巖溶隧道突水突泥預(yù)報綜合評估

舒　森

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都　610031)

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巖溶隧道突水突泥預(yù)報綜合評估

舒森

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都610031)

摘要：基于層次分析法建立巖溶隧道突水突泥預(yù)報綜合評估的模型，分析發(fā)生突水突泥的地質(zhì)因素、綜合預(yù)報方法及預(yù)報解譯因素，通過對它們之間聯(lián)系的剖析，研究各項預(yù)報解譯因素在評估突水突泥中的影響權(quán)值，根據(jù)不同預(yù)報解譯因素的評價，結(jié)合其在整個評估體系的影響權(quán)值，得到被評估段落的突水突泥的綜合評估結(jié)論。研究表明，基于層次分析法的評估可以靈活系統(tǒng)的根據(jù)綜合預(yù)報的各項解譯因素，綜合評估巖溶段落突水突泥發(fā)生的可能性，可靈活應(yīng)用于動態(tài)實時綜合預(yù)報評估。

關(guān)鍵詞：巖溶隧道；突水突泥；綜合評估；層次分析法

巖溶突水突泥是隧道安全建設(shè)的最大地質(zhì)隱患，防避該項地質(zhì)災(zāi)害一直是重大難題。為預(yù)知災(zāi)害源并采取措施降低風(fēng)險，使用綜合超前地質(zhì)預(yù)報對突水突泥風(fēng)險源進(jìn)行預(yù)判。綜合預(yù)報各方法相互補(bǔ)充、印證，能夠?qū)φ谱用媲胺綆r溶做出較準(zhǔn)確預(yù)報[1-2]，但是目前綜合預(yù)報仍停留在機(jī)械的多方法預(yù)報，沒有對預(yù)報成果進(jìn)行融合，綜合評估停留在簡單相互驗證階段。

當(dāng)前突水突泥綜合超前地質(zhì)預(yù)報存在的主要問題是缺乏一套系統(tǒng)的定量綜合評估體系。為解決這一問題，分析隧道發(fā)生突水突泥的5項主要地質(zhì)因素，并且這些因素可以通過5項隧道超前地質(zhì)預(yù)報方法下的13項主要解譯因素進(jìn)行評估。分析它們的聯(lián)系，并發(fā)現(xiàn)層次分析法比較適合地質(zhì)預(yù)報影響因素之間的整合，通過層次分析法建立巖溶隧道突水突泥預(yù)報綜合評估模型，分析得到解譯因素評估影響權(quán)重，并依據(jù)專家意見得到的解譯因素突水突泥預(yù)報評價分值，結(jié)合得出預(yù)報段落突水突泥發(fā)生的綜合評估值。

1巖溶隧道突水突泥綜合預(yù)報需解決的問題

雖然巖溶隧道以綜合超前地質(zhì)預(yù)報指導(dǎo)施工中的巖溶地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險防范，但是現(xiàn)階段綜合超前地質(zhì)預(yù)報存在的問題卻嚴(yán)重制約了巖溶異常預(yù)報準(zhǔn)確性和預(yù)報資料利用率的提高。

(1)超前地質(zhì)預(yù)報簡單相互印證代替綜合分析

目前隧道綜合預(yù)報僅僅是將多個超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)論在隧道未開挖段落上進(jìn)行預(yù)報一致性比對。一致性好的段落采取加強(qiáng)措施，一致性差的段落則根據(jù)設(shè)計文件和現(xiàn)場情況按經(jīng)驗判別。

簡單一致性比對雖然能提高部分段落的預(yù)報準(zhǔn)確性，但在一致性差時特別容易忽略理應(yīng)發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)異常情況，而且漠視不同預(yù)報方法的先天差異。

(2)地質(zhì)綜合分析過于依賴鉆探結(jié)果和地質(zhì)物探專業(yè)人員

地質(zhì)綜合分析過多依賴鉆探，由于巖溶發(fā)育空間的特異性及溶蝕特性，巖溶體在隧道開挖范圍內(nèi)的存在具有很強(qiáng)的獨立性。首先是巖溶空間位置上的相對獨立存在，其次是部分巖溶體發(fā)育與圍巖破碎程度無直接關(guān)系，最重要的是位于隧道開挖斷面邊緣或者以外的巖溶體也會產(chǎn)生很大的地質(zhì)風(fēng)險。在固定條件下鉆探探查巖溶異常，信息是不全面的。

地質(zhì)綜合分析過度依賴專業(yè)預(yù)報人員，主要是地質(zhì)和物探人員。在一定程度上提高了預(yù)報專業(yè)性，但受到解譯人員很強(qiáng)的主觀影響，預(yù)報結(jié)論具有較深的主觀片面性。同時，由于施工和監(jiān)理方相應(yīng)專業(yè)人員較少，通常只有被動接受預(yù)報結(jié)論，而不能將開挖變化及時反饋進(jìn)預(yù)報，動態(tài)調(diào)整預(yù)報評估。

(3)未建立超前地質(zhì)預(yù)報綜合評估體系

當(dāng)前綜合超前地質(zhì)預(yù)報歸根結(jié)底是經(jīng)驗預(yù)報，主觀性強(qiáng)，客觀性和系統(tǒng)性差，缺乏有機(jī)整合地質(zhì)、鉆探和物探等超前預(yù)報方法的綜合預(yù)報評價體系?？茖W(xué)的綜合預(yù)報體系的建立才能使綜合預(yù)報真正實現(xiàn)，提高預(yù)報數(shù)據(jù)資料利用率，提高預(yù)報準(zhǔn)確性。

2決定巖溶隧道突水突泥發(fā)生的主要地質(zhì)因素分析

巖溶是可溶性巖體受到水體化學(xué)物理作用及地質(zhì)因素綜合作用產(chǎn)生的地質(zhì)現(xiàn)象。對于隧道工程，巖溶的位置、規(guī)模、填充、巖溶水發(fā)育情況和其他致災(zāi)地質(zhì)體直接關(guān)系巖溶對隧道的危害程度。且由于受勘探手段及認(rèn)知水平的局限，難以準(zhǔn)確掌握隧道工程水文地質(zhì)情況，尤其是對施工構(gòu)成巨大風(fēng)險的暗河、充水巖溶管道、大型高壓富水充填溶洞等隱伏不良地質(zhì)體難以準(zhǔn)確預(yù)測及判釋[4]。決定巖溶隧道突水突泥發(fā)生的5大主要地質(zhì)因素分析如下。

2.1地質(zhì)復(fù)雜程度

地質(zhì)復(fù)雜程度可以分為復(fù)雜、較復(fù)雜、中等復(fù)雜和簡單，對應(yīng)突水突泥危害巖溶發(fā)育程度從巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，大型溶洞和地下洞穴系統(tǒng)到巖溶微弱發(fā)育以裂隙溶孔為主，透水性差[7]。對應(yīng)的斷層發(fā)育程度從大型斷層破碎帶、自穩(wěn)能力差、富水，可能引起大型失穩(wěn)到中小型斷層，無水，掉塊。

2.2地下水狀態(tài)

地下水是突水發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，巖溶地區(qū)地下水處于不同水動力分帶時，具有不同的致災(zāi)特性，垂直滲入帶易發(fā)育垂向溶洞，為雨水下滲的通道，雨季發(fā)生突水突泥幾率大；季節(jié)變動帶，垂直與水平溶洞均發(fā)育，地下水以孔隙水、裂隙水、巖溶水3種形式存在，具有較強(qiáng)的致災(zāi)能力；水平循環(huán)帶位于最低潛水位以下，主要發(fā)育水平溶洞，地下水在帶中水平運動顯著，循環(huán)交替強(qiáng)烈，致災(zāi)能力強(qiáng)；深部循環(huán)帶溶洞不發(fā)育，一般只有微小的溶孔，水量小，交替遲緩。存在形式以孔隙水和裂隙水形式為主，但當(dāng)?shù)叵滤惠^高，若揭露含水裂隙或小型充水和泥的溶洞也會造成突水突泥[5]。

綜合考慮，如表1所列，以地下水的規(guī)模大小作為影響突水危害程度的因素，這里的規(guī)模考慮了水量、落差和持續(xù)能力。

表1　地下水規(guī)模分級

2.3節(jié)理裂隙

節(jié)理裂隙發(fā)育程度直接關(guān)系地下水存在規(guī)模與徑流條件，也是巖溶不同發(fā)育形態(tài)與程度的基礎(chǔ)因素。通常，節(jié)理裂隙很發(fā)育的區(qū)域地下水活躍，巖溶發(fā)育。在裂隙發(fā)育的中厚層、厚層與巨厚層灰?guī)r內(nèi)，常發(fā)育各種不同大小溶洞，巖溶發(fā)育程度高。然而，在裂隙發(fā)育的薄層灰?guī)r內(nèi)部，由于巖體自承載能力偏低，不易形成大型洞穴系統(tǒng)，僅僅易形成強(qiáng)富水帶，且?guī)r體常發(fā)育零星分布的充填型溶洞，兩側(cè)常發(fā)育大型洞穴系統(tǒng)。節(jié)理與節(jié)理裂隙弱發(fā)育或不發(fā)育地層內(nèi)，除局部發(fā)育大型洞穴系統(tǒng)以外，多數(shù)地段巖溶發(fā)育程度低[5]。

2.4圍巖完整程度

圍巖完整程度關(guān)系著圍巖的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)，而圍巖力學(xué)性質(zhì)是突水突泥是否發(fā)生的一個重要因素。圍巖完整性好、強(qiáng)度高、有害結(jié)構(gòu)面較少則抗變形能力較強(qiáng)，一般不易發(fā)生突水突泥等災(zāi)害。圍巖完整性差、強(qiáng)度低、有較多有害結(jié)構(gòu)面則抗變形能力較弱，尤其是斷層破碎帶、充填型溶腔等軟弱地質(zhì)體在地下水作用下，很容易滲透失穩(wěn)或整體擠出破裂，支護(hù)措施稍不到位發(fā)生突水突泥等災(zāi)害可能性極大[5]。

2.5圍巖級別

巖溶隧道里圍巖的級別和突水突泥災(zāi)害的發(fā)生并無直接聯(lián)系，因為很多造成災(zāi)害的巖溶體常常是獨立存在的，越好的圍巖在一定條件下反而孕含有較大規(guī)模的巖溶體，現(xiàn)在通常是把圍巖級別和巖溶問題分開來進(jìn)行處理，這時圍巖級別的高低不能完全代表巖溶的發(fā)育程度。但由溶蝕造成的溶蝕破碎帶則直接影響圍巖級別的判定，所以圍巖級別在評估中與巖溶體周邊圍巖的穩(wěn)定性相關(guān)，但與突水突泥并無明顯直接聯(lián)系。

3預(yù)報巖溶隧道突水突泥發(fā)生常見方法及因素分析

決定巖溶突水突泥發(fā)生的主要地質(zhì)因素是地質(zhì)復(fù)雜程度、地下水狀態(tài)、節(jié)理裂隙、圍巖完整程度和圍巖級別，根據(jù)這些地質(zhì)因素特點采用地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、地震波反射法、地質(zhì)雷達(dá)法和紅外探水法進(jìn)行評估。

3.1地質(zhì)調(diào)查法

地質(zhì)調(diào)查法主要由兩項內(nèi)容組成，隧道地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查法和隧道內(nèi)地質(zhì)素描。巖溶地區(qū)地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查可以較好分析隧道巖溶重點發(fā)育范圍、形態(tài)及填充物等；隧道內(nèi)地質(zhì)素描能夠很好地分析隧道開挖斷面一定區(qū)域巖溶發(fā)育的趨勢。

3.2超前鉆探法

超前鉆探法一般是超前地質(zhì)鉆探和加深炮孔探測，是最直觀的預(yù)報方法，特別是對正在揭示的巖溶體的水量和填充物，都可以較好地進(jìn)行觀察。但是，巖溶地區(qū)鉆探結(jié)果僅反映被鉆探孔位的地質(zhì)情況。

3.3地震波反射法

地震波反射法可以獲取預(yù)報段落較多的物理力學(xué)信息，根據(jù)應(yīng)用效果主要選擇反射波界面、反射波波速、縱橫波速比VP/VS、密度ρ，楊氏模量E和泊松比σ這五類信息分析預(yù)報。

反射波界面的類型及存在特點明顯表征了物性的差異面，是巖溶體界面探查的最顯著特征；反射波波速的變化更進(jìn)一步分析巖溶規(guī)模以及填充狀況的特點；縱橫波速比VP/VS和泊松比σ的發(fā)展變化是重要的非固態(tài)體存在的指標(biāo)；密度ρ，楊氏模量E不僅可以評估隧道圍巖變化的趨勢，在結(jié)合其它信息的情況下可以在填充物及穩(wěn)定性分析中起重要標(biāo)識作用?；诘卣鸩ǚ瓷浞ㄌ綔y距離和范圍的特點，這是一項十分重要的預(yù)報手段。

3.4地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是臨近探測巖溶異常的實用方法，地質(zhì)雷達(dá)波形結(jié)合反射界面可以確定合適規(guī)模巖溶異常位置及性質(zhì)，是重要的短距離預(yù)報手段。

3.5紅外探水法

紅外探水法作為專項探測水體存在情況的技術(shù)方法，采集的紅外輻射數(shù)據(jù)由掌子面數(shù)據(jù)和沿隧道軸線數(shù)據(jù)組成，通過輻射數(shù)值的數(shù)學(xué)統(tǒng)計比較及數(shù)據(jù)變化趨勢判斷掌子面前方圍巖含水狀態(tài)。

4巖溶隧道突水突泥綜合超前地質(zhì)預(yù)報分析

4.1決定巖溶隧道突水突泥發(fā)生地質(zhì)因素與預(yù)報解譯因素的關(guān)系

地質(zhì)復(fù)雜程度(B1)、地下水狀態(tài)(B2)、節(jié)理裂隙(B3)、圍巖完整程度(B4)和圍巖級別(B5)作為突水突泥決定性地質(zhì)因素，在隧道內(nèi)可通過地質(zhì)調(diào)查法(C1)、超前鉆探法(C2)、地震波反射法TSP(C3)、地質(zhì)雷達(dá)法(C4)和紅外探水法(C5)5種方法進(jìn)行預(yù)報，根據(jù)實際應(yīng)用和相關(guān)文獻(xiàn)選擇了預(yù)報方法所對應(yīng)的13項預(yù)報基礎(chǔ)因素(隧道地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查法D1、隧道內(nèi)地質(zhì)素描D2、超前地質(zhì)鉆探D3、加深炮孔探測D4、反射波界面D5、反射波波速D6、VP/VS縱橫波速比D7、ρ密度，E楊氏模量D8、σ泊松比D9、雷達(dá)波形D10、反射界面D11、掌子面數(shù)據(jù)D12和沿隧道軸線數(shù)據(jù)D13)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報的綜合分析。

綜合分析必須充分考慮巖溶突水突泥發(fā)生的地質(zhì)因素，分析不同預(yù)報方法及預(yù)報基礎(chǔ)數(shù)據(jù)反映巖溶異常的技術(shù)特點，整合因素之間內(nèi)外聯(lián)系，并且兼顧主客觀影響，靈活方便，可以將定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄐ苑治龆吭u價的系統(tǒng)評估方法。

4.2層次分析法

通過對實際工程領(lǐng)域評估應(yīng)用和相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)查研究，認(rèn)為層次分析法作為一種整理和綜合人們的主觀判斷，使定性分析與定量分析有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)定量化決策的綜合評估方法[3]是適用于超前預(yù)報綜合評估的方式和路徑。

4.3層次分析法與綜合超前地質(zhì)預(yù)報

分析巖溶隧道突水突泥地質(zhì)特征與超前地質(zhì)預(yù)報綜合評估的關(guān)系，建立以評估突水突泥為總目標(biāo)的分析集合。根據(jù)影響其發(fā)生的主要地質(zhì)因素和對應(yīng)預(yù)報因素的關(guān)系，分析各預(yù)報解譯因素在評估“巖溶突水突泥”過程中的影響權(quán)值。

4.4建立巖溶隧道突水突泥超前地質(zhì)預(yù)報因素綜合評估模型

圖1　巖溶隧道突水突泥超前地質(zhì)預(yù)報綜合評估模型

根據(jù)相關(guān)工程實例，通過統(tǒng)計與理論分析相結(jié)合的方法，分析巖溶隧道突水突泥的主要地質(zhì)影響因素和綜合預(yù)報方法及預(yù)報解譯因素的關(guān)系，建立巖溶隧道突水突泥超前地質(zhì)預(yù)報綜合評估模型，見圖1。圖1中，巖溶隧道突水突泥預(yù)報綜合評估分為2個階段；第一階段是預(yù)報因素層次分析階段，這一階段中以A為總目標(biāo)層，通過對B層5項影響突水突泥產(chǎn)生的地質(zhì)因素(B1～B5)，C層綜合超前地質(zhì)預(yù)報5項方法(C1～C5)和D層C1～C5項方法的對應(yīng)的預(yù)報解譯因素(D1～D13)的相互關(guān)系影響分析判別建立對應(yīng)的判斷矩陣，進(jìn)而得到D層各因素在A層綜合分析時所占權(quán)重。

第二階段是綜合分析評估階段，通過對預(yù)報段落D層因素的評價分級結(jié)合它們在A層所得的權(quán)重，得到任意預(yù)報段落的評估值，按照評估分級標(biāo)準(zhǔn)直接評價對應(yīng)預(yù)報段落巖溶突水突泥發(fā)生的可能性。

4.5構(gòu)造AB層，BC層和AC層判斷矩陣并計算

地下水是巖溶突水突泥的先天物質(zhì)基礎(chǔ)，復(fù)雜地質(zhì)體則是孕含突水突泥體的良好母體，節(jié)理裂隙發(fā)育程度、圍巖完整程度和圍巖級別都在不同程度上體現(xiàn)圍巖物理性質(zhì)與突水突泥的聯(lián)系，可以作為評價突水突泥危害的因素。

分析B層各因素與巖溶突水突泥的內(nèi)外聯(lián)系和它們之間在評價目標(biāo)A時的不同能力根據(jù)其影響大小，建立A關(guān)于B層對應(yīng)的判斷矩陣，計算權(quán)向量W、最大特征值λ并驗證隨機(jī)一致性比率CR見表2。

因C層預(yù)報方法在探測預(yù)報B層因素時，有著各自獨立的特點和作用。按照層次分析法計算得到C層對A層的排序權(quán)值見表3中C1～C5。

4.6計算AD層總排序

根據(jù)D層各因素在對應(yīng)C層預(yù)報時起的作用，依據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報理論及使用實際情況，分析了各因素在其中的作用，并依據(jù)層次分析法計算D層各因素對于A層的排序，得到AnDn排序權(quán)值，見表3中D1～D13。

表2　AB矩陣層次分析計算結(jié)果

4.7第1階段A層綜合分析權(quán)值

根據(jù)各層關(guān)系計算結(jié)果得到巖溶隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報突水突泥評估中影響力權(quán)重見表3。

表3　巖溶隧道突泥突水因素權(quán)重(A層)

可知，對巖溶隧道突水突泥影響因素重要程度為：地下水狀態(tài)(B2)>地質(zhì)復(fù)雜程度(B1)>節(jié)理層面裂隙(B3)>圍巖完整程度(B4)>圍巖級別(B5)，其中B2和B1占到70.8%是突水突泥的絕對主要因素。

對巖溶隧道突水突泥探測有效的超前預(yù)報方法為：地震波反射法TSP(C3)>超前鉆探法(C2)>地質(zhì)調(diào)查法(C1)>地質(zhì)雷達(dá)法(C4)>紅外探水法(C5)，其中C3和C2占到64.39%是預(yù)報突水突泥主要預(yù)報方法。

對巖溶隧道突水突泥預(yù)報解譯評估能力先后為：超前地質(zhì)鉆探(D3)>反射波界面(D5)>加深炮孔探測(D4)>隧道內(nèi)地質(zhì)素描(D2)>雷達(dá)波形(D10)=反射界面(D11)>反射波波速(D6)>ρ密度，Е楊氏模量(D8)>沿隧道軸線數(shù)據(jù)(D13)>隧道地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查法(D1)>σ泊松比(D9)>VP/VS縱橫波速比(D7)>掌子面數(shù)據(jù)(D12)，其中D3、D4、D5和D2一共占到56.007%，是影響突水突泥預(yù)報準(zhǔn)確度的絕對主要解譯評估數(shù)據(jù)。

5巖溶隧道突水突泥超前地質(zhì)預(yù)報綜合評估

5.1超前預(yù)報突水突泥分級評價

第2階段中首先收集專家意見及相關(guān)試驗段信息，匯總后對超前地質(zhì)預(yù)報解譯評估因素與突水突泥發(fā)生的可能進(jìn)行分級評估并賦予對應(yīng)分值，分值越大則發(fā)生突水突泥可能性越大[6-7]，見表4。

表4　超前地質(zhì)預(yù)報突水突泥分級評價

5.2綜合評估

D層超前地質(zhì)預(yù)報解譯評估因素是預(yù)報的基礎(chǔ)資料和成果，通過解譯分析，衡量突水突泥現(xiàn)象的程度，按照表4進(jìn)行逐一評分得到Dm，Dm與D層各項的權(quán)值ω乘積之和得到總分F，見式(1)，再按照表4，根據(jù)分?jǐn)?shù)來評價發(fā)生突水突泥的可能。

(1)

通過對任意段落D層因素的分析，可以靈活得到對應(yīng)段落的綜合評價，評價單元可以根據(jù)工程情況自由調(diào)整。

6工程實例

6.1工程概況

某隧道位于喀斯特地區(qū)，全長約18 km，屬滇東南高原石林期剝夷面巖溶地貌，地表峰丘洼地、石林、及孤峰平原等巖溶形態(tài)豐富，基巖石芽、洼地、孤峰等巖溶形態(tài)發(fā)育，多裸露。

洞內(nèi)常見各種溶蝕，特別是巖溶體易與完整圍巖交替變換，存在形似夾層的溶蝕夾泥帶。也存在較多溶溝或溶槽，對施工影響較大的有完整圍巖下無填充物溶洞和圍巖破碎填充大量溶蝕物、含泥的溶洞[8]。

以K653+385～K653500段為例，根據(jù)隧道超前地質(zhì)預(yù)報長短結(jié)合和重點加強(qiáng)的原則，進(jìn)行隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報，評估這段地質(zhì)災(zāi)害情況，以地震波反射法TSP(C3)，地質(zhì)調(diào)查法(C1)、超前鉆探法(C2)、地質(zhì)雷達(dá)法(C4)和紅外探水法(C5)為組合預(yù)報，預(yù)報組合內(nèi)容見表5。

表5　綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法組合

6.2超前地質(zhì)預(yù)報

預(yù)報評估采用30 m為一個單元，以K653+385～K653+500中K653+400～K653+430段資料為例。

地質(zhì)調(diào)查資料顯示，地表存在溶蝕溶槽，無地表水徑流，隧道圍巖為灰?guī)r，較完整，局部存在溶蝕，弱風(fēng)化，由此認(rèn)為對應(yīng)段落發(fā)生大規(guī)模突水突泥可能性低。

鉆探和加深炮孔探測顯示圍巖為灰?guī)r，巖質(zhì)硬脆，鉆速穩(wěn)定，弱風(fēng)化，返水呈乳白色，K653+409～K653+422段，鉆速不穩(wěn)，返水呈淡紅色；鉆進(jìn)過程無突水、突泥發(fā)生。由超前鉆探可知，在未開挖段落存在溶蝕夾泥但開孔部位未突水，并結(jié)合加深炮孔探測資料可知掌子面一定范圍內(nèi)存在一定規(guī)模的巖溶地質(zhì)體，但存在大規(guī)模巖溶水的可能性較低。

地震波反射法TSP成果見圖2，本段反射界面集中，波速下降，密度，楊氏模量下降，泊松比升高，K653+408～K653+427段，各項變化明顯。判斷此段存在較多的物性差異界面，對應(yīng)的指標(biāo)符合巖溶體的特征且有一定的含水指標(biāo)變化。

地質(zhì)雷達(dá)法成果見圖3，由圖3可知K653+411～K653+428段為強(qiáng)反射區(qū)域，推測存在較大異常體。

紅外探水成果見表6和圖4，分析可知對應(yīng)段落紅外輻射指標(biāo)橫向差、縱向差數(shù)值較低，軸向數(shù)據(jù)無突變，由于掌子面附近無水，所以對應(yīng)段落的紅外探測結(jié)果為無水。

表6　DK653+400 HW數(shù)據(jù)內(nèi)容

圖2　TSP探測成果

圖3　探地雷達(dá)探測成果

圖4　紅外軸向探測曲線

6.3綜合評估

根據(jù)預(yù)報資料的分析，按照表4所示對K653+400～K653+430段分級評分，并與表3所得對應(yīng)權(quán)值相乘綜合評估，結(jié)果見表7。

評估得分4.47，按照表4所示，本段發(fā)生突水突泥的可能性處于中等與較高之間，并結(jié)合鉆探解釋情況可以判斷K653+400～K653+430段雖然存在溶腔但無較大規(guī)模含水體存在，發(fā)生大規(guī)模突水突泥可能性較低，這一分析結(jié)論與開挖后實際圍巖的巖溶發(fā)育及含水情況一致。

表7　DK653+400～K653+430超前地質(zhì)預(yù)報綜合評分

6.4動態(tài)評估

根據(jù)實際需要可選取更小的單元進(jìn)行評估，例如K653+400～K653+410段。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料、鉆探、加深炮孔探測顯示圍巖為灰?guī)r，巖質(zhì)硬脆，鉆速穩(wěn)定，弱風(fēng)化，返水呈乳白色。地震波反射法TSP成果見圖2，地質(zhì)雷達(dá)法成果見圖3，均可發(fā)現(xiàn)此段反射界面較少，波速、密度和楊氏模量下降，泊松比變化不大。對應(yīng)段落的紅外探測結(jié)果為無水。按照綜合評估方法得到評估分值為1.23，見表8。根據(jù)表4的分級，此段巖溶弱發(fā)育，突水突泥可能性低。

也可抽取K653+410～K653+420段進(jìn)行評估，根據(jù)地質(zhì)預(yù)報結(jié)合物探預(yù)報資料圍巖可能存在溶蝕，反射界面較多，波速，密度，楊氏模量，泊松比升高，紅外數(shù)據(jù)無變化。按照綜合評估方法得到評估分值為4.8，見表9。根據(jù)表4的分級，此段巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，突水突泥可能性相對較高。

表8　DK653+400～K653+410超前地質(zhì)預(yù)報綜合評分

表9　DK653+410～DK653+420超前地質(zhì)預(yù)報綜合評分

超前地質(zhì)預(yù)報綜合評估單元一般以30 m為一個區(qū)間，通過對評估單位的分解，可以選擇任意段落進(jìn)行評估。

從K653+400～K653+430抽取出K653+400～K653+410段和K653+410～K653+420段，分別進(jìn)行評估得到更加微觀和準(zhǔn)確的評估預(yù)報，由此可見通過對評估段落的分解組合可以獲取相對宏觀或微觀范圍內(nèi)的評估狀況，可以實時將隧道掘進(jìn)獲取的最新信息反饋到評估中去，按實際需求動態(tài)調(diào)整評估參數(shù)進(jìn)而得到動態(tài)的評估狀態(tài)。

7結(jié)論

對巖溶隧道的突水突泥災(zāi)害形成因素，隧道超前預(yù)報探測方法及預(yù)報解譯評估資料的研究和分析基礎(chǔ)上，建立了突水突泥預(yù)報解譯評估的模型，使用層次分析法的原理得到各解譯評估因素在預(yù)報中的權(quán)值。結(jié)合實際情況對評估段落的預(yù)報資料依照其與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行評分，各因素的權(quán)值進(jìn)行綜合后便可較直觀評估對應(yīng)段落發(fā)生突水突泥危害的可能，得到以下結(jié)論。

(1)建立的巖溶隧道突泥突水綜合超前地質(zhì)預(yù)報評估模型可以有效利用相關(guān)資料進(jìn)行綜合預(yù)報，結(jié)論量化后簡單直觀，預(yù)報結(jié)論明確，一線施工人員使用簡單易懂。

(2)使用層次分析法可以理清綜合預(yù)報評估的前因后果，用比較簡單的模型對影響因素進(jìn)行比較嚴(yán)密的分析，在此基礎(chǔ)上建立的綜合預(yù)報評估更加系統(tǒng)，使評估定量化；分析模型比較靈活，可以根據(jù)實際情況通過不斷調(diào)整優(yōu)化參數(shù)提高評估準(zhǔn)確性。最后一體化的評價值更為直觀有利于實時決策。

(3)構(gòu)建層次分析的模型和判斷矩陣以及預(yù)報因素評估分級過程仍然由人主觀決定，所以為了獲取更加專業(yè)和客觀準(zhǔn)確的評價，需要在建立模型及評估分級過程中采納權(quán)威專家意見，相關(guān)文獻(xiàn)資料和參與隧道建設(shè)各方的意見，必要時可先在試驗段驗證模型，根據(jù)實際開挖揭示合理調(diào)整參數(shù)，使評價更符合事實。

(4) 目前一些超前地質(zhì)預(yù)報任務(wù)中包含了圍巖動態(tài)分級，但是依舊是通過專業(yè)人員經(jīng)驗結(jié)合各種預(yù)報結(jié)論得出固定段落圍巖級別，積累豐富預(yù)報綜合評估資料也可以為綜合分析評估模型在施工圍巖級別動態(tài)劃分的應(yīng)用中儲備資料和數(shù)據(jù)。

(5) 在全過程中數(shù)據(jù)處理不能生搬硬套，要了解每一步工作的意義，要根據(jù)數(shù)據(jù)特點進(jìn)行處理，用全面的信息獲得最佳的結(jié)果[9]。

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Comprehensive Assessment of Prediction of Water and Mud Bursting in Karst Tunnel

SHU Sen

(China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Cheng du 610031， China)

Abstract：A model is established for comprehensive evaluation of prediction of water and mud bursting in karst tunnel based on AHP to analyze geological factors for water and mud bursting， the comprehensive prediction and forecast interpretation. With the analysis of interaction between them， the interpretation of various factors is studied to assess the impact weight of water and mud bursting. According to the evaluation of different forecast interpretations together with the impact weight of the entire assessment system， comprehensive assessment conclusions are obtained from the assessed section. Studies show that hierarchy-based assessment can be used for comprehensive forecast interpretation of various factors， to assess the possibility of water and mud bursting in karst section， and to assess dynamically the prediction in real-time

Key words：Karst tunnel; Water and mud bursting; Comprehensive assessment; Analytic Hierarchy-based assessment

中圖分類號：U456.3+3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.019

文章編號：1004-2954(2015)04-0072-07

作者簡介：舒森(1984—)，男，工程師，工學(xué)學(xué)士，E-mail：shusen44@163.com。

收稿日期：2014-03-26； 修回日期：2014-07-18