隧道突水突泥災(zāi)害的模糊預(yù)測(cè)和控制措施*

賈 磊，李 源，章 巖

（1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院勘查技術(shù)與工程學(xué)院，河北石家莊050031）

隧道突水突泥災(zāi)害的模糊預(yù)測(cè)和控制措施*

賈 磊1，2，李 源2，章 巖1

（1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院勘查技術(shù)與工程學(xué)院，河北石家莊050031）

為了預(yù)測(cè)突水突泥災(zāi)害發(fā)生的可能性和規(guī)模，針對(duì)隧道施工中突水突泥災(zāi)害的影響因素較多，且各因素相互關(guān)聯(lián)，具有很強(qiáng)的模糊性，提出了利用模糊綜合評(píng)判方法來(lái)評(píng)判隧道的突水突泥風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)例證明其結(jié)果與實(shí)際情況具有較好的一致性。并針對(duì)隧道的突水突泥災(zāi)害提出了有針對(duì)性的控制措施。這對(duì)于制定合理的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)措施、擬定有效的防災(zāi)方案、保障隧道安全施工，均有非常重要的意義。

隧道工程；突水突泥；模糊綜合評(píng)價(jià)；控制措施

眾所周知，隧道掘進(jìn)必然改變圍巖的原始應(yīng)力場(chǎng)，而應(yīng)力釋放會(huì)引起圍巖中裂隙的發(fā)展，從而使得地下水或其他與之有聯(lián)系的水體突然進(jìn)入隧道，發(fā)生隧道的突水突泥災(zāi)害。隧道突水突泥是否發(fā)生，需要滿足一定的條件，即含水圍巖的能力貯備性能、釋放性能、水動(dòng)力性能和圍巖穩(wěn)定性等，達(dá)到了臨界值，地下水就會(huì)以極大的動(dòng)力釋放能量，造成隧道施工和運(yùn)營(yíng)過程中發(fā)生安全事故［1－4］。

目前國(guó)內(nèi)外主要通過水文地質(zhì)比擬、地下水動(dòng)力學(xué)法、水均衡法和數(shù)值模擬等方法來(lái)間接評(píng)判突水突泥的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，但影響隧道突水突泥的因素眾多且相互影響，具有很強(qiáng)的模糊不確定性，而上述研究方法往往忽略不確定性問題［5－6］。本文結(jié)合影響突水突泥的主要因素，依托工程實(shí)例，建立了隧道突水突泥的模糊評(píng)價(jià)模型，通過多層次評(píng)價(jià)來(lái)預(yù)先了解隧道施工中突水突泥發(fā)生的可能性和范圍，以期為隧道的施工提供參考建議。

1 建立隧道突水突泥模糊評(píng)價(jià)模型

1.1 模糊綜合評(píng)模型

隧道突水突泥不但與施工條件和隧道特征有關(guān)，更主要的是和斷層破碎帶、水文地質(zhì)條件有關(guān)，而水文地質(zhì)條件又受控于地形地貌條件、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)條件等。因此，結(jié)合以往隧道突水突泥案例，選擇災(zāi)害的主要影響因素，并考慮隸屬關(guān)系，建立表1所示的多層模糊評(píng)價(jià)模型。

1.2 模糊指標(biāo)隸屬度的確定

某隧道采用短臺(tái)階7步開挖。隧道位于背斜翼部，巖層呈單斜構(gòu)造，圍巖為灰?guī)r，弱風(fēng)化。隧道穿過斷層及其破碎帶地層，破碎帶軟弱、破碎，結(jié)構(gòu)松散，縫隙大，節(jié)理裂隙發(fā)育。這些不良地質(zhì)條件造成地下水發(fā)育，勘察資料顯示地下水類型為孔隙潛水及巖溶裂隙水，補(bǔ)給方式為大氣降水補(bǔ)給，且隨季節(jié)性變化。在影響因素中，對(duì)于定性指標(biāo)采用專家調(diào)查法確定；對(duì)于定量指標(biāo)采用三角形法來(lái)確定隸屬函數(shù)［7－9］，構(gòu)建隸屬度指標(biāo)如式（1）～（4）所示。

1.3 影響因素的權(quán)重確定

隧道的突水突泥災(zāi)害是眾多因素之間相互關(guān)聯(lián)、相互制約構(gòu)成的復(fù)雜問題，這些因素的影響程度不一，且具有很大的模糊性，在許多情況下無(wú)法明確肯定哪一個(gè)更重要［10－11］。對(duì)于難于明確重要性程度的這類模糊不確定問題，本文采用層次分析法來(lái)定量化處理這些因素。

表1 隧道突水突泥的多層次模糊評(píng)價(jià)模型

1.3.1 確定判斷矩陣

使用1～9的比例標(biāo)度aij來(lái)反映相對(duì)的重要性，標(biāo)度的含義參見表2。若Ai比較Aj的重要性為aij，則Aj相對(duì)Ai的重要性可判斷為aji＝1／aij，從而可以得到一個(gè)n×n的判斷矩陣A＝（aij）n×n。

表2 層次分析法標(biāo)度的含義

最終得到地質(zhì)結(jié)構(gòu)因素的判斷矩陣為：

地表因素的判斷矩陣為：

水文條件的判斷矩陣為：

其他因素的判斷矩陣為：

二級(jí)模糊綜合判斷矩陣為：

1.3.2 計(jì)算矩陣A的最大特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量

（1）計(jì)算矩陣特征值和特征向量的方法很多，在精度要求不高的情況下，往往采用簡(jiǎn)單的近似方法，本文采用平方根法，計(jì)算結(jié)果如下。

（2）矩陣的一致性檢驗(yàn)

因?yàn)榕袛嗑仃嘇采用兩兩比較得到，未必滿足等式aijajk＝aik。為了衡量A矩陣兩兩不相容所造成的ymax和W的誤差，則需構(gòu)建一個(gè)一致性指標(biāo)CI［12］。

2 模糊綜合評(píng)判

根據(jù)Bi＝Wi·Ri可求得一級(jí)模糊綜合評(píng)判：

二級(jí)模糊綜合評(píng)判：

采用加權(quán)平均法對(duì)二級(jí)評(píng)判結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，得到評(píng)判集為：

上述計(jì)算結(jié)果為該隧道發(fā)生突水突泥災(zāi)害的最終評(píng)價(jià)結(jié)果，根據(jù)最大隸屬度原則，該隧道穿越斷層破碎帶，突水突泥災(zāi)害發(fā)生的可能性是極高度的。這與工程施工中的實(shí)際情況一致。

3 突水突泥風(fēng)險(xiǎn)控制措施

本隧道主要穿越巖層為灰?guī)r，屬可溶性巖，且圍巖較破碎，地下水發(fā)育，隧道發(fā)生突水突泥風(fēng)險(xiǎn)極高。鑒于上述分析結(jié)果，針對(duì)突水突泥風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)相對(duì)較高的地段，上述地段的突水突泥風(fēng)險(xiǎn)可采取如下措施：

（1）降低含水地層的富水性。對(duì)動(dòng)水補(bǔ)給條件較差的工程，可采用降水疏干方法，把水位降低，使水頭壓力的安全得到保障。

（2）封堵裂隙通道。用混凝土對(duì)裂隙發(fā)育等關(guān)鍵部位進(jìn)行注漿封堵，隔斷導(dǎo)水通道，使得導(dǎo)水通道失去導(dǎo)水作用，達(dá)到防范目的。

（3）改進(jìn)施工方法，加強(qiáng)水源封堵。對(duì)通過斷層破碎帶的地段，在隧道超前預(yù)注漿的基礎(chǔ)上，提高注漿液的強(qiáng)度、漿液中添加摻加劑、減小注漿孔間距、擴(kuò)大注漿區(qū)段的長(zhǎng)度，從而加強(qiáng)堵水效果。

（4）結(jié)合多種物探手段，加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，加強(qiáng)地下水環(huán)境的探測(cè)，尤其是查明導(dǎo)水構(gòu)造、隔水層等薄弱位置；加強(qiáng)對(duì)隱伏小構(gòu)造的探查，尤其是一些小的隱伏巖溶區(qū)段。

（5）對(duì)地下水發(fā)育段采用“釋能降壓”原則，保證安全的巖壁厚度，設(shè)超前排水孔和加深炮眼。

4 結(jié)論與探討

（1）隧道工程施工中，突水突泥災(zāi)害的發(fā)生受到諸多復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)的因素共同作用，相互影響具有模糊性，本文根據(jù)既有的研究成果、工程實(shí)踐和國(guó)家規(guī)范，提出了影響突水突泥發(fā)生的判斷指標(biāo)，建立了模糊評(píng)判模型，并通過實(shí)例證明了模糊評(píng)估模型的適用性和有效性。

（2）針對(duì)本隧道的工程實(shí)際，提出了減弱突水突泥災(zāi)害發(fā)生的控制措施，以減小災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）模糊綜合評(píng)價(jià)方法，對(duì)于像隧道突水突泥這種無(wú)法直接建立影響因素與結(jié)果之間關(guān)系的情況，具有很大的適用性，且作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作的一個(gè)有益的補(bǔ)充，可以幫助現(xiàn)場(chǎng)工程人員更好控制施工風(fēng)險(xiǎn)。但該方法還有待進(jìn)一步完善，例如各級(jí)評(píng)判指標(biāo)的進(jìn)一步優(yōu)化，隸屬度和權(quán)重的分配優(yōu)化等問題的研究。

［1］ 劉長(zhǎng)祥.山區(qū)軟弱砂巖地區(qū)大跨度隧道穩(wěn)定性研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2007：55－78.

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Fuzzy-prediction and Control M easures for Water Bursting and M ud Surging of Tunnel

Jia Lei1，2，Li Yuan2and Zhang Yan1
（1．College of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China；2．School of Exploration Technology and Engineering，Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang 050031，China）

In order to predict the possibility and scale ofwater bursting andmud surging，in view of the influencing factors that are interconnected and with great fuzziness，fuzzy comprehensive evaluation method is proposed to judge the risk of disaster.Example shows that results of the approach above have a good consistency with the actual situation，and pertinence controlmeasures are put forward.What have done in the paper are of great significance tomake reasonablemeasures of advance geological forecast，develop an effective disaster prevention plan and protect the safety of the tunnel construction.

tunnelengineering；water bursting andmud surging；fuzzy comprehensive evaluation；controlmeasure

X43；U25

A

1000－811X（2014）02－0069－03

10.3969／j.issn.1000－811X.2014.02.015

賈磊，李源，章巖.隧道突水突泥災(zāi)害的模糊預(yù)測(cè)和控制措施［J］.災(zāi)害學(xué)，2014，29（2）：69－71.［Lei Jia，Li Yuan，Yan Zhang.Fuzzy-prediction and Control Measures for Water Bursting and Mud Surging of Tunnel［J］.Journal of Catastrophology，2014，29（2）：69－71.］

2013－10－01 修改日期：2013－12－01

河北省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（Z2011224）；河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（11237174）

賈磊（1978－），男，河北邢臺(tái)人，博士生，副教授，從事地質(zhì)工程的教學(xué)與研究工作.E-mail：jialei1978＠126.com