石 州，羅彥斌，陳建勛，劉偉偉，武云飛

(長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

近年來，復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道工程諸如鷓鴣山公路隧道、祁連山鐵路隧道、木寨嶺鐵路隧道、天坪鐵路隧道等一大批重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目相繼建成通車。木寨嶺公路隧道、大瑞鐵路高黎貢山隧道等重點(diǎn)項(xiàng)目正在如期建設(shè)。隧道工程建設(shè)未來的發(fā)展方向呈現(xiàn)出大跨度、特長、深埋等特點(diǎn)，安全高效地穿越高應(yīng)力軟巖地區(qū)面臨巨大挑戰(zhàn)，特別是在高地應(yīng)力軟弱破碎地層，隧道大變形災(zāi)害尤為突出，嚴(yán)重制約隧道工程的建設(shè)和發(fā)展。對(duì)于隧道設(shè)計(jì)和施工，合理地預(yù)測和評(píng)價(jià)隧道變形級(jí)別并進(jìn)行分級(jí)管理，以避免大變形災(zāi)害的發(fā)生就顯得尤為必要。對(duì)此，眾多學(xué)者開展了隧道大變形分級(jí)預(yù)測的研究，試圖確定各種指標(biāo)以及相應(yīng)的臨界值，對(duì)隧道大變形進(jìn)行預(yù)測?，F(xiàn)有的軟巖隧道大變形分級(jí)預(yù)測方法主要有經(jīng)驗(yàn)方法和半經(jīng)驗(yàn)半定量法。半經(jīng)驗(yàn)半定量法按照分級(jí)指標(biāo)又可分為單指標(biāo)強(qiáng)度應(yīng)力法、相對(duì)變形量法和多指標(biāo)或綜合指標(biāo)法。Singh[1]，Geol，Jimenez和Recio等學(xué)者基于巖石質(zhì)量指標(biāo)，利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，提出了預(yù)測擠壓變形的臨界隧道埋深經(jīng)驗(yàn)公式。Muirwood首次提出強(qiáng)度應(yīng)力比來評(píng)價(jià)隧道的擠壓變形，后被Nakano[2]用來預(yù)測日本軟巖隧道擠壓變形，其后Jethwa等[3]、Aydan等[4]、Barla[5]、陳子全等[6]也均根據(jù)巖體強(qiáng)度與原始地應(yīng)力(或垂直應(yīng)力)的比值來預(yù)測隧道可能發(fā)生的擠壓變形。喻渝[7]根據(jù)初始地應(yīng)力與圍巖抗壓強(qiáng)度的比值來預(yù)測大變形。Bhasin等[8]提出根據(jù)巖體切向應(yīng)力與巖石強(qiáng)度的比值來預(yù)測隧道可能發(fā)生的擠壓變形。Saari[9]建議采用隧道切向應(yīng)變強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)巖石擠壓程度的指標(biāo)，提出采用最終變形量的1%作為識(shí)別擠壓變形的臨界值。根據(jù)Goel[10]和Sakurai[11]的研究，當(dāng)隧道在無支護(hù)條件下變形量超過總變形量的1%時(shí)，即認(rèn)為隧道發(fā)生了大變形。Hoek[12]根據(jù)應(yīng)變率將軟巖隧道變形分為無擠壓變形、輕微擠壓變形、中等擠壓變形、嚴(yán)重?cái)D壓變形和極嚴(yán)重?cái)D壓變形。Singh等[13]根據(jù)該指標(biāo)將圍巖擠壓變形程度分為微弱擠壓、中等擠壓和高度擠壓。張祉道[14]依據(jù)洞壁相對(duì)位移，將軟巖隧道變形分為輕度、中等和嚴(yán)重等3個(gè)級(jí)別。黃興等[15]指出當(dāng)圍巖擠壓變形與開挖半徑間的比值≥1%，且擠壓變形與擴(kuò)挖間隙的比值≥1時(shí)，產(chǎn)生擠壓大變形。根據(jù)這2個(gè)指標(biāo)，將TBM圍巖擠壓變形劃分為無擠壓變形、輕微擠壓變形、中等擠壓變形、嚴(yán)重?cái)D壓變形和非常嚴(yán)重?cái)D壓變形5個(gè)等級(jí)。Aydan等[4]將該指標(biāo)作為判斷隧道擠壓變形程度的依據(jù)，認(rèn)為圍巖總變形和彈性變形與巖石的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果是對(duì)應(yīng)的，因此利用巖石室內(nèi)試驗(yàn)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)變硬化階段、屈服階段、應(yīng)變軟化階段的極限應(yīng)變與彈性極限應(yīng)變的比值作為預(yù)測擠壓變形程度的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，將隧道圍巖擠壓程度劃分為無擠壓、輕度擠壓、中度擠壓、嚴(yán)重?cái)D壓和最嚴(yán)重?cái)D壓5個(gè)級(jí)別。Hoek等[16]提出用強(qiáng)度應(yīng)力比與隧道應(yīng)變率雙指標(biāo)，將大變形分為無支護(hù)問題、輕微擠壓、嚴(yán)重?cái)D壓、非常嚴(yán)重?cái)D壓、極嚴(yán)重?cái)D壓5個(gè)等級(jí)。劉志春[17]等結(jié)合烏鞘嶺隧道提出綜合系數(shù)，綜合考慮了圍巖的相對(duì)變形、強(qiáng)度應(yīng)力比、原始地應(yīng)力和彈性模量等幾個(gè)因素。徐林生等[18]根據(jù)隧道估判變形量和相對(duì)變形，將公路隧道圍巖大變形分為1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)。李國良等[19]結(jié)合蘭渝鐵路軟巖隧道提出在設(shè)計(jì)階段以隧道洞壁相對(duì)位移和巖體強(qiáng)度應(yīng)力比作為分級(jí)指標(biāo)，將擠壓大變形分為3個(gè)等級(jí)，根據(jù)巖體強(qiáng)度應(yīng)力比進(jìn)行大變形預(yù)測，在施工階段以變形量和變形速率作為分級(jí)指標(biāo)。孟陸波等[20]以影響大變形發(fā)生的8個(gè)主要因素作為綜合分級(jí)指標(biāo)，提出基于模糊層次綜合評(píng)價(jià)的大變形預(yù)測方法，將大變形分為無大變形、輕微大變形、中等大變形和強(qiáng)烈大變形4類。任洋等[21]以巖石單軸抗壓強(qiáng)度、主應(yīng)力值、強(qiáng)度應(yīng)力比和彈性模量4個(gè)因素作為綜合分級(jí)指標(biāo)，采用可拓學(xué)理論和層次分析法，將大變形也分為無大變形、輕微大變形、中等大變形和強(qiáng)烈大變形。

以上研究中眾多分級(jí)預(yù)測指標(biāo)是基于設(shè)計(jì)階段巖石的物理力學(xué)性質(zhì)提出的，施工階段這些參數(shù)指標(biāo)獲得較難，準(zhǔn)確性不高。例如，相對(duì)變形量法[9-10,12]等理論中隧道洞壁相對(duì)位移一般適用于以水平變形為主的隧道；層次分析法[20]、強(qiáng)度應(yīng)力比法[2-4]等理論中的巖體單軸抗壓強(qiáng)度、極限應(yīng)變等分級(jí)指標(biāo)多需要通過巖石室內(nèi)試驗(yàn)得出，而目前典型的軟巖隧道大變形多發(fā)生于破碎、強(qiáng)度低及易風(fēng)化的碳質(zhì)板巖、綠泥石片巖和千枚巖等地層，對(duì)于這類薄層或破碎圍巖，往往無法取得擾動(dòng)軟弱圍巖巖芯進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，而且相應(yīng)的地應(yīng)力測試也難以開展。關(guān)于軟弱圍巖地層中的地應(yīng)力量測的準(zhǔn)確度歷來存在較大的爭議，可拓學(xué)理論[21]、Jethwa[3]等研究理論的指標(biāo)中采用的地應(yīng)力在軟弱松散圍巖現(xiàn)場量測準(zhǔn)確度不高?，F(xiàn)有的大變形災(zāi)害預(yù)測與評(píng)價(jià)方法多為勘測和設(shè)計(jì)階段的研究，對(duì)于薄層或破碎巖體大變形現(xiàn)場快速預(yù)測具有較大的局限性。對(duì)此，需要確定適用于薄層軟弱破碎巖體大變形的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，并提出施工階段大變形現(xiàn)場快速預(yù)測與評(píng)價(jià)方法。

本研究依托蘭州至海口國家高速公路(G75)木寨嶺公路隧道工程，提出基于施工階段快速判識(shí)理念的軟巖大變形分級(jí)預(yù)測的模糊層次分析法。通過將模糊層次分析法與在隧道施工現(xiàn)場快速獲得的一系列與巖體結(jié)構(gòu)特征及巖體完整性特征相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)相結(jié)合，快速準(zhǔn)確地對(duì)軟巖隧道大變形進(jìn)行定量分級(jí)預(yù)測。以期為軟弱破碎圍巖隧道大變形綜合評(píng)價(jià)預(yù)測提出一種方法。

1 工程概況

木寨嶺公路隧道是蘭州—?？趪腋咚俟?G75)渭源—武都段的一個(gè)重點(diǎn)工程。隧道采用兩個(gè)單向孔四車道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，隧道左洞長15.231 km，右洞長15.173 km，最大埋深629 m。隧道整體穿越了6種地層結(jié)構(gòu)，圍巖巖性主要以鈣硅質(zhì)砂質(zhì)板巖和碳質(zhì)千枚巖互層巖體為主，縱斷面如圖1所示。沿隧道依次布置3個(gè)斜井，其中1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)斜井長度分別為1 633，1 814，1 265 m。

木寨嶺公路隧道自開工建設(shè)以來，發(fā)生了不同程度的大變形災(zāi)害問題，特別是木寨嶺公路隧道2號(hào)斜井、3號(hào)斜井換拱率高達(dá)30%，造成工期延緩、工程造價(jià)劇增，嚴(yán)重威脅隧道施工人員安全。

本研究選取的隧道變形段襯砌屬于SVC型襯砌結(jié)構(gòu)，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。隧道地應(yīng)力測試結(jié)果表明K214+085段鉆孔的 5 個(gè)測段最大主應(yīng)力值為12.14～18.76 MPa，最小主應(yīng)力值為7.34～11.61 MPa，最大主應(yīng)力方向?yàn)?9.6°。K218+400段鉆孔的3個(gè)測段最大主應(yīng)力值為11.37～17.98 MPa，最小主應(yīng)力值為6.80～10.06 MPa，最大主應(yīng)力方向?yàn)?4.1°，測量結(jié)果與區(qū)域地應(yīng)力場分析結(jié)果較吻合。測試鉆孔附近以水平構(gòu)造應(yīng)力作用為主，屬于走滑斷層應(yīng)力狀態(tài)，最大水平主應(yīng)力方向與隧洞軸線方向大致相同，均為北東東 (NEE)方向。

圖1 木寨嶺公路隧道地質(zhì)縱斷面Fig.1 Geological longitudinal profile of Muzhailing Highway Tunnel

圖2 SVC型襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(單位：cm)Fig.2 Design of SVC type lining structure (unit: cm)

2 模糊層次綜合評(píng)價(jià)法

模糊層次綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)和層次分析的綜合評(píng)價(jià)法[22]。該方法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量預(yù)測，建立了定性與定量相統(tǒng)一、模糊數(shù)學(xué)與層次結(jié)構(gòu)相結(jié)合的評(píng)價(jià)模型，對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀隹傮w評(píng)價(jià)。步驟如圖3所示。

圖3 模糊數(shù)學(xué)和層次分析綜合評(píng)價(jià)法流程圖Fig.3 Flowchart of fuzzy of comprehensive evaluation method of fuzzy mathematics and AHP

2.1 建立預(yù)測指標(biāo)評(píng)價(jià)體系

根據(jù)預(yù)測評(píng)價(jià)的目標(biāo)和要求，選取合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)并分析各因素之間的關(guān)系，建立整個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)模型，確定各評(píng)價(jià)因子基于不同變形等級(jí)的分布范圍及指標(biāo)界限值。

2.2 建立指標(biāo)判斷矩陣

基于層次分析法，根據(jù)專家評(píng)分機(jī)制采用1～9標(biāo)度確定各層次指標(biāo)量化關(guān)系，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性程度判斷矩陣。

2.3 確定預(yù)測指標(biāo)綜合權(quán)值

計(jì)算某層所有因素對(duì)于總目標(biāo)相對(duì)重要性的組合權(quán)重，進(jìn)行層次總排序：

ω=[ω1,ω2,ω3,…,ω8],

(1)

式中ωi(i=1～8)為各影響因素所對(duì)應(yīng)的權(quán)值。

2.4 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)集與評(píng)價(jià)集

在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，采用模糊數(shù)學(xué)的方法建立指標(biāo)集和評(píng)價(jià)集：

因素集:U={u1,u2,u3,…,un}，

(2)

決斷集:V={v1,v2,v3,…,vn}，

(3)

式中ui和vi分別為因素集和決斷集中的元素。

2.5 單因素模糊綜合評(píng)判

在建立評(píng)價(jià)指標(biāo)集和評(píng)價(jià)集后，利用隸屬函數(shù)實(shí)現(xiàn)指標(biāo)集到評(píng)價(jià)集的模糊變換，第i個(gè)元素ui的模糊評(píng)價(jià)矩陣為R=(rij)n×m。

單因素模糊矩陣表示為：

(4)

2.6 模糊層次綜合評(píng)價(jià)分析

通過預(yù)測指標(biāo)綜合權(quán)重集和模糊矩陣R計(jì)算得到綜合評(píng)價(jià)集B：

B=ωR，

(5)

式中，B=[B1,B2,…,Bn]，Bn為評(píng)價(jià)對(duì)象第n評(píng)價(jià)級(jí)別的隸屬度。

最后根據(jù)最大隸屬度原則，確定各預(yù)測段變形綜合評(píng)價(jià)等級(jí)。

3 大變形模糊層次綜合預(yù)測

3.1 預(yù)測評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

木寨嶺公路隧道工程實(shí)踐表明，巖層產(chǎn)狀、巖石強(qiáng)度、巖體完整性及地下水條件是軟巖隧道大變形致災(zāi)的主控因子，且圍巖變形與隧道的賦存環(huán)境密切相關(guān)，屬于工程軟巖范疇。本研究根據(jù)定性劃分和定量指標(biāo)相結(jié)合的原則，構(gòu)造隧道軟巖大變形指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 預(yù)測指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)Fig.4 Hierarchical structure of predictive indicators

(1)巖層產(chǎn)狀：包括結(jié)構(gòu)面傾角及結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線夾角。木寨嶺公路隧道圍巖巖性主要為質(zhì)軟的碳質(zhì)千枚巖和質(zhì)硬的鈣硅質(zhì)砂質(zhì)板巖，兩類巖石以互層狀、不同比例和不同厚度組合分布，各向異性更加突出，巖層走向與隧道開挖方向的夾角多變，傾角也緩陡起伏，造成圍巖不同程度和不同模式的變形和失穩(wěn)。

(2)巖石強(qiáng)度：包括點(diǎn)荷載強(qiáng)度及掌子面軟巖比例。木寨嶺公路隧道巖石強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，砂質(zhì)板巖強(qiáng)度較高，屬于較硬巖，可完整取芯測得其單軸飽和抗壓強(qiáng)度，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析巖體單軸抗壓強(qiáng)度Rc平均值為56.3 MPa。而碳質(zhì)千枚巖強(qiáng)度較低，點(diǎn)荷載試驗(yàn)修正后的點(diǎn)荷載強(qiáng)度值Is(50)平均值為0.11 MPa，屬于軟巖，耐崩解試驗(yàn)加水浸泡0.5 h時(shí)試樣崩解已達(dá)到60%以上，加水浸泡2 h后巖石試樣崩解已基本完成。試驗(yàn)取樣時(shí)不易直接取得完整巖心樣本，單軸抗壓強(qiáng)度的獲取存在難度。點(diǎn)載荷試驗(yàn)因其儀器輕便、操作簡易、適用性強(qiáng)的優(yōu)勢能較好地適應(yīng)木寨嶺公路隧道地層，克服碳質(zhì)千枚巖無法獲取單軸抗壓強(qiáng)度的不足。軟弱破碎巖體的含量(主要為軟弱的碳質(zhì)千枚巖所占比例)直接影響著巖體的強(qiáng)度。

(3)巖體完整性：包括掌子面巖層平均厚度和巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值。圍巖的完整性是影響隧道圍巖開挖穩(wěn)定性的重要因素。巖體完整性指數(shù)Kv和巖體體積節(jié)理數(shù)Jv是評(píng)價(jià)隧道巖體完整性的常用指標(biāo)，但在軟弱、薄層、裂隙巖體中，很難準(zhǔn)確、快速地得到。木寨嶺公路隧道地層結(jié)構(gòu)破碎，屬于碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖自穩(wěn)能力差，開挖后極容易松動(dòng)坍塌，牽引后方巖體松弛變形。用掌子面巖層的平均厚度從橫斷面內(nèi)評(píng)價(jià)巖體的完整性，用RQD值從隧道縱向評(píng)價(jià)巖體的完整性，將二者綜合起來，能更加全面和準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)圍巖的完整性。

(4)地下水條件：包括開挖每延米洞長出水量和地下水特征。木寨嶺隧道地下水整體不發(fā)育，但偶有富水的儲(chǔ)水帶。地下水對(duì)圍巖的軟化作用明顯，尤其是碳質(zhì)千枚巖遇水2 h接近完全泥化崩解，喪失強(qiáng)度。同時(shí)，地下水增加圍巖自重、潤滑層理，會(huì)加劇大變形的發(fā)生。

3.2 各指標(biāo)綜合權(quán)重分析

基于木寨嶺隧道圍巖大變形各影響因素的統(tǒng)計(jì)規(guī)律及變形特性分析，根據(jù)Hoek、孟陸波和李天斌等[6,12,20-21]對(duì)影響軟巖大變形各指標(biāo)的研究及專家打分，通過采用Saaty[23]判斷矩陣標(biāo)準(zhǔn)度及其倒數(shù)的標(biāo)度方法，將層次結(jié)構(gòu)圖各層中的因子對(duì)上一層次目標(biāo)的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣，如表1～表5所示。將各層級(jí)指標(biāo)單權(quán)值與所屬類別權(quán)值進(jìn)行整合，得出8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于隧道變形的綜合權(quán)值集合，如表6所示。

表1 D-G判斷矩陣Tab.1 D-G judgment matrix

表2 巖層產(chǎn)狀條件指標(biāo)判斷矩陣Tab.2 Judgment matrix of conditional indicators of rock occurrence

表3 強(qiáng)度條件指標(biāo)判斷矩陣Tab.3 Judgment matrix of strength conditional indicators

表4 完整性條件指標(biāo)判斷矩陣Tab.4 Judgment matrix of integrity conditional indicators

表5 地下水條件指標(biāo)判斷矩陣Tab.5 Judgment matrix of groundwater conditional

表6 各指標(biāo)綜合權(quán)重總排序Tab.6 Overall ranking of comprehensive weight for each indicator

3.3 大變形分級(jí)及評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

根據(jù)木寨嶺隧道不同級(jí)別大變形段監(jiān)控量測結(jié)果，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及理論分析，將隧道變形劃分為5個(gè)等級(jí)：極嚴(yán)重大變形(變形量1 000～3 000 mm)、嚴(yán)重大變形(變形量800～1 000 mm)、中等大變形(變形量500～800 mm)、輕微大變形(變形量200～500 mm)、無大變形(變形量0～200 mm)。

基于木寨嶺公路隧道不同級(jí)別大變形各分級(jí)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特征，參照《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)[24]、《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3370. 1—2018)[25]、《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB-1003—2016)[26]和《鐵路擠壓性圍巖隧道技術(shù)規(guī)范》(Q/CR 9512—2019)[27]中各指標(biāo)的分級(jí)范圍，結(jié)合先前關(guān)于軟巖大變形分級(jí)指標(biāo)的研究[17,28]，提出了各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于不同級(jí)別大變形的界限及分布范圍，如表7所示。

表7 大變形綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)界限分布Tab.7 Distribution of large deformation comprehensive evaluation indicator limits

3.4 隸屬函數(shù)構(gòu)造

在大變形綜合模糊評(píng)測中，采用梯形隸屬函數(shù)對(duì)各參評(píng)因子的隸屬度進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)各影響因子的特點(diǎn)將其分為以下兩類。

第1類：所選取的指標(biāo)需要進(jìn)行定性分析，無法定量的對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)(如地下水特征)，其隸屬函數(shù)采用特征函數(shù)來進(jìn)行研究：

(6)

第2類：所選取的指標(biāo)可進(jìn)行精確量化，可定量分析其變化及發(fā)展規(guī)律(如點(diǎn)荷載強(qiáng)度等)，根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的的界限范圍，可確定隸屬函數(shù)。本研究所列隸屬函數(shù)為降半階梯型函數(shù)分布，對(duì)于升半階梯型分布的評(píng)價(jià)因子，在分析時(shí)將評(píng)價(jià)分級(jí)及隸屬度分布按相反方向分析即可。相應(yīng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)如表8所示。

上述區(qū)間隸屬度函數(shù)中，ui(x)為各評(píng)價(jià)指標(biāo)因子對(duì)應(yīng)于不同變形級(jí)別的隸屬函數(shù)；x為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值；a1，a2，a3，a4分別為各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)于不同變形等級(jí)的基準(zhǔn)界限值。

3.5 變形預(yù)測與工程驗(yàn)證

通過監(jiān)控量測和現(xiàn)場試驗(yàn)獲取木寨嶺公路隧道5個(gè)變形預(yù)測段的8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值，如表9所示。

將上述預(yù)測段的指標(biāo)值代入隸屬函數(shù)計(jì)算得出預(yù)測指標(biāo)模糊矩陣，進(jìn)而根據(jù)綜合權(quán)值計(jì)算預(yù)測段各變形等級(jí)隸屬度。以XK1+643為例，該段的隸屬度計(jì)算如下。

預(yù)測指標(biāo)單因素模糊矩陣：

各預(yù)測指標(biāo)的綜合權(quán)值：

ω=[0.091，0.031，0.314，0.104，0.279，0.139，

0.021，0.021]。

表8 隸屬函數(shù)分布表Tab.8 Distribution table of membership functions

表9 木寨嶺隧道軟巖大變形預(yù)測段各指標(biāo)值Tab.9 Indicator values of large deformation prediction section of soft rock in Muzhailing Tunnel

該預(yù)測段各大變形級(jí)別的隸屬度：

B=ωR=[0.428， 0.353， 0.177， 0.021， 0.021]。

類似地，可計(jì)算出其他預(yù)測段的隸屬度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 各預(yù)測段隸屬度柱狀圖Fig.5 Histogram of membership degree of each prediction segment

由圖5可得，各預(yù)測段最大隸屬度分別為 0.615，0.628，0.428，0.657，0.731。根據(jù)最大隸屬度原則，各預(yù)測段變形等級(jí)分別為極嚴(yán)重大變形、嚴(yán)重大變形、極嚴(yán)重大變形、極嚴(yán)重大變形、中等大變形。

3.6 不同預(yù)測方法對(duì)比

分別采用本研究方法和強(qiáng)度應(yīng)力比法[3,6]及其他模糊綜合評(píng)價(jià)法[20]對(duì)上述木寨嶺公路隧道5個(gè)樁號(hào)段的變形進(jìn)行預(yù)測，由于文獻(xiàn)[20]雖對(duì)大變形進(jìn)行了分級(jí)，但并未劃定各級(jí)別變形分級(jí)范圍，因此不同級(jí)別變形的分布范圍參照本研究的分布范圍取值。預(yù)測結(jié)果如表10和圖6所示。

由圖6可知，預(yù)測段圍巖大變形實(shí)測值均處于本方法預(yù)測的大變形分布范圍內(nèi)。而其他兩種方法預(yù)測精確度不高，實(shí)際變形量超過陳法和孟法預(yù)測范圍上限值的變形量最大可達(dá)上限值的2.4倍和4.4倍。分析上述對(duì)比結(jié)果，可得以下幾點(diǎn)：

(1)木寨嶺公路隧道在施工過程中，巖層產(chǎn)狀成為影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素，強(qiáng)度應(yīng)力法等預(yù)測方法雖考慮了巖石的強(qiáng)度、完整性等，卻未考慮巖石產(chǎn)狀對(duì)軟弱破碎圍巖大變形的影響。

(2)軟巖大變形受多因素控制，是一種非常復(fù)雜的與時(shí)間有關(guān)的彈黏塑性變形，其他預(yù)測方法僅根據(jù)單評(píng)價(jià)指標(biāo)或較少的評(píng)價(jià)指標(biāo)去預(yù)測大變形，顯然無法應(yīng)對(duì)大變形的復(fù)雜性。

表10 各方法預(yù)測結(jié)果對(duì)比Tab.10 Comparison of prediction results of different methods

圖6 不同預(yù)測方法預(yù)測結(jié)果對(duì)比分析Fig.6 Comparative analysis of prediction results of different prediction methods

(3)木寨嶺公路隧道的變形量較大，變形范圍遠(yuǎn)超普通大變形隧道，其他預(yù)測方法的變形分級(jí)已無法滿足木寨嶺公路隧道的實(shí)際變形情況，普適性較差。

(4)木寨嶺公路隧道巖性結(jié)構(gòu)屬于砂質(zhì)板巖和碳質(zhì)千枚巖軟硬互層巖石，不是單一巖性，且隧道的大變形不只由軟弱碳質(zhì)千枚巖的巖性控制，同時(shí)還受巖層組合結(jié)構(gòu)復(fù)合控制。其他預(yù)測方法多是基于單一巖性，故應(yīng)用于木寨嶺公路隧道大變形預(yù)測時(shí)準(zhǔn)確度不高。

(5)其他預(yù)測方法中的大多數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)均是現(xiàn)場取樣后由室內(nèi)試驗(yàn)獲得，然而隧道內(nèi)大變形區(qū)域的應(yīng)力場極其復(fù)雜，試驗(yàn)樣本取樣后的應(yīng)力狀態(tài)相比于原位應(yīng)力場有較大變化，其相應(yīng)的指標(biāo)與原位巖層中實(shí)際值有一定區(qū)別，這種區(qū)別導(dǎo)致了預(yù)測結(jié)果與實(shí)際情況有所偏差。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合木寨嶺公路隧道大變形統(tǒng)計(jì)情況，基于模糊綜合評(píng)價(jià)法和層次分析法，提出了適用于軟弱破碎圍巖隧道施工階段大變形分級(jí)預(yù)測的模糊層次綜合評(píng)價(jià)方法。

(2)選取巖層產(chǎn)狀、強(qiáng)度、完整性和地下水作為大變形的分級(jí)和評(píng)價(jià)指標(biāo)。為了充分考量4類指標(biāo)對(duì)大變形的影響，共選取了結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線夾角、結(jié)構(gòu)面傾角、點(diǎn)荷載強(qiáng)度、掌子面軟巖比例、掌子面巖層平均厚度、巖體RQD值、每延米洞長出水量、地下水特征8項(xiàng)指標(biāo)對(duì)大變形進(jìn)行分級(jí)預(yù)測。同時(shí)，根據(jù)木寨嶺隧道變形的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將隧道大變形分為無大變形、輕微大變形、中等大變形、嚴(yán)重大變形和極嚴(yán)重大變形5個(gè)等級(jí)，并提出了8項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)于不同大變形級(jí)別的界限和分布范圍。

(3)本預(yù)測方法在木寨嶺公路隧道變形段的工程實(shí)踐表明，該方法的工程適用性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高。將本研究方法與陳子全法、孟陸波法和Jethwa法應(yīng)用于木寨嶺公路隧道5個(gè)變形段進(jìn)行比較分析，得到實(shí)際變形量超過陳法和孟法預(yù)測范圍上限值的變形量最大可達(dá)上限值的2.4倍和4.4倍。