木寨嶺公路隧道大變形綜合評價預測

石 州，羅彥斌，陳建勛，劉偉偉，武云飛

(長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

0 引言

近年來，復雜地質條件下的隧道工程諸如鷓鴣山公路隧道、祁連山鐵路隧道、木寨嶺鐵路隧道、天坪鐵路隧道等一大批重點建設項目相繼建成通車。木寨嶺公路隧道、大瑞鐵路高黎貢山隧道等重點項目正在如期建設。隧道工程建設未來的發(fā)展方向呈現出大跨度、特長、深埋等特點，安全高效地穿越高應力軟巖地區(qū)面臨巨大挑戰(zhàn)，特別是在高地應力軟弱破碎地層，隧道大變形災害尤為突出，嚴重制約隧道工程的建設和發(fā)展。對于隧道設計和施工，合理地預測和評價隧道變形級別并進行分級管理，以避免大變形災害的發(fā)生就顯得尤為必要。對此，眾多學者開展了隧道大變形分級預測的研究，試圖確定各種指標以及相應的臨界值，對隧道大變形進行預測?，F有的軟巖隧道大變形分級預測方法主要有經驗方法和半經驗半定量法。半經驗半定量法按照分級指標又可分為單指標強度應力法、相對變形量法和多指標或綜合指標法。Singh[1]，Geol，Jimenez和Recio等學者基于巖石質量指標，利用統(tǒng)計數據，提出了預測擠壓變形的臨界隧道埋深經驗公式。Muirwood首次提出強度應力比來評價隧道的擠壓變形，后被Nakano[2]用來預測日本軟巖隧道擠壓變形，其后Jethwa等[3]、Aydan等[4]、Barla[5]、陳子全等[6]也均根據巖體強度與原始地應力(或垂直應力)的比值來預測隧道可能發(fā)生的擠壓變形。喻渝[7]根據初始地應力與圍巖抗壓強度的比值來預測大變形。Bhasin等[8]提出根據巖體切向應力與巖石強度的比值來預測隧道可能發(fā)生的擠壓變形。Saari[9]建議采用隧道切向應變強度作為評價巖石擠壓程度的指標，提出采用最終變形量的1%作為識別擠壓變形的臨界值。根據Goel[10]和Sakurai[11]的研究，當隧道在無支護條件下變形量超過總變形量的1%時，即認為隧道發(fā)生了大變形。Hoek[12]根據應變率將軟巖隧道變形分為無擠壓變形、輕微擠壓變形、中等擠壓變形、嚴重擠壓變形和極嚴重擠壓變形。Singh等[13]根據該指標將圍巖擠壓變形程度分為微弱擠壓、中等擠壓和高度擠壓。張祉道[14]依據洞壁相對位移，將軟巖隧道變形分為輕度、中等和嚴重等3個級別。黃興等[15]指出當圍巖擠壓變形與開挖半徑間的比值≥1%，且擠壓變形與擴挖間隙的比值≥1時，產生擠壓大變形。根據這2個指標，將TBM圍巖擠壓變形劃分為無擠壓變形、輕微擠壓變形、中等擠壓變形、嚴重擠壓變形和非常嚴重擠壓變形5個等級。Aydan等[4]將該指標作為判斷隧道擠壓變形程度的依據，認為圍巖總變形和彈性變形與巖石的室內試驗結果是對應的，因此利用巖石室內試驗獲得的應力-應變曲線中應變硬化階段、屈服階段、應變軟化階段的極限應變與彈性極限應變的比值作為預測擠壓變形程度的評判標準，將隧道圍巖擠壓程度劃分為無擠壓、輕度擠壓、中度擠壓、嚴重擠壓和最嚴重擠壓5個級別。Hoek等[16]提出用強度應力比與隧道應變率雙指標，將大變形分為無支護問題、輕微擠壓、嚴重擠壓、非常嚴重擠壓、極嚴重擠壓5個等級。劉志春[17]等結合烏鞘嶺隧道提出綜合系數，綜合考慮了圍巖的相對變形、強度應力比、原始地應力和彈性模量等幾個因素。徐林生等[18]根據隧道估判變形量和相對變形，將公路隧道圍巖大變形分為1級、2級和3級。李國良等[19]結合蘭渝鐵路軟巖隧道提出在設計階段以隧道洞壁相對位移和巖體強度應力比作為分級指標，將擠壓大變形分為3個等級，根據巖體強度應力比進行大變形預測，在施工階段以變形量和變形速率作為分級指標。孟陸波等[20]以影響大變形發(fā)生的8個主要因素作為綜合分級指標，提出基于模糊層次綜合評價的大變形預測方法，將大變形分為無大變形、輕微大變形、中等大變形和強烈大變形4類。任洋等[21]以巖石單軸抗壓強度、主應力值、強度應力比和彈性模量4個因素作為綜合分級指標，采用可拓學理論和層次分析法，將大變形也分為無大變形、輕微大變形、中等大變形和強烈大變形。

以上研究中眾多分級預測指標是基于設計階段巖石的物理力學性質提出的，施工階段這些參數指標獲得較難，準確性不高。例如，相對變形量法[9-10,12]等理論中隧道洞壁相對位移一般適用于以水平變形為主的隧道；層次分析法[20]、強度應力比法[2-4]等理論中的巖體單軸抗壓強度、極限應變等分級指標多需要通過巖石室內試驗得出，而目前典型的軟巖隧道大變形多發(fā)生于破碎、強度低及易風化的碳質板巖、綠泥石片巖和千枚巖等地層，對于這類薄層或破碎圍巖，往往無法取得擾動軟弱圍巖巖芯進行室內試驗，而且相應的地應力測試也難以開展。關于軟弱圍巖地層中的地應力量測的準確度歷來存在較大的爭議，可拓學理論[21]、Jethwa[3]等研究理論的指標中采用的地應力在軟弱松散圍巖現場量測準確度不高?，F有的大變形災害預測與評價方法多為勘測和設計階段的研究，對于薄層或破碎巖體大變形現場快速預測具有較大的局限性。對此，需要確定適用于薄層軟弱破碎巖體大變形的綜合評價指標，并提出施工階段大變形現場快速預測與評價方法。

本研究依托蘭州至海口國家高速公路(G75)木寨嶺公路隧道工程，提出基于施工階段快速判識理念的軟巖大變形分級預測的模糊層次分析法。通過將模糊層次分析法與在隧道施工現場快速獲得的一系列與巖體結構特征及巖體完整性特征相關的評價指標相結合，快速準確地對軟巖隧道大變形進行定量分級預測。以期為軟弱破碎圍巖隧道大變形綜合評價預測提出一種方法。

1 工程概況

木寨嶺公路隧道是蘭州—?？趪腋咚俟?G75)渭源—武都段的一個重點工程。隧道采用兩個單向孔四車道的設計結構，隧道左洞長15.231 km，右洞長15.173 km，最大埋深629 m。隧道整體穿越了6種地層結構，圍巖巖性主要以鈣硅質砂質板巖和碳質千枚巖互層巖體為主，縱斷面如圖1所示。沿隧道依次布置3個斜井，其中1號、2號、3號斜井長度分別為1 633，1 814，1 265 m。

木寨嶺公路隧道自開工建設以來，發(fā)生了不同程度的大變形災害問題，特別是木寨嶺公路隧道2號斜井、3號斜井換拱率高達30%，造成工期延緩、工程造價劇增，嚴重威脅隧道施工人員安全。

本研究選取的隧道變形段襯砌屬于SVC型襯砌結構，支護結構參數如圖2所示。隧道地應力測試結果表明K214+085段鉆孔的 5 個測段最大主應力值為12.14～18.76 MPa，最小主應力值為7.34～11.61 MPa，最大主應力方向為39.6°。K218+400段鉆孔的3個測段最大主應力值為11.37～17.98 MPa，最小主應力值為6.80～10.06 MPa，最大主應力方向為34.1°，測量結果與區(qū)域地應力場分析結果較吻合。測試鉆孔附近以水平構造應力作用為主，屬于走滑斷層應力狀態(tài)，最大水平主應力方向與隧洞軸線方向大致相同，均為北東東 (NEE)方向。

圖1 木寨嶺公路隧道地質縱斷面Fig.1 Geological longitudinal profile of Muzhailing Highway Tunnel

圖2 SVC型襯砌結構設計(單位：cm)Fig.2 Design of SVC type lining structure (unit: cm)

2 模糊層次綜合評價法

模糊層次綜合評價法是一種基于模糊數學和層次分析的綜合評價法[22]。該方法根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量預測，建立了定性與定量相統(tǒng)一、模糊數學與層次結構相結合的評價模型，對受到多種因素制約的事物或對象做出總體評價。步驟如圖3所示。

圖3 模糊數學和層次分析綜合評價法流程圖Fig.3 Flowchart of fuzzy of comprehensive evaluation method of fuzzy mathematics and AHP

2.1 建立預測指標評價體系

根據預測評價的目標和要求，選取合適的評價指標并分析各因素之間的關系，建立整個評價指標體系的層次結構模型，確定各評價因子基于不同變形等級的分布范圍及指標界限值。

2.2 建立指標判斷矩陣

基于層次分析法，根據專家評分機制采用1～9標度確定各層次指標量化關系，構建評價指標重要性程度判斷矩陣。

2.3 確定預測指標綜合權值

計算某層所有因素對于總目標相對重要性的組合權重，進行層次總排序：

ω=[ω1,ω2,ω3,…,ω8],

(1)

式中ωi(i=1～8)為各影響因素所對應的權值。

2.4 建立評價指標集與評價集

在評價指標體系的基礎上，采用模糊數學的方法建立指標集和評價集：

因素集:U={u1,u2,u3,…,un}，

(2)

決斷集:V={v1,v2,v3,…,vn}，

(3)

式中ui和vi分別為因素集和決斷集中的元素。

2.5 單因素模糊綜合評判

在建立評價指標集和評價集后，利用隸屬函數實現指標集到評價集的模糊變換，第i個元素ui的模糊評價矩陣為R=(rij)n×m。

單因素模糊矩陣表示為：

(4)

2.6 模糊層次綜合評價分析

通過預測指標綜合權重集和模糊矩陣R計算得到綜合評價集B：

B=ωR，

(5)

式中，B=[B1,B2,…,Bn]，Bn為評價對象第n評價級別的隸屬度。

最后根據最大隸屬度原則，確定各預測段變形綜合評價等級。

3 大變形模糊層次綜合預測

3.1 預測評價指標選取

木寨嶺公路隧道工程實踐表明，巖層產狀、巖石強度、巖體完整性及地下水條件是軟巖隧道大變形致災的主控因子，且圍巖變形與隧道的賦存環(huán)境密切相關，屬于工程軟巖范疇。本研究根據定性劃分和定量指標相結合的原則，構造隧道軟巖大變形指標評價體系，指標層次結構如圖4所示。

圖4 預測指標層次結構Fig.4 Hierarchical structure of predictive indicators

(1)巖層產狀：包括結構面傾角及結構面走向與洞軸線夾角。木寨嶺公路隧道圍巖巖性主要為質軟的碳質千枚巖和質硬的鈣硅質砂質板巖，兩類巖石以互層狀、不同比例和不同厚度組合分布，各向異性更加突出，巖層走向與隧道開挖方向的夾角多變，傾角也緩陡起伏，造成圍巖不同程度和不同模式的變形和失穩(wěn)。

(2)巖石強度：包括點荷載強度及掌子面軟巖比例。木寨嶺公路隧道巖石強度試驗結果表明，砂質板巖強度較高，屬于較硬巖，可完整取芯測得其單軸飽和抗壓強度，經過統(tǒng)計分析巖體單軸抗壓強度Rc平均值為56.3 MPa。而碳質千枚巖強度較低，點荷載試驗修正后的點荷載強度值Is(50)平均值為0.11 MPa，屬于軟巖，耐崩解試驗加水浸泡0.5 h時試樣崩解已達到60%以上，加水浸泡2 h后巖石試樣崩解已基本完成。試驗取樣時不易直接取得完整巖心樣本，單軸抗壓強度的獲取存在難度。點載荷試驗因其儀器輕便、操作簡易、適用性強的優(yōu)勢能較好地適應木寨嶺公路隧道地層，克服碳質千枚巖無法獲取單軸抗壓強度的不足。軟弱破碎巖體的含量(主要為軟弱的碳質千枚巖所占比例)直接影響著巖體的強度。

(3)巖體完整性：包括掌子面巖層平均厚度和巖石質量指標RQD值。圍巖的完整性是影響隧道圍巖開挖穩(wěn)定性的重要因素。巖體完整性指數Kv和巖體體積節(jié)理數Jv是評價隧道巖體完整性的常用指標，但在軟弱、薄層、裂隙巖體中，很難準確、快速地得到。木寨嶺公路隧道地層結構破碎，屬于碎裂結構，圍巖自穩(wěn)能力差，開挖后極容易松動坍塌，牽引后方巖體松弛變形。用掌子面巖層的平均厚度從橫斷面內評價巖體的完整性，用RQD值從隧道縱向評價巖體的完整性，將二者綜合起來，能更加全面和準確地評價圍巖的完整性。

(4)地下水條件：包括開挖每延米洞長出水量和地下水特征。木寨嶺隧道地下水整體不發(fā)育，但偶有富水的儲水帶。地下水對圍巖的軟化作用明顯，尤其是碳質千枚巖遇水2 h接近完全泥化崩解，喪失強度。同時，地下水增加圍巖自重、潤滑層理，會加劇大變形的發(fā)生。

3.2 各指標綜合權重分析

基于木寨嶺隧道圍巖大變形各影響因素的統(tǒng)計規(guī)律及變形特性分析，根據Hoek、孟陸波和李天斌等[6,12,20-21]對影響軟巖大變形各指標的研究及專家打分，通過采用Saaty[23]判斷矩陣標準度及其倒數的標度方法，將層次結構圖各層中的因子對上一層次目標的相對重要性進行兩兩比較，構造判斷矩陣，如表1～表5所示。將各層級指標單權值與所屬類別權值進行整合，得出8個評價指標關于隧道變形的綜合權值集合，如表6所示。

表1 D-G判斷矩陣Tab.1 D-G judgment matrix

表2 巖層產狀條件指標判斷矩陣Tab.2 Judgment matrix of conditional indicators of rock occurrence

表3 強度條件指標判斷矩陣Tab.3 Judgment matrix of strength conditional indicators

表4 完整性條件指標判斷矩陣Tab.4 Judgment matrix of integrity conditional indicators

表5 地下水條件指標判斷矩陣Tab.5 Judgment matrix of groundwater conditional

表6 各指標綜合權重總排序Tab.6 Overall ranking of comprehensive weight for each indicator

3.3 大變形分級及評價指標分級

根據木寨嶺隧道不同級別大變形段監(jiān)控量測結果，通過數據統(tǒng)計及理論分析，將隧道變形劃分為5個等級：極嚴重大變形(變形量1 000～3 000 mm)、嚴重大變形(變形量800～1 000 mm)、中等大變形(變形量500～800 mm)、輕微大變形(變形量200～500 mm)、無大變形(變形量0～200 mm)。

基于木寨嶺公路隧道不同級別大變形各分級指標的統(tǒng)計特征，參照《工程巖體分級標準》(GB/T 50218—2014)[24]、《公路隧道設計規(guī)范》(JTG 3370. 1—2018)[25]、《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB-1003—2016)[26]和《鐵路擠壓性圍巖隧道技術規(guī)范》(Q/CR 9512—2019)[27]中各指標的分級范圍，結合先前關于軟巖大變形分級指標的研究[17,28]，提出了各評價指標相對于不同級別大變形的界限及分布范圍，如表7所示。

表7 大變形綜合評價指標界限分布Tab.7 Distribution of large deformation comprehensive evaluation indicator limits

3.4 隸屬函數構造

在大變形綜合模糊評測中，采用梯形隸屬函數對各參評因子的隸屬度進行計算。根據各影響因子的特點將其分為以下兩類。

第1類：所選取的指標需要進行定性分析，無法定量的對其進行評價(如地下水特征)，其隸屬函數采用特征函數來進行研究：

(6)

第2類：所選取的指標可進行精確量化，可定量分析其變化及發(fā)展規(guī)律(如點荷載強度等)，根據各評價指標的的界限范圍，可確定隸屬函數。本研究所列隸屬函數為降半階梯型函數分布，對于升半階梯型分布的評價因子，在分析時將評價分級及隸屬度分布按相反方向分析即可。相應指標的隸屬函數如表8所示。

上述區(qū)間隸屬度函數中，ui(x)為各評價指標因子對應于不同變形級別的隸屬函數；x為各評價指標的實際值；a1，a2，a3，a4分別為各評價指標對應于不同變形等級的基準界限值。

3.5 變形預測與工程驗證

通過監(jiān)控量測和現場試驗獲取木寨嶺公路隧道5個變形預測段的8個評價指標值，如表9所示。

將上述預測段的指標值代入隸屬函數計算得出預測指標模糊矩陣，進而根據綜合權值計算預測段各變形等級隸屬度。以XK1+643為例，該段的隸屬度計算如下。

預測指標單因素模糊矩陣：

各預測指標的綜合權值：

ω=[0.091，0.031，0.314，0.104，0.279，0.139，

0.021，0.021]。

表8 隸屬函數分布表Tab.8 Distribution table of membership functions

表9 木寨嶺隧道軟巖大變形預測段各指標值Tab.9 Indicator values of large deformation prediction section of soft rock in Muzhailing Tunnel

該預測段各大變形級別的隸屬度：

B=ωR=[0.428， 0.353， 0.177， 0.021， 0.021]。

類似地，可計算出其他預測段的隸屬度，結果如圖5所示。

圖5 各預測段隸屬度柱狀圖Fig.5 Histogram of membership degree of each prediction segment

由圖5可得，各預測段最大隸屬度分別為 0.615，0.628，0.428，0.657，0.731。根據最大隸屬度原則，各預測段變形等級分別為極嚴重大變形、嚴重大變形、極嚴重大變形、極嚴重大變形、中等大變形。

3.6 不同預測方法對比

分別采用本研究方法和強度應力比法[3,6]及其他模糊綜合評價法[20]對上述木寨嶺公路隧道5個樁號段的變形進行預測，由于文獻[20]雖對大變形進行了分級，但并未劃定各級別變形分級范圍，因此不同級別變形的分布范圍參照本研究的分布范圍取值。預測結果如表10和圖6所示。

由圖6可知，預測段圍巖大變形實測值均處于本方法預測的大變形分布范圍內。而其他兩種方法預測精確度不高，實際變形量超過陳法和孟法預測范圍上限值的變形量最大可達上限值的2.4倍和4.4倍。分析上述對比結果，可得以下幾點：

(1)木寨嶺公路隧道在施工過程中，巖層產狀成為影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素，強度應力法等預測方法雖考慮了巖石的強度、完整性等，卻未考慮巖石產狀對軟弱破碎圍巖大變形的影響。

(2)軟巖大變形受多因素控制，是一種非常復雜的與時間有關的彈黏塑性變形，其他預測方法僅根據單評價指標或較少的評價指標去預測大變形，顯然無法應對大變形的復雜性。

表10 各方法預測結果對比Tab.10 Comparison of prediction results of different methods

圖6 不同預測方法預測結果對比分析Fig.6 Comparative analysis of prediction results of different prediction methods

(3)木寨嶺公路隧道的變形量較大，變形范圍遠超普通大變形隧道，其他預測方法的變形分級已無法滿足木寨嶺公路隧道的實際變形情況，普適性較差。

(4)木寨嶺公路隧道巖性結構屬于砂質板巖和碳質千枚巖軟硬互層巖石，不是單一巖性，且隧道的大變形不只由軟弱碳質千枚巖的巖性控制，同時還受巖層組合結構復合控制。其他預測方法多是基于單一巖性，故應用于木寨嶺公路隧道大變形預測時準確度不高。

(5)其他預測方法中的大多數評價指標均是現場取樣后由室內試驗獲得，然而隧道內大變形區(qū)域的應力場極其復雜，試驗樣本取樣后的應力狀態(tài)相比于原位應力場有較大變化，其相應的指標與原位巖層中實際值有一定區(qū)別，這種區(qū)別導致了預測結果與實際情況有所偏差。

4 結論

(1)結合木寨嶺公路隧道大變形統(tǒng)計情況，基于模糊綜合評價法和層次分析法，提出了適用于軟弱破碎圍巖隧道施工階段大變形分級預測的模糊層次綜合評價方法。

(2)選取巖層產狀、強度、完整性和地下水作為大變形的分級和評價指標。為了充分考量4類指標對大變形的影響，共選取了結構面走向與洞軸線夾角、結構面傾角、點荷載強度、掌子面軟巖比例、掌子面巖層平均厚度、巖體RQD值、每延米洞長出水量、地下水特征8項指標對大變形進行分級預測。同時，根據木寨嶺隧道變形的統(tǒng)計結果，將隧道大變形分為無大變形、輕微大變形、中等大變形、嚴重大變形和極嚴重大變形5個等級，并提出了8項指標對應于不同大變形級別的界限和分布范圍。

(3)本預測方法在木寨嶺公路隧道變形段的工程實踐表明，該方法的工程適用性強、準確度高。將本研究方法與陳子全法、孟陸波法和Jethwa法應用于木寨嶺公路隧道5個變形段進行比較分析，得到實際變形量超過陳法和孟法預測范圍上限值的變形量最大可達上限值的2.4倍和4.4倍。