超深埋特長隧道穿越斷層破碎帶施工風險研究

鐘威，高劍鋒，陳建平

(1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000;2.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北武漢430074)

超深埋特長隧道穿越斷層破碎帶施工風險研究

鐘威1，高劍鋒1，陳建平2

(1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000;2.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北武漢430074)

在詳細分析斷層破碎帶隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素的基礎上，綜合斷層特征信息，采用層次分析法建立斷層破碎帶的施工風險評價指標體系。計算各指標的相對權重，同時制定各指標的分級標準，進行模糊綜合評價。引入工程實例對評價方法進行驗證，結(jié)果與實際情況較為吻合，說明模糊綜合評判指標體系是有效的。

超深埋特長隧道 斷層破碎帶 地質(zhì)災害 風險評價

斷層破碎帶是隧道施工中常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，易引起塌方、大變形、涌水突泥等。據(jù)統(tǒng)計，斷層破碎帶引起的隧道塌方占塌方總數(shù)的27%以上［1］。原因可歸結(jié)為兩類:①斷層破碎帶為強度低、易變形、透水性大的軟弱帶，圍巖的失穩(wěn)破壞正是沿著巖體的這種軟弱帶產(chǎn)生;②斷層破碎帶是巖溶發(fā)育地區(qū)溶洞水、地下暗河等巖溶水的最主要發(fā)育場所，易發(fā)生大規(guī)模涌水突泥。

國內(nèi)外文獻已對斷層破碎帶問題進行了大量研究。杜煒平等［2］從斷層力學機制著手，分析了不同斷層區(qū)域?qū)λ淼篱_挖的影響機制;李忠等［3-4］研究了引起塌方的斷層破碎帶的地質(zhì)特征、力學性質(zhì);黃俊等［5］研究了斷層破碎帶與隧道的關系;朱小明等［6］運用FLAC3D分析了斷層角度對隧道縱向穩(wěn)定性的影響;羅利銳等［7］分析了各種力學性質(zhì)斷層的特點，以及斷層對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。但是，目前主要從斷層帶的某一方面研究其對隧道穩(wěn)定性的影響，而未基于全面的斷層信息建立一套完整的評價體系。為此，本文在詳細分析斷層破碎帶對隧道穩(wěn)定性影響的基礎上，建立隧道穿越斷層破碎帶的施工風險評價體系，提出一套易于操作、切實可行的評價方法，以期指導施工期間的災害風險評價。

1 斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性影響因素

地質(zhì)災害風險的概念包含兩層含義:災害發(fā)生的頻率或可能性(即易發(fā)性)、災害造成的后果(易損性)。本文的重點為地質(zhì)災害發(fā)生的可能性，不考慮對社會經(jīng)濟的影響，因此，僅對災害的易發(fā)性進行評價。

影響斷層破碎帶段隧道圍巖穩(wěn)定的因素很多，可以歸結(jié)為兩類:①客觀因素，即地質(zhì)因素及水文因素;②人為因素，包括勘察設計因素和施工因素。

1.1 地質(zhì)因素

1)斷層性質(zhì)。從力學性質(zhì)來看，張性、張扭性斷層破碎帶由大小不等、棱角尖銳、膠結(jié)差的斷層角礫巖組成，角礫和碎裂巖塊間膠結(jié)程度差，其穩(wěn)定性最差;扭性或以扭性為主的斷層破碎帶主要由節(jié)理密集帶或片石狀巖石組成，相對來說，其碎裂程度最低，碎裂巖塊之間的膠結(jié)程度較好，其穩(wěn)定性相對要好;壓性、壓扭性斷層帶內(nèi)由強烈擠壓的壓扁巖、壓碎巖、糜棱巖和斷層泥等構(gòu)成，在擠壓作用下，破碎巖塊呈密實狀，所以其穩(wěn)定性介于張性、張扭性斷層破碎帶和扭性、以扭性為主的斷層破碎帶之間［7］。

2)斷層破碎帶厚度。一般來說，斷層破碎帶厚度越大，越容易塌方。

3)斷層破碎帶破碎程度及其充填物。斷層角礫的破碎程度及其間的膠結(jié)情況直接影響隧道的穩(wěn)定，斷層破碎帶破碎越嚴重，膠結(jié)程度越差，隧道穩(wěn)定性越差。同時，泥質(zhì)和鐵質(zhì)膠結(jié)物含量越高，斷層破碎帶穩(wěn)定性越差［8］。

4)斷層兩側(cè)巖性。若兩側(cè)均為硬脆巖或可溶巖，斷層帶破碎嚴重且膠結(jié)差，空隙發(fā)育，導水、富水性強，穩(wěn)定性差［9］;若兩側(cè)均為軟塑巖，斷層帶破碎程度低，膠結(jié)好，導水性弱，穩(wěn)定性相對較好。若一側(cè)是硬脆巖，一側(cè)是軟塑巖，圍巖穩(wěn)定性介于上述兩者之間［10］。

5)含水性與導水性。含水性與導水性好的巖層，能夠儲存大量地下水，開挖時易發(fā)生涌水突泥，危害性極大。

6)斷層傾角。斷層破碎帶傾向隧道，且傾角＞10°時，容易產(chǎn)生側(cè)壓力［11］。

7)巖石強度。圍巖強度越高，自承能力越強，圍巖變形破壞的程度越小，隧道就越容易支護;圍巖強度低，其本身穩(wěn)定性和承載能力就比較低。

8)巖體結(jié)構(gòu)。巖體結(jié)構(gòu)有整體狀、塊狀、層狀、碎裂狀和散體狀5種類型。在圍巖巖性相同的情況下，巖體越破碎，隧道越容易失穩(wěn)破壞，碎裂狀和散體狀圍巖穩(wěn)定性最差。

9)地應力(原巖應力和偏壓)。隧道開挖引起應力重分布及應力集中，如果重分布的應力超過圍巖強度，圍巖就可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。洞口及淺埋段由于橫斷面荷載不平衡容易引起支護結(jié)構(gòu)剪切破壞，最終導致塌方。

10)隧道埋深。淺埋隧道圍巖級別一定時，埋深越淺，越容易發(fā)生塌穿型塌方(通天)。深埋隧道恰恰相反，埋深越大，圍巖應力水平越高，越容易出現(xiàn)拱形塌方或者巖爆。

1.2 水文因素

地下水是僅次于不良地質(zhì)之后影響圍巖穩(wěn)定的第二大主要因素，它不僅影響應力狀態(tài)，還可因軟化作用使圍巖強度降低。同時，結(jié)構(gòu)面中地下水的存在，還會降低圍巖的抗剪強度。

1.3 勘察設計因素

①地質(zhì)勘察不準確;②隧道斷面形狀、跨度設計不合理;③開挖方式不當;④設計的支護形式、支護參數(shù)欠妥;⑤針對不良地質(zhì)段未專門設計;⑥斷層破碎帶走向與隧道軸線小角度相交或平行。

1.4 施工因素

①施工技術水平，主要包括爆破震動、循環(huán)進尺、支護時機、支護質(zhì)量及強度;②施工管理水平，包括施工工序安排、監(jiān)控量測及信息反饋、超前地質(zhì)預報等。

2 評價方法

進行風險評價時，首先辨識出影響風險事件的各個因素，并建立風險評價指標體系，確定各因素的相對權重，然后將各因素對風險事件的影響程度分級，確定分級標準，最后根據(jù)各因素的權重和隸屬度，進行模糊綜合評價，按一定的風險接受準則作出風險決策。

2.1 建立指標體系

在評估過程中，不可能將所有影響因素全部反映到評估中，必須選取起控制作用的主要因素，并忽略次要因素。在分析影響因素的基礎上，運用層次分析法的基本原理，建立風險評價指標體系。

2.2 計算指標權重

目前國內(nèi)外關于評價指標權重系數(shù)的確定方法有數(shù)十種之多，其中層次分析法(AHP法)是實際應用中使用得最多的方法，它將復雜問題層次化，將定性問題定量化。該方法簡述如下:

對同一層指標相對于上一層指標的重要程度進行兩兩比較。兩兩比較時，采用saaty提出的“1～9標度法”［12］(具體含義見表1)，得到判斷矩陣A;計算出判斷矩陣A的最大特征根λmax，λmax對應的特征向量為W，將W歸一化后即為同一層次相應指標對于上一層次某一指標相對重要性的權重wi。塌方風險(A)和涌水突泥風險(B)評價指標體系各指標權重計算結(jié)果見表2、表3。

表1 “1～9標度法”各標度值的含義

塌方風險評價指標體系各指標權重表2

表3 涌水突泥風險評價指標體系各指標權重

一般而言，對地質(zhì)災害易發(fā)性進行評價時，地質(zhì)因素是誘發(fā)因素，是主因。其重要程度相對于施工設計因素要高。進行兩兩比較后，得到判斷矩陣RA。

在此以塌方風險指標體系中地質(zhì)類8個基本風險因素權重的確定為例，給出比較判斷矩陣

2.3 確定各指標分級標準

根據(jù)隧道災害特征和《鐵路隧道風險評估與管理暫行規(guī)定》，將風險分為4級，建立評價集V=(v1，v2，v3，v4)=(Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級，Ⅳ級)。

結(jié)合大量已有研究成果，將各評價指標進行詳細分級，分級標準見表4、表5。

表4 塌方風險評價指標分級標準

2.4 確定各指標隸屬度

在計算隸屬度時，采用單值隸屬函數(shù)，其隸屬度取值如下:當某一評價指標的特征對應于Ⅰ級時，(rⅠ，rⅡ，rⅢ，rⅣ)=(1，0，0，0);對應于Ⅱ級時，(rⅠ，rⅡ，rⅢ，rⅣ)=(0，1，0，0)。相應地，對應于Ⅳ級時，(rⅠ，rⅡ，rⅢ，rⅣ)=(0，0，0，1)。

2.5 模糊綜合評判

由n個指標的隸屬度組成模糊評判矩陣R。

把模糊評判矩陣R乘以相應的權重wi(i=1，2，…，n)，就能合理反映所有指標的綜合影響，可以表示為B=W×R

表5 涌水突泥風險評價指標分級標準

式中:bj(j=1，2，3，4)為模糊綜合評價指標。

求出模糊綜合評價指標bj后，可根據(jù)最大隸屬度原則取最大的指標bjmax相對應的評價集元素vj為評判的結(jié)果。

2.6 風險接受準則

對風險評估結(jié)果進行處理前，需要評價工程的風險水平是否處于決策各方及公眾可以容忍的風險水平范圍內(nèi)，以及是否需要采取風險控制措施進一步降低其風險水平，這都需要預先制定風險接受準則，見表6。

表6 風險接受準則［13］

3 工程實例應用

3.1 工程概況

大坪山隧道為分離式超深埋特長隧道，位于湖北省襄陽市谷城縣紫金鎮(zhèn)與寺坪鎮(zhèn)境內(nèi)，左洞全長為8 263 m，最大埋深約896 m，右洞全長為8 242 m，最大埋深約892 m。隧址區(qū)大地構(gòu)造位于揚子準地臺(揚子克拉通)北緣的青峰臺褶束，走向近東西向。青峰斷裂帶與隧道軸線小角度相交，在隧址區(qū)形成數(shù)條逆沖斷層、破碎帶及韌性剪切帶。經(jīng)調(diào)查，有規(guī)模不等的10條斷層以不同角度穿越隧道洞身，破碎帶寬度較大，巖體破碎，且可能發(fā)育有微型～小型巖溶管道，對隧道影響較大［14］。其中，F(xiàn)6斷層為近直立斷層，兩盤巖層主要呈水平向移動，走向約325°，延伸長度＞2 km，斷層兩盤無明顯的擠壓痕跡，為平移斷層。斷層穿越隧道約70 m，斷層破碎帶的洞內(nèi)起始樁號為ZK43 +120—ZK43+180，YK43+080—YK43+140。圍巖主要為寒武系中風化灰?guī)r，薄層狀，灰黑色，炭質(zhì)成分含量較高，部分巖層夾有少量頁巖或泥化頁巖，土黃色，產(chǎn)狀82°～112°∠12°～20°。

3.2 評價指標的取值

以大坪山隧道穿越F6斷層破碎帶為例，分別對塌方、涌水突泥的風險進行評價，F(xiàn)6斷層破碎帶的實際參數(shù)見表7。

3.3 風險評價

3.3.1 塌方風險評價

1)確定指標隸屬度及模糊評判矩陣

采用2.4節(jié)單值隸屬函數(shù)，確定各指標的隸屬度，斷層性質(zhì)A11=(0100)，按上述方法計算出全部指標的隸屬度，組成一級指標模糊評判矩陣

表7 F6斷層破碎帶評價參數(shù)取值

2)一級模糊綜合評價

用加權平均型運算規(guī)則進行復合運算，得出地質(zhì)因素的綜合評價結(jié)果為

施工設計因素的綜合評價結(jié)果為

3)二級模糊綜合評價

將一級評價結(jié)果組成二級評判矩陣RA。

斷層破碎帶段塌方總體二級評判矩陣

綜合評價結(jié)果為

根據(jù)最大隸屬度原則，F(xiàn)6斷層破碎帶的塌方風險等級為Ⅱ級，屬于中度風險，此類風險可以接受，但需予以監(jiān)測。

3.3.2 涌水突泥風險評價

參照塌方風險評價方法，涌水突泥風險的綜合評價結(jié)果為

根據(jù)最大隸屬度原則，F(xiàn)6斷層破碎帶的涌水突泥風險等級為Ⅱ級，屬于中度風險，此類風險可以接受，但需予以監(jiān)測。

4 結(jié)論

1)在詳細分析斷層破碎帶不同特征對圍巖穩(wěn)定性影響的基礎上，全面綜合斷層特征信息，建立一套完整的隧道穿越斷層破碎帶的施工風險評價體系。

2)風險評價的關鍵是評價指標隸屬度的確定。從實用、易于操作的角度出發(fā)，將各評價指標進行了詳細分級，可為施工方在施工過程中實時評價災害風險提供參考。

3)基于建立的風險評價體系及方法，對大坪山隧道穿越的F6斷層破碎帶的施工風險進行了評估，得出施工中塌方和涌水突泥的風險等級均為Ⅱ級，屬于中度風險，此類風險可以接受，但需予以監(jiān)測。

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Research on construction risk of ultralong super-deep buried tunnel passing through fault fracture zone

ZHONG Wei1，GAO Jianfeng1，CHEN Jianping2
(1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang Hebei 065000，China; 2.Faculty of Engineering，China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan Hubei 430074，China)

T his paper studied the influence factor of the tunnel surrounding rock stability in the fault fracture zone in detail，integrated the characteristic information of fault zone，established construction risk evaluation index system of the fault fracture zone by the AHP method，calculated the relative weight of each index，formulated grading standards of each index，and made a fuzzy comprehensive evaluation.T he evaluation method was verified by an engineering example and the results are consistent with the actual situation，which shows that the proposed fuzzy comprehensive evaluation index system is effective.

Ultralong super-deep buried tunnel;Fault fracture zone;Geological disaster;Risk evaluation

U455

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.19

1003-1995(2015)05-0072-06

(責任審編葛全紅)

2014-05-10;

2015-03-20

國家自然科學基金項目(41202201);中央高?？蒲谢鹳Y助項目(CUGL110215)

鐘威(1987—)，男，山東濰坊人，工程師，碩士。