山嶺隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)分析

吳越江

（江蘇東南交通工程咨詢(xún)監(jiān)理有限公司，江蘇 南京 210018）

山嶺隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)分析

吳越江

（江蘇東南交通工程咨詢(xún)監(jiān)理有限公司，江蘇 南京 210018）

文章采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)大丘林1號(hào)隧道斷層破碎帶塌方風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行了分析，對(duì)隧道在穿越斷層破碎帶時(shí)的施工風(fēng)險(xiǎn)性做出定量分析，根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)施工，確保施工安全。

山嶺隧道；塌方；模糊綜合評(píng)價(jià)

1　概述

山嶺隧道由于修建于崇山峻嶺之中，地質(zhì)條件復(fù)雜、構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、不良地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，具有投資大、施工周期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、工法轉(zhuǎn)換多，施工技術(shù)復(fù)雜、不可預(yù)見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)因素多等特點(diǎn)［1］。在隧道工程中，隧道塌方是隧道施工中最常見(jiàn)的災(zāi)害現(xiàn)象之一。由于圍巖失穩(wěn)所造成的突發(fā)性塌方、坍塌和崩塌，常會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故［2］。對(duì)于斷層破碎帶，由于其自身是一個(gè)低強(qiáng)度、易變形、透水性大、抗水性差的軟弱帶。通常導(dǎo)致兩側(cè)巖體在物理力學(xué)特性上具有顯著的差異。并且由于勘察設(shè)計(jì)和地質(zhì)預(yù)報(bào)的不準(zhǔn)確，斷層破碎帶引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害往往具有突發(fā)性［3］。塌方已成為造成工期延誤、生命財(cái)產(chǎn)損失的一個(gè)重要安全隱患［4］。

由隧道塌方安全事故調(diào)查可知，隧道塌方是多種因素共同作用下引發(fā)的；由于塌方現(xiàn)場(chǎng)收集的資料有限，塌方的各種影響因素信息并不能完全掌握，因此隧道塌方綜合安全評(píng)價(jià)需結(jié)合諸多定量和定性的不確定性指標(biāo)；而且隧道塌方受人為因素影響較大。鑒于此，模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種適用性和科學(xué)性較強(qiáng)的評(píng)價(jià)方法［5］。

2　模糊綜合評(píng)判

模糊綜合評(píng)價(jià)法（Fuzzy Com prehensive Evaluation）的基本思想是根據(jù)綜合評(píng)價(jià)的目標(biāo)，對(duì)客觀事物的影響因素進(jìn)行分解，以構(gòu)造不同層次的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)體系，然后對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行指標(biāo)賦值并確定其權(quán)重系數(shù)，最后采用綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算得到綜合評(píng)價(jià)值，以此進(jìn)行排序和評(píng)價(jià)。在確定評(píng)價(jià)因素、因子的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重的基礎(chǔ)上，運(yùn)用模糊集合變換原理，以隸屬度描述各因素及因子的模糊界限，構(gòu)造模糊評(píng)價(jià)矩陣，通過(guò)多層的復(fù)合運(yùn)算，確定評(píng)價(jià)對(duì)象的可靠度［6］。

具體的步驟如下：（1）建立評(píng)價(jià)因素集

因素集是影響評(píng)價(jià)對(duì)象的各種元素的一個(gè)普通集合，U=｛u1，u2，…，un｝

（2）建立評(píng)價(jià)集

評(píng)價(jià)集是評(píng)價(jià)者對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象可能作出的各種評(píng)價(jià)結(jié)果組成的集合，V=｛v1，v2，…，vn｝

（3）找出模糊評(píng)價(jià)矩陣

式中：ri1，ri2，…，rim分別為把對(duì)第i個(gè)指標(biāo)的評(píng)分值代入對(duì)v1，v2，…，vm的隸屬函數(shù)u1，u2，…，um中計(jì)算出來(lái)的。

（4）建立因素權(quán)重集

由于各個(gè)因素的重要程度不同，為了反映各因素的重要程度，對(duì)各個(gè)因素應(yīng)給予一個(gè)相應(yīng)的權(quán)數(shù)，建立權(quán)重集如下A=｛a1，a2，…，am｝

（5）模糊綜合評(píng)判

單因素模糊評(píng)判，僅反映了一個(gè)因素對(duì)評(píng)判對(duì)象的影響，這顯然是不全面的，要得出正確的評(píng)判結(jié)果，就要綜合所有因素的影響，這就是綜合評(píng)判，即：B=A○R=｛b1，b2，…，bm｝

（6）由模糊綜合評(píng)判

指標(biāo)bi對(duì)評(píng)判指標(biāo)作出綜合評(píng)判結(jié)論。按照最小-最大法則來(lái)運(yùn)算：

3　工程實(shí)例

3.1工程概況

莆永高速公路永春至永定泉州段起于永春達(dá)埔互通與泉三高速公路相接，經(jīng)永春縣達(dá)埔鎮(zhèn)、安溪縣金谷鎮(zhèn)、湖頭鎮(zhèn)、白瀨鄉(xiāng)、湖上鄉(xiāng)、劍斗鎮(zhèn)、感德鎮(zhèn)以及福田鄉(xiāng)，終點(diǎn)設(shè)獅子爐隧道與龍巖相接，起訖樁號(hào)K0+000~K62+881.68，全長(zhǎng)約62.986 km。其中，起點(diǎn)達(dá)埔樞紐互通至安溪洋中樞紐互通路段（約5.96 km）按雙向6車(chē)道設(shè)計(jì)，路基寬度32 m；其余路段按雙向4車(chē)道設(shè)計(jì)，路基寬度24.5 m。全線共設(shè)達(dá)埔樞紐、洋中樞紐（預(yù)留）、湖頭、劍斗、感德、福田等6處互通立交。全線設(shè)計(jì)行車(chē)速度80 km/h。

大丘林1號(hào)隧道, 構(gòu)造剝蝕低山丘陵地貌。地形起伏大，山坡坡度約35°~45°，進(jìn)出口段圍巖級(jí)別為V級(jí)。洞身圍巖主要為全~微風(fēng)化凝灰?guī)r及全~中風(fēng)化粉砂巖，III-IV級(jí)為主。隧址區(qū)凝灰?guī)r與粉砂巖兩種地層在ZK50+695（K50+680）處呈斷層不整合接觸關(guān)系。斷層破碎帶巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體以碎塊狀為主，局部地下水較豐富，對(duì)隧道洞身圍巖穩(wěn)定有一定影響。隧道區(qū)域地表未發(fā)現(xiàn)滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。地下水主要為基巖風(fēng)化裂隙水及構(gòu)造裂隙水，整體水量較小；ZK50+500~ZK50+700段受低洼地形控制，巖體受構(gòu)造影響節(jié)理裂隙發(fā)育，易使地表水滲透至洞身巖體，地下水量較大。

隧址區(qū)屬剝蝕丘陵地貌，隧道軸線大致呈北東-南西走向，穿越南北向的低山丘陵，地形起伏較大，進(jìn)口處地面高程350~366 m，出口處地面高程360~379 m，隧道軸線最高點(diǎn)高程580 m，相對(duì)高差約230 m，地表植被較發(fā)育，覆蓋層較厚。進(jìn)口側(cè)山坡自然坡度約25°~30°，出口側(cè)山坡自然坡度約30°~35°。

3.2模糊綜合評(píng)價(jià)［7］

大丘林1號(hào)隧道F43斷裂帶的自然因素、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件具體情況如表1所示：

表1　大丘林1號(hào)隧道評(píng)價(jià)因素實(shí)際情況表

表2　大丘林1號(hào)隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)影響評(píng)判各因子權(quán)重值

根據(jù)工程具體情況，得出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估所需要的風(fēng)險(xiǎn)因素參數(shù)，如表3所示。

表3　大丘林1號(hào)隧道各評(píng)價(jià)因素等級(jí)表

根據(jù)因素等級(jí)評(píng)價(jià)及隸屬函數(shù)，求解出模糊函數(shù)矩陣：

進(jìn)行模糊一級(jí)變換：

由此得到二級(jí)模糊關(guān)系矩陣：

將各評(píng)價(jià)等級(jí)賦以具體分值，然后用模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量中對(duì)應(yīng)的隸屬度將分值加權(quán)平均就可以得到一個(gè)點(diǎn)值。設(shè)給n個(gè)等級(jí)依次賦以x1，x2，…，xn，且分值間距相等，則模糊綜合評(píng)價(jià)向量可單值化為：

分別給評(píng)價(jià)v1，v2，v3，v4，v5賦以分值1，2，3，4，5則：

代入的：F=3.68

評(píng)價(jià)值F與隧道塌方概率等級(jí)的關(guān)系如表4所示：

表4　隧道塌方概率等級(jí)表

從上表可知隧道塌方概率等級(jí)為Ⅳ，即該段圍巖很可能發(fā)生塌方事故。

4　開(kāi)挖驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)大丘林1號(hào)隧道F43斷層破碎帶進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，得知隧道在該斷層破碎帶附近的塌方概率等級(jí)為Ⅳ級(jí)，即該段圍巖很可能發(fā)生塌方事故。實(shí)際上隧道實(shí)際在通過(guò)斷層破碎帶時(shí)并沒(méi)有發(fā)生大規(guī)模塌方，但數(shù)次出現(xiàn)圍巖變形超警戒的情況，同時(shí)，局部襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形，導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)侵入限界。

評(píng)價(jià)結(jié)果可能發(fā)生坍塌事故，但實(shí)際開(kāi)挖中并沒(méi)有發(fā)生，究其原因主要是，隧道塌方的可能性是由兩個(gè)方面控制的，一個(gè)是坍塌事件的孕險(xiǎn)環(huán)境，另一個(gè)是坍塌事件的致險(xiǎn)因子。隧道的孕險(xiǎn)環(huán)境各指標(biāo)如圍巖完整性、地下水等指標(biāo)的等級(jí)都較低，很容易導(dǎo)致隧道塌方；而隧道的致險(xiǎn)因子各指標(biāo)如開(kāi)挖、施工等指標(biāo)出于應(yīng)對(duì)不利的影響，隧道參建各方都高度重視，采用合理的開(kāi)挖方法，有效的不良地質(zhì)改良措施、加強(qiáng)施工組織管理、加強(qiáng)支護(hù)并對(duì)隧道進(jìn)行全面、可靠的監(jiān)測(cè)。具體措施是將開(kāi)挖方法由臺(tái)階法調(diào)整為CD法，每循環(huán)進(jìn)尺1.0 m，左右導(dǎo)洞保持15 m間距，CD法開(kāi)挖選取得非常合理，既保證安全，同時(shí)也很經(jīng)濟(jì)。采用全斷面帷幕注漿，并輔以超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)措施，地層改良方法及參數(shù)選取較合理。初期支護(hù)為I22鋼拱架，縱向間距80 cm；Φ8鋼筋網(wǎng)，間距20 cm×20 cm；拱部及邊墻設(shè)置φ22錨桿，長(zhǎng)3.5 m，梅花形布置，間排距0.8 m×0.8 m；初噴C25混凝土，厚度25 cm；初期支護(hù)剛度大，對(duì)地層位移控制較好。施工現(xiàn)場(chǎng)配備有經(jīng)驗(yàn)豐富的管理人員，組織管理非常到位，施工安全措施合理，并建立了完善的規(guī)章制度及措施。

為了正確判斷斷層處開(kāi)挖方法調(diào)整為CD法后圍巖穩(wěn)定情況，按照要求增設(shè)了ZK50+695監(jiān)控量測(cè)斷面，分別量測(cè)隧道左右導(dǎo)的拱頂下沉和收斂位移，其測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

ZK50+695斷面左、右導(dǎo)的周邊收斂位移和拱頂下沉量與時(shí)間關(guān)系曲線分別如圖2、圖3所示，由量測(cè)成果可知隧道的相對(duì)收斂位移最大值為0.37%，拱頂下沉量是0.33%，規(guī)范規(guī)定隧道在V級(jí)圍巖中埋深在50 m以上允許相對(duì)位移值為0.6%~1.6%，因此滿(mǎn)足規(guī)范要求。從改變施工工法后的量測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看，CD法開(kāi)挖及時(shí)控制了圍巖的過(guò)大變形，對(duì)后續(xù)施工具有指導(dǎo)意義。

圖1　CD法開(kāi)挖監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2　周邊收斂位移時(shí)間曲線圖

圖3　拱頂下沉斂位移時(shí)間曲線圖

5　結(jié)論

通過(guò)模糊評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)了大丘林1號(hào)山嶺隧道可能發(fā)生施工塌方的高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，在施工中采取了相應(yīng)的措施，避免了災(zāi)害的發(fā)生。

模糊綜合評(píng)判法是一種較好的評(píng)價(jià)方法。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)不確定因素給予了足夠的重視，尤其適用于被評(píng)價(jià)的事物是由多方面因素所決定的，考慮所有因素而作出一個(gè)綜合評(píng)價(jià)。但是也存在許多問(wèn)題，評(píng)價(jià)過(guò)程中的隨機(jī)性、評(píng)價(jià)人員主觀上的不確定性及認(rèn)識(shí)上的模糊性，使評(píng)價(jià)過(guò)程帶有一定程度的主觀臆斷性，所以存在一定的誤差，需要在今后的研究中作出改進(jìn)。

［1］ 馮衛(wèi)星，況勇，陳建軍.隧道坍方案例分析［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2002：163-165.

［2］ 于學(xué)馥，鄭穎人，劉懷恒，等.地下工程圍巖穩(wěn)定分析［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1983.

［3］ 袁勇，王勝輝，彭定超.盾構(gòu)隧道全壽命防水風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)價(jià)［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2005，14（2）：81-88.

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［6］ 趙興東，段進(jìn)超，唐春安，等.不同斷面形式隧道破壞模式研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（增 2）： 4921-4925.

［7］許柏樹(shù).層次分析法原理［M］.天津：天津大學(xué)出版社，1988：28-30.

Risk Analysis of Mountain Tunnel Collapse

Wu Yuejiang
（Jiangsu Dongnan Jianli Construction Project Management Co., LTD, Nanjing 210018, China）

This paper analyzed collapse risk of fault fracture zone for Daqiulin No.1 tunnel by the fuzzy comprehensive evaluation method.It made quantitative analysis of construction risk for tunnel through the fault fracture zone, which could be used to guide the construction and ensure construction safety.

mountain tunnel; collapse; fuzzy comprehensive evaluation

U458.3

B

1672-9889（2015）04-0068-04

吳越江（1975-），男，吉林乾安人，工程師，主要從事工程監(jiān)理、管理工作。

（2014-09-17）