基于多級(jí)灰關(guān)聯(lián)方法的圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)

郝　杰

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊　830000)

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基于多級(jí)灰關(guān)聯(lián)方法的圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)

郝杰

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊830000)

摘要：地下洞室圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)由于其力學(xué)參數(shù)的不確定性和隨機(jī)性使得評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差。準(zhǔn)確進(jìn)行圍巖質(zhì)量評(píng)估成為設(shè)計(jì)和施工階段最為重要的因素，直接影響著設(shè)計(jì)方案比選、施工工藝和建設(shè)周期。因此，為了提高圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，基于實(shí)際工程需要，提出采用多級(jí)灰關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)，并將其計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)圍巖評(píng)價(jià)方法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞：地下洞室;圍巖質(zhì)量；質(zhì)量評(píng)價(jià);多級(jí)灰關(guān)聯(lián)分析

0前言

21世紀(jì)以來(lái)隨著地下工程項(xiàng)目的迅速發(fā)展，對(duì)諸如隧道、礦山、水工隧洞等圍巖安全性評(píng)價(jià)的要求越來(lái)越高[1]，圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)也是設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中極為重要的環(huán)節(jié)，不僅關(guān)系著工程進(jìn)度、投資和施工形式，也關(guān)系著施工人員生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，科學(xué)合理的評(píng)價(jià)圍巖條件，為提供安全可靠的開(kāi)挖和支護(hù)形式提供理論依據(jù)[2]。截止目前，中國(guó)巖土工程領(lǐng)域采用最多的圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)方法主要集中在以下3類(lèi)：國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)指標(biāo)》中提出的圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[3]、RMR分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[4]和Q系統(tǒng)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[5]。雖然這些圍巖評(píng)價(jià)方法在實(shí)際工程中解決了許多問(wèn)題，為設(shè)計(jì)和施工人員所容易接受，但是這些評(píng)價(jià)方法都存在著一些不足，如圍巖參數(shù)無(wú)法呈現(xiàn)模糊性和隨機(jī)性，評(píng)價(jià)結(jié)果太過(guò)剛性，單純給出圍巖幾級(jí)，反映不出圍巖等級(jí)偏好問(wèn)題，無(wú)法體現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性?；谶@一問(wèn)題，本文提出采用多級(jí)灰關(guān)聯(lián)的方法進(jìn)行圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)，權(quán)重計(jì)算采用主成分分析的方法，避免了權(quán)重計(jì)算的主觀性，充分挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)在關(guān)系，并將該方法應(yīng)用于實(shí)際工程中[6-7]。

1圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)介

1.1圍巖評(píng)價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)的建立

本文依據(jù)相關(guān)學(xué)者研究資料[8-10]，結(jié)合實(shí)際工程，提出將單軸抗壓強(qiáng)度Rc(MPa)、巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD(%)、巖體完整性系數(shù)Kv、地下水滲水量Q(L/(min·10m))、巖體聲波速度V(m/s)和結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線夾角θ(°)6個(gè)因素作為分析指標(biāo)，表1列出了圍巖評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表1　圍巖質(zhì)量分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)表

1.2系統(tǒng)多級(jí)灰關(guān)聯(lián)綜合評(píng)價(jià)方法

1.2.1樣本矩陣與標(biāo)準(zhǔn)矩陣歸一化

基于新疆布倫口-公格爾水電站地下洞室研究標(biāo)段的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，建立樣本矩陣，詳見(jiàn)表2，記為An×m，歸一化后矩陣記為(aij)n×m；標(biāo)準(zhǔn)矩陣由表1制定的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成，記為Bc×m，歸一化后矩陣記為(btj)c×m。本研究采用的歸一化方法為分段線性變化，對(duì)于指標(biāo)為越大等級(jí)越優(yōu)型采用下式進(jìn)行變換[11]：

(1)

(2)

對(duì)于指標(biāo)為越小等級(jí)越優(yōu)型采用下式進(jìn)行變換：

(3)

(4)

式中：n為評(píng)估指標(biāo)的標(biāo)段數(shù)量；m為評(píng)估指標(biāo)的個(gè)數(shù)；c為標(biāo)準(zhǔn)的級(jí)別數(shù);xij為第i個(gè)標(biāo)段第j個(gè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù);Aij為第i年第j個(gè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù);Scj為第c個(gè)等級(jí)第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值;Stj為第j個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值的均值;S1j為第j個(gè)指標(biāo)的邊界值。

表2　洞室各段圍巖指標(biāo)參數(shù)值表

1.2.2權(quán)重計(jì)算

權(quán)重計(jì)算方法采用主成分分析法，其優(yōu)點(diǎn)在于它的權(quán)數(shù)計(jì)算是根據(jù)指標(biāo)真實(shí)數(shù)據(jù)的內(nèi)在相關(guān)關(guān)系來(lái)確定的，從而避免了主觀隨意性，實(shí)現(xiàn)了客觀賦權(quán)。其計(jì)算步驟為：

(1) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)矩陣(aij)n×m，計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣Rn×m。

表3　各段圍巖指標(biāo)權(quán)重值表

1.2.3關(guān)聯(lián)離散函數(shù)的計(jì)算

對(duì)樣本矩陣與標(biāo)準(zhǔn)矩陣進(jìn)行歸一化，并在求得各指標(biāo)的權(quán)重分配后，基于灰色系統(tǒng)理論構(gòu)造滿(mǎn)足關(guān)聯(lián)空間的關(guān)聯(lián)離散函數(shù)[12]，具體步驟為：

(1) 計(jì)算關(guān)聯(lián)離散函數(shù)記樣本向量與標(biāo)準(zhǔn)向量的中第j個(gè)指標(biāo)的絕對(duì)差，公式為：

(2) 計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(aj,bt)，公式為：

式中：ρ為分辨系數(shù)，0<ρ<1，本文ρ取0.5；t為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值的均值。

(3) 計(jì)算關(guān)聯(lián)度γjt(aj,bt)，公式為：

由關(guān)聯(lián)度γjt(aj,bt)可確定關(guān)聯(lián)度最大、隸屬度最高的某個(gè)子序列，即可得到各指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

2圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

最終得到的多級(jí)灰關(guān)聯(lián)綜合評(píng)估結(jié)果以及其他方法的圍巖評(píng)價(jià)結(jié)果匯總于見(jiàn)表4。

表4　圍巖穩(wěn)定灰色綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表

由表4可知，通過(guò)本文方法進(jìn)行圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)的結(jié)果具有連續(xù)性，避免了傳統(tǒng)圍巖等級(jí)“一刀切”的弊端。例如，1號(hào)標(biāo)段的圍巖評(píng)價(jià)結(jié)果是2.16，說(shuō)明該段圍巖是偏向Ⅲ類(lèi)的Ⅱ類(lèi)圍巖，但是偏向Ⅲ類(lèi)圍巖的程度較低，姑且可以評(píng)定為Ⅱ類(lèi)圍巖；也可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件、工程重要性程度調(diào)為偏于更加保守的Ⅲ類(lèi)圍巖。而對(duì)于2號(hào)標(biāo)段，本文評(píng)價(jià)結(jié)果為2.98，雖然也屬于偏于Ⅲ類(lèi)的Ⅱ類(lèi)圍巖，但是由于其偏向Ⅲ類(lèi)圍巖程度很大，此時(shí)即可評(píng)定為Ⅲ類(lèi)圍巖。同時(shí)，將本文評(píng)價(jià)方法與傳統(tǒng)圍巖評(píng)價(jià)方法(QC法、BQ法、HC法和RMR法)相對(duì)比，結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性，說(shuō)明本文方法在能夠表述圍巖級(jí)別連續(xù)的條件下具有較為精確的評(píng)價(jià)結(jié)果，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3結(jié)語(yǔ)

(1) 針對(duì)傳統(tǒng)圍巖評(píng)價(jià)方法存在的不足，提出基于多級(jí)灰關(guān)聯(lián)的圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)結(jié)果呈現(xiàn)連續(xù)性，反映出圍巖質(zhì)量的不確定性和隨機(jī)性，避免圍巖等級(jí)劃分太過(guò)“剛性”的弊端。

(2) 采用主成分分析法進(jìn)行圍巖影響因子的權(quán)重計(jì)算，摒棄了主觀權(quán)重計(jì)算的不合理性，完全發(fā)揮待測(cè)圍巖標(biāo)段參數(shù)本身的價(jià)值，權(quán)重結(jié)果更加符合客觀實(shí)際。

(3) 通過(guò)與傳統(tǒng)圍巖評(píng)價(jià)方法相互驗(yàn)證，說(shuō)明本文方法在實(shí)踐中具有一定應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1]陳近中.雙江口電站工程巖體質(zhì)量分級(jí)研究[D].成都：成都理工大學(xué),2007.

[2]申艷軍,閆蕊鑫.工程因素對(duì)施工期地下洞室圍巖質(zhì)量影響分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2014,31(08)：66-72.

[3]長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院.GB/T50218—2014,工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2015.

[4]唐紅寧.RMR圍巖分級(jí)方法在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用[J]. 隧道建設(shè),2008,28(06)：666-671.

[5]Barton N. Analysis of rock mass quality and support practice in tunneling and a guide for estimating support requirement [J].Rock Mechanics,1974,6(04)：189-236.

[6]朱敏，楊栗.基于極限平衡法和有限元法的巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析[J].西北水電,2012(03)：13-16.

[7]王顯麗,賈爾恒·阿哈提,王君麗.博斯騰湖生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估模型及應(yīng)用[J].環(huán)境污染與防治,2014,36(01)：24-27.

[8]連建發(fā),慎乃齊,張杰坤.基于可拓方法的地下工程圍巖評(píng)價(jià)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(09)：1450-1453.

[9]賈超,肖樹(shù)芳,劉寧.可拓學(xué)理論在洞室?guī)r體質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(05)：751-756.

[10]康志強(qiáng),馮夏庭,周輝.基于層次分析法的可拓學(xué)理論在地下洞室?guī)r體質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(S2)：3687-3693.

[11]王紅莉,姜國(guó)強(qiáng),陶建華.渤海灣水環(huán)境系統(tǒng)多級(jí)灰關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)[J].海洋技術(shù),2004,23(04):48-52.

[12]夏軍.區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量灰關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)方法的研究[J].水文,1995(02):4-9.

Surrounding Rock Quality Assessment Based on Multiple-stage Grey Correlation Method

HAO Jie

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi830000,China)

Abstract:Assessment of surrounding rock of underground cavern is with certain deviation compared with its actual situation due to uncertainty and randomicity of its mechanics parameters. The accurate assessment of surrounding rock quality becomes the important factor at design and construction stages. It impacts design scheme comparison & selection, construction technology and construction period. Therefore, the multiple-stage grey correlation method is proposed and applied for assessment of surrounding rock quality based on actual engineering demand to improve accuracy of assessment of surrounding rock quality. Furthermore, the calculation result is compared with that of the conventional method for surrounding rock assessment to verify accuracy of the assessment method of multiple-stage grey correlation. Key words:underground cavern; surrounding rock quality; quality assurance; multiple-stage grey correlation analysis

文章編號(hào)：1006—2610(2016)03—0024—03

收稿日期：2016-03-11

作者簡(jiǎn)介：郝杰(1987- )，男，河北省萬(wàn)全縣人，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)和研究工作.

基金項(xiàng)目：新疆水利水電工程重點(diǎn)學(xué)科資助(xjzdxk-2010-02-12)；新疆科技支撐項(xiàng)目(201233132).

中圖分類(lèi)號(hào)：TV223.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.006