陣λmax=5.089 8，B層各元素的權(quán)重為：

同時(shí)，一致性指標(biāo)CI=(λmax-n)/(n-1)=(5.089 8-5)/(5-1)=0.022 5；一次性比率CR=CI/RI=0.093 4/1.42=0.015 8<0.1，滿足一致性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

綜上可知，隧道斷層破碎帶塌方風(fēng)險(xiǎn)源重要度排序?yàn)椋很泿r、破碎帶>地表水下滲、斷層裂隙水>監(jiān)控量測(cè)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)>臺(tái)階分部法開(kāi)挖>超前小導(dǎo)管支護(hù)。

4 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是對(duì)多種因素所影響的事物或現(xiàn)象進(jìn)行總評(píng)價(jià)，是一種以模糊性推理為主，定性和定量相結(jié)合，精確和非精確相統(tǒng)一的分析評(píng)價(jià)方法[3]。其基本思路是根據(jù)影響因素對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行分解，形成不同層次的指標(biāo)，然后對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行賦值，最后對(duì)總體構(gòu)造的評(píng)價(jià)模型進(jìn)行分析計(jì)算，得到評(píng)價(jià)值后進(jìn)行排序和形成評(píng)價(jià)結(jié)論。

首先，建立評(píng)價(jià)對(duì)象和指標(biāo)，即確定影響因素、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重系數(shù)后建立評(píng)估矩陣，再運(yùn)用模糊集合變化原理建立關(guān)系矩陣，基于模糊向量和計(jì)算因子進(jìn)行矩陣關(guān)系運(yùn)算，從而進(jìn)一步確定評(píng)價(jià)對(duì)象的可靠性。具體步驟如下：

① 綜合分析評(píng)估目標(biāo)，建立評(píng)價(jià)對(duì)象及指標(biāo)體系

P個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，u={u1,u2,……,up}。

② 建立層評(píng)估矩陣

v={v1,v2,……,vp}，即層集合，每層可對(duì)應(yīng)一個(gè)子集。

③ 建立關(guān)系矩陣

建立各層次模糊子集，對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)按各因素ui(i=1,2,……,p)進(jìn)行量化，確定模糊子集對(duì)各因素的隸屬關(guān)系(R|ui)，得到隸屬關(guān)系矩陣如下：

(1)

式中，rij為被評(píng)目標(biāo)從因子ui對(duì)vj層模糊子集的隸屬關(guān)系。

④ 權(quán)重的確定

確定權(quán)向量A=(a1,a2,……,ap)，其中，各元素ai是因素ui對(duì)模糊子集的隸屬關(guān)系?？刹捎脤哟畏治龇ù_定權(quán)重系數(shù)，然后按重要性分級(jí)，從而確定權(quán)重，同時(shí)進(jìn)行歸一化處理。

⑤ 合成模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量

將向量A與向量R通過(guò)合適的計(jì)算因子進(jìn)行合成，得到被評(píng)價(jià)目標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量B。即：

(2)

⑥ 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分析

在結(jié)果分析中以往常采用取最大值、最小值及最大隸屬度原則，但其適用條件有限，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)自相矛盾的結(jié)果。本文對(duì)取值原則進(jìn)行優(yōu)化，引入加權(quán)平均法確定相互隸屬關(guān)系，進(jìn)一步確定評(píng)價(jià)結(jié)果，并對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的重要性進(jìn)行排序。

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，礦業(yè)開(kāi)發(fā)必然逾越“生態(tài)紅線”，帶來(lái)環(huán)境污染和生態(tài)破壞，二者之間的對(duì)立性大于統(tǒng)一性。要想開(kāi)采礦產(chǎn)資源，不可避免的打破生態(tài)平衡；要想保持生態(tài)完整性，必須禁止礦業(yè)開(kāi)發(fā)。隨著生態(tài)文明建設(shè)的持續(xù)深入和綠色發(fā)展理念的逐漸推廣，我國(guó)礦業(yè)發(fā)展理念和發(fā)展方式也在悄然改變。綠色礦業(yè)是現(xiàn)代化礦業(yè)的核心要義，是未來(lái)礦業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必由之路和建設(shè)礦業(yè)強(qiáng)國(guó)的有力支撐[2]。建設(shè)綠色礦山、發(fā)展綠色礦業(yè)可以帶來(lái)生態(tài)效益和礦業(yè)開(kāi)發(fā)“共贏”的局面。

5 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)對(duì)韶峰隧道圍巖大變形風(fēng)險(xiǎn)的分段分析可知，隧道在斷層破碎帶發(fā)生大變形事故的危險(xiǎn)性較大，以下利用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估，并給出相應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)。為保證圍巖大變形影響因素分析層次和指標(biāo)體系的完整性及合理性，在評(píng)估前邀請(qǐng)具有十年以上隧道設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)的專家對(duì)其進(jìn)行確認(rèn)，然后利用層次分析法進(jìn)一步確定各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，如表2所示。

表2 模糊評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

5.1 一級(jí)評(píng)價(jià)

① 巖性因素

(3)

② 工程地質(zhì)因素

(4)

③ 水文地質(zhì)因素

(5)

④ 施工設(shè)計(jì)因素

(6)

5.2 二級(jí)評(píng)價(jià)

將一級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果組成二級(jí)評(píng)價(jià)判斷矩陣R，該斷層總體二級(jí)評(píng)價(jià)判斷矩陣：

(7)

(8)

5.3 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的建立

將斷層破碎帶總體評(píng)價(jià)結(jié)果模糊向量單值化，該段總體評(píng)價(jià)值F=1×0.033 1+2×0.169 7+3×0.381 8+4×0.415 4=3.179 5。隧道總體評(píng)價(jià)等級(jí)如表3所示。

表3 隧道總體評(píng)價(jià)等級(jí)

6 結(jié)語(yǔ)

關(guān)系矩陣中權(quán)重因子多由專家調(diào)查后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，受人為因素的影響較大，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)偏差，且在對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的分析中，最大隸屬度原則的適用范圍也存在較為明顯的不足之處。本文首先對(duì)專家前期的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析，再結(jié)合層次綜合評(píng)價(jià)法來(lái)確定判斷矩陣的權(quán)重，以進(jìn)一步降低人為干擾，提高準(zhǔn)確性，同時(shí)，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的取值原則進(jìn)行優(yōu)化，引入加權(quán)平均法確定相互隸屬關(guān)系，進(jìn)一步確定評(píng)價(jià)結(jié)果，并對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的重要性進(jìn)行排序。

綜上，復(fù)雜地質(zhì)條件下，邊界條件模糊性較強(qiáng)，影響隧道圍巖大變形的因素較多，故模糊綜合評(píng)價(jià)法須考慮的影響指標(biāo)較多，以往常采用取大值、取小值的做法，但其對(duì)于指標(biāo)相近的情況卻難以區(qū)分，導(dǎo)致評(píng)價(jià)難以識(shí)別。本文采用模糊數(shù)學(xué)理論及層次分析法確定隧道斷層破碎帶圍巖大變形評(píng)價(jià)中的權(quán)重系數(shù)，取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果，其建立的模型與實(shí)際情況相吻合，可為類似隧道工程不良地質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。