基于模糊綜合評(píng)判的護(hù)盾式TBM施工圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)

楊繼華，路新景，閆長(zhǎng)斌，齊三紅，郭衛(wèi)新

1. 黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450003 2. 鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州 450001

0 引言

全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工具有掘進(jìn)速度快、成洞質(zhì)量好、施工環(huán)境好及人員安全性高等的技術(shù)特點(diǎn)，已在國(guó)內(nèi)的水利水電工程長(zhǎng)隧洞的施工中得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。護(hù)盾式(shield)TBM是全斷面TBM的一種常見(jiàn)機(jī)型，其可以分為單護(hù)盾(single shield)TBM、雙護(hù)盾(double shields或telescopic shields)TBM和三護(hù)盾(triple shields)TBM，其最大的特點(diǎn)是掘進(jìn)和支護(hù)作業(yè)都是在護(hù)盾的保護(hù)下進(jìn)行，安全性高，對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)范圍較廣。

隧洞圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)是施工中的一項(xiàng)重要工作，分類(lèi)結(jié)果直接關(guān)系到支護(hù)、襯砌的強(qiáng)度和型式選擇。無(wú)論是鉆爆法還是TBM施工，隧洞圍巖的穩(wěn)定性均取決于圍巖性質(zhì)及場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，如巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)、節(jié)理間距、節(jié)理面性狀、地下水、地應(yīng)力等，以上這些指標(biāo)均可以通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及調(diào)查獲得。目前隧洞圍巖分類(lèi)一般采用這些定性、定量、半定量指標(biāo)通過(guò)評(píng)分的方法把圍巖分為若干等級(jí)，每種等級(jí)對(duì)應(yīng)圍巖的不同穩(wěn)定性。常用的圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)方法有國(guó)外的地質(zhì)力學(xué)分類(lèi)法(RMR)[5]、Q系統(tǒng)分類(lèi)法[6]，及國(guó)內(nèi)的工程巖體分級(jí)方法[7]、水電系統(tǒng)的分類(lèi)法[8]等。鉆爆法施工時(shí)可以采用以上這些方法對(duì)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分類(lèi)和評(píng)價(jià)。

與開(kāi)敞式TBM不同，護(hù)盾式TBM隧洞施工時(shí)，刀盤(pán)、護(hù)盾和襯砌管片將掌子面和洞壁圍巖幾乎全部遮擋，無(wú)法像鉆爆法和開(kāi)敞式TBM那樣對(duì)圍巖進(jìn)行直接的地質(zhì)描述，也無(wú)法采取原狀巖樣進(jìn)行試驗(yàn)，影響圍巖穩(wěn)定性的指標(biāo)無(wú)法直接獲得，因此傳統(tǒng)的圍巖分類(lèi)方法并不適用護(hù)盾式TBM施工。目前，針對(duì)護(hù)盾式TBM施工隧洞圍巖分類(lèi)尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；隨著護(hù)盾式TBM在隧洞施工的廣泛應(yīng)用，迫切需要尋求一種適用于護(hù)盾式TBM施工的圍巖分類(lèi)方法。

本文采用模糊綜合評(píng)判的方法，選擇護(hù)盾式TBM施工所能獲得的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分類(lèi)并應(yīng)用到工程實(shí)際中。

1 護(hù)盾式TBM隧洞施工圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)模糊綜合評(píng)判法的建立

1.1 評(píng)判因素的選取

根據(jù)模糊綜合評(píng)判法的基本原理，對(duì)圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)應(yīng)首先選取合理的評(píng)判因素，并對(duì)各因素賦予參數(shù)值；其值可以是定量的或半定量的，也可是定性描述的?？紤]影響圍巖穩(wěn)定性的主要地質(zhì)因素及護(hù)盾式TBM施工的特點(diǎn)，所選取的評(píng)判因素應(yīng)能全面、客觀地反映圍巖類(lèi)別，同時(shí)要具有可操作性。本文根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐及文獻(xiàn)[5-14]選取以下6個(gè)因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分類(lèi)。

1)回彈值：護(hù)盾式TBM施工時(shí)，可在停機(jī)時(shí)采用高強(qiáng)度回彈儀(schmidt hammer)通過(guò)滾刀間隙、護(hù)盾觀察窗口或伸縮護(hù)盾連接處對(duì)巖石進(jìn)行回彈值測(cè)試。相關(guān)研究[10]表明：巖石的回彈值與巖石的單軸抗壓強(qiáng)度直接相關(guān)；可通過(guò)回彈值估算巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，而巖石的單軸抗壓強(qiáng)度直接關(guān)系到巖石的穩(wěn)定；一般情況下巖石的回彈值越高，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度越高，對(duì)圍巖穩(wěn)定越有利。

2)TBM刀盤(pán)推力：用所采用推力占額定推力的比例表示。掘進(jìn)推力是隧洞圍巖地質(zhì)條件的反映，應(yīng)成為圍巖穩(wěn)定性評(píng)判的依據(jù)之一。一般情況下，在完整硬巖中掘進(jìn)時(shí)，TBM需要較高的推力；而在軟弱破碎圍巖中掘進(jìn)時(shí)，TBM需要的推力較小。

3)TBM刀盤(pán)扭矩：用所采用扭矩占額定扭矩的比例表示。掘進(jìn)時(shí)刀盤(pán)扭矩受地質(zhì)條件的影響而變化，在硬巖中掘進(jìn)，滾動(dòng)阻力小，相應(yīng)扭矩??；反之在軟巖中掘進(jìn)需要的扭矩大。

4)片狀巖渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)：用片狀巖渣質(zhì)量與巖渣總質(zhì)量的比值表示。渣料中巖渣的形狀、粒徑與圍巖的強(qiáng)度與節(jié)理密度等密切相關(guān)，可從較大程度上反映圍巖的穩(wěn)定性。一般情況下，完整硬巖的巖渣主要呈片狀，而破碎圍巖的巖渣主要呈塊狀。

5)地下水：用地下水流滲量參數(shù)表示。當(dāng)圍巖中存在地下水時(shí)，會(huì)軟化巖石，降低圍巖的穩(wěn)定性，因此圍巖中地下水的發(fā)育程度越低對(duì)圍巖穩(wěn)定越有利。

6)地應(yīng)力：用最大主應(yīng)力方向與洞軸線的夾角表示。當(dāng)最大主應(yīng)力與洞軸線平行時(shí)對(duì)圍巖穩(wěn)定最有利，當(dāng)與洞軸線垂直時(shí)最不利。

圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)目前尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同行業(yè)、不同學(xué)者所采用的標(biāo)準(zhǔn)均有所差別?？紤]模糊綜合評(píng)判法的需要，并參照國(guó)內(nèi)、外成熟的圍巖分類(lèi)方法，本文將圍巖穩(wěn)定分為5個(gè)類(lèi)別，即穩(wěn)定、較穩(wěn)定、局部穩(wěn)定性差、不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定，分別對(duì)應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類(lèi)圍巖。根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐及文獻(xiàn)[5-14]，選取的因素與圍巖分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系見(jiàn)表1。

1.2 評(píng)判因素集的建立

按照表1，評(píng)判圍巖穩(wěn)定性的因素有6個(gè)，可以用集合表示為

U={u1,u2,u3,u4,u5,u6}。

(1)

式中：u1為回彈值；u2為刀盤(pán)推力；u3為刀盤(pán)扭矩；u4為片狀巖渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)；u5為地下水滲流量；u6為最大主應(yīng)力方向與隧洞軸線夾角。

1.3 因素權(quán)重的確定

因素權(quán)重的確定采用層次分析法[15-17]，其原理是：先把n個(gè)評(píng)判因素排列成一個(gè)n階矩陣；然后對(duì)各因素的重要程度進(jìn)行兩兩比較，矩陣中元素值由各因素的重要程度來(lái)確定；再計(jì)算出判斷矩陣的最大特征根和其對(duì)應(yīng)的特征向量，其特征向量即為所求的權(quán)重值。兩因素之間的重要程度比較和對(duì)應(yīng)值由層次分析法[14-16]確定，如表2所示。

本文根據(jù)國(guó)、外常用的圍巖分類(lèi)方法及工程經(jīng)驗(yàn)，得出判斷矩陣如下：

1.4 矩陣特征根的判斷及特征向量的計(jì)算

1)計(jì)算判斷矩陣每行元素的乘積Wi：

即W1=630.000，W2=0.198，W3=0.066，W4=69.300，W5=12.000，W6=0。

表1 圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

表2 兩因素重要程度比較結(jié)果

注：f為ui和uj的函數(shù)，即ui和uj的相比較的值。

即

則特征向量A為：

A=(0.362, 0.094, 0.079, 0.250, 0.187, 0.028)T。

則最大特征根λmax為：

4)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)計(jì)算，用一致性指標(biāo)CI表示：

查隨機(jī)性指標(biāo)CR數(shù)值表[17]可知，當(dāng)n=6時(shí)，CR=1.24，則

(2)

式(2)表明判斷矩陣的一致性達(dá)到了要求，因此向量A的各個(gè)分量可以作為相應(yīng)評(píng)判因素的權(quán)重系數(shù)。

1.5 隸屬函數(shù)的確定

根據(jù)所要解決問(wèn)題的實(shí)際特征，參照文獻(xiàn)[11]的研究方法，采用嶺形隸屬函數(shù)，按照公式(2)建立代表評(píng)判因素隸屬度的函數(shù)u(x)：

u(x)=

(3)

式中，a1,a2,a3均為參數(shù)，表示各子集的區(qū)間邊界。

以回彈值為例，建立其對(duì)應(yīng)不同圍巖的隸屬函數(shù)：

式中，uⅠ(x)、uⅡ(x)、uⅢ(x)、uⅣ(x)、uⅤ(x)分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖的隸屬函數(shù)。其余因素與其類(lèi)似，限于篇幅有限，本文略去。

2 工程應(yīng)用

某水電站引水隧洞全長(zhǎng)24.8 km，洞徑9.11 m，采用雙護(hù)盾式TBM開(kāi)挖施工，在掘進(jìn)過(guò)程中獲得了若干洞段的掘進(jìn)參數(shù)、渣料成分與地質(zhì)資料，現(xiàn)選取4組數(shù)據(jù)(表3)，采用模糊綜合評(píng)判法，對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)判。

1)評(píng)判因素集合見(jiàn)式(1)。

2)選擇評(píng)語(yǔ)集V：

V={v1,v2,v3,v4,v5}。

式中：v1表示穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)Ⅰ類(lèi)圍巖；v2表示較穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)Ⅱ類(lèi)圍巖；v3表示局部穩(wěn)定性差，對(duì)應(yīng)Ⅲ類(lèi)圍巖；v4表示不穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)Ⅳ類(lèi)圍巖；v5表示極不穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)Ⅴ類(lèi)圍巖。

3)單因素評(píng)判。以表3中序號(hào)1洞段為例，將評(píng)判因素值代入式(3)隸屬函數(shù)中，可得各因素對(duì)應(yīng)不同穩(wěn)定狀態(tài)的隸屬度M：

M=

4)各因素的權(quán)重向量即特征向量A：

A=(0.362, 0.094, 0.079, 0.250, 0.187, 0.028)。

5)進(jìn)行綜合評(píng)判計(jì)算，用隸屬度向量B表示：

B=A·M。

參照以上計(jì)算方法，對(duì)表2中序號(hào)2、3和4洞段分別進(jìn)行計(jì)算，得：

按照最大隸屬度原則，可以判斷序號(hào)1、2、3和4洞段的最大隸屬度分別為0.494、0.403、0.388、0.442，圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)分別為較穩(wěn)定、較穩(wěn)定、局部穩(wěn)定性差和不穩(wěn)定，分別對(duì)應(yīng)Ⅱ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ類(lèi)圍巖。該評(píng)判結(jié)果在工程中已得到驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

1)護(hù)盾式TBM隧洞施工時(shí)，無(wú)法直接對(duì)圍巖進(jìn)行地質(zhì)描述，因此無(wú)法采用傳統(tǒng)的分類(lèi)方法對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。圍巖的穩(wěn)定性受多種因素的影響，本文在研究護(hù)盾式TBM施工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，參照國(guó)內(nèi)、外常用的圍巖分類(lèi)方法，選擇了巖石的回彈值、刀盤(pán)推力、刀盤(pán)扭矩、片狀巖渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、地下水滲流量和最大主應(yīng)力與洞軸線的夾角作為圍巖穩(wěn)定性評(píng)判因素。

表3某水電站引水隧洞雙護(hù)盾TBM施工部分洞段掘進(jìn)參數(shù)與地質(zhì)資料

Table3TunnelingparametersandgeologicdataofpartialsectionsofheadracetunnelbydoubleshieldsTBMconstructioninahydropowerstation

序號(hào)隧洞樁號(hào)回彈值刀盤(pán)推力/%刀盤(pán)扭矩/%片狀巖渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%地下水滲流量/(L/(min·10m))最大主應(yīng)力與洞軸線夾角/(°)117+660—17+68548786485553218+212—18+22836726882860322+985—22+998286474631252423+871—23+886225382522055

2)影響因素與隧洞圍巖是否穩(wěn)定具有一定的模糊性質(zhì)，圍巖的穩(wěn)定性無(wú)法采用精確的關(guān)系式來(lái)表達(dá)。采用模糊綜合評(píng)判方法，建立圍巖穩(wěn)定性多因素評(píng)判模型，制定穩(wěn)定性分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)判，可以得到較為合理的結(jié)果。