板其隧道巖溶段變形特征分析及危險性評價

王 亮

（中鐵一局集團有限公司第三工程分公司，陜西 寶雞 721006）

隨著交通工程的快速發(fā)展，隧道工程數(shù)量越來越多且穿越特殊地層的隧道工程也逐步增加，如穿越巖溶區(qū)的隧道?？紤]巖溶區(qū)隧道施工較為困難，進行其變形特征分析及危險性評價就顯得格外重要[1-2]，因此，該文重點研究這2 個方面。目前，在巖溶隧道變形研究方面，唐國軍等[3]進行了巖溶隧道大變形條件下的受力特性研究；賈偉紅等[4]分析了巖溶隧道襯砌變形規(guī)律。在巖溶隧道危險性評價方面，蔣英禮等[5]對巖溶隧道的危險性進行了集對云評價；田祖濤等[6]評估了花梨隧道的施工危險性。雖然上述研究取得了相應(yīng)成果，但鑒于隧址條件的差異性，仍須結(jié)合具體工程進行針對性的變形分析及危險性評價。

綜上所述，以板其隧道為工程背景，先結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測成果，進行其變形特征分析，再用集對分析法和層次分析法構(gòu)建隧道巖溶段危險性評價體系，以期掌握其危險性等級，旨在為現(xiàn)場施工提供一定的理論指導(dǎo)。

1 基本原理

在上述分析基礎(chǔ)上，該文分析流程如下：結(jié)合隧道涌水段基本特征，先對其變形監(jiān)測成果進行分析，再采用集對分析法、層次分析法等進行危險性評價。該文對危險性評價模型的構(gòu)建過程進行詳細(xì)說明。隧道涌水段的危險性評價模型如圖1所示。

圖1 隧道涌水段的危險性評價

根據(jù)圖1，隧道涌水段的危險性評價過程主要包括3 個步驟，即采用集對分析法進行評價指標(biāo)的隸屬度求解，通過層次分析法計算各評價指標(biāo)的權(quán)值及運用P×C法計算危險性等級。

1.1 隸屬度求解方法

隧道涌水段施工具有復(fù)雜性，因此，想準(zhǔn)確得到各評價指標(biāo)的隸屬度就需要構(gòu)建合理的求解方法。趙克勤[7]提出了集對分析法，該方法能處理不確定性及確定性間的相互關(guān)系，其思路重點是構(gòu)建2 個因素間的聯(lián)系度μ（A，B），如公式（1）所示。

式中：μ（A，B）為A、B因素間的聯(lián)系度；N為對應(yīng)特性的總數(shù)；S為相近特性數(shù)；F為中立特性數(shù)；P為對立特性數(shù)；i為變異系數(shù)；j為對立系數(shù)。

為保證評價指標(biāo)隸屬度計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，再進一步提出根據(jù)專家法進行隸屬度的定量評價，將其結(jié)果融入聯(lián)系度指標(biāo)中，綜合確定評價指標(biāo)的隸屬度值。

1.2 權(quán)值求解方法

按照層次分析法原理，通過1-9 標(biāo)度法計算各評價指標(biāo)的權(quán)值。在計算過程中，先構(gòu)建判斷矩陣，并計算其判別指標(biāo)CI，如公式（2）所示。

式中：n為矩陣階數(shù)；λmax為判斷矩陣的最大值特征值。

在CI指標(biāo)計算基礎(chǔ)，進一步計算對應(yīng)的一致性指標(biāo)CR，如公式（3）所示。

式中：RI為標(biāo)度指標(biāo)。

根據(jù)CR指標(biāo)可判定判斷矩陣的一致性，若其值小于0.1，那么判斷矩陣通過一致性檢驗，可采用其計算對應(yīng)指標(biāo)的權(quán)值；若判斷矩陣未通過一致性檢驗，則重新構(gòu)建判斷矩陣。

1.3 危險性等級計算方法

在評價指標(biāo)隸屬度、權(quán)重計算的基礎(chǔ)上，再利用P×C 法計算隧道涌水段的危險性等級，該方法已在文獻[8]中詳述。

結(jié)合實際工程，將隧道涌水段的危險性等級劃分為4級，具體標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 隧道涌水段的危險性等級

2 實例分析

2.1 工程概況

板其隧道的里程范圍為D1K67+647.170m～D1K71+442.909m，長度為3795.749m，埋深最大約233.55m。

在隧道DK67+700m～DK67+760m 施工過程中，發(fā)現(xiàn)溶洞發(fā)育顯著，因此，該文以這段作為工程實例背景。結(jié)合設(shè)計成果，這段圍巖等級為Ⅳ級，所用襯砌類型為Ⅳa 型，超前支護采用?42mm 小導(dǎo)管，每環(huán)設(shè)置31 根，環(huán)向間距為0.5m，縱向間距為2.0m，單根長度為3.5m，每延米注漿1m3；初支采用四肢格柵，縱向間距為1.0m，二次襯砌為C35 鋼筋混凝土，厚度35cm。

2.2 變形特征分析

由于DK67+700m～DK67+760m 范圍內(nèi)巖溶較發(fā)育，因此，按10m 間距進行監(jiān)測斷面布置，監(jiān)測項目包括拱頂沉降和水平收斂。經(jīng)統(tǒng)計，得到各監(jiān)測斷面的變形值結(jié)果：DK67+700m。拱頂沉降為48.12mm，水平收斂為83.65mm。DK67+710m。拱頂沉降為83.64mm，水平收斂為94.62mm。DK67+720m。拱頂沉降為73.55mm，水平收斂為106.28mm。DK67+730m。拱頂沉降為69.16mm，水平收斂為103.97mm。DK67+740m。拱頂沉降為73.45mm，水平收斂為97.18mm。DK67+750m。拱頂沉降為76.15mm，水平收斂為113.52mm。DK67+760m。拱頂沉降為58.46mm，水平收斂為75.37mm。

經(jīng)統(tǒng)計，拱頂沉降的變化范圍為48.12mm～83.64mm，平均值為68.93mm；水平收斂的變化范圍為75.37mm～113.52mm，平均值為96.37mm。巖溶段兩端的變形相對較小，中部變形較大且在相應(yīng)監(jiān)測斷面，水平收斂明顯大于拱頂沉降，說明此巖溶段的變形以水平收斂為主。

綜上所述，板其隧道巖溶段變形特征較為顯著，證明后續(xù)進行其危險性評價是十分必要的。

2.3 危險性評價

2.3.1 構(gòu)建評價模型

結(jié)合層次分析法思路，隧道巖溶段危險性評價模型共設(shè)置為3 層，第一層為目標(biāo)層，即“隧道巖溶段危險性評價體系”；第二層共設(shè)計4 個一級指標(biāo)，包括地層巖性條件、地質(zhì)構(gòu)造條件、水文條件和隧道施工條件；第三層是在一級指標(biāo)基礎(chǔ)上進一步細(xì)化分解，包括12 個二級指標(biāo)。

進一步將指標(biāo)劃分設(shè)定介紹如下：①地層巖性條件Y1?？杉?xì)分為2 個二級指標(biāo)，即巖石化學(xué)成分Y11和巖石結(jié)構(gòu)Y12。②地質(zhì)構(gòu)造條件Y2?？杉?xì)分為4 個二級指標(biāo)，即巖層組合關(guān)系Y21、巖層厚度Y22、巖層產(chǎn)狀Y23及與構(gòu)造的距離Y24。③水文條件Y3。可細(xì)分為4 個二級指標(biāo)，即地表地形地貌Y31、地表水流量Y32、地表匯水面積Y33及地下水鈣離子含量Y34。④隧道施工條件Y4。可細(xì)分為2 個二級指標(biāo)，即隧道埋深Y41和施工干擾度Y42。

綜上所述，“隧道巖溶段危險性評價體系”共設(shè)計4 個一級和12 個二級指標(biāo)。構(gòu)建板其隧道巖溶段的“隧道巖溶段危險性評價體系”如圖2所示。

圖2 隧道巖溶段危險性評價體系

2.3.2 評價指標(biāo)基礎(chǔ)參數(shù)的結(jié)果

該節(jié)重點進行各評價指標(biāo)的隸屬度計算和權(quán)值計算。

2.3.2.1 隸屬度計算

在隸屬度計算過程中，除利用集對分析法進行隸屬度計算外，還通過專家法進行計算，在計算過程中，共統(tǒng)計16個專家的打分結(jié)果。經(jīng)統(tǒng)計，得到各評價指標(biāo)的隸屬度見表2。

表2 隸屬度計算結(jié)果

根據(jù)表2，各評價指標(biāo)的隸屬度變化范圍具有較強的波動性。其中，一級等級時隸屬度為0.059～0.260，平均值為0.118；二級等級時隸屬度為0.149～0.254，平均值為0.207；三級等級時隸屬度為0.195～0.362，平均值為0.292；四級等級時隸屬度為0.291～0.502，平均值為0.382。

2.3.2.2 權(quán)值計算

利用1-9 標(biāo)度法計算各評價指標(biāo)的權(quán)值，結(jié)果見表3。

表3 權(quán)值計算結(jié)果

2.3.3 危險性評價結(jié)果

在上文計算的基礎(chǔ)上，進行板其隧道巖溶段的危險性評級。

首先，利用P×C 法計算得到二級指標(biāo)的風(fēng)險得分R值結(jié)果見表4。根據(jù)表4，巖石化學(xué)成分Y11、施工干擾度Y42、地下水鈣離子含量Y34及巖石結(jié)構(gòu)Y12的風(fēng)險得分R值為90.12～92.45，風(fēng)險等級為Ⅳ級，所占指標(biāo)比例為33.33%；巖層厚度Y22和巖層組合關(guān)系Y21的風(fēng)險得分R值為61.25～68.16，風(fēng)險等級屬Ⅱ級，所占指標(biāo)比例為16.67%；其余指標(biāo)的風(fēng)險得分R值為73.15～85.16，風(fēng)險等級屬Ⅲ級，所占指標(biāo)比例為50.00%。

表4 二級指標(biāo)的風(fēng)險得分

其次，再對4 個一級指標(biāo)進行危險性評價，結(jié)果如下：①地層巖性條件Y1。對應(yīng)風(fēng)險得分R值為92.15，風(fēng)險等級屬Ⅳ級。②地質(zhì)構(gòu)造條件Y2。對應(yīng)風(fēng)險得分R值為85.62，風(fēng)險等級屬Ⅲ級。③水文條件Y3。對應(yīng)風(fēng)險得分R值為86.15，風(fēng)險等級屬Ⅲ級。④隧道施工條件Y4。對應(yīng)風(fēng)險得分R值為91.48，風(fēng)險等級屬Ⅳ級。

對比而言，就危險程度由強至弱排序：地層巖性條件Y1＞隧道施工條件Y4＞水文條件Y3＞地質(zhì)構(gòu)造條件Y2。

最后，進一步計算一級指標(biāo)的隸屬度，如公式（4）所示。

根據(jù)表3，一級指標(biāo)的權(quán)值，如公式（5）所示。

利用R1矩陣和A1矩陣計算得到板其隧道巖溶段得分矩陣，如公式（6）所示。

同時，結(jié)合得分向量E=[45 65 85 100]T，計算得到板其隧道巖溶段的風(fēng)險得分R值，如公式（7）所示。

綜上所述，判斷板其隧道巖溶段的總體風(fēng)險等級為Ⅳ級，即發(fā)生風(fēng)險事件的可能性極高、損失極大，需要立即停工，并采取相應(yīng)措施，將風(fēng)險控制在可控范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

通過板其隧道巖溶段變形特征分析及危險性評價，主要得到以下2 個結(jié)論：1）巖溶段拱頂沉降的變化范圍為48.12mm～83.64mm，平均值為68.93mm；水平收斂的變化范圍為75.37mm～113.52mm，平均值為96.37mm，變形特征較為顯著。2）經(jīng)模型構(gòu)建，得到“隧道巖溶段危險性評價體系”共設(shè)計4 個一級指標(biāo)和12 個二級指標(biāo)，并計算得到板其隧道巖溶段的總體風(fēng)險等級為Ⅳ級。