袁 可

(中鐵二十局集團(tuán)第一工程有限公司 江蘇蘇州 215151)

1 引言

隧道熱害問(wèn)題是深埋隧道施工面臨的主要不良地質(zhì)問(wèn)題之一，高溫隧道不僅會(huì)對(duì)施工人員造成影響和危害，同時(shí)也會(huì)對(duì)圍巖及隧道本身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。隧道工程埋深逐漸變大，隧道長(zhǎng)度也逐漸變長(zhǎng)，隧道選線無(wú)法躲避不良地質(zhì)區(qū)，造成高地溫區(qū)隧道熱害現(xiàn)象逐漸增多[1]，隧道熱害問(wèn)題也越來(lái)越被學(xué)者們所重視，諸多學(xué)者基于不同地域隧道工程對(duì)隧道熱害問(wèn)題特征及成因進(jìn)行了探討及分析。侯新偉等[2]基于專家打分法和層次分析法確定隧道熱害影響因素及等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。范磊[3]以高黎貢山隧道為依托，分析了高地溫隧道熱害特征，并提出相應(yīng)的隧道降溫設(shè)計(jì)方法。劉珣[4]以某鐵路超高溫隧道為依托，得出高地溫隧道的超高地溫成因是地層的高地?zé)嶂狄约暗貙恿芽p帶出高水溫地下水及水汽的活動(dòng)所導(dǎo)致。趙國(guó)斌等[5]分析某地下工程高地溫表現(xiàn)形式，并從區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、地?zé)豳Y源賦存特征、地下水活動(dòng)的不良條件及熱源導(dǎo)熱體四個(gè)方面分析了該區(qū)域地下工程高地溫現(xiàn)象成因。王生仁等[6]依托某隧道開(kāi)展地質(zhì)調(diào)查及勘測(cè)研究，分析了研究區(qū)內(nèi)地溫分布特征。雷俊峰[7]基于某鐵路隧道工程，分析了通過(guò)區(qū)地?zé)崽卣骷爱a(chǎn)生原因，為工程施工提供了相應(yīng)對(duì)策。

雖然已有不少學(xué)者對(duì)不同地區(qū)高溫隧道熱害影響因素進(jìn)行了歸納分析，但未對(duì)隧道熱害成因的共同特點(diǎn)分析總結(jié)，缺少對(duì)各影響因素之間重要性次序的分析。本文總結(jié)描述高溫隧道熱害的特點(diǎn)，并對(duì)隧道熱害影響因素進(jìn)行定量分析，揭示不同影響因素對(duì)隧道熱害的影響機(jī)理。依托某鐵路工程，建立隧道熱害影響因素分析指標(biāo)體系，采用熵值賦權(quán)法，進(jìn)行熱害影響因素權(quán)重分析得出不同影響因素重要性排序，從而為隧道線路選線設(shè)計(jì)提供重要科學(xué)依據(jù)。

2 高溫隧道熱害特點(diǎn)及影響因素

2.1 高溫隧道熱害特點(diǎn)

高溫隧道熱害主要是指高巖溫及高水溫對(duì)隧道施工造成的危害。在高地溫地區(qū)修建隧道時(shí)，當(dāng)洞身圍巖溫度達(dá)到35℃左右、隧道內(nèi)相對(duì)濕度達(dá)到80%以上時(shí)，高地溫問(wèn)題將變得尤為突出[8]，我國(guó)部分高溫隧道熱害問(wèn)題類型及概況見(jiàn)表1[9]。高溫隧道熱害對(duì)隧道的影響有如下特點(diǎn):

表1 我國(guó)部分隧道熱害類型

(1)在熱源作用下，高溫隧道熱害持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，從隧道施工修建到隧道建成運(yùn)營(yíng)各個(gè)時(shí)段均受到高溫?zé)岷τ绊?，需要持續(xù)對(duì)隧道進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)。

(2)由于熱傳導(dǎo)作用的特點(diǎn)，致使隧道熱害作用范圍較廣。隧道熱害區(qū)較大范圍內(nèi)均會(huì)受到其造成的溫度影響。

(3)因?yàn)樗淼纼?nèi)空氣流通較差，且隧道內(nèi)外溫差較大，所以隨著隧道掌子面距洞口的距離越遠(yuǎn)，熱害影響效應(yīng)越明顯。

(4)高溫會(huì)造成巖石熱應(yīng)力效應(yīng)，圍巖溫度每增加1℃，在巖石內(nèi)產(chǎn)生0.4～0.5 MPa的熱應(yīng)力變化，當(dāng)溫度達(dá)到臨界值時(shí)，可能誘發(fā)巖爆發(fā)生。并且，因溫度引起的熱應(yīng)力改變將會(huì)持續(xù)作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性能。

2.2 高溫隧道熱害影響因素

影響隧道熱害因素有很多，歸納為圍巖性質(zhì)、環(huán)境和地質(zhì)條件及隧道施工設(shè)計(jì)三個(gè)方面。圍巖性質(zhì)因素包含巖石孔隙率、圍巖導(dǎo)熱系數(shù)、圍巖溫度及節(jié)理裂隙是否發(fā)育等圍巖巖體自身性質(zhì)因素；環(huán)境和地質(zhì)條件因素包含地下水溫度及流速、氣溫、海拔、大氣壓力、地下水流速、近期巖漿活動(dòng)及斷層數(shù)量等環(huán)境、氣候及地質(zhì)構(gòu)造條件因素；施工設(shè)計(jì)因素包含隧道埋深、隧道長(zhǎng)度、進(jìn)出口海拔高差及隧道斷面大小等隧道設(shè)計(jì)施工因素。這都為地下熱源的產(chǎn)生和傳導(dǎo)提供了條件。

與隧道凍害多發(fā)生于洞口段不同，隧道熱害多發(fā)生于洞身段。當(dāng)圍巖導(dǎo)熱系數(shù)較大時(shí)，熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)作用于圍巖，并且當(dāng)圍巖溫度升高，熱量通過(guò)熱輻射傳遞給隧道內(nèi)部，對(duì)隧道內(nèi)溫度造成一定的影響；地下水活動(dòng)是影響隧道熱害的一個(gè)重要因素，地下深循環(huán)熱水水源主要來(lái)自于大陸環(huán)境的大氣降水、淺表水入滲匯合而成[10]，地下水流經(jīng)地下熱源加熱，同時(shí)雨水或地表水經(jīng)斷層構(gòu)造下滲深部，經(jīng)過(guò)深部熱源加熱后，裂隙水帶出熱，通過(guò)斷層、巖體孔隙及節(jié)理裂隙使得圍巖溫度急劇上升，由于水熱活動(dòng)嚴(yán)格受斷裂、褶皺構(gòu)造控制，分布于多個(gè)局部水熱系統(tǒng)內(nèi)[11]。在地震作用下斷層摩擦?xí)峁嵩?，同樣近期巖漿活動(dòng)也會(huì)為隧道熱害提供熱源，地下賦存的巖漿通過(guò)斷層向上移動(dòng)，其對(duì)隧道局部溫度影響較大，這兩種不同熱源對(duì)隧道熱害產(chǎn)生不同程度的影響。隨著隧道埋深增加，若按正常的地溫梯度計(jì)算，隧道中的地溫逐漸增高，以至于出現(xiàn)高地溫問(wèn)題[12]。

綜上所述，隧道的高溫?zé)岷?wèn)題并不是某一因素單獨(dú)作用而成，是多種因素耦合所致。其最主要的原因?yàn)榈叵滤顒?dòng)、巖漿及斷層活動(dòng)與隧道埋深共同作用而導(dǎo)致的不良地質(zhì)問(wèn)題。所以定量探究各因素對(duì)隧道熱害問(wèn)題影響權(quán)重對(duì)預(yù)測(cè)及針對(duì)性解決隧道熱害問(wèn)題意義重大。

3 基于熵值法的高溫隧道熱害發(fā)生影響因素權(quán)重分析

3.1 熵值法

熵值法又名熵值賦權(quán)法，是德國(guó)著名物理學(xué)家T.Clausuis提出的一種客觀賦權(quán)法，其原理是通過(guò)給出的定量數(shù)據(jù)，計(jì)算出各影響因素的熵值，若熵值越小，則表明該因素信息量越大，不確定性越小，離散程度越大，對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響也就越大，所占權(quán)重越大。其分析步驟如下:

(1)數(shù)據(jù)收集整理

利用實(shí)際數(shù)據(jù)構(gòu)造一個(gè)有m行、n列的初始數(shù)據(jù)矩陣K，其中m代表有m個(gè)樣本對(duì)象，n代表有n個(gè)影響因素指標(biāo)。

式中:kij為第i樣本對(duì)象、第j個(gè)影響因素的數(shù)據(jù)(1≤i≤m，1≤j≤n)。

(2)指標(biāo)無(wú)量綱化處理

本文采用極值化方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理。

式中:max(kj)和min(kj)分別為影響因素j中各樣本對(duì)象中的最大值和最小值。

(3)建立數(shù)據(jù)概率矩陣

式中:0≤pij≤1。

結(jié)合式(3)、式(4)可得到指標(biāo)數(shù)據(jù)的概率矩陣。

(4)計(jì)算指標(biāo)信息熵式中:ej為第j個(gè)指標(biāo)的信息熵，且0≤ej≤1；K為調(diào)節(jié)系數(shù)，。

(5)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

式中:hj為指標(biāo)的差異性系數(shù)。

由式(5)得到指標(biāo)的信息熵后通過(guò)式(6)計(jì)算出指標(biāo)的差異性系數(shù)。差異性系數(shù)越大，則該指標(biāo)信息載量越大，權(quán)重也就越大。

式中:wj為指標(biāo)j所占權(quán)重，且0≤wj≤1。

經(jīng)過(guò)一系列分析計(jì)算，最終可得到各影響因素指標(biāo)所占權(quán)重。

3.2 高溫隧道熱害的層次分析體系及指標(biāo)分析

依據(jù)高溫隧道熱害問(wèn)題影響因素，并結(jié)合隧道實(shí)際數(shù)據(jù)，選取指標(biāo)分析體系建立見(jiàn)表2。

表2 高溫隧道熱害問(wèn)題影響因素指標(biāo)體系

經(jīng)過(guò)上文分析，將影響隧道熱害圍巖物理力學(xué)性質(zhì)、環(huán)境及地質(zhì)條件和隧道施工設(shè)計(jì)三個(gè)概括性因素設(shè)置為一級(jí)指標(biāo)。根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)可得性，依據(jù)?鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范?由于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖完整性較差且節(jié)理較發(fā)育，所以選?、?、Ⅴ級(jí)圍巖占比作為圍巖物理力學(xué)性質(zhì)一級(jí)指標(biāo)下的二級(jí)指標(biāo)。選取具有典型代表性的定量指標(biāo)中的平均海拔、斷層數(shù)量及涌水量作為環(huán)境及地質(zhì)條件下的二級(jí)指標(biāo)，隧道長(zhǎng)度、進(jìn)出口海拔差及埋深作為隧道施工設(shè)計(jì)下的二級(jí)指標(biāo)。由此建立高溫隧道熱害問(wèn)題影響因素指標(biāo)體系。

3.3 隧道熱害指標(biāo)權(quán)重確定

對(duì)某線10座隧道8個(gè)影響因素指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分析，通過(guò)m＝10、n＝8構(gòu)造出一個(gè)10×8的初始數(shù)據(jù)矩陣，利用式(2)計(jì)算出的數(shù)據(jù)無(wú)量綱化結(jié)果見(jiàn)表3，利用計(jì)算式(4)～式(7)計(jì)算出各指標(biāo)的信息熵、差異性系數(shù)及指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表4、表5。

表3 無(wú)量綱化數(shù)據(jù)

表4 隧道熱害影響因素一級(jí)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

表5 隧道熱害影響因素二級(jí)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

由熵值賦權(quán)法計(jì)算分析結(jié)果可知，圍巖物理力學(xué)性質(zhì)因素、環(huán)境和地質(zhì)條件因素及施工設(shè)計(jì)因素3個(gè)一級(jí)指標(biāo)三者權(quán)重分別為8.16%、64.98%及26.86%。其下選取的影響高溫隧道熱害8個(gè)因素所占權(quán)重中，斷層數(shù)量占比最大為44.53%，其次為涌水量及進(jìn)出口海拔高差，分別占比19.92%和19.57%，經(jīng)圍巖分級(jí)后Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖占比權(quán)重合計(jì)為8.16%，埋深、隧道長(zhǎng)度及平均海拔相對(duì)占比較少，依次為4.12%、3.16%和0.54%?？梢?jiàn)，環(huán)境和地質(zhì)條件因素對(duì)高溫隧道熱害問(wèn)題影響最大，施工設(shè)計(jì)因素次之，圍巖物理力學(xué)性質(zhì)因素最小，這進(jìn)一步說(shuō)明，隧址區(qū)是否有熱源是隧道熱害問(wèn)題發(fā)生的主要條件，而圍巖物理力學(xué)性質(zhì)為熱量傳遞的途徑。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)高溫隧道熱害影響因素進(jìn)行分析，得出各影響因素對(duì)隧道熱害問(wèn)題影響程度大小排序，直觀反映隧道熱害各影響因素的影響程度，為預(yù)測(cè)高溫隧道熱害問(wèn)題發(fā)生的可能性提供了一定的數(shù)據(jù)支持及理論依據(jù)。

(2)環(huán)境及地質(zhì)條件為影響隧道熱害問(wèn)題的主要一級(jí)指標(biāo)，斷層數(shù)量、涌水量及進(jìn)出口海拔差為影響隧道熱害問(wèn)題的主要二級(jí)指標(biāo)。

(3)根據(jù)本文計(jì)算分析結(jié)果，環(huán)境及地質(zhì)條件因素對(duì)隧道影響最大，所占權(quán)重為64.98%，并且在此一級(jí)指標(biāo)下的二級(jí)指標(biāo)中，斷層數(shù)量所占權(quán)重為44.53%，對(duì)隧道熱害問(wèn)題影響程度最大。在隧道施工前應(yīng)做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，探明隧址區(qū)地質(zhì)情況，針對(duì)高溫隧道熱害問(wèn)題及時(shí)采取相應(yīng)降溫及施工措施，見(jiàn)圖1。

圖1 隧道主動(dòng)降溫措施