基于AHP-理想點(diǎn)法的隧道突泥涌水風(fēng)險評價

杜義祥，朱宏偉，李明駿

(1. 四川振通檢測股份有限公司，四川 綿陽 621010； 2. 西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引言

折多山隧道隧址區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，加之圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水豐富，發(fā)生大變形、涌突水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險極高，給施工作業(yè)帶來了極大挑戰(zhàn)。2019年6月18日，折多山隧道進(jìn)口主洞K1+035處在噴射混凝土?xí)r，掌子面左上角突然出現(xiàn)股狀涌水，施工單位立即采取措施封堵，但無濟(jì)于事，遂撤離了現(xiàn)場施工人員及設(shè)備。6月21日早上隧道突發(fā)突泥涌水災(zāi)害，整個過程持續(xù)約20 min，突泥量達(dá)13 500 m3，導(dǎo)致隧道主洞洞身150 m被掩埋，地表形成直徑約30 m的塌坑，深約15 m?？梢钥闯?，突泥涌水作為致災(zāi)危險性最高的隧道施工地質(zhì)災(zāi)害，除了靠超前地質(zhì)預(yù)報探明不良含導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造的特征信息外，還需對有可能發(fā)生突泥涌水的施工區(qū)段進(jìn)行風(fēng)險識別，確保不遺漏任何一個重大的突泥涌水災(zāi)害源，從根本上杜絕此類施工安全事故的發(fā)生[1-3]。

對此，韓行瑞[4]提出了“巖溶隧道突泥涌水及其專家評判系統(tǒng)”，并將其用于在建隧道的突泥涌水地質(zhì)預(yù)報，取得了良好的效果。楊艷娜等[5]在考慮隧址區(qū)自然環(huán)境和地質(zhì)條件等因素的基礎(chǔ)上，建立了山嶺隧道地下水環(huán)境負(fù)面影響的評價指標(biāo)體系?？镄堑萚6]建立了山嶺隧道巖溶災(zāi)害評估體系，并開發(fā)了突泥涌水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。許振浩等[7]基于層次分析法，建立了山嶺隧道突泥涌水風(fēng)險評價體系。毛邦燕和李集等[8-9]運(yùn)用模糊綜合評判法建立了巖溶隧道突泥涌水風(fēng)險評估模型。張志成等[10]選取圍巖巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地下水作為一級指標(biāo)，基于AHP法建立了隧道涌水災(zāi)害危險性評價模型。侯東賽[11]運(yùn)用模糊綜合評判理論得出深埋山嶺隧道突泥涌水風(fēng)險等級，并根據(jù)風(fēng)險等級提出了相應(yīng)的防控建議。游波等[12]利用集對分析與信息熵對公路隧道水害傾向性進(jìn)行了綜合評判分析。可以看出，現(xiàn)有工作的研究重點(diǎn)主要集中于隧道突泥涌水致災(zāi)因子的遴選、評價指標(biāo)體系的構(gòu)建以及評價方法的選擇上。由于隧道所處的地質(zhì)環(huán)境不同，發(fā)生突泥涌水災(zāi)害的影響因素也會各異，另外，指標(biāo)權(quán)重的賦值受人為主觀因素的影響也較大。

折多山隧道隧址區(qū)經(jīng)歷了多次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動，其特點(diǎn)為高水壓、地形地貌復(fù)雜、斷層、褶皺裂隙等不良地質(zhì)發(fā)育、地表水系錯綜復(fù)雜。鑒于此，本研究通過對折多山隧道突泥涌水孕災(zāi)環(huán)境的廣泛調(diào)研，構(gòu)建了隧道突泥涌水風(fēng)險的評價指標(biāo)體系，提出了一種基于AHP-理想點(diǎn)法的隧道突泥涌水風(fēng)險辨識方法，以期為隧道的安全施工提供技術(shù)支持。

1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

(1)圍巖巖性：圍巖巖性為隧道發(fā)生突泥涌水災(zāi)害提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，其可溶性直接決定著隧道發(fā)生突泥涌水的概率[13]。可溶性巖層主要包括石灰?guī)r、白云巖和大理巖，由于巖溶類型、厚度和發(fā)育環(huán)境不同，導(dǎo)致地層巖性表現(xiàn)出不同的溶解度和特征各異的導(dǎo)水構(gòu)造。

(2)含導(dǎo)水構(gòu)造：隧道常見的含導(dǎo)水構(gòu)造包括斷層、褶皺和節(jié)理裂隙等。斷層處破碎的巖石為地下水的儲存和移運(yùn)創(chuàng)造了條件，當(dāng)隧道開挖至斷層附近時，極易發(fā)生大規(guī)模的突泥涌水。背斜軸部發(fā)育的大量張性裂隙也會成為地下水的遷移通道，而向斜核部地下水富集，隧道在此處穿越易發(fā)生突泥涌水。節(jié)理裂隙，尤其是寬大型裂隙，是引發(fā)突泥涌水的重要災(zāi)害源。

(3)地表匯水條件：地表水可通過圍巖節(jié)理裂隙等運(yùn)移通道匯集至地下水潛水層。如地表負(fù)地形面積占比較大，地表水的補(bǔ)給作用會更加明顯，隧道發(fā)生突泥涌水的概率也更大。

(4)巖層產(chǎn)狀：一般來說，地下水的滲透性具有各向異性的特征。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，巖層傾角為25°～65°時隧道發(fā)生突泥涌水的概率達(dá)36%；巖層傾角為10°～25°時隧道發(fā)生突泥涌水的概率為27%；巖層傾角為0°～10°時發(fā)生突泥涌水的概率僅為10%[14]。

(5)水頭壓力：對于深埋隧道，地下水位與隧道底板間的高差越大，形成的水頭壓力也就越大。在較大的水頭壓力下，富集于圍巖中的地下水會因隧道的開挖而瞬間釋放，進(jìn)而形成突泥涌水災(zāi)害。另外，水頭壓力的大小也反映了圍巖的富水程度，水頭壓力越大，地下水越發(fā)育。

(6) 人為因素：隧道突泥涌水不僅與圍巖的地質(zhì)情況相關(guān)，也與施工方法和超前地質(zhì)預(yù)報方法等主觀因素有關(guān)。如不合理的施工方法會降低圍巖的自承能力，進(jìn)而增加隧道發(fā)生突泥涌水的風(fēng)險。另外，準(zhǔn)確的超前地質(zhì)預(yù)報可為隧道發(fā)生突泥涌水提供早期預(yù)警，在施工方采取相關(guān)處治措施的前提下，可以極大降低隧道發(fā)生突泥涌水的概率。

綜合以上分析，選取不良地質(zhì)(A1)、地層巖性(A2)、水力條件(A3)、人為因素(A4)作為1級指標(biāo)，斷層(B1)、褶皺(B2)、層間裂隙(B3)、圍巖級別(B4)、巖層產(chǎn)狀(B5)、巖層組合(B6)、降雨強(qiáng)度(B7)、地形地貌(B8)、水頭壓力(B9)、施工方法(B10)、超前預(yù)報(B11)、超前支護(hù)(B12)等作為2級指標(biāo)，構(gòu)建了如圖1所示的折多山隧道突泥涌水風(fēng)險評價指標(biāo)體系。

圖1 折多山隧道突泥涌水風(fēng)險評價指標(biāo)體系

依據(jù)折多山隧道孕災(zāi)環(huán)境特點(diǎn)和各指標(biāo)對隧道突泥涌水災(zāi)害發(fā)生的影響程度，結(jié)合隧址區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育狀況及相關(guān)統(tǒng)計分析結(jié)果，可將涌突水風(fēng)險等級劃分為低風(fēng)險(I)、中等風(fēng)險(II)、高風(fēng)險(III)和極高風(fēng)險(IV)4級，編制了如表1所示的隧道突泥涌水風(fēng)險定性評價的分級標(biāo)準(zhǔn)。

表1 隧道突泥涌水風(fēng)險評價的分級標(biāo)準(zhǔn)

2 隧道突泥涌水風(fēng)險評價模型

2.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

隧道突泥涌水地質(zhì)災(zāi)害是各種復(fù)雜因素共同作用的結(jié)果，這些因素的影響程度不一，且具有模糊性。對于這類不確定問題，可采用層次分析法來確定各指標(biāo)的權(quán)重[15]。

(1)確定判斷矩陣：采用1～9 級標(biāo)度法進(jìn)行兩兩成對比較，用aij表示評價指標(biāo)Ci與Cj對目標(biāo)的影響程度之比，aij賦值與含義如表2所列。

表2 1～9 標(biāo)度的定義

在得到判斷矩陣A的基礎(chǔ)上，按照式(1)計算評價系統(tǒng)中各指標(biāo)的權(quán)重：

(1)

對于判斷矩陣A要計算滿足Aω=λmaxω的特征根和特征向量，ω為對應(yīng)于λmax的正規(guī)化特征向量，也即權(quán)重值。

(2)

CI=(λmax-n)/(n-1)，

(3)

(4)

當(dāng)隨機(jī)一致性比率CR<0.1時，認(rèn)為層次單排序的結(jié)果有滿意的一致性，即計算得到的權(quán)重ωk為各指標(biāo)的權(quán)重值，否則需要調(diào)整判斷矩陣內(nèi)指標(biāo)的取值，再依據(jù)上述步驟重新計算，直至滿足一致性驗證。

2.2 正反理想點(diǎn)的確定

根據(jù)圖1所示的折多山隧道突泥涌水風(fēng)險評價指標(biāo)體系，可將理想點(diǎn)的評價指標(biāo)分為“正向增長型”和“逆向減小型”兩類[16]。

當(dāng)評價指標(biāo)為“正向增長型”時：

(5)

(6)

當(dāng)評價指標(biāo)為“逆向減小型”時：

(7)

(8)

2.3 理想點(diǎn)評價函數(shù)

理想點(diǎn)法評價問題的核心是通過計算各點(diǎn)與理想點(diǎn)間的距離來判斷解的優(yōu)劣性，離正理想點(diǎn)越近或離反理想點(diǎn)越遠(yuǎn)，解越優(yōu)[17]。最優(yōu)解需滿足以下兩個條件：

(9)

距離可用Minkowski函數(shù)計算[18]，到正反理想點(diǎn)的距離可分別用式(10)和式(11)計算：

(10)

(11)

式中，wi為各指標(biāo)的權(quán)重。

2.4 貼近度的計算

貼近度可用式(12)計算：

(12)

顯然M∈[0, 1]，M越大，即代表距離正理想點(diǎn)越近，距離反理想點(diǎn)越遠(yuǎn)。

3 工程實(shí)例

3.1 工程背景

折多山位于四川省甘孜州境內(nèi)，最高峰海拔4 962 m，埡口海拔4 298 m，與康定市的海拔落差達(dá)1 800 m，是川藏線上第1個需要翻越的高山埡口，因此有“康巴第一關(guān)”之稱。擬建的雅葉高速公路康定折多山隧道進(jìn)口位于康定折多河右岸二臺子附近，距康定縣城直線距離約10～13 km，出口位于距新都橋鎮(zhèn)東約 22 km的貢布卡。該隧道的建設(shè)對緩解318國道的交通擁堵及保障冬季行車安全，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有特殊意義。

3.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

隧址區(qū)地層區(qū)劃屬巴顏喀拉秦嶺地層區(qū)馬爾康分區(qū)金川雅江小區(qū)，屬揚(yáng)子地層區(qū)康定地層分區(qū)，除第四系外，地層中的巖石受構(gòu)造影響，遭受不同程度的變質(zhì)。工程區(qū)區(qū)域構(gòu)造上屬于鮮水河NW向構(gòu)造帶，以東屬于龍門山NE 向構(gòu)造帶，以南為川滇SN向構(gòu)造帶，構(gòu)成“三岔裂谷系”，隧址區(qū)的大地構(gòu)造背景正處在這三岔口交接地帶。區(qū)域地層主要包括：第四系全新統(tǒng)崩積層(Q4c)、崩坡積層(Q4c+dl)、坡洪積層(Q4dl+pl)、沖洪積層(Q4al+pl)、泥石流堆積層(Q4sef)和第四系更新統(tǒng)冰水堆積層(Q3fgl)；中生界三疊系上統(tǒng)如年各組(T3r1)、中統(tǒng)雜谷腦組(T2z)、燕山晚期黑云母花崗巖(γβ5)及斷層構(gòu)造巖。

隧址區(qū)地下水主要由松散堆積體孔隙水、構(gòu)造裂隙水、風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水組成，大多數(shù)沿著圍巖節(jié)理裂隙進(jìn)行移動，補(bǔ)給主要以大氣降水和地表徑流為主。隧址區(qū)沖溝發(fā)育，沖溝多呈“V”字形，縱坡較大，常年有水。隧道穿越折多山近山頂部位，斜坡呈上緩下陡的渾圓狀，溝谷縱坡較大，且徑流較長，不利于地下水向下排泄。隧道淺層地下水排泄基準(zhǔn)面分別為沖溝，更深層地下水則以折多河及蘭泥巴為基準(zhǔn)面排泄，溝床高程以上覆蓋層中的淺層地下水部分在斜坡腳以泉的形式排泄。折多山隧道地質(zhì)縱剖面圖如圖2所示。

圖2 折多山隧道地質(zhì)剖面

3.3 風(fēng)險等級評價

(1)各指標(biāo)數(shù)據(jù)量化：以折多山隧道K0+613～K1+050、K7+940～K8+160和K8+740～K8+880共3個典型施工段落為例，介紹本研究提出的隧道涌突水風(fēng)險評價方法的具體應(yīng)用。上述3個區(qū)段均3臺階預(yù)留核心土的施工方法，并采用超前錨桿和超前小導(dǎo)管支護(hù)以控制圍巖的變形，超前預(yù)報以掌子面地質(zhì)素描，TSP探測、地質(zhì)雷達(dá)和超前水平鉆為主。相關(guān)工程數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 工程數(shù)據(jù)表

(2)權(quán)重的確定：根據(jù)1～9 級標(biāo)度法，得到一級判別矩陣U-A和二級判別矩陣A-B，如表4和表5所示。

分別計算上述判別矩陣的特征值和特征向量，結(jié)果如表6所列。

分別對判別矩陣U-A和A-B進(jìn)行一致性檢驗，結(jié)果均滿足要求。對表4和表5進(jìn)行層次組合總排序，各指標(biāo)的權(quán)重如表7所列。

表4 一級判別矩陣

表5 二級判別矩陣

表6 各判別矩陣特征向量和特征值

表7 各指標(biāo)的權(quán)重

(3)正反理想點(diǎn)矩陣的確定：根據(jù)表1所示，在所選擇的評價指標(biāo)中，斷層、褶皺、巖性組合、巖層產(chǎn)狀、大氣降水、負(fù)地形面積、水頭壓力、開挖方法、超前預(yù)報方法、超前支護(hù)方法屬于“正向增長型”指標(biāo)，指標(biāo)值越大，隧道發(fā)生突泥涌水的風(fēng)險越高；節(jié)理間距和圍巖級別為“逆向減小型”指標(biāo)，指標(biāo)值越小，隧道發(fā)生突泥涌水的風(fēng)險越高。

根據(jù)式(5)～(8)，可得到折多山隧道突泥涌水風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)的理想點(diǎn)矩陣F*(+)和反理想點(diǎn)矩陣F*(-)分別為：

F*(+)=

(4)貼近度的計算：根據(jù)所建立的評價模型進(jìn)行計算，得到了折多山隧道3個典型段落突泥涌水風(fēng)險等級的理想點(diǎn)貼近度，結(jié)果如表8所示。

表8 判別結(jié)果對比

根據(jù)理想點(diǎn)貼近度最大即與對應(yīng)風(fēng)險等級最為貼近的原則，可以判定折多山隧道K0+613～K1+050段涌突水風(fēng)險級別為IV級 (極高風(fēng)險)，K7+940～K8+160段和K8+740～K8+880段涌突水風(fēng)險級別均為III級(高風(fēng)險)。同時，本研究還將集對分析方法(SPA)和模糊綜合評判法得到的結(jié)果和本文的評價結(jié)果進(jìn)行了對比，得出3種方法的評價結(jié)果完全一致，從而驗證了該模型用于隧道涌突水風(fēng)險等級辨識的合理性和可行性。

3.4 實(shí)際開挖驗證

折多山隧道K0+613～K1+050區(qū)段圍巖以粉砂巖和糜棱巖為主，極松散且含水，洞壁穩(wěn)定性極差，綜合推測該段圍巖等級為Ⅴ級；K7+940～K8+160和K8+740～K8+880區(qū)段圍巖以三疊系中統(tǒng)雜谷腦砂質(zhì)板巖和炭質(zhì)絹云板巖為主，呈薄～中厚層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，掌子面中部發(fā)育有層間破碎帶，厚約 0.8～1.5 m，破碎帶巖體呈小碎塊散體結(jié)構(gòu)，地下水呈股狀從破碎帶內(nèi)流出，穩(wěn)定性差，有巖體不時發(fā)生塌落。

圖3所示的是2019年6月21日折多山隧道發(fā)生突泥涌水災(zāi)害后路面被淤泥掩埋后的情景(掌子面里程樁號K1+035)。由于預(yù)報及時，施工方事先撤離了相關(guān)人員和設(shè)備，進(jìn)而避免了重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。在對K7+940～K8+160和K8+740～K8+880區(qū)段施工時，施工方采取了沙袋反壓掌子面圍巖以及導(dǎo)管排水降低地下水位的方法，降低了隧道發(fā)生突泥涌水的概率，并沒有出現(xiàn)大規(guī)模的突泥涌水。從開挖結(jié)果來看，本研究將K0+613～K1+050區(qū)段判定為IV級(極高風(fēng)險)，將K7+940～K8+160和K8+740～K8+880的突泥涌水風(fēng)險等級判定為III級(高風(fēng)險)是合理準(zhǔn)確的。

圖3 隧道發(fā)生突泥涌水后的情形

4 結(jié)論

(1)基于層次分析法構(gòu)建了折多山隧道突泥涌水風(fēng)險評價的指標(biāo)體系，并采用AHP 法確定了各評價指標(biāo)的權(quán)重。在此基礎(chǔ)上，引入理想點(diǎn)法，提出了基于AHP-理想點(diǎn)法的隧道突泥涌水風(fēng)險等級辨識方法。

(2)將AHP-理想點(diǎn)法用于折多山隧道3個典型區(qū)段的突泥涌水風(fēng)險評價，并將本研究得到的結(jié)果與采用集對分析方法和模糊綜合評判法得到的結(jié)果進(jìn)行了對比，對比顯示3種方法的預(yù)測結(jié)果一致，并與實(shí)際開挖情況吻合。

(3)由于隧道圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜多變，在施工前可根據(jù)地勘資料，采用本研究提出的方法對隧道突泥涌水風(fēng)險等級進(jìn)行初步辨識，并結(jié)合隧道超前地質(zhì)預(yù)報進(jìn)行全面準(zhǔn)確評價，方便施工人員采取有效的處治措施。