成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院 四川 成都 610059

1 引言

巖爆是高地應(yīng)力環(huán)境下常發(fā)生的工程地質(zhì)問(wèn)題。它是人類(lèi)工程誘發(fā)的一種動(dòng)力失穩(wěn)的地質(zhì)災(zāi)害[1]，。本文在前人運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法對(duì)巖爆的綜合預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入溫度作為判據(jù)因素之一，避免預(yù)測(cè)的局限性，實(shí)現(xiàn)綜合預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率的提高。

2 建立數(shù)學(xué)模型

首先建立巖爆影響因素層次分析模型，將總結(jié)影響巖爆發(fā)生的8個(gè)判據(jù)因素，根據(jù)性質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)，運(yùn)用層次分析法梳理好這各個(gè)因素之間的關(guān)系。

2.1 選取判據(jù)因素 在判據(jù)因素的選取上，主要考慮兩個(gè)方面。一是反映巖體基本條件的影響因素，如代表圍巖的堅(jiān)硬脆性程度的強(qiáng)度脆性指數(shù)、圍巖級(jí)別、RQD指標(biāo)。二是客觀影響巖體應(yīng)力變化的因素，如應(yīng)力指數(shù)、應(yīng)力系數(shù)與外水壓力、彈性模量以及本文研究引入的一個(gè)新的判據(jù)因素——溫度。在運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法預(yù)測(cè)巖爆的各案例中還尚未有相關(guān)研究。

2.2 建立判斷矩陣 采用標(biāo)度法[2]，建立8個(gè)影響因素的判斷矩陣。在R2矩陣中，K7為地溫影響因子，溫度主要是影響巖性，相對(duì)應(yīng)力條件來(lái)說(shuō)，影響稍弱一點(diǎn)。所以在R2中，溫度效應(yīng)的權(quán)重稍弱于其他判據(jù)。除了考慮溫度效應(yīng)對(duì)巖爆的影響外，還引入了外水壓力作為判據(jù)之一。

2.3 因素層次結(jié)構(gòu)分析

由M-N判斷矩陣可知

由N1-K判斷矩陣

同理可得該矩陣權(quán)向量ω2=(0.455，0.455，0.009)T，計(jì)算一致性指標(biāo)C.I=0.52，C.I/R.I=0=＜0.1，層次排序一致性令人滿(mǎn)意。

由N2-K判斷矩陣

同理可得權(quán)向量ω3=(0.341，0.169，0.066，0.066，0.358)T，計(jì)算一致性指標(biāo)C.I=0.093，R.I=1.12，C.I/R.I=0.0083＜0.1層次排序一致性令人滿(mǎn)意。

故根據(jù)以上各判斷矩陣層次單排序結(jié)果可得層次總排序結(jié)果：K1=K2＞K8＞K4＞K3＞K5＞K6=K7。從層次總排序可以知道，根據(jù)西南地區(qū)地質(zhì)條件，經(jīng)過(guò)修正權(quán)重系數(shù)，影響程度最大的為圍巖級(jí)別K2、強(qiáng)度應(yīng)力比指數(shù)K1，影響較小的為外水壓力K1、溫度K3。

3 巖爆的綜合評(píng)判

各巖爆發(fā)生的評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù)符合二次拋物線(xiàn)分布，該標(biāo)準(zhǔn)方程為：

巖爆烈度分級(jí)判據(jù)[3]主要參考設(shè)計(jì)規(guī)范和文獻(xiàn)，如溫度判據(jù)[4]為：無(wú)巖爆K7＜20；輕微巖爆：20～40；中等巖爆：40～60；強(qiáng)巖爆＞60。強(qiáng)度脆性指數(shù)判據(jù)為：無(wú)巖爆K7＞40；輕微巖爆：40～26.7；中等巖爆：26.7～14.5；強(qiáng)巖爆＜14.5。

4 案例研究

4.1 案例概況 錦屏二級(jí)水電站是擁有世界最大規(guī)模引水隧洞群的引水式發(fā)電站。本工程需開(kāi)挖最大埋深2 500 m左右深埋長(zhǎng)引水隧洞。為了解地下洞室的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，前期曾開(kāi)挖了2條長(zhǎng)約5 km的探洞。將本文所提方法應(yīng)用于錦屏長(zhǎng)探洞段K1+511～K2+480，將實(shí)測(cè)相關(guān)因素?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法進(jìn)行評(píng)判[6]。

該洞段取值為：K1=24.1，K2=1.5(Ⅱ～Ⅲ級(jí))，K3=0.84，K4=0.41，K5=180，K6=11，K7=17.68，K8=0.24。

可得在K1+511～K2+480各判據(jù)的單因素評(píng)判模糊子集Ui，得一個(gè)模糊關(guān)系集Q：

由判斷矩陣得的層次總排序結(jié)果，即各因子權(quán)重分配為巖爆主控因素集ω：

(0.303，0.303，0.091，0.114，0.056，0.022，0.022，0.119)

采用模糊變換可得該里程的綜合評(píng)判集B

B=ω·Q=(0.317，0.815，0.648，0.204)；

B′=(0.160，0.411，0.324，0.103)；

根據(jù)最大隸屬度原則B′=Bmax′=0.411，所以預(yù)測(cè)該里程K1+511～K2+480有輕微巖爆發(fā)生，與實(shí)際工程開(kāi)挖結(jié)果相符合。

5 結(jié)論

本文主要結(jié)論如下：

(1)巖爆的產(chǎn)生的機(jī)理也較為復(fù)雜，要根據(jù)工程實(shí)際情況選取判據(jù)因素，并調(diào)整權(quán)重，避免單一因子判定帶來(lái)的局限性。本文針對(duì)錦屏水電站探洞施工過(guò)程的具體情況，引入獨(dú)具代表性的影響因子，例如考慮溫度效應(yīng)和外水壓力等，作為本文研究的合理判據(jù)，但溫度和水壓對(duì)巖爆判定結(jié)果影響有限。

(2)在層次分析法的過(guò)程中，評(píng)判因子的權(quán)重分配根據(jù)西南地區(qū)隧道施工的具體情況來(lái)決定，在本文中，權(quán)重分配更強(qiáng)調(diào)巖體結(jié)構(gòu)的影響作用，故巖體結(jié)構(gòu)影響因子的權(quán)重大于巖體應(yīng)力影響因子的權(quán)重。