王 旭

（中鐵上海設(shè)計院集團有限公司 工勘院地質(zhì)所,上海 200070）

0 引言

高速鐵路在通過山區(qū)時，往往需要興建大量的橋梁以及隧道。其中大量隧道進出口的邊、仰角高陡，地質(zhì)條件惡劣，在雨水以及地震等自然災(zāi)害的作用下產(chǎn)生危巖崩塌現(xiàn)象，對路基、橋梁、隧道等的建設(shè)與運營安全影響極大。針對危巖落石的評價，國內(nèi)外尚無通行的評價方法。筆者通過查閱中外文獻，對比分析了幾種評價方法后發(fā)現(xiàn)使用可拓法評價危巖落石風(fēng)險的優(yōu)勢明顯，只要建立合理的評價體系，通過量化評價指標，使用簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)法計算各指標所占權(quán)重，可以得出較為符合實際的風(fēng)險評價結(jié)果，并通過工程實例驗證了該方法的合理性。

1 危巖落石風(fēng)險可拓評估流程與理論模型

我國學(xué)者蔡文[1]研究員于1983年創(chuàng)立了一門原創(chuàng)性橫斷學(xué)科——可拓學(xué)，通過建立多指標的評估模型來完整評價事物。邊坡危巖體崩塌落石風(fēng)險的可拓評估流程如圖1所示。

圖1 危巖落石風(fēng)險可拓評估流程圖

1.1 建立經(jīng)典域、節(jié)域與待評物元

物元是基元類別中的一種，屬于可拓學(xué)的邏輯細胞之一。物元是形式化描述事物的基本元，由事物特征的名稱及相應(yīng)的量值構(gòu)成的有序的三元組表示，即物元=（物，特征名，量值）。給定特征c，它的量值的取值范圍稱為c的量域，也叫節(jié)域。特征的量域的一部分稱為量值域，也叫經(jīng)典域。

設(shè)物元：

式中，Rj——第j個同征物無；Nj——所劃分的第j個評價級別；Cj——第j個評價指標；Vij——Nj關(guān)于指標Cj所規(guī)定的取值范圍，Vij=〈aij，bij〉，即經(jīng)典域。

以邊坡落石沖擊明洞結(jié)構(gòu)為研究對象時可得到物元如下：

式中，P——待評價危巖落石的全體；Vip——Vip=〈aip，bip〉為P關(guān)于指標Ci的取值范圍，即P的節(jié)域，VijVip。

對待評的危巖P，把所收集到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)或分析結(jié)果用物元R表示，則稱R為待評物元。

式中，p——某一具體風(fēng)險危巖；vi——p關(guān)于評價指標ci的值，即危巖的具體指標數(shù)據(jù)。

1.2 計算評價指標權(quán)重

使用簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)法確定各指標的權(quán)重，其考慮到各評價指標的權(quán)重并不是絕對的，而是相對的，隨相對具體的數(shù)據(jù)與標準而改變，因此更具有客觀性、合理性。

設(shè)

式中，i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

若vi∈Vip，則有：

若指標c1落入的級別越高，則該指標應(yīng)賦予越大的權(quán)重，則有：

若c1指標落入的級別越高，則該指標應(yīng)賦予越小的權(quán)重，則有：

則指標c1的權(quán)重為：

1.3 計算待評危巖落石物元的關(guān)聯(lián)函數(shù)值

關(guān)聯(lián)函數(shù)可以精確反映事物所處的狀態(tài)，為對象的量化帶來了方便。當關(guān)聯(lián)函數(shù)值處于臨界值時，其發(fā)展趨勢可能向大于零或小于零的方向，也可能繼續(xù)處于臨界狀態(tài)。

式中：

1.4 評估待評危巖落石的風(fēng)險

隧道洞口段待評危巖落石風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)如下：

若

則p評定屬于等級j0。

令

則j*稱為p的級別變量特征值。例如j0=3，j*=3.5則表明待評對象p的風(fēng)險處于j0=3級，即為3級風(fēng)險，嚴格評價應(yīng)屬于3.5級，即j*代表p所屬等級偏向另一級的程度。

2 可拓法危巖落石風(fēng)險體系的確定

基于以往研究[2]，危巖落石災(zāi)害的發(fā)生可以總結(jié)為兩個過程：①危巖脫離基巖；②落石在邊坡上運動。綜合考慮各種影響因素，適用于可拓法研究的危巖落石影響因素有十二條[3]，分別為：巖石本身風(fēng)化程度、溫差、濕度、巖石類型與特性、地震發(fā)生的概率、地震發(fā)生的烈度、降水量、落石高度、落石質(zhì)量、落石形狀、邊坡坡度、植被覆蓋率。

2.1 建立基于指導(dǎo)地質(zhì)工程選線與危巖落石防治措施的危巖落石雙風(fēng)險評價體系

回顧以往研究，往往直接使用模型計算得出風(fēng)險評價等級結(jié)論。該文提出了一種新型的雙風(fēng)險評價體系，通過對指標的合理劃分，可顯著改善風(fēng)險評價的效果。

雙風(fēng)險評價體系的優(yōu)點：通過劃分，將影響當下的風(fēng)險指標與影響未來發(fā)生風(fēng)險的指標區(qū)分開來，有利于分析危險源，更準確地揭示了風(fēng)險源和人力可以改變的風(fēng)險程度。

現(xiàn)將評價指標劃分為兩大類：①現(xiàn)時風(fēng)險；②未來風(fēng)險。

現(xiàn)時風(fēng)險指目前待評區(qū)域發(fā)生災(zāi)害的風(fēng)險性，指標包括：巖石本身風(fēng)化程度、落石形狀、落石質(zhì)量、落石高度、巖石類型與特性、邊坡坡度、植被覆蓋率?，F(xiàn)時風(fēng)險可通過人工工程措施進行改善，從而降低當下發(fā)生風(fēng)險的可能性。

未來風(fēng)險指的是待評區(qū)域?qū)戆l(fā)生災(zāi)害的風(fēng)險性，屬于區(qū)域性，人力難以改變的因素。指標包括：地震發(fā)生的概率、地震發(fā)生的烈度、降水量、溫差、濕度、植被覆蓋率、巖石類型與特性。

2.2 確定危巖落石風(fēng)險評價等級

目前針對落石沖擊隧道明洞的風(fēng)險評價相對較少，因此風(fēng)險評價等級劃分時，應(yīng)根據(jù)對以往危巖崩塌落石風(fēng)險評價的研究[4]，并結(jié)合工程實際聯(lián)合確定。將落石風(fēng)險等級定為極低風(fēng)險（Ⅰ）、低風(fēng)險（Ⅱ）、中等風(fēng)險（Ⅲ）、高風(fēng)險（Ⅳ）與極高風(fēng)險（Ⅴ）五類，其相應(yīng)的評價標準根據(jù)以往的風(fēng)險評價等級，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件與明洞情況綜合確定，如表1所示。

表1 危巖落石風(fēng)險評價參數(shù)

2.3 評價指標無因次化

將評價標準進行無量綱化處理，確定其各指標所處的風(fēng)險等級。

若計算后的數(shù)值越大，風(fēng)險越低，對安全越有利，采用下式計算：

若計算后的數(shù)值越大，風(fēng)險越高，對安全不利，采用下式計算：

3 危巖落石雙風(fēng)險評價體系在山區(qū)鐵路勘察中的應(yīng)用

根據(jù)野外調(diào)繪工作結(jié)果顯示該山區(qū)某隧道進口段處危巖落石情況突出，現(xiàn)選取該段危巖體作為研究對象，使用可拓法進行風(fēng)險評估。

3.1 危巖體風(fēng)險平均參數(shù)無量綱化處理

根據(jù)現(xiàn)場實際情況并結(jié)合當?shù)刈匀粭l件因素，獲得現(xiàn)時風(fēng)險評價體系具體信息，如表2所示。

表2 隧道進口段危巖體現(xiàn)時風(fēng)險評價參數(shù)

根據(jù)收集到的水文地質(zhì)資料，以及現(xiàn)場踏勘采集信息，得到以下該區(qū)域未來風(fēng)險評價指標，如表3所示。

表3 隧道進口段危巖體未來風(fēng)險評價參數(shù)

3.2 計算并求得危巖落石風(fēng)險評估結(jié)果

根據(jù)式（2）~（16），求得巖塊現(xiàn)時風(fēng)險等級與相應(yīng)的變量特征值如表4所示。

表4 危巖體現(xiàn)時風(fēng)險等級評定結(jié)果

求得該區(qū)域巖塊未來風(fēng)險等級與相應(yīng)的變量特征值如表5所示。

表5 危巖體未來風(fēng)險風(fēng)險等級評定結(jié)果

根據(jù)風(fēng)險評價結(jié)果，該山區(qū)高鐵沿線地質(zhì)情況較為復(fù)雜，歷史上發(fā)生過7級以上地震，存在大型斷裂，斷裂分布較密集；降雨量大，空氣較為濕潤，裸露巖石易風(fēng)化。綜合各自然地理指標，擬建鐵路沿線危巖落石災(zāi)害未來風(fēng)險等級普遍較高，顯示該區(qū)域自然地理條件易發(fā)展危巖落石災(zāi)害，在后續(xù)的建設(shè)及運營過程中，需持續(xù)觀測發(fā)展情況。

4 結(jié)論

（1）使用可拓法進行危巖落石風(fēng)險等級的評估是合理的、可行的，其標準、量化了危巖落石風(fēng)險等級的評價，對實現(xiàn)地質(zhì)選線起到了積極的輔助指導(dǎo)意義。

（2）分析研究了構(gòu)成危巖落石風(fēng)險評價體系的各個指標，探討了指標相關(guān)性對可拓法使用的影響，建立了符合獨立性原則的風(fēng)險評估體系，改善了模型結(jié)論的精度。

（3）提出、建立了危巖落石雙風(fēng)險評價體系。通過劃分，將影響當下的風(fēng)險指標與影響未來發(fā)生風(fēng)險的指標區(qū)分開來，更有利于分析危險源，更準確地揭示了不可抗拒的自然風(fēng)險程度和人力可以改變的風(fēng)險程度。

（4）將建立的模型應(yīng)用于山區(qū)高鐵的地質(zhì)選線工作中，與現(xiàn)場吻合程度高，起到了良好的輔助指導(dǎo)作用。