柏 青

(陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

引言

新建西寧至成都鐵路是納入國家《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的項(xiàng)目，是連接青海、甘肅、四川三個(gè)西部省份的重要鐵路通道，也是路網(wǎng)性干線鐵路。該項(xiàng)目的建設(shè)將打通北連新疆、南通四川的鐵路運(yùn)輸大通道，連接西北鐵路網(wǎng)、西南鐵路網(wǎng)和華南鐵路網(wǎng)，推進(jìn)絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的建設(shè)，加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)帶的輻射效應(yīng)，帶動(dòng)西部整體區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，增強(qiáng)民族團(tuán)結(jié)。

該鐵路新建長度約509 km，勘測分為四隊(duì)，本文依托于鐵路勘測二隊(duì)，工作范圍為同仁至夏河。其中同仁至甘加越嶺段位于青海、甘肅兩省交界地帶，地貌屬秦嶺中高山區(qū)，山勢陡峻，不良地質(zhì)發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)選線工作難度極大，因此有必要對其開展研究工作。當(dāng)前鐵路地質(zhì)選線研究采用定性方法已取得較多成果，但對通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方案比選的研究較少[1-9]。本文將首先研究該區(qū)域的主要工程地質(zhì)問題并確定其影響因素，然后確定建模參數(shù)，構(gòu)建灰色關(guān)聯(lián)法與變權(quán)理論融合的數(shù)學(xué)模型，對多種地質(zhì)選線方案進(jìn)行綜合比選，確定最優(yōu)的方案。

1 越嶺段比選方案

越嶺段主要比選方案詳述如下。

方案C25K：線路從比較起點(diǎn)引出，以橋隧工程引線至同仁縣城西設(shè)同仁車站，出站后以35.5 km特長隧道穿越瓜什則山嶺，出隧道后設(shè)甘加車站引線至比較終點(diǎn)，線路全長76.0 km。

方案C24K：線路從比較起點(diǎn)引出，以橋隧工程引線至隆務(wù)河峽谷區(qū)溝口，在同仁縣保安鎮(zhèn)附近設(shè)站，出站后以24.5 km特長隧道穿越瓜什則山嶺，出隧道后設(shè)甘加車站引線至比較終點(diǎn)，線路全長69.0 km。

方案ICK：線路從比較起點(diǎn)引出，以橋隧工程引線至隆務(wù)河峽谷區(qū)溝口跨越羊子河、隆務(wù)河，在同仁縣保安鎮(zhèn)附近設(shè)站，出站后以23.0 km特長隧道自東側(cè)穿過瓜什則盆地，出隧道后設(shè)甘加車站引線至比較終點(diǎn)，線路全長75.0 km。

各方案參見圖1。

圖1 鐵路地質(zhì)選線方案示意

2 越嶺段主要工程地質(zhì)問題

2.1 軟巖大變形

越嶺段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈、隧道埋深大、地應(yīng)力高，巖性以薄層軟質(zhì)巖為主，施工中可能發(fā)生軟巖大變形，是目前山區(qū)鐵路隧道建設(shè)的一大難題[10-12]。蘭渝鐵路木寨嶺隧道、哈達(dá)鋪隧道、馬家山隧道圍巖為三疊系板巖，巖質(zhì)軟，遇水易軟化、崩解；構(gòu)造以薄層狀為主，片理面發(fā)育，層間結(jié)合差；受構(gòu)造影響較重，揉皺現(xiàn)象發(fā)育；區(qū)域地應(yīng)力高，其中木寨嶺隧道實(shí)測最大水平主應(yīng)力達(dá)到27 MPa，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為0.2～0.5，屬于極高地應(yīng)力[13]，上述隧道在施工中均發(fā)生了圍巖大變形，變形量大、變形時(shí)間長、初期支護(hù)難以穩(wěn)定[14-15]。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，蘭渝鐵路在三疊系地層的隧道開挖共32.2 km，圍巖變更20.5 km，變更占比63.2%。

本文研究區(qū)與蘭渝鐵路相鄰，同屬于秦嶺褶皺系，三疊系地層分布廣泛，因此蘭渝線勘察、設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)對于評價(jià)研究區(qū)軟巖大變形問題有重要借鑒價(jià)值。通過研究蘭渝鐵路的經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場勘察資料，控制軟巖大變形級別的主要因素包括巖性、巖體完整程度、板巖層厚、強(qiáng)度應(yīng)力比、地下水等。

(1)巖性

對于是否產(chǎn)生大變形以及產(chǎn)生大變形的程度，巖性是一大控制因素[16]。就本文研究區(qū)而言，巖性主要包括板巖的成分及其在巖層中的比例。

研究區(qū)通過的三疊系地層均以板巖為主，板巖分為粉砂質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖。粉砂質(zhì)板巖巖質(zhì)較軟，層厚一般為5～10 cm(中薄層)；泥質(zhì)板巖巖質(zhì)軟，層厚一般為0.2～3.0 cm(極薄層-薄層)。

砂巖等夾層較板巖巖質(zhì)較硬，是抵抗大變形的有利因素。其比例越高，軟巖大變形的風(fēng)險(xiǎn)就越低。

根據(jù)上述分析將三疊系下統(tǒng)隆務(wù)河組地層進(jìn)一步分為上、中、下三段。上段以泥質(zhì)板巖為主，夾中厚層砂巖，板巖與夾層比例約8∶2；中段地層以粉砂質(zhì)板巖為主，砂巖較少出露，板巖與夾層比例約9∶1；下段地層以砂巖為主，夾粉砂質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖，板巖與夾層比例約4∶6。

(2)巖體完整程度

巖體完整程度分為完整、較完整、較破碎、破碎和松散。其中較破碎、破碎巖體大變形的風(fēng)險(xiǎn)較高，較完整、完整巖體發(fā)生大變形的風(fēng)險(xiǎn)較低。三疊系下統(tǒng)隆務(wù)河組地層的巖體完整程度以較破碎為主。

(3)層厚

層厚是控制軟巖的大變形的重要影響因素[17]，并且與巖性具有一定的相關(guān)性，例如砂質(zhì)板巖一般層厚較大，泥質(zhì)板巖層厚較小。根據(jù)西成線板巖形態(tài)特征，共劃分為極薄層(<1 cm)、薄層(1～3 cm)、中薄層(3～10 cm)、中厚層(10～50 cm)四個(gè)等級。層厚越薄，軟巖大變形的風(fēng)險(xiǎn)越高。

(4)強(qiáng)度應(yīng)力比

強(qiáng)度應(yīng)力比是判斷是否存在高地應(yīng)力的重要指標(biāo)，當(dāng)強(qiáng)度應(yīng)力比小于0.3～0.5時(shí)，即能產(chǎn)生比正常隧道開挖大1倍以上的變形。此時(shí)洞周將出現(xiàn)大范圍的塑性區(qū)，隨著開挖引起圍巖質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)，加上塑性區(qū)的“剪脹”作用，洞周將產(chǎn)生很大位移。

(5)地下水

地下水發(fā)育情況與軟弱圍巖大變形關(guān)系密切[18]。根據(jù)地面調(diào)查、物探、水文地質(zhì)鉆探等資料，采用大氣降水入滲法、地下水徑流模數(shù)法和地下水動(dòng)力學(xué)法，對研究區(qū)進(jìn)行水文地質(zhì)分區(qū)，三疊系下統(tǒng)隆務(wù)河組上、中、下三段巖層地下水發(fā)育程度均為弱富水-中等富水。

通過上述分析，對軟巖大變形各個(gè)控制因素進(jìn)行分析，將三疊系下統(tǒng)隆務(wù)河組上、中、下三段巖層的軟巖大變形風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級，詳見表1。

表1 軟巖大變形風(fēng)險(xiǎn)分級

2.2 砂巖水穩(wěn)性問題

蘭渝鐵路桃樹坪、胡麻嶺隧道圍巖施工開挖后有如下情況[19]，新近系砂巖經(jīng)開挖擾動(dòng)，原始結(jié)構(gòu)被破壞，巖體呈松散狀態(tài)，穩(wěn)定性變差，多呈粉細(xì)砂狀，發(fā)生圍巖變形、坍塌，富水狀態(tài)下還會發(fā)生涌水、涌砂[20]，給隧道施工帶來極大困難，被中科院地質(zhì)所定為工程性質(zhì)很差的劣質(zhì)巖[21]。

越嶺段特長隧道通過瓜什則盆地，該盆地為一東西長、南北窄的狹長盆地，地勢東高西低，地表水水量較為豐富，自盆地四周各溝谷向西匯入加薩河。根據(jù)鉆探資料，地表廣覆第四系，下部為巨厚的上新近系中新統(tǒng)砂、礫巖，沉積厚度巨大，泥質(zhì)膠結(jié)，富水狀態(tài)下水穩(wěn)性極差，極易崩解，工程性質(zhì)極差，與蘭渝鐵路中的上新近系砂巖極為相似，施工中發(fā)生圍巖變形、坍塌、涌水、涌砂等問題的風(fēng)險(xiǎn)極大。

3 地質(zhì)選線模型

3.1 構(gòu)建決策矩陣

分析研究區(qū)工程地質(zhì)條件及主要工程地質(zhì)問題，明確參與建模的評價(jià)指標(biāo)，并形成決策矩陣A。

選取對應(yīng)的灰色區(qū)間數(shù)作為定性評價(jià)指標(biāo)的取值，如表2所示。

表2 定性評價(jià)指標(biāo)與灰色區(qū)間數(shù)對應(yīng)關(guān)系

3.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

為消除各評價(jià)指標(biāo)單位、數(shù)量級等方面的差異，需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用灰色極差變換得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣X=(xij)m×n。

灰色極差標(biāo)準(zhǔn)化公式如下。

對于效益型定量指標(biāo)

對于成本型定量指標(biāo)

1)

對于效益型定性指標(biāo)

對于成本型定性指標(biāo)

2)

3.3 確定最優(yōu)和最差方案

定量指標(biāo)的最優(yōu)、最差方案如下：

定性指標(biāo)的最優(yōu)、最差方案如下：

3.4 計(jì)算變權(quán)權(quán)重下的灰色關(guān)聯(lián)度

方案Ai針對A+的灰色關(guān)聯(lián)度G(x+(?)，xi(?))和關(guān)于A-的灰色關(guān)聯(lián)度G(x-(?)，xi(?))，其計(jì)算公式為

據(jù)此可計(jì)算得到方案Ai關(guān)于最優(yōu)、最差方案的灰色關(guān)聯(lián)度G(x+(?)，xi(?))、G(x-(?)，xi(?))。以λ=0.5作為分辨系數(shù)，運(yùn)用懲罰性指數(shù)型變權(quán)形式完成變權(quán)，否定水平U=0.8，懲罰系數(shù)a=-0.5，權(quán)重系數(shù)取β1=β2=0.5，最終得到G(xi(?))

G(xi(?))=0.5×G(x+(?)，xi(?))+

0.5×[1-G(x-(?)，xi(?))]

(3)

4 方案比選

分析西寧至成都鐵路同仁至甘加越嶺段3個(gè)方案的工程地質(zhì)條件及主要工程地質(zhì)問題，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型對3個(gè)方案進(jìn)行綜合比選。

4.1 各方案工程地質(zhì)條件分析

方案C25K中越嶺隧道大部分穿過燕山期花崗閃長巖，圍巖條件較好，小部分通過三疊系下統(tǒng)隆務(wù)河組中段、上段板巖夾砂巖，軟巖大變形風(fēng)險(xiǎn)低；在瓜什則段小部分位于上新近系中新統(tǒng)砂、礫巖中，存在輕微的上新近系砂巖水穩(wěn)性問題。方案C24K越嶺隧道主要通過三疊系下統(tǒng)隆務(wù)河組上段、中段板巖夾砂巖，圍巖工程性質(zhì)差，軟巖大變形風(fēng)險(xiǎn)高；瓜什則段位于上新近系中新統(tǒng)砂、礫巖中，發(fā)生圍巖變形、坍塌、涌水、涌砂等問題的風(fēng)險(xiǎn)高。方案ICK越嶺隧道通過三疊系隆務(wù)河組中段、下段長度較大，軟巖大變形風(fēng)險(xiǎn)在3個(gè)方案中居中；瓜什則盆地段位于三疊系地層，無上新近系砂巖水穩(wěn)性問題。

4.2 數(shù)學(xué)模型比選

根據(jù)上文分析，選取線路長度、越嶺隧道長度、越嶺隧道硬巖長度、越嶺隧道新近系砂巖長度、越嶺隧道埋深、隧道正常涌水量、軟巖大變形風(fēng)險(xiǎn)分級、砂巖水穩(wěn)性問題、施工風(fēng)險(xiǎn)等9個(gè)評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建模型，對3個(gè)方案進(jìn)行評價(jià)比選。評價(jià)指標(biāo)取值情況見表3。

表3 3個(gè)方案參數(shù)及相應(yīng)取值

根據(jù)表3形成決策矩陣A，依照表2，以灰色區(qū)間數(shù)對指標(biāo)P7～P9取值加以表示。再結(jié)合公式(1)、公式(2)標(biāo)準(zhǔn)化處理決策矩陣內(nèi)存在的數(shù)據(jù)，取得X這一標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣。

對評價(jià)指標(biāo)P1～P9對應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，獲得相應(yīng)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣。利用層次分析法計(jì)算常權(quán)下各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

W={0.048，0.096，0.096，0.014，0.010，0.014，0.288，0.240，0.192}。

對應(yīng)的變權(quán)向量W(Xi)如下

通過公式(3)對變權(quán)權(quán)重向量、灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣的綜合，獲得變權(quán)權(quán)重之下，各方案的綜合灰色關(guān)聯(lián)度(表4)。

表4 基于常權(quán)和變權(quán)方法的各方案綜合灰色關(guān)聯(lián)度

由表4可知兩種方法計(jì)算下，常權(quán)情況下方案ICK為最優(yōu)方案，利用變權(quán)突出軟巖大變形及砂巖水穩(wěn)性問題的情況下方案C25K為最優(yōu)方案，說明在鐵路地質(zhì)選線時(shí)側(cè)重點(diǎn)不同導(dǎo)致方案優(yōu)劣排序發(fā)生變化。

綜上所述，在軟巖大變形和砂巖水穩(wěn)性為主要工程地質(zhì)問題的研究區(qū)地質(zhì)選線中，方案C25K為最優(yōu)方案。

5 結(jié)論

(1)軟巖大變形為研究區(qū)的主要工程地質(zhì)問題之一，巖性、巖體完整程度、層厚、應(yīng)力強(qiáng)度比、地下水為軟巖大變形的主要影響因素，據(jù)此對三疊系軟巖大變形進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分級，為方案比選提供了地質(zhì)依據(jù)。

(2)砂巖水穩(wěn)性為研究區(qū)的另一個(gè)主要工程地質(zhì)問題，上新近系砂巖受擾動(dòng)后結(jié)構(gòu)易破壞，強(qiáng)度急劇下降，水穩(wěn)性極差，富水狀態(tài)下發(fā)生涌水、涌砂風(fēng)險(xiǎn)極高，長隧道選線應(yīng)盡量繞避。

(3)相比傳統(tǒng)采用定性方法進(jìn)行地質(zhì)選線，本文在綜合分析研究區(qū)工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，確定10個(gè)參與建模的評價(jià)指標(biāo)，綜合灰色關(guān)聯(lián)、變權(quán)理論構(gòu)建鐵路地質(zhì)選線模型，突出研究區(qū)的主要工程地質(zhì)問題，對研究區(qū)3個(gè)方案進(jìn)行定量的工程地質(zhì)條件比選，明確了最優(yōu)方案。