一種基于地質(zhì)超前預(yù)報的隧道圍巖穩(wěn)定性模糊綜合評估方法

王繼飛

（上海同濟(jì)檢測技術(shù)有限公司，上海市 200092）

0 引言

地下工程所處環(huán)境及地層賦存條件是十分復(fù)雜的，存在著隨機(jī)性、模糊性、未知性等不定因素，因此對隧道施工過程中的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評估、圍巖穩(wěn)定性預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)隧道變形預(yù)測一直是巖土工程中的研究難點。影響圍巖穩(wěn)定性的因素很多，在進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性綜合評估時，主要考慮的因素有：巖石類別、地下水、結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況、工程形態(tài)及開挖因素等。因此隧道工程在施工前都會進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查和超前地質(zhì)預(yù)報，通過超前地質(zhì)預(yù)報可以獲取圍巖級別、地下水賦存情況、結(jié)構(gòu)面節(jié)理裂隙發(fā)育情況等地質(zhì)信息，這些信息對圍巖穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要，如何利用所獲取的信息準(zhǔn)確的推測圍巖的穩(wěn)定性，對后續(xù)的施工是十分必要的[1-6]。

1 圍巖穩(wěn)定性影響因素

由于巖土體的復(fù)雜性，對于某一具體工程，各因素影響程度只能是一種模糊的經(jīng)驗性判斷，定量地揭示這些因素的影響程度是很困難的，各影響因素與圍巖穩(wěn)定性關(guān)系見表1。

表1 影響因素與穩(wěn)定性狀態(tài)模糊關(guān)系

1.1 圍巖級別的影響

通過地質(zhì)超前預(yù)報可以較為準(zhǔn)確的獲取隧道的圍巖級別情況，根據(jù)經(jīng)驗，巖石分屬不同級別時，對其相應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)影響很大，而對其他狀態(tài)影響程度迅速下降，據(jù)此認(rèn)為：巖石為某一特定基本時，其隸屬于對應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)為1；隸屬于其他狀態(tài)迅速遞減，具體情況見表2。

表2 圍巖類別影響程度

1.2 結(jié)構(gòu)面狀況的影響

電磁波預(yù)報設(shè)備（地質(zhì)雷達(dá)）或者地震波設(shè)備（TGP等）可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測圍巖的結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況，如結(jié)構(gòu)面類型、發(fā)育規(guī)律及結(jié)構(gòu)面間的軟弱夾層充填情況等，將這些因素數(shù)值化，見表3。

表3 結(jié)構(gòu)面影響模糊關(guān)系

1.3 地下水的影響

目前，地質(zhì)超前預(yù)報中的瞬變電磁儀對圍巖中的地下水賦存情況可以做出較為準(zhǔn)確的預(yù)報，對含水體的類型、位置、水量的大小等也可以做出較為準(zhǔn)確的預(yù)報，本文從以下幾個方面考慮地下水的影響：水的類型、對圍巖作用的機(jī)理、圍巖開挖后的出水狀況等，具體處理見表4。

表4 地下水的影響分析

其中開挖后出水狀況評價根據(jù)水量由多到少分為四級：A、B、C、D級，當(dāng)實際情況為哪一級時，即為1，否則為0。

1.4 工程影響因素

工程因素主要指工程形態(tài)和開挖因素，工程形態(tài)包括開挖體的幾何尺寸、工程用途及工程軸線與軟弱結(jié)構(gòu)面的方位等。為了考慮地下工程的幾何尺寸對穩(wěn)定性影響及工程用途不同對應(yīng)不同的穩(wěn)定安全程度，這里引入隧道開挖質(zhì)量指標(biāo)Q方法的一個參數(shù)即開挖體的“當(dāng)量尺寸”De。De值是由開挖體的跨度、高度或直徑最大值除以所謂的開挖體的“支護(hù)比”ESR。

其中ESR與開挖體的用途和它所允許的不穩(wěn)定程度兩者有關(guān)，地下電站主廠房，主要公路及鐵路隧道，民防設(shè)施，隧道入口及交叉點取值為1.0。

De值是反映工程形態(tài)對圍巖穩(wěn)定性影響的參數(shù)，其物理意義為：ESR值越大（?。?，需要的支護(hù)程度越弱（強(qiáng)）。因此De與ESR成反比關(guān)系；工程尺寸越大（小），對穩(wěn)定性影響程度越大（?。?，故De與工程尺寸成正比關(guān)系。

另外，不同的開挖手段對圍巖穩(wěn)定性的影響不同，如機(jī)械開挖與光面爆破較普通爆破能更有效地保護(hù)圍巖強(qiáng)度和整體性。不同的開挖手段及開挖方法對圍巖穩(wěn)定性的影響見表5、表6。

表5 開挖手段的影響分析

表6 開挖方法的影響分析

2 圍巖穩(wěn)定性影響因素的權(quán)重確定

在圍巖穩(wěn)定性評價問題上，不但各影響因素存在程度不一，且對于不同的穩(wěn)定狀態(tài)，各因素影響也不相同，因此本文擬采用層次分析法（the Analytic Hierarchy Process,簡稱 AHP）來解決以上問題。AHP可以簡單地描述為：

確定指標(biāo)體系→建立遞階層次結(jié)構(gòu)→確定權(quán)重→多指標(biāo)綜合。

權(quán)重的確定是AHP解決的核心問題，它是在專家調(diào)查的基礎(chǔ)上運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，在一定程度上減少了專家主觀因素的影響。

首先，建立遞階層次結(jié)構(gòu)。

這是確定權(quán)重過程中最基本、最重要的一步。首先要把復(fù)雜的問題分解為各組成部分，稱作元素，把這些元素按屬性不同分為若干組，以形成不同層次。同一層次的元素作為準(zhǔn)則，對下一層次的某些元素起支配作用，同時它又受上一層次元素的支配。這種從上至下的支配關(guān)系形成了遞階層次。因此，本文根據(jù)隧道圍巖穩(wěn)定性的實際情況建立如下層次分析模型，見圖1。

圖1 影響圍巖穩(wěn)定性因素層次分析模型

3 圍巖穩(wěn)定性的模糊綜合評價

將模糊數(shù)學(xué)知識和經(jīng)典綜合評判理論相結(jié)合，建立模糊層次綜合評估方法，其具體過程如下：

先根據(jù)實際情況計算各影響因素隸屬于各穩(wěn)定狀態(tài)的模糊隸屬度，即：

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論：

設(shè)穩(wěn)定性狀態(tài)論域V為：

影響因素論域U為：

則影響因素對穩(wěn)定性的模糊隸屬矩陣為

rij即為 uij。

模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型為：

上式以不同模式計算，模型計算所得的結(jié)果不同。

因此在圍巖穩(wěn)定性綜合評價時采用“加權(quán)平均型運(yùn)算”是合理的。由上面所述的層次分析法可得影響因素的權(quán)重矩陣A為：

則“加權(quán)評價型”為：

可以得到隸屬于各穩(wěn)定狀態(tài)的隸屬度大?。?/p>

采用模糊數(shù)學(xué)則進(jìn)，取c=max（bi），即可以得到圍巖穩(wěn)定性的類別。也可通過加權(quán)平均集化方法得到圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)的量化評估值來綜合反映圍巖的穩(wěn)定情況。

4 總結(jié)和建議

通過建立本文所述的模糊綜合評估模型，可以較為方便的對公路隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行一個定量的評估，對動態(tài)設(shè)計和施工方法的及時調(diào)整具有良好的指導(dǎo)意義，但在具體實施的過程中，還需要注意以下幾點：

（1）超前預(yù)報人員需要較為豐富的地質(zhì)知識和從業(yè)經(jīng)驗，這樣所獲取的超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果才更準(zhǔn)確，后續(xù)的評估結(jié)果也相應(yīng)的更為精確。

（2）評估人員可根據(jù)某一工程現(xiàn)場的實際情況對部分指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，使模型更接近實際情況。

（3）應(yīng)將現(xiàn)場的實際情況和預(yù)測結(jié)果經(jīng)常進(jìn)行比對，如發(fā)現(xiàn)預(yù)測結(jié)果有偏離情況，則應(yīng)對模型進(jìn)行檢查調(diào)整,以得到更加科學(xué)、準(zhǔn)確的結(jié)論。

（4）積極運(yùn)用新技術(shù)、新方法、新設(shè)備，提高超前預(yù)報的精度和效率，以此提高預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性。