灰色變權(quán)聚類法在吉茶路隧道大變形風(fēng)險評估中的應(yīng)用

易震宇，龍正聰，蔣勝波

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，湖南長沙 410008; 2.湖南省吉茶高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南吉首 416000)

0 引言

灰色變權(quán)聚類法是依據(jù)鄧聚龍教授創(chuàng)立的灰色系統(tǒng)理論，是一種研究少數(shù)據(jù)、貧信息不確定性問題的新方法。按聚類對象分，灰色聚類可分為灰色關(guān)聯(lián)聚類和灰色白化權(quán)函數(shù)聚類?；疑P(guān)聯(lián)聚類主要用于同類因素的歸并，以使復(fù)雜系統(tǒng)簡化，明顯不適用風(fēng)險評估，而灰色白化權(quán)函數(shù)聚類主要用于檢查觀測對象是否屬于事先設(shè)定的不同類別，以區(qū)別對待，可用于判斷風(fēng)險。

軟弱圍巖大變形問題歷來是地下工程研究重點，復(fù)雜地質(zhì)條件下(如斷裂帶影響下)對軟巖隧道的穩(wěn)定性更加不利，隧道圍巖大變形是圍巖體在地應(yīng)力、工程擾動和地下水活動等環(huán)境條件下，圍巖掩體的一種變形破壞現(xiàn)象，其實質(zhì)是由于圍巖開挖引起的地應(yīng)力重分布超過巖體的屈服強度而使巖體發(fā)生塑形化，圍巖自承能力的喪失或部分喪失，變形得不到有效約束，圍巖發(fā)生塑形變形破壞，從而使圍巖支護遭到不同程度的破壞。

工程實踐表明，對于軟巖隧道，其大變形破壞過程是一個漸進的力學(xué)過程，總是從小變形開始，然后變形積累，在一處或幾處首先產(chǎn)生破壞，進而導(dǎo)致整個支護系統(tǒng)的失穩(wěn)。穿越可能會引起大變形的圍巖區(qū)段時，必須通過監(jiān)控量測指導(dǎo)支護參數(shù)設(shè)計，并合理預(yù)留變形量。開挖施工必須具有時效性，不能人為延長時間，超前支護應(yīng)及時施作。合理選擇施工方案，對軟弱富水段應(yīng)采取注漿堵水和排水工作。

1 隧道大變形風(fēng)險影響因素

圍巖大變形產(chǎn)生的原因主要有:①破碎帶松弛變形;②周邊出現(xiàn)塑性破環(huán)區(qū);③膨脹性圍巖(如石膏)作用。而對于軟巖，圍巖變形破壞機制主要有:①圍巖塑性流動擠出;②膨脹擠出。前者認(rèn)為地下工程開挖引起應(yīng)力重分布達(dá)到屈服后，圍巖處于塑性狀態(tài)，發(fā)生塑性變形并引起圍巖應(yīng)力進一步調(diào)整，最終形成剪切滑移面并組成塑性楔形體向洞內(nèi)滑移。后者認(rèn)為含膨脹性礦物的軟巖，在一定條件下圍巖產(chǎn)生膨脹，引起變形。圍巖膨脹的應(yīng)力條件是:徑向圍巖壓力小于起始膨脹壓力，而切向圍巖壓力大于膨脹壓力。在巖性條件差，地下水豐富，地應(yīng)力較高或存在偏壓等情況下，隧道易發(fā)生大變形。

同時隧道連降大暴雨，因巖石破碎，裂隙發(fā)育，地下水直接受地表水補給，致使圍巖進一步軟化，呈現(xiàn)軟塑、流塑狀，自穩(wěn)能力進一步惡化，加速地層下沉。其次對圍巖判定欠準(zhǔn)確，在該段圍巖整體性、穩(wěn)定性差，涌水量大的情況下，仍按原設(shè)計進行初期支護，不能滿足強度和剛度要求，出現(xiàn)大變形。

參照公路橋梁和隧道風(fēng)險評估指南及工程實踐，隧道大變形風(fēng)險影響因素可大致概括為以下6個方面:

1)地層巖性:圍巖級別、彈性模量、巖石抗剪指標(biāo);

2)地質(zhì)構(gòu)造:節(jié)理、擠壓性地層;

3)水文地質(zhì):地下水、降雨量;

4)隧道特征:斷面、長度、埋深;

5)襯砌支護強度:超前支護、初支、二襯;

6)施工方案:施工工法、監(jiān)控量測。

2 隧道大變形灰色變權(quán)聚類模型

用灰色變權(quán)聚類法分析隧道大變形風(fēng)險，首先要建立分析模型，確定各聚類指標(biāo)評價體系。將隧道大變形影響因素視為聚類指標(biāo)，風(fēng)險等級視為灰類，根據(jù)風(fēng)險評估分類標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)風(fēng)險發(fā)生概率和風(fēng)險損失程度將隧道風(fēng)險等級劃分為4個灰類，即k=1，2，3，4。

選取6個大變形影響的主要因素指標(biāo)作為聚類指標(biāo)，即 j=1，2，…，6。

選取隧道需要進行風(fēng)險評估的各區(qū)段作為聚類對象，即 j=1，2，…，n。

各項評價指標(biāo)體系判斷另可采用灰色變權(quán)聚類法確定或模糊評價法確定，本文略去，通過調(diào)查確定出每個指標(biāo)關(guān)于各個類型的取值范圍以及取數(shù)域的右延拓值，以三角白化權(quán)函數(shù)和上、下限測度白化權(quán)函數(shù)的一般原理為基礎(chǔ)，結(jié)合表1、表2的各指標(biāo)和灰類關(guān)系數(shù)據(jù)，可構(gòu)造適于隧道風(fēng)險評估的灰類白化權(quán)函數(shù)。

表1 隧道大變形風(fēng)險評估分類評價指標(biāo)體系

表2 各指標(biāo)取數(shù)域延拓值

3 隧道風(fēng)險因素各聚類指標(biāo)白化權(quán)函數(shù)

根據(jù)表1，表2的數(shù)據(jù)及白化權(quán)函數(shù)基本表達(dá)式，通過模型分析調(diào)整，可以得到研究區(qū)域適用的隧道大變形各聚類指標(biāo)的白化權(quán)函數(shù)。如下(j=1～6):

4 隧道風(fēng)險因素各指標(biāo)及相應(yīng)灰類權(quán)重

灰色變權(quán)聚類適用于指標(biāo)的意義、量綱皆相同的情形，當(dāng)聚類指標(biāo)的意義、量綱不同且不同指標(biāo)的樣本值在數(shù)量上懸殊較大時，不宜完全采用灰色變權(quán)聚類，根據(jù)隧道風(fēng)險評估的特點，增加一個區(qū)域?qū)＜医?jīng)驗定權(quán)ωj，據(jù)表1，結(jié)合風(fēng)險調(diào)查專家分析結(jié)果，確定如表3。

表3 隧道大變形風(fēng)險評估分類專家經(jīng)驗定權(quán)

表4 各指標(biāo)及相應(yīng)灰類的權(quán)重

5 隧道風(fēng)險因素各指標(biāo)風(fēng)險等級

各聚類指標(biāo)的白化數(shù)值，由于在計算灰類的權(quán)重時引入了折算系數(shù)，可將各指標(biāo)視為無量綱，可直接用計算灰色變權(quán)聚類系數(shù)。設(shè)xij為對象i關(guān)于指標(biāo)j的觀測值，(·)為j指標(biāo)k子類白化權(quán)函數(shù)。為j指標(biāo)k子類的權(quán)，則稱

為對象i關(guān)于k灰類的灰色變權(quán)聚類系數(shù)。

隧道大變形風(fēng)險評估模型建立后，應(yīng)對模型進行分析調(diào)試，調(diào)試時需要采集現(xiàn)有施工已發(fā)生隧道大變形的基礎(chǔ)資料。將其輸入模型，通過對指標(biāo)體系、指標(biāo)取數(shù)域延拓值、灰類權(quán)重折算系數(shù)、專家經(jīng)驗定權(quán)系數(shù)進行調(diào)整完善，從而建立適用于某區(qū)域或地區(qū)的評估模型。

根據(jù)吉茶路某隧道地質(zhì)報告和設(shè)計文件，有4個區(qū)域需要進行隧道大變形風(fēng)險評價，其觀測值見表5，可求得的白化函數(shù)值和權(quán)重，計算出每個聚類對象關(guān)于各灰類的灰色變權(quán)聚類系數(shù)，進而計算聚類系數(shù)向量和聚類系數(shù)矩陣，可知各評估隧道段屬于哪個灰類(風(fēng)險等級)。具體數(shù)值見表6。

表5 某隧道大變形評價指標(biāo)數(shù)據(jù)

表6 聚類對象的聚類系數(shù)和聚類結(jié)果

由以上計算結(jié)果可知，隧道3區(qū)施工過程中大變形風(fēng)險較高，建議調(diào)整支護設(shè)計及施工方案，在施工過程中，設(shè)計單位應(yīng)及時根據(jù)超前預(yù)報結(jié)果和出現(xiàn)的異常情況，變更設(shè)計，確保施工過程安全，同時制定大變形緊急預(yù)案，作為應(yīng)急貯備。

6 結(jié)語

公路隧道本身開挖斷面大、扁坦的特點，加上我國公路隧道建設(shè)起步較晚，導(dǎo)致我們公路隧道建設(shè)過程中還存在諸多技術(shù)問題。就公路隧道施工而言，隧道大變形事故可以說屢見不鮮。對這些事故如果處理不當(dāng)，還會造成工程質(zhì)量隱患，甚至?xí)?dǎo)致災(zāi)難性的后果。

不同地區(qū)隧道大變形主要誘因存在差異，在建立大變形風(fēng)險評估模型時，先應(yīng)廣泛收集隧道大變形資料，綜合分析原因，從而合理確定經(jīng)驗定權(quán)系數(shù)，是采用灰色變權(quán)聚類法分析隧道大變形風(fēng)險的關(guān)鍵。否則，相關(guān)分析結(jié)果就會流于形式，起不到應(yīng)有的作用。

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