基于模糊綜合判別法的隧道巖爆烈度等級(jí)預(yù)測(cè)

趙鄉(xiāng)委

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

現(xiàn)代隧道建設(shè)逐漸朝著長、大、深埋的方向發(fā)展，大埋深勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致隧道巖爆地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。自1738年在英國錫礦坑道中首次發(fā)現(xiàn)巖爆現(xiàn)象以來，巖爆已成為地下工程普遍關(guān)注的一種地質(zhì)災(zāi)害。我國在歷經(jīng)錦屏水電站輔助隧洞巖爆、二郎山隧道巖爆等巖爆事故后，現(xiàn)已形成一套較為有效的巖爆處置方案，但是目前關(guān)于巖爆預(yù)測(cè)仍然是隧道建設(shè)中的薄弱環(huán)節(jié)。楊建[1](2005年)將系統(tǒng)決策論與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合，提出利用層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)法(AHP-F)對(duì)巖爆進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)。該方法將多種因素綜合考慮，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單因素預(yù)測(cè)方法的不足。龍浪波[2](2015年)進(jìn)一步將模糊-層次法推廣到隧道工程巖爆預(yù)測(cè)中，結(jié)合隧道建設(shè)特點(diǎn)對(duì)巖爆因素集的選取做了深度改進(jìn)。最后以大相嶺隧道為依托開展模糊-層次法巖爆預(yù)測(cè)的驗(yàn)證。

本文在已有研究基礎(chǔ)上將隧道施工因素引入到巖爆預(yù)測(cè)中，擴(kuò)大因素集的范圍，對(duì)因素集重新選取，使巖爆預(yù)測(cè)能夠全面考慮隧道建設(shè)過程中的各方面因素，最終以都汶高速福堂隧道為工程依托，對(duì)本文所構(gòu)建的巖爆因素集、風(fēng)險(xiǎn)層次結(jié)構(gòu)、權(quán)重確定方法的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，提出一套較為細(xì)致詳盡的巖爆模糊-層次預(yù)測(cè)方法。

1 工程概況

福堂隧道位于四川省汶川縣銀杏鄉(xiāng)桃關(guān)村境內(nèi)，總長4 382m，隧道整體埋深較大，最大埋深669m。隧道傍山通過岷江右岸的山地斜坡，隧道軸線上呈現(xiàn)波狀起伏，高程差異大。隧道穿越巖層主要為第四期花崗巖及后期侵入的輝綠巖，圍巖級(jí)別為V～Ⅱ級(jí)。其中Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖段巖體較為完整，局部破碎，掌子面處于滲水～滴水狀態(tài)，巖爆頻發(fā)。

2 模糊-層次法基本判別原理

2.1 巖爆因素集確定

巖爆是地下工程開挖過程中，堅(jiān)硬、脆性圍巖在高應(yīng)力條件下，因開挖擾動(dòng)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布和應(yīng)力集中，巖體內(nèi)儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能突發(fā)性的急劇釋放，產(chǎn)生的爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動(dòng)力失穩(wěn)、破壞性的地質(zhì)災(zāi)害[3]。從巖爆發(fā)生條件分析，巖爆影響因素準(zhǔn)則層可以劃分為地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)因素U1和施工風(fēng)險(xiǎn)因素U2，其中結(jié)合傳統(tǒng)巖爆預(yù)報(bào)方法[3-4]：應(yīng)力強(qiáng)度比法、Russense判據(jù)法、Turchaninov判據(jù)，將地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)因素U1進(jìn)一步劃分為指標(biāo)層U11、U12、U13、U14、U15。施工風(fēng)險(xiǎn)因素主要來自于開挖引起的應(yīng)力集中，同時(shí)初期支護(hù)能對(duì)巖爆起到一定的限制作用，因此將施工風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)一步劃分為開挖方案U21和支護(hù)方案U22指標(biāo)層。巖爆風(fēng)險(xiǎn)層次結(jié)構(gòu)體系(圖1)。

圖1 巖爆風(fēng)險(xiǎn)層次結(jié)構(gòu)體系

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

巖爆因素層次結(jié)構(gòu)確立之后，需要構(gòu)造判斷矩陣確定各因素對(duì)上一層結(jié)構(gòu)的權(quán)重值。通過對(duì)同類別、同一層因素之間的兩兩對(duì)比，確定兩個(gè)因素對(duì)上層因素的相對(duì)重要性，從而構(gòu)建判斷方陣。兩因素之間的相對(duì)重要性標(biāo)度值采用層A.L.Satty提出的1～9及其倒數(shù)標(biāo)度法[5]。

由于兩兩因素相對(duì)重要性的確定是由人為主觀確定的，難免將不確定因素引入判斷矩陣中，為了使判斷矩陣更加合理，剔除主觀因素的影響，需要對(duì)判斷矩陣最大特征值λmax進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

通過因素間相對(duì)重要性標(biāo)度，并對(duì)建立判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，經(jīng)多次調(diào)整最終確定巖爆各層次判斷矩陣以及各層次對(duì)上層結(jié)構(gòu)的權(quán)重值(表1～表3)

表1 準(zhǔn)則層權(quán)重判斷矩陣

表2 指標(biāo)層地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重判斷矩陣

表3 指標(biāo)層施工風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重判斷矩陣

根各層次因素權(quán)重值，確定權(quán)重向量：

ω=[0.83 0.17]

ω1=[0.10 0.34 0.28 0.18 0.10]

ω2=[0.65 0.35]

2.3 建立目標(biāo)評(píng)價(jià)集

目前學(xué)術(shù)界主要將隧道巖爆烈度等級(jí)劃分為四級(jí)[6]，為保證該巖爆預(yù)測(cè)方法的可行性，現(xiàn)將巖爆預(yù)測(cè)等級(jí)進(jìn)行調(diào)整如下：

(1)無巖爆(Ⅰ)。

(2)輕微巖爆(Ⅱ)，洞壁巖體呈片狀剝落、鼓脹，伴有噼啪聲，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為射落，波及深度較小。

(3)中等巖爆(Ⅲ)，洞壁巖體剝離現(xiàn)象嚴(yán)重，部分巖塊彈射，伴有爆裂聲，對(duì)機(jī)械設(shè)備有輕微影響，且?guī)r爆持續(xù)時(shí)間長。

(4)強(qiáng)烈?guī)r爆(Ⅳ)，開挖后隧道出現(xiàn)大片爆裂，巖塊彈射劇烈，有強(qiáng)烈的炸裂聲及山體悶響，對(duì)機(jī)械設(shè)備危害較大，施工中斷。

結(jié)合(JTG-TD70-2010)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[7]中對(duì)巖體完整性系數(shù)KV、強(qiáng)度應(yīng)力比、巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度的定性分級(jí)規(guī)定，現(xiàn)將巖爆因素集中的定量因素指標(biāo)按照巖爆等級(jí)分為四類(表4)。

2.4 確定隸屬度矩陣

根據(jù)巖爆風(fēng)險(xiǎn)層次劃分，指標(biāo)層因素集主要分為兩種：定性指標(biāo)、定量指標(biāo)。對(duì)于連續(xù)型定量指標(biāo)可以選取適當(dāng)?shù)碾`屬度函數(shù)來確定其隸屬度，對(duì)于離散型定性指標(biāo)因素可以按照專家打分法確定因素隸屬度。本文采用“降半梯形分布”

表4 巖爆定量因素指標(biāo)量化分級(jí)表

隸屬度函數(shù)確定定量因素隸屬度。

對(duì)于因素集中的開挖作業(yè)和支護(hù)作業(yè)，由于每條隧道的開挖支護(hù)作業(yè)對(duì)隧道巖爆發(fā)生的影響程度不一，無法采取統(tǒng)一方法確定兩者的隸屬度，故采取專家打分法的形式，對(duì)評(píng)判隧道進(jìn)行專家論證，確定其隸屬度。由此確定單個(gè)因素對(duì)巖爆等級(jí)的隸屬度向量。將單因素隸屬度向量按照準(zhǔn)則層進(jìn)行組合，得到各準(zhǔn)則部隸屬度矩陣：

2.5 多級(jí)模糊綜合判別

根據(jù)本文對(duì)巖爆影響因素的層次劃分，該方法需進(jìn)行兩級(jí)模糊綜合判別。

B1、B2：一級(jí)綜合評(píng)判結(jié)果向量。

將一級(jí)綜合評(píng)判結(jié)果向量：B1、B2進(jìn)行組合為二級(jí)綜合評(píng)判的隸屬度矩陣R：

結(jié)合準(zhǔn)則層權(quán)重向量ω，進(jìn)行二級(jí)模糊綜合評(píng)判，確定評(píng)判結(jié)果向量B：

根據(jù)最大隸屬度原則，確定結(jié)果向量B中最大元素值bk(k=1 2 3 4)，則k值即為對(duì)應(yīng)的巖爆烈度等級(jí)。

3 福堂隧道巖爆實(shí)例預(yù)測(cè)

根據(jù)福堂隧道勘察設(shè)計(jì)資料分析，該隧道Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖段采用鉆爆法施工分步開挖，具體參數(shù)為：隧道洞壁周邊噴10cm厚C25混凝土，布設(shè)長2.5m的φ22mm砂漿錨桿，間距1.2m×1.2m，在拱頂加φ6.5mm鋼筋網(wǎng)，@30cm×30cm，加間距1.2m厚度10cm的格柵鋼架。結(jié)合福堂隧道具體開挖支護(hù)參數(shù)，參考大相嶺隧道、二郎山隧道、錦屏水電站引水隧洞等地下工程[8]，對(duì)福堂隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行打分，確定隸屬度矩陣R2：

福堂隧道左洞自施工以來發(fā)生巖爆里程累計(jì)超過1 000m，現(xiàn)選取三段左洞巖爆頻發(fā)里程進(jìn)行預(yù)測(cè)驗(yàn)證。各里程評(píng)價(jià)因素指標(biāo)值(表5)。由表6可知巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果與施工開挖實(shí)際情況基本相符。

表5 各里程巖爆因素指標(biāo)值

表6 各里程段巖爆預(yù)測(cè)與實(shí)際開挖對(duì)比結(jié)果

4 結(jié) 論

本文通過將巖爆定性指標(biāo)-施工風(fēng)險(xiǎn)因素引入隧道巖爆風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)-準(zhǔn)則-指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)圖，利用專家打分法解決定性因素隸屬度難以確定的問題，進(jìn)一步完善巖爆風(fēng)險(xiǎn)層次結(jié)構(gòu)，對(duì)AHP-F巖爆預(yù)測(cè)方法起到一定改進(jìn)作用。

(1)對(duì)巖爆烈度影響因素進(jìn)行層次分析，在已有研究的基礎(chǔ)上，將施工風(fēng)險(xiǎn)因素引進(jìn)至巖爆層次結(jié)構(gòu)中，運(yùn)用專家打分法確定其隸屬度，進(jìn)一步完善現(xiàn)有巖爆層次結(jié)構(gòu)。

(2)通過對(duì)福堂隧道巖爆實(shí)例預(yù)測(cè)，驗(yàn)證模糊層次法(F-AHP)在隧道巖爆等級(jí)預(yù)測(cè)中可靠性較高，能夠?qū)r爆隧道的施工設(shè)計(jì)提供一定參考價(jià)值。