張娜 徐東強(qiáng)

摘要 圍巖分級(jí)是施工科學(xué)管理和選擇施工方法的重要依據(jù)。為提高高速公路隧道圍巖分級(jí)的準(zhǔn)確性，依據(jù)工程實(shí)例，提出了圍巖等級(jí)評(píng)定的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。獲得待評(píng)價(jià)圍巖各指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，運(yùn)用物元理論、可拓集合理論，對(duì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行無(wú)量綱化處理，引入熵權(quán)的概念，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，與可拓物元模型相結(jié)合，運(yùn)用最大關(guān)聯(lián)度理論通過(guò)計(jì)算綜合評(píng)定隧道圍巖的等級(jí)，并結(jié)合工程實(shí)例運(yùn)用該方法進(jìn)行評(píng)定，與現(xiàn)場(chǎng)圍巖等級(jí)吻合率較好，說(shuō)明該方法具有一定的實(shí)用性。

關(guān) 鍵 詞 隧道圍巖;熵權(quán);可拓物元;關(guān)聯(lián)度;分級(jí)

中圖分類(lèi)號(hào) TU457? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Abstract Surrounding rock classification is an important basis for scientific construction management and selection of construction methods. In order to improve the accuracy of the tunnel surrounding rock classification， the evaluation index system of tunnel surrounding rock grade evaluation is put forward according to the engineering example： obtain a measured field evaluation of surrounding rock of each index value， use both matter-element theory andextension set theory， get the measured dimensionless values ， introduce the concept of entropy， get the weight of each index， and extension matter-element model combined with the maximum correlation theory by calculating the comprehensive evaluation of tunnel surrounding rock grade. Based on the engineering examples， the method is applied to the evaluation. And the better rate of surrounding rock grade anastomosis indicate that the method is practical.

Key words tunnel rock; entropy weight; matter-element; connection; classification

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的整體發(fā)展，高速公路建設(shè)在“十三五”期間重點(diǎn)向中西部地區(qū)傾斜，中西部地區(qū)為多山地區(qū)，在高速公路規(guī)劃選線過(guò)程中多采用隧道形式穿越山嶺。而隧道工程多處于復(fù)雜多變的巖體中，受地質(zhì)環(huán)境、巖石基本性質(zhì)等影響，使其圍巖級(jí)別很難準(zhǔn)確劃分，往往與實(shí)際圍巖級(jí)別有一定出入，導(dǎo)致在施工過(guò)程中需要經(jīng)常變更設(shè)計(jì)，既耽誤工程進(jìn)度，也會(huì)造成人員和財(cái)產(chǎn)的損失。為保證高速公路隧道施工順利進(jìn)行，建立快速、實(shí)用、有效的隧道圍巖分級(jí)方法是建設(shè)者迫切需要解決的問(wèn)題。

目前，針對(duì)公路隧道圍巖分級(jí)，引入了許多數(shù)學(xué)理論的分析方法，如模糊數(shù)學(xué)理論[1-2]、Fisher判別分析法[3-4]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5-6]、距離判別分析理論[7]、支持向量機(jī)[8]、集對(duì)分析模型[9-10]等，均對(duì)圍巖分級(jí)進(jìn)行了一定程度深入的研究并取得了相應(yīng)的研究成果，推動(dòng)了隧道圍巖分級(jí)方法的階段性發(fā)展。但是，每種數(shù)學(xué)方法都有其自身的特點(diǎn)，在工程應(yīng)用的過(guò)程中存在或多或少的缺點(diǎn)和不足，因此，在研究過(guò)程中不斷探討新的方法來(lái)適應(yīng)隧道圍巖分級(jí)的需要是很必要的。

可拓物元理論是在20世紀(jì)80年代由蔡文提出的，以物元理論和可拓?cái)?shù)學(xué)為數(shù)學(xué)框架，將評(píng)價(jià)分級(jí)對(duì)象進(jìn)行定性和定量化的處理，將待評(píng)對(duì)象視為一個(gè)物元，以物元的名稱(chēng)、特征值和量值作為基本元素構(gòu)建物元矩陣，利用可拓集合理論將眾多不相容的影響因素進(jìn)行綜合評(píng)定，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算得到可靠的分析結(jié)果。該方法目前以廣泛應(yīng)用于高速公路交通評(píng)價(jià)[11]、工程項(xiàng)目評(píng)價(jià)[12]、施工質(zhì)量評(píng)價(jià)[13]等領(lǐng)域。本文運(yùn)用AHP法和可拓物元理論相結(jié)合，將影響隧道圍巖分級(jí)的因素建立層次分析模型，運(yùn)用熵權(quán)理論、可拓集合理論、最大關(guān)聯(lián)度理論通過(guò)計(jì)算確定影響因素物元的權(quán)重，最終確定圍巖的質(zhì)量等級(jí)。

1 隧道圍巖質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

正確選取隧道圍巖質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)的指標(biāo)是圍巖分級(jí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也決定了隧道圍巖分級(jí)的合理性。影響隧道圍巖質(zhì)量的因素有很多，如巖石強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面特征參數(shù)、結(jié)構(gòu)面傾角、地下水涌水量等。本文依據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50218-2014）[14]和《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70-2004）[15]相關(guān)規(guī)定，綜合前人的研究成果，構(gòu)建了高速公路隧道圍巖分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1 所示，在該體系中，圍巖分級(jí)是目標(biāo)，巖石的物理性質(zhì)、巖體的完整性、地下水影響、地質(zhì)構(gòu)造形式作為第一級(jí)指標(biāo)，在一級(jí)指標(biāo)下選取具有代表性的影響因素作為第二級(jí)指標(biāo)。

2 隧道圍巖質(zhì)量等級(jí)可拓模型

2.1 確定隧道圍巖質(zhì)量的待評(píng)物元、經(jīng)典域物元、節(jié)域物元

選取待評(píng)隧道段落圍巖樣本W(wǎng)、圍巖質(zhì)量影響因素C、W關(guān)于C的特征量值V，構(gòu)成隧道圍巖質(zhì)量待評(píng)物元。設(shè)待評(píng)隧道圍巖質(zhì)量樣本為m個(gè)，影響隧道圍巖質(zhì)量分級(jí)的因素有n個(gè)，則待評(píng)隧道段落圍巖樣本物元R可描述為

4 結(jié)論

1）隧道圍巖等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)隧道圍巖等級(jí)的基礎(chǔ)。根據(jù)前人的研究成果、綜合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，本文選取了巖石的物理性質(zhì)、巖體的完整性、地下水影響、地質(zhì)構(gòu)造形式作為第一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，將單軸飽和抗壓強(qiáng)度、巖體完整性系數(shù)、結(jié)構(gòu)面特征參數(shù)、單位涌水量、結(jié)構(gòu)面與動(dòng)軸線的夾角作為第二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用這些指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)值作為圍巖等級(jí)評(píng)定的依據(jù)。

2）多指標(biāo)的權(quán)衡是隧道圍巖評(píng)定的重要依據(jù)。本文引入熵權(quán)的概念，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱處理后，通過(guò)熵權(quán)計(jì)算，得到隧道圍巖評(píng)定指標(biāo)的權(quán)重，與可拓模型相結(jié)合來(lái)綜合評(píng)定隧道圍巖等級(jí)。

3）選定合理的計(jì)算方法是隧道圍巖評(píng)定的重要手段。本文將可拓理論模型與熵權(quán)相結(jié)合，運(yùn)用在雙峰隧道圍巖等級(jí)評(píng)定中，對(duì)隧道圍巖評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值進(jìn)行綜合計(jì)算，得到隧道圍巖的計(jì)算等級(jí)，與現(xiàn)場(chǎng)圍巖級(jí)別進(jìn)行比較，能夠與現(xiàn)場(chǎng)圍巖級(jí)別基本吻合，準(zhǔn)確率為80%，說(shuō)明該方法具有較好的實(shí)用性，可以推廣使用。

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[責(zé)任編輯 楊 屹]