苑東亮 賀 琳 黃 銘 任連偉
(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,河南 焦作 454003)
在非煤金屬礦山生產(chǎn)中,礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用遺留下大面積的采空區(qū)場地,改變了原有地層和巖體的地質(zhì)特征,致使圍巖應(yīng)力發(fā)生變化,引起圍巖失穩(wěn)、上覆巖層開裂、彎曲、垮落,直到整體下沉,導(dǎo)致地表變形和破壞,給采空區(qū)場地公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來了極大的困難和隱患[1-2]。隨著我國高鐵建設(shè)的飛速發(fā)展,一些關(guān)鍵線路難免穿越采空區(qū)場地,由于高速鐵路運(yùn)行速度高,對采空區(qū)地基穩(wěn)定性要求較為嚴(yán)苛,當(dāng)現(xiàn)場條件難以繞避時(shí)一般采用注漿充填法進(jìn)行地基處理[3-4]。采空區(qū)注漿工程為隱蔽工程,開展高鐵荷載下采空區(qū)地基注漿治理的影響因素分析,對于提高注漿質(zhì)量、保證鐵路安全運(yùn)營具有重要意義。
目前,不同學(xué)者針對采空區(qū)地基注漿治理開展了一系列研究,主要集中在不同開采方式、不同地質(zhì)條件、不同類型工程建設(shè)和不同注漿材料等方面。王兵強(qiáng)[5]論述了深部條帶采空區(qū)注漿施工的控制要點(diǎn),提出了“即時(shí)檢測+工后檢測”的綜合檢測方法;張志沛等[6]以某急傾斜厚煤層采空區(qū)為研究對象,運(yùn)用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比分析,評價(jià)了采空區(qū)治理效果;茍德明等[7]以高速公路隧道下伏小煤窯采空區(qū)為例,對采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià)并模擬分析了注漿治理效果;何騫[8]以城市建筑固廢為原材料代替部分粉煤灰制備采空區(qū)充填漿液,并討論了不同采空條件下漿液配比的選擇方法。我國以往也有鐵路穿越采空區(qū)場地的實(shí)例,如膠濟(jì)線提速改造及膠濟(jì)客運(yùn)專線建設(shè)采用鉆孔注漿進(jìn)行處理[9];玉磨鐵路經(jīng)過地質(zhì)選線研究認(rèn)為采空區(qū)治理難度較大,應(yīng)采取避繞方案[10]。除此之外,還有部分學(xué)者及單位開展過相關(guān)研究,如新建鐵路南欽線針對不同的危險(xiǎn)區(qū)域提出以注漿為主的綜合治理措施[11],太焦高鐵線路下采空區(qū)采用全充填壓力注漿對地基進(jìn)行加固[12]。這些研究為進(jìn)一步開展高速鐵路循環(huán)動(dòng)荷載下采空區(qū)地基治理提供了基礎(chǔ)理論?,F(xiàn)階段,相當(dāng)一部分研究基于現(xiàn)有理論,局限于通過給定的檢測指標(biāo)對施工完成后的注漿效果進(jìn)行評價(jià)[13-19],但是注漿效果受到多種因素的綜合影響,現(xiàn)有研究未能形成完整的高鐵采空區(qū)地基注漿治理影響因素體系,缺乏系統(tǒng)性、全面性和層次性研究。
因此,本研究立足于現(xiàn)有成果,梳理相關(guān)法規(guī)和實(shí)證研究資料,篩選一系列注漿效果影響因素,并通過問卷調(diào)查和專家訪談法,對初步識(shí)別的影響因素進(jìn)行系統(tǒng)性歸納和優(yōu)化。再通過模糊集理論(Fuz-zy Set Theory)、決策實(shí)驗(yàn)室分析法(Decision-Making Trial and Evaluation Laboratory,DEMATEL)和解釋結(jié)構(gòu)模型(Interpretative Structural Modeling,ISM)分析所構(gòu)建的影響因素系統(tǒng),揭示系統(tǒng)中各個(gè)因素的層次結(jié)構(gòu)和內(nèi)在聯(lián)系,識(shí)別關(guān)鍵因素,為提高列車循環(huán)荷載作用下的采空區(qū)注漿治理質(zhì)量提供初步對策。
本研究通過文獻(xiàn)調(diào)研,對高鐵采空區(qū)地基注漿治理影響因素進(jìn)行進(jìn)一步識(shí)別與歸納,最終形成包括采空區(qū)賦存、工程地質(zhì)、注漿質(zhì)量、交通、其他特征5個(gè)層面21個(gè)因素的影響因素體系,構(gòu)建高鐵采空區(qū)地基注漿治理影響因素模型。
(1)采空區(qū)賦存層面。主要是指影響圍巖應(yīng)力狀態(tài)重新分布的因素,采空區(qū)地基是否穩(wěn)定與應(yīng)力狀態(tài)重新分布后的巖體強(qiáng)度和變形特征密切相關(guān)[20]。針對已知空區(qū),其詳細(xì)信息的獲取主要依靠原始資料收集和巖土工程勘察,所獲取信息的精確性是采空區(qū)穩(wěn)定性分析與綜合治理的首要條件。通過對現(xiàn)有研究成果和規(guī)范文件的總結(jié),提取得到開采方式、開采深度、深厚比等8個(gè)影響因素,具體描述見表1。
表1 采空區(qū)賦存層面Table 1 Occurrence level of goaf
(2)工程地質(zhì)層面。工程地質(zhì)層面因素能夠直接反映巖體結(jié)構(gòu)與地質(zhì)特征,該層面因素是采空區(qū)地基穩(wěn)定性評價(jià)中的關(guān)鍵指標(biāo)[21]。當(dāng)上覆巖層強(qiáng)度比較高、巖體結(jié)構(gòu)比較完整、巖層連續(xù)性比較好、地下水與巖土體之間相互作用比較弱時(shí),可降低采空區(qū)地基“活化”概率,進(jìn)一步提高建設(shè)場地的穩(wěn)定性。影響高鐵采空區(qū)地基注漿效果的具體工程地質(zhì)因素描述見表2。
表2 工程地質(zhì)層面Table 2 Engineering geological level
(3)注漿質(zhì)量層面。注漿充填質(zhì)量是衡量注漿技術(shù)控制采空區(qū)地表殘余沉降效果的基本指標(biāo),注漿充填法是高層建筑、高鐵等重大建(構(gòu))筑物下伏采空區(qū)地基治理的常用方法[13-17]。注漿效果與多種因素有關(guān),例如漿液最優(yōu)配比、鉆孔布設(shè)、注漿壓力及注漿范圍等。在實(shí)際施工過程中,由于過多依賴經(jīng)驗(yàn),缺乏對現(xiàn)有環(huán)境的科學(xué)分析,可能會(huì)影響施工質(zhì)量?;谏鲜龇治?將采空區(qū)注漿質(zhì)量因素進(jìn)行了整理,具體見表3。
表3 注漿質(zhì)量層面Table 3 Grouting quality level
(4)交通層面。列車循環(huán)動(dòng)荷載會(huì)擾動(dòng)已經(jīng)處于平衡狀態(tài)的巖體結(jié)構(gòu),從而引發(fā)采空區(qū)地基活化變形,在長期作用下造成耦合連鎖效應(yīng),最終導(dǎo)致路基變形威脅到行車安全。例如,1990年,邯鄲至長治的鐵路穿越煤礦采空區(qū),在列車荷載作用下誘發(fā)采空區(qū)地基變形,造成局部地段坍塌,給列車運(yùn)行帶來了安全隱患[12]。根據(jù)目前國內(nèi)高速鐵路發(fā)展現(xiàn)狀,總結(jié)得到影響高鐵采空區(qū)地基穩(wěn)定性的交通因素,詳細(xì)描述見表4。
表4 交通層面Table 4 Traffic level
(5)其他特征層面。主要針對個(gè)人、組織管理和工程文化因素方面開展研究。高速鐵路采空區(qū)地基注漿施工程序復(fù)雜,注漿效果評價(jià)不僅與技術(shù)指標(biāo)相關(guān),還與一線作業(yè)人員的文化程度、操作技能、從業(yè)年限及管理者的知識(shí)水平和能力有直接的關(guān)系,同時(shí)與組織結(jié)構(gòu)合理性、規(guī)章制度、信息溝通等密切相關(guān)。綜合分析,本研究提煉出了其他層面的影響因素,具體見表5。
表5 其他特征層面Table 5 Other characteristic levels
基于對高鐵采空區(qū)地基注漿治理影響因素的分析,得到高鐵荷載作用下采空區(qū)地基注漿治理的21個(gè)影響因素,進(jìn)而構(gòu)建了高鐵采空區(qū)地基注漿治理影響因素體系,如圖1所示。
圖1 影響因素體系Fig.1 Influencing factors system
決策實(shí)驗(yàn)室分析法(Decision-Making Trial and Evaluation Laboratory,DEMATEL)以圖論、矩陣為依據(jù),充分利用專家的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)對影響因素進(jìn)行強(qiáng)度評判,是分析復(fù)雜系統(tǒng)因果關(guān)系的重要工具[22-23]。該方法通過測算影響因素的中心度和原因度,可以確定關(guān)鍵因素及影響程度。由于DAMATEL法是以專家打分為基礎(chǔ),考慮到專家主觀判斷的差異性以及因素彼此影響的模糊性會(huì)對研究結(jié)果造成影響,本研究引入模糊集理論(Fuzzy Set Theory)彌補(bǔ)傳統(tǒng)DAMATEL法的不足,運(yùn)用模糊集理論中的三角模糊數(shù)轉(zhuǎn)化專家語義,并采用引入OPRICOVIC等[24]提出的CFCS法(Converting Fuzzy Numbers into Crisp Scores)對得到的三角模糊矩陣進(jìn)行去模糊化處理。為進(jìn)一步識(shí)別系統(tǒng)中影響因素的層級(jí)結(jié)構(gòu),引入解釋結(jié)構(gòu)模型(Interpretive Structural Modeling,ISM),該模型可在DEMATEL法的基礎(chǔ)上建立可達(dá)矩陣,通過布爾代數(shù)運(yùn)算等,將關(guān)系復(fù)雜的系統(tǒng)分解為簡明清晰的若干子系統(tǒng),最終構(gòu)建出多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)模型,用于分析因素之間的作用關(guān)系[25]。
本研究基于模糊DEMATEL-ISM法分析高鐵采空區(qū)地基注漿治理影響因素之間的關(guān)系,具體實(shí)施步驟如下:
步驟1:確定因素集F={F1,F2,…,Fn},構(gòu)建語言評價(jià)集。將各因素之間的影響程度分為影響非常低“1”、影響低“2”、影響中等“3”、影響高“4”、影響非常高“5”,邀請專家對影響因素作用關(guān)系進(jìn)行評判(表6)。
表6 語義轉(zhuǎn)換[26]Table 6 Semantic conversion
步驟2:建立初始直接影響矩陣R。根據(jù)專家語言評價(jià)集將專家評價(jià)意見轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的三角模糊數(shù)。三角模糊數(shù)X可由(l,m.r)表示,假設(shè)表示專家k給出的因素i對因素j的三角模糊評價(jià),其中l(wèi)是保守值(模糊數(shù)的下界),m是估計(jì)值,r是樂觀值(模糊數(shù)的上界),且l≤m≤r。
步驟3:初始矩陣清晰化。運(yùn)用CFCS法進(jìn)行去模糊化處理。具體步驟如下:
(1)標(biāo)準(zhǔn)化三角模糊數(shù),公式為
(2)左側(cè)值和右側(cè)值標(biāo)準(zhǔn)化處理。公式為
(3)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化的總值。公式為
(4)計(jì)算專家k給出的三角模糊判斷值的精確值。公式為
(5)計(jì)算p位專家評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)精確值dij。計(jì)算公式為
(6)確定模糊直接關(guān)系矩陣D。公式為
步驟4:通過式(7)計(jì)算規(guī)范化模糊直接關(guān)系矩陣G
步驟5:計(jì)算綜合影響矩陣T,公式為
式中,I為單位矩陣。
步驟6:計(jì)算影響度fi、被影響度ei、中心度Mi和原因度Ni。相關(guān)公式為
式中,tij為綜合影響矩陣T中第i個(gè)元素對第j個(gè)元素的影響值;fi為綜合影響矩陣T中各行值之和,表示該行因素對其他所有因素的綜合影響程度;ei為綜合影響矩陣T中各列值之和,表示該列因素受其他所有因素的綜合影響程度;Mi表示該因素在系統(tǒng)中的重要性程度;Ni表示因素之間的因果關(guān)系,Ni>0時(shí)為原因因素,Ni<0時(shí)為結(jié)果因素。
對于復(fù)雜系統(tǒng)影響因素的研究,需要明確決定性因素。因此,本研究根據(jù)中心度和原因度值增加限定條件以舍去系統(tǒng)中重要性與關(guān)聯(lián)性均較低的因素。
式中,α和β為系數(shù),一般取0.75~1.00,本研究取α=β=0.85。
步驟7:計(jì)算整體影響矩陣H。根據(jù)式(10),剔除滿足條件的因素,得到新的綜合影響矩陣T′,再按下式計(jì)算整體影響矩陣:
步驟8:計(jì)算可達(dá)矩陣K。通過給定閾值λ,進(jìn)一步剔除重要度較低的因素,簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。λ按照統(tǒng)計(jì)分布的方法計(jì)算,即λ=μ+ν,式中μ和ν分別為矩陣T′中所有元素的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。矩陣K的計(jì)算公式為
式中,kij為i元素與j元素的關(guān)聯(lián)值;hij為整體影響矩陣H中第i個(gè)元素對第j個(gè)元素的影響值。
步驟9:按式(13)確定可達(dá)集Xi、先行集Yi和共同集Q,構(gòu)建影響因素的多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)模型。
重復(fù)步驟9,直至所有因素均劃分出層級(jí),建立解釋結(jié)構(gòu)模型。
為驗(yàn)證模糊DEMATEL-ISM方法應(yīng)用于高鐵采空區(qū)地基注漿治理工程中的科學(xué)性,以太焦高速鐵路采空區(qū)路段DK259+135.95-DK259+710.00段為例,開展注漿治理效果影響因素研究。經(jīng)鉆探揭露,該研究區(qū)域下伏采空區(qū)主要是由巖溶區(qū)、煤礦開采巷道形成,埋深28.1~48.8 m,為淺部開采巷道。采空高度為1.2~6.5 m,巷道寬3~4 m。多為半充填狀態(tài),充填物為泥巖碎石及砂巖,結(jié)構(gòu)較為松散,多數(shù)采空區(qū)為不穩(wěn)定性頂板。整體而言,太焦高速鐵路采空區(qū)地基易“活化”。綜合多種因素考慮,本工程采用注漿充填法進(jìn)行治理。
根據(jù)上文分析的實(shí)施步驟,邀請5名從事采空區(qū)和巖土工程領(lǐng)域的專家對21個(gè)影響因素的作用強(qiáng)度進(jìn)行打分。然后集合各專家評分意見,運(yùn)用Matlab 2016a軟件處理數(shù)據(jù),通過CFCS方法得到的模糊直接關(guān)系矩陣D為
根據(jù)式(7)、(8)由模糊直接矩陣D求得綜合影響矩陣T,進(jìn)而依據(jù)式(9)計(jì)算得到各影響因素的影響度fi、被影響度ei、中心度Mi、原因度Ni及中心度排序Rank(Mi),結(jié)果見表7。
表7 DEMATEL計(jì)算結(jié)果Table 7 DEMATEL calculation results
根據(jù)式(10)進(jìn)行因素的重要性與關(guān)聯(lián)性分析,計(jì)算得到限定條件為Mi<5.63且Ni<0。由表7可知:所有因素均不滿足該限定條件,由此進(jìn)一步判斷出所選取的因素在體系中起著不可或缺的作用。經(jīng)過與專家討論,本研究認(rèn)定保留所有因素進(jìn)行下一步驟的分析。
由于在式(10)的限定下沒有剔除因素,因此步驟7中的T′即為原綜合影響矩陣T,進(jìn)而計(jì)算得到均值μ=0.157 7,標(biāo)準(zhǔn)差ν=0.066 6,閾值λ=μ+ν=0.224 3。并根據(jù)式(12)得到可達(dá)矩陣K如下:
以可達(dá)矩陣為基礎(chǔ),應(yīng)用ISM法對因素進(jìn)行層次化處理,根據(jù)計(jì)算可將高速鐵路采空區(qū)地基注漿治理影響因素劃分為6個(gè)等級(jí),依次為:L1={F9,F13},L2={F8,F12,F15,F21},L3={F3,F11},L4={F5,F7,F16,F17,F18},L5= {F1,F2,F6,F10,F14,F19,F20},L6={F4},并繪制了高鐵采空區(qū)地基注漿治理影響因素ISM模型如圖2所示。
圖2 影響因素層次結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Hierarchical structure model of influencing factors
(1)因素影響關(guān)系分析。由DEMATEL法計(jì)算所得的結(jié)果可知,重復(fù)采動(dòng)F4和開采深度F2在整個(gè)因素體系中影響度最高,分別是4.24和4.19,其他因素的影響度均小于4,表明這2個(gè)因素對體系中其他因素的影響程度最高,因此應(yīng)加強(qiáng)對采空區(qū)的歷史資料收集和現(xiàn)場勘察,精準(zhǔn)探測采空區(qū)的基本特征。注漿材料及性能F13、水文特征F11、施工工藝F15、地質(zhì)構(gòu)造F12、松散層厚度F7、巖體基本質(zhì)量F9和深厚比F3為被影響度最高的因素,其被影響度分別為5.50、4.90、4.65、4.6、4.42、4.26、4.00,其他因素的被影響度均小于4,表明這7個(gè)因素受體系中其他因素影響程度最高,通過這7個(gè)因素可以甄別其他影響因素的作用程度。
(2)因素重要性分析。影響因素的中心度越大,其在體系中的重要性越高。表7中心度排序結(jié)果表明:注漿材料及性能F13、水文特征F11的重要性較大,其中心度分別為8.21、8.09,其他因素的中心度均小于8。其中,注漿材料及性能F13在高鐵采空區(qū)地基注漿治理影響因素體系中重要性最大,主要是因?yàn)槠鋵{液的流變性、凝結(jié)時(shí)間和結(jié)石體強(qiáng)度的影響具有主導(dǎo)作用,是采空區(qū)地基注漿治理效果的主要影響因素。設(shè)備器材F16、巖體結(jié)構(gòu)F10、采動(dòng)充分程度F5、開采深度F2、注漿參數(shù)F14重要性偏小,其中心度分別為3.35、4.85、5.72、5.78、5.97,其他因素的中心度均大于6。進(jìn)一步說明在對高鐵采空區(qū)地基注漿治理分析時(shí),應(yīng)首先考慮重要性較大的因素,但同時(shí)不能忽略重要性較小的因素在體系中起到的作用。
(3)因素屬性分析。在整個(gè)高鐵采空區(qū)地基注漿治理影響因素體系中,共有11個(gè)因素的原因度為正值,這些因素是原因因素,在體系中易影響到其他因素。其中設(shè)備器材F16、開采深度F2和巖體結(jié)構(gòu)F10為強(qiáng)原因因素,其原因度分別為3.06、2.60、2.01,其他原因因素的原因度均小于2,表明強(qiáng)原因因素對于高鐵采空區(qū)地基注漿治理有著重要影響,在治理工程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。剩余10個(gè)因素的原因度為負(fù)值,這些因素是結(jié)果因素,在體系中易受上述因素影響,通過關(guān)注這些因素能夠給注漿方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。其中注漿材料及性能F13與巖體基本質(zhì)量F9為強(qiáng)結(jié)果因素,其原因度分別為-2.79和-2.09,其他結(jié)果因素的原因度均大于-2。由此可知,為有效治理高鐵采空區(qū)地基,應(yīng)充分考慮現(xiàn)有環(huán)境,依據(jù)場地工程地質(zhì)情況、采空區(qū)特征和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)符合要求的注漿施工方案。
(4)因素邏輯關(guān)系分析。由圖2可知:高鐵采空區(qū)地基注漿治理影響因素的多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)模型可分為6個(gè)層級(jí),這些因素之間存在著跨越層級(jí)的復(fù)雜聯(lián)系。在該模型中,層級(jí)1為直接因素,此類因素通過其他因素的作用進(jìn)而影響治理效果,加強(qiáng)對較低層級(jí)因素的控制是避免系統(tǒng)崩潰的主要措施;層級(jí)2~5共同構(gòu)成過渡致因,在系統(tǒng)中起著承上啟下的作用,其中層級(jí)2為淺層因素,層級(jí)3和層級(jí)4為中層因素,層級(jí)5為深層因素。而層級(jí)6為根源因素,位于該層級(jí)的因素為重復(fù)采動(dòng)F4,這表明隨著煤礦開采逐漸機(jī)械化,在實(shí)際施工過程中,不能忽略機(jī)械振動(dòng)等作用對采空區(qū)巖體的影響,精準(zhǔn)把握上覆巖層裂隙發(fā)育狀況,明確裂隙帶破壞范圍,從而避免高速鐵路荷載最大擾動(dòng)深度與之相近,以降低高速鐵路采空區(qū)地基再“活化”變形的概率。根據(jù)表8可知:在該影響因素體系中,注漿材料及性能F13、水文特征F11、地質(zhì)構(gòu)造F12、重復(fù)采動(dòng)F4、松散層厚度F7和施工工藝F15所處節(jié)點(diǎn)連接邊較多,其節(jié)點(diǎn)度均大于10且中心度較大,說明這些因素在系統(tǒng)中與其他因素的影響關(guān)系顯著,在模型中起著關(guān)鍵作用,需要對這些因素重點(diǎn)關(guān)注。
表8 影響因素節(jié)點(diǎn)度統(tǒng)計(jì)Table 8 Statistical of influencing factors node degree
綜合上述分析,對直接影響因素施加管控可以取得立竿見影的效果,而對深層影響因素或根源影響因素進(jìn)行控制時(shí),其效果并不顯著,但由于這些因素所處位置與其他因素聯(lián)系緊密,且大多數(shù)因素屬于原因因素會(huì)對其他因素有巨大的影響力,因此,在高速鐵路采空區(qū)地基注漿治理工程中應(yīng)加強(qiáng)對此類因素的管控工作。
(1)顧及高速鐵路循環(huán)荷載作用下采空區(qū)地基注漿工程受到多種因素的制約和影響,基于現(xiàn)有研究成果,通過專家訪談法和問卷調(diào)查法,從采空區(qū)賦存、工程地質(zhì)、注漿質(zhì)量、交通和其他特征5個(gè)方面,識(shí)別與歸納了21個(gè)因素,構(gòu)建了高速鐵路采空區(qū)地基注漿治理影響因素體系。
(2)通過對各影響因素的重要性和關(guān)聯(lián)性分析,揭示出高速鐵路荷載下采空區(qū)注漿治理影響因素的作用路徑;得到了采空區(qū)賦存、工程地質(zhì)、注漿質(zhì)量是影響采空區(qū)地基注漿治理效果的主要層面,其次為交通與其他特征層面;識(shí)別出2個(gè)關(guān)鍵影響因素、3個(gè)強(qiáng)原因因素和2個(gè)強(qiáng)結(jié)果因素;將所有因素劃分為6個(gè)層級(jí)5類因素,得到了6個(gè)節(jié)點(diǎn)度較大的影響因素,并剖析了根源因素在影響因素體系中的重要作用。
(3)本研究在對影響因素的整個(gè)識(shí)別過程中,主要是從數(shù)學(xué)模型角度進(jìn)行分析,缺乏考慮力學(xué)機(jī)制,僅選取了5個(gè)層面21個(gè)因素進(jìn)行分析,針對不同工程背景其影響因素選取應(yīng)有所不同。因此,后續(xù)將著重進(jìn)行力學(xué)模型與數(shù)學(xué)模型的充分融合研究,建立具有較好普適性的影響因素體系。