潘 朝,張 乾,鄒 勇

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,湖北 武漢 430064)

0 引 言

近年來(lái),一批全局性、戰(zhàn)略性172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程有序推進(jìn),隧洞工程建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大,地質(zhì)條件愈加復(fù)雜多變,工程風(fēng)險(xiǎn)及安全問(wèn)題日益突出,對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析提出了更高的要求。目前國(guó)際上應(yīng)用比較廣泛的是巴頓的Q系統(tǒng)分類(lèi)法和比尼威斯基的RMR法[1]。中國(guó)根據(jù)工程實(shí)踐和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn),提出并大量應(yīng)用《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》BQ法,在此基礎(chǔ)上還提出了適用于各個(gè)不同行業(yè)的分類(lèi)方法?；诳勺兡：蟍2]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]、可拓方法[4]、圖像識(shí)別技術(shù)[5]、深度學(xué)習(xí)[6]和人工智能等新興理論的評(píng)價(jià)方法也被應(yīng)用于實(shí)際工程圍巖分類(lèi),并取得了一定成果。然而,這些評(píng)價(jià)方法存在著一些不足之處,如人為主觀影響大、隨機(jī)性大、存在邊界約束、過(guò)程復(fù)雜等,不能在真正意義上實(shí)現(xiàn)圍巖快速分類(lèi)。

為此,本文基于模糊理論,對(duì)圍巖快速分類(lèi)提出了一種新思路:在地質(zhì)觀察和地質(zhì)素描的基礎(chǔ)上,結(jié)合室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用HC法進(jìn)行圍巖分類(lèi),確定影響圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,研究其與圍巖類(lèi)別間的相關(guān)性規(guī)律,采用層次分析法確定影響因素權(quán)重,制定單個(gè)影響因素分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建隸屬函數(shù)或賦值隸屬度,從而建立圍巖快速分類(lèi)模糊綜合評(píng)價(jià)模型。根據(jù)實(shí)際圍巖類(lèi)別反復(fù)修正構(gòu)建的模糊綜合評(píng)價(jià)模型,得到適用的模糊綜合評(píng)價(jià)模型以進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)圍巖快速分類(lèi),從而指導(dǎo)施工。具體技術(shù)路線如圖1所示。

1 工程地質(zhì)概況

鄂北地區(qū)水資源配置工程(以下簡(jiǎn)稱“鄂北工程”)從丹江口水庫(kù)引水,向唐東地區(qū)、隨州府澴河北區(qū)以及大悟澴水區(qū)供水,全長(zhǎng)269.672 km,是湖北省重大戰(zhàn)略民生“一號(hào)工程”,是國(guó)家重點(diǎn)推進(jìn)、優(yōu)先實(shí)施的172項(xiàng)全局性、戰(zhàn)略性節(jié)水供水重大水利工程之一[7]。

隧洞工程總長(zhǎng)119.43 km,共計(jì)55座,占線路總長(zhǎng)44.3%。巖性以元古界、震旦系至青白口系片巖類(lèi)為主,其次為白堊-第三系砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖等。其中,片巖類(lèi)隧洞46座,占隧洞座數(shù)83.6%,短洞居多,合計(jì)長(zhǎng)度為62.96 km,占隧洞總長(zhǎng)52.7%。區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜,地下水類(lèi)型主要為碎屑巖孔隙裂隙水及基巖裂隙水等。

2 圍巖特征研究

隧洞工程主要分布于線路中下段,多以片巖類(lèi)變質(zhì)巖為主,故主要對(duì)工程區(qū)元古界、震旦-青白口系主要片巖類(lèi)進(jìn)行相關(guān)圍巖快速分類(lèi)研究。

2.1 巖石(體)特征研究

本次研究取20組片巖樣進(jìn)行了薄片鑒定。結(jié)合巖石野外鑒定,研究表明:工程區(qū)巖石類(lèi)型主要為石英片巖、鈉長(zhǎng)片巖、綠泥片巖等片巖類(lèi),多呈灰色、灰黑色、灰綠色,顯微細(xì)粒鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu),片狀構(gòu)造,主要礦物成分為石英、斜長(zhǎng)石,富含云母、綠泥石、滑石、陽(yáng)起石等次要礦物,水理性質(zhì)差,其在巖石中連續(xù)定向排列構(gòu)造片理特征,造成了片巖類(lèi)巖體強(qiáng)度、完整性程度等差異大、巖體遇水軟化及受力后呈各向異性等特點(diǎn)。同時(shí)在隧洞開(kāi)挖中,片巖類(lèi)巖體結(jié)構(gòu)面往往對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較大。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖情況,綜合分析表明影響巖石硬度、完整性及水敏性的主要因素為變質(zhì)程度及礦物成分,淺變質(zhì)巖類(lèi)重結(jié)晶程度低,暗色礦物尚未聚集定向排列,一般完整性較千枚巖及片巖好;千枚巖類(lèi)暗色礦物聚集排列,淺色礦物重結(jié)晶程度低,整體物理性質(zhì)差,水敏性強(qiáng),絹云母片巖與其物理性質(zhì)類(lèi)似;以絹云母、綠泥石為次要礦物的片巖類(lèi),其絹云母、綠泥石多聚集于片理面,完整性差,水敏性強(qiáng);以綠泥石為主要礦物的片巖類(lèi),整體性質(zhì)近似淺變質(zhì)巖類(lèi),完整性及強(qiáng)度均較高,水敏性一般。

2.2 巖石(體)強(qiáng)度研究

巖石強(qiáng)度是圍巖分類(lèi)最重要的指標(biāo)之一。針對(duì)實(shí)際施工建設(shè)過(guò)程中,受試驗(yàn)條件及時(shí)間的制約,無(wú)法通過(guò)室內(nèi)荷載實(shí)驗(yàn)及時(shí)獲取巖石強(qiáng)度參數(shù)的情況,采用具有成本低、工序簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)快速等優(yōu)點(diǎn)的點(diǎn)荷載試驗(yàn)測(cè)定,并進(jìn)行關(guān)系換算獲取參數(shù)。

本次研究總計(jì)取樣12組,每組巖樣30～50塊,試驗(yàn)結(jié)果(表1)表明研究區(qū)內(nèi)鈉長(zhǎng)綠泥片巖強(qiáng)度最高,干燥狀態(tài)下為堅(jiān)硬巖,軟化系數(shù)較高,飽和狀態(tài)下硬度降至中硬巖;其新鮮狀態(tài)下各向異性較不明顯,各向異性系數(shù)1.8;其余片巖微風(fēng)化-新鮮狀態(tài)下為中硬巖,千枚巖在弱風(fēng)化狀態(tài)下為較軟巖。整體上,新鮮且片理發(fā)育較弱巖體的巖塊強(qiáng)度與現(xiàn)場(chǎng)圍巖級(jí)別有較好的相關(guān)性,但不同的巖性于不同的構(gòu)造背景下體現(xiàn)出的相關(guān)性有較大差異,尤其石英片巖及鈉長(zhǎng)片巖類(lèi),其巖塊強(qiáng)度一般較高,但部分段片理極其發(fā)育,因而其巖體整體強(qiáng)度極低,遇裂隙發(fā)育并伴有地下水活躍地段,極易失穩(wěn)。

表1 點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.3 圍巖穩(wěn)定性主要影響因素

鄂北工程片巖隧洞圍巖變形破壞類(lèi)型主要有掉塊、塑性變形、側(cè)壁滑塌和洞頂坍塌等4種。根據(jù)地質(zhì)環(huán)境以及片巖特點(diǎn),結(jié)合破壞類(lèi)型及巖性、巖體強(qiáng)度研究,得出影響圍巖穩(wěn)定性的主控因素如下。

(1) 巖體強(qiáng)度。主要受巖性及風(fēng)化程度影響。整體而言,根據(jù)圍巖穩(wěn)定性從好到差,相應(yīng)的地層巖性依次為鈉長(zhǎng)綠泥片巖、綠泥石片巖、變質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖(Z2c),變余長(zhǎng)石石英砂巖((Qn-Z1)y),絹云石英片巖、綠泥綠簾鈉長(zhǎng)片巖、絹云母鈉長(zhǎng)片巖等(Z2b 、 Z2c 、(Qn-Z1)y),絹云母千枚巖、絹云石英千枚巖(Z2b、Z2c)。受原巖及成巖環(huán)境影響,工程區(qū)出露的巖性較為復(fù)雜,風(fēng)化程度越高,巖體強(qiáng)度越低,圍巖越不穩(wěn)定。

(2) 主要結(jié)構(gòu)面密度、產(chǎn)狀及狀態(tài)。變質(zhì)巖區(qū)尤其是片巖類(lèi)變質(zhì)巖,其原生結(jié)構(gòu)面較發(fā)育,并往往伴生多組次生結(jié)構(gòu)面,對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較大,同時(shí)各種結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定性也有較大影響。隧洞軸線與結(jié)構(gòu)面傾角越小,洞室頂部圍巖越不穩(wěn)定;隧洞軸線與結(jié)構(gòu)面走向夾角越小、傾角越大,洞壁圍巖越不穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)對(duì)于片巖類(lèi)圍巖穩(wěn)定的影響相對(duì)較小。

(3) 地下水。工程區(qū)地下水主要以裂隙水的形式賦存于巖體中,總體來(lái)說(shuō),地下水貧乏,因此地下水相對(duì)較多分布的地帶往往是節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面相對(duì)發(fā)育的部位。片巖含有大量絹云母、白云母、綠泥石等易軟化的礦物成分,地下水對(duì)這類(lèi)片巖軟化影響顯著,故若圍巖中地下水越多,地下水分布越均勻,巖體軟化越嚴(yán)重,穩(wěn)定性越差。

3 圍巖快速判別模糊綜合評(píng)價(jià)模型

3.1 模糊綜合評(píng)價(jià)法原理

本研究所提出的圍巖快速分類(lèi)方法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法,即根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià),用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο筮M(jìn)行總體評(píng)價(jià),其基本思想:首先確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,充分考慮各評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的層次性,確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)在評(píng)價(jià)對(duì)象中的模糊權(quán)重,然后運(yùn)用模糊集合的相關(guān)計(jì)算原理,確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊界限,建立出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù),構(gòu)建出模糊評(píng)判矩陣,經(jīng)過(guò)多種邏輯運(yùn)算,最終通過(guò)相關(guān)準(zhǔn)則確定評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.2 評(píng)價(jià)集與影響因素集的確定

不同行業(yè)的圍巖分類(lèi)方法略有不同?？紤]到水利工程特點(diǎn),根據(jù)GB 50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》《工程地質(zhì)手冊(cè)》等,將本工程圍巖類(lèi)別評(píng)價(jià)集定義為V={Ⅴ,Ⅳ,Ⅲ,Ⅱ,Ⅰ},其對(duì)應(yīng)的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分別為極不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、局部穩(wěn)定性差、基本穩(wěn)定、穩(wěn)定。

結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)圍巖特征研究,參考GB 50487-2008《水利水電工程勘察規(guī)范》,確定本工程模糊綜合評(píng)價(jià)模型影響因素集U={點(diǎn)荷載,巖體完整程度,主要結(jié)構(gòu)面狀態(tài),地下水,主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀}。鑒于巖石強(qiáng)度無(wú)法快速獲得,因而采用點(diǎn)荷載換算;圍巖完整程度采用結(jié)構(gòu)面組數(shù)及間距確定,有條件時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)巖體、巖塊縱波波速計(jì)算確定。

3.3 權(quán)重的確定

目前,在模糊理論中,權(quán)重確定的方法很多,有經(jīng)驗(yàn)法(專(zhuān)家意見(jiàn)法)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、層次分析法等[8-9]。為充分體現(xiàn)影響因素權(quán)重的客觀性、盡量減少人為主觀影響,本文采用層次分析法確定影響因素的權(quán)重,主要步驟:① 構(gòu)建判斷矩陣,采用一致矩陣法按1～9標(biāo)度方法構(gòu)造;② 權(quán)重計(jì)算,并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

根據(jù)前期工程實(shí)踐總結(jié),并參考國(guó)內(nèi)外常用的圍巖分類(lèi)方法,對(duì)圍巖分類(lèi)的5個(gè)主要影響因素按兩兩進(jìn)行比較,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐分析總結(jié),本工程的影響因素重要度排序?yàn)?點(diǎn)荷載、巖體完整程度、主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地下水、主要結(jié)構(gòu)面狀態(tài)。采用1～9標(biāo)度法(表2)將上述5個(gè)主要影響因素構(gòu)建判斷矩陣P。

表2 指標(biāo)間重要性比較結(jié)果

經(jīng)特征根計(jì)算及一致性檢驗(yàn),5個(gè)主要影響因素權(quán)重系數(shù)為A=(0.320,0.320,0.068,0.109,0.184)T。

3.4 隸屬度的確定

針對(duì)巖體強(qiáng)度定量影響因素,參考HC分類(lèi)法,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),制定了對(duì)應(yīng)的巖體強(qiáng)度分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(表3)。

表3 點(diǎn)荷載分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

已有研究成果表明:根據(jù)隸屬函數(shù)的特點(diǎn)和隸屬度總和為1的原理,在不同的原函數(shù)條件下構(gòu)造隸屬函數(shù),不同模糊隸屬度值間存在差異,但最后分類(lèi)結(jié)果一致[10]。本模型將定量影響因素點(diǎn)荷載按上述原理構(gòu)造了符合工程實(shí)際的線性邊半梯形-中三角形隸屬函數(shù),具體如式(1)～(5)所示:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

定性影響因素隸屬度往往難以確定。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)素描成果,在工程實(shí)踐中對(duì)定性影響因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,同時(shí)結(jié)合已有方法分類(lèi)取值及專(zhuān)家意見(jiàn),采用階梯概率數(shù)組,對(duì)引水隧洞工程主要定性影響因素隸屬度取值總結(jié)如表4～7所示。

表4 巖體完整程度隸屬度取值

3.5 圍巖快速分類(lèi)建模

圍巖快速分類(lèi)模糊綜合評(píng)價(jià)模型的具體計(jì)算步驟如下。

(1) 確定評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的等級(jí)論域V={Ⅴ,Ⅳ,Ⅲ,Ⅱ,Ⅰ}。

(2) 選取影響圍巖穩(wěn)定性的合理關(guān)鍵評(píng)價(jià)因素組成因素論域,確定其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。因素論域U={點(diǎn)荷載,圍巖完整程度,主要結(jié)構(gòu)面狀態(tài),地下水,主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀},分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4～7。

表5 主要結(jié)構(gòu)面狀態(tài)隸屬度取值

表6 地下水狀況隸屬度取值

表7 主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀隸屬度取值

(3) 確定因素論域U中各因素對(duì)于圍巖類(lèi)別的權(quán)重。采用層次分析法確定的權(quán)重向量A=(a1,a2,…,ai),其中ai表示第i個(gè)影響因素對(duì)于圍巖類(lèi)別的權(quán)重。

(4) 確定隸屬度。本模型采用邊半梯形-中三角形隸屬函數(shù)構(gòu)建定量影響因素對(duì)于等級(jí)論域V的隸屬度函數(shù);根據(jù)前人總結(jié)及工程實(shí)際制定定性影響因素的隸屬取值表,實(shí)現(xiàn)定性影響因素向定量轉(zhuǎn)換。將現(xiàn)場(chǎng)采集的影響因素代入隸屬度函數(shù)或查表得出相應(yīng)的隸屬度R：

隸屬度矩陣中rij表示第i個(gè)影響因素對(duì)等級(jí)論域V中相對(duì)應(yīng)的第j個(gè)等級(jí)的隸屬度。

(5) 編程構(gòu)建片巖類(lèi)圍巖快速判別APP,輸入現(xiàn)場(chǎng)便于測(cè)得的地質(zhì)元素,即可得到最大隸屬度及相應(yīng)圍巖類(lèi)別。模糊綜合評(píng)價(jià)計(jì)算過(guò)程為B=AR=(bⅤ,bⅣ,bⅢ,bⅡ,bⅠ),平臺(tái)自動(dòng)按最大隸屬度原則,在V矩陣中取最大值,即單元最大隸屬度bk=max{bⅤ,bⅣ,bⅢ,bⅡ,bⅠ},確定圍巖類(lèi)別k。

4 圍巖快速分類(lèi)應(yīng)用

鄂北工程杏仁山隧洞樁號(hào)為234+410～236+910,全長(zhǎng)2.5 km。洞址區(qū)為崗波狀山丘地形,埋深12.8～55.1 m,巖性主要為絹云鈉長(zhǎng)片巖、變輝長(zhǎng)輝綠巖。隧洞斷面為城門(mén)洞型,開(kāi)挖洞徑4.3～4.9 m,洞底板高程101.95～101.69 m,設(shè)計(jì)引水流量7.4 m3/s。

杏仁山隧洞現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)或記錄的部分基礎(chǔ)地質(zhì)資料如表8所示,然后采用本文建立的圍巖快速分類(lèi)模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)杏仁山隧洞已開(kāi)挖洞段進(jìn)行圍巖分類(lèi)評(píng)價(jià)。圖2～3為本工程基于模糊理論開(kāi)發(fā)的片巖類(lèi)隧洞圍巖快速分類(lèi)系統(tǒng)電腦版和手機(jī)版(1.0版)應(yīng)用效果,其與設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際以及HC法確定的圍巖類(lèi)別對(duì)比結(jié)果如表9所示。該圍巖快速分類(lèi)系統(tǒng)已于2021年9月取得了軟件著作權(quán)[11],手機(jī)版和電腦版可以實(shí)現(xiàn)版本文件轉(zhuǎn)換使用。

圖2 隧洞圍巖快速分類(lèi)系統(tǒng)電腦版應(yīng)用界面

圖3 隧洞圍巖快速分類(lèi)手機(jī)版APP應(yīng)用界面

表8 杏仁山隧洞圍巖地質(zhì)條件實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表9可以看出,采用圍巖快速分類(lèi)模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)杏仁山隧洞已開(kāi)挖洞段分類(lèi)的結(jié)果與實(shí)際圍巖類(lèi)別、HC法判別類(lèi)別基本一致,而且最大隸屬度基本大于0.4。該成果已經(jīng)在鄂北工程實(shí)現(xiàn)推廣使用,全線119.43 km引水隧洞已于2021年1月順利貫通。目前,該成果正在清江水系連通及生態(tài)修復(fù)工程應(yīng)用。

表9 杏仁山隧洞圍巖分類(lèi)結(jié)果對(duì)比

續(xù)表

5 結(jié) 論

(1) 影響圍巖分類(lèi)的影響因素十分復(fù)雜,選取合理的影響因素對(duì)圍巖準(zhǔn)確分類(lèi)至關(guān)重要,其影響因素是否易測(cè)易得又決定了圍巖分類(lèi)是否及時(shí)有效、能否快速指導(dǎo)施工。通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn),并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)素描,對(duì)鄂北地區(qū)片巖類(lèi)隧洞進(jìn)行圍巖特征研究,得出影響圍巖穩(wěn)定的5個(gè)主要影響因素,其按重要影響程度依次為巖體強(qiáng)度、圍巖完整程度、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地下水、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)。

(2) 圍巖分類(lèi)的依據(jù)難以用準(zhǔn)確的關(guān)系式表達(dá),其評(píng)價(jià)因素對(duì)圍巖分類(lèi)的影響及分類(lèi)界限標(biāo)準(zhǔn)具有模糊性。采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法,構(gòu)建多因素影響模型,確定影響因素的權(quán)重,制定單個(gè)影響因素分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)造隸屬函數(shù)或賦值隸屬度,通過(guò)模糊合成對(duì)圍巖進(jìn)行分類(lèi),可以得到比較符合實(shí)際的結(jié)果。

(3) 相比傳統(tǒng)圍巖判別方法,本文構(gòu)建的模糊綜合評(píng)價(jià)方法采用現(xiàn)場(chǎng)能快速且便捷測(cè)得的地質(zhì)資料,輸入軟件平臺(tái)便可立即圍巖判別,減少了人為主觀影響,大大縮短了圍巖初期支護(hù)決策時(shí)間,實(shí)現(xiàn)了圍巖快速分類(lèi),能及時(shí)確定合理的開(kāi)挖方式與支護(hù)措施,加快工程的進(jìn)展,縮短工期,同時(shí)保證了工程施工安全,可為類(lèi)似工程參考。