基于優(yōu)度可拓學(xué)評(píng)價(jià)法的偏壓隧道施工病害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

陸忠廖

(廣西壯族自治區(qū)田東公路管理局，廣西 百色 533000)

0 引言

近十幾年我國隧道施工技術(shù)發(fā)展迅猛。為了減輕大范圍地表開挖帶來的不利影響，常在覆蓋層淺的地方采用暗挖法進(jìn)行隧道施工。在工程上，將埋深小于自然平衡拱高度的隧道稱為淺埋隧道。淺埋偏壓隧道具有圍巖巖體松散破碎、節(jié)理裂隙非常發(fā)育、圍巖體不穩(wěn)定等特征，但可以大規(guī)模節(jié)約建設(shè)成本。當(dāng)淺埋隧道沿山或沿河邊修建時(shí)，由于隧道左右側(cè)地形的不對(duì)稱性，造成圍巖周圍應(yīng)力分布不均，形成隧道的淺埋偏壓段。淺埋偏壓大跨度隧道在開挖過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)冒頂、塌方、突水等不良災(zāi)害，在運(yùn)營(yíng)過程中可能出現(xiàn)滲水等不良病害。因此，淺埋偏壓大跨度隧道的圍巖穩(wěn)定性分析與施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估成為亟需解決的問題。

本文依托百色市八陽溝隧道工程，介紹和分析了施工時(shí)遇到的主要病害或問題；同時(shí)，基于可拓學(xué)的原理，針對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，建立優(yōu)度可拓評(píng)價(jià)法模型，對(duì)隧道施工中遇到的定性指標(biāo)進(jìn)行量化預(yù)處理和比較；然后根據(jù)淺埋偏壓隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，應(yīng)用于隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理及事故預(yù)測(cè)，促進(jìn)隧道施工安全防治，及時(shí)采取預(yù)防措施；最后通過監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證處理方案的科學(xué)有效性，從而為避免或處治類似地質(zhì)情況下隧道洞口段初期支護(hù)的變形提供借鑒。

1 工程概況

八陽溝隧道位于百色市西林縣東南部，八達(dá)林場(chǎng)西南約1 km。隧道長(zhǎng)565 m，為單拱隧道。隧道入口位于K2+205，出口位于K2+770，設(shè)計(jì)高程776.915 m，埋深最大約為71 m，雙向四車道，坡比2.00%。

隧道地形是山體結(jié)構(gòu)侵蝕、邊坡切割。隧道出入口皆靠近山體緩坡處，坡度較小，隧道入口段坡度約20°～30°，出口段坡度約15°～25°。隧道地面標(biāo)高處于780～853 m區(qū)間，相對(duì)高差約70 m。

地層巖性上，根據(jù)鉆探資料顯示，部分隧道基巖裸露。土體部分主要為泥沙礫石和含碎石粉質(zhì)黏土，基巖為灰綠色鈣質(zhì)泥巖、粉砂巖、上三疊系碎屑巖等。

地質(zhì)構(gòu)造上，該隧道位于南嶺緯向構(gòu)造帶南部，經(jīng)過早期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、構(gòu)造轉(zhuǎn)換、演化分布形成，東西向構(gòu)造格架為主要特征。

斷層類似褶皺，部分重疊，褶皺被斷層破壞，保存不完整。在近東西方向，大多數(shù)東部地區(qū)的平面折角一般都很低，遠(yuǎn)<50°，兩翼是不對(duì)稱的；次生褶皺發(fā)育良好，為不對(duì)稱或反向小褶皺。

水文地質(zhì)環(huán)境一般，經(jīng)工程地質(zhì)調(diào)繪，隧道區(qū)溝谷內(nèi)平時(shí)有少量徑流，地表水量受大氣降雨量大小影響較大。于隧道K2+235右側(cè)45 m有一泉眼QYR2，為基巖裂隙出水，常年有水，流量小，枯季約0.03 L/s，豐季約0.25 L/s；于隧道K2+610左側(cè)145 m有一泉眼QYR3，為基巖裂隙出水，常年有水，流量小，枯季約0.01 L/s，豐季約0.2 L/s。

2 八陽溝隧道施工遇到主要病害或問題

八陽溝隧道進(jìn)洞口K2+215～K2+305段屬于Ⅳ、Ⅴ圍巖，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘測(cè)埋深為6～31 m，為淺埋地段。該段自然山體為“Ⅴ”字型沖溝，自然坡度為30°左右。右側(cè)埋深偏薄，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，自然穩(wěn)定性差，為了隧道進(jìn)口質(zhì)量及施工安全，已對(duì)進(jìn)口右側(cè)進(jìn)行山體反壓，使隧道兩側(cè)壓力平衡。

八陽溝隧道進(jìn)洞口K2+215～K2+305段屬于淺埋地段，右側(cè)埋深偏薄，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，自然穩(wěn)定差，為了隧道進(jìn)口質(zhì)量及施工安全，對(duì)進(jìn)口右側(cè)進(jìn)行山體反壓，使隧道兩側(cè)壓力平衡。為保證回填的土體與原坡面形成整體，在洞頂鋪滿φ42×4 mm小導(dǎo)管進(jìn)行注漿結(jié)巖，每根長(zhǎng)4.5 m，并在回填土體坡面進(jìn)行砂漿錨桿、掛網(wǎng)及噴射混凝土加固。

八陽溝隧道出口端K2+685～K2+760洞頂自然山體右高左低因此發(fā)生偏移產(chǎn)生偏壓，造成洞內(nèi)K2+710～K2+750段右側(cè)拱頂及周邊初期支護(hù)受到右側(cè)壓力的擠壓，經(jīng)檢測(cè)顯示，該段最大沉降值達(dá)到了69 cm，平均值為30 cm，已經(jīng)無法保證二次襯砌的厚度。為了隧道質(zhì)量及施工安全，對(duì)左側(cè)進(jìn)行山體反壓，使隧道兩側(cè)壓力平衡；拆除原有的初期支護(hù)，鑿除C20噴射混凝土，重新進(jìn)行初期支護(hù)施工。八陽溝隧道K2+713～K2+593地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)論如表1所示。

表1 八陽溝隧道K2+713～K2+593地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)論表

3 淺埋偏壓隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)例

為了綜合評(píng)價(jià)一個(gè)對(duì)象的長(zhǎng)處和短處，采用不同的方法、策略等都會(huì)造成優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)失衡的問題，為了克服這個(gè)問題，需要綜合考慮正反兩方面的因素。優(yōu)度可拓評(píng)價(jià)法是綜合多種衡量條件對(duì)某一對(duì)象、方法、策略等的優(yōu)劣程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的實(shí)用方法。[1]在這一領(lǐng)域，優(yōu)度可拓評(píng)價(jià)法是利用相關(guān)函數(shù)計(jì)算，具有評(píng)價(jià)所需測(cè)量程度的精確優(yōu)勢(shì)。

與傳統(tǒng)的評(píng)估方法相比，優(yōu)度可拓評(píng)價(jià)法是基于研究區(qū)間的一種評(píng)價(jià)方法，克服了矛盾因素與指標(biāo)選擇之間的關(guān)系，也可以轉(zhuǎn)化風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，效果更為實(shí)際。本文通過建立優(yōu)度可拓評(píng)價(jià)法模型研究了淺埋偏壓隧道的潛在施工風(fēng)險(xiǎn)，確定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重，對(duì)淺埋偏壓隧道進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)。[2]

3.1 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)及隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)

突水、塌方事故是淺埋偏壓隧道面臨的高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工事故之一。因此，在項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的初期階段就要針對(duì)該施工發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，這也將是下一階段施工建設(shè)成功的重要基礎(chǔ)。結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范及相關(guān)設(shè)計(jì)文件，總結(jié)八陽溝隧道的各部分風(fēng)險(xiǎn)判斷，通過和相似的項(xiàng)目進(jìn)行類分析[3]，得到八陽溝隧道各部分的初步風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果見表2。

表2 八陽溝隧道初始風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表

由表2可知：根據(jù)《隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理暫行規(guī)定》對(duì)八陽溝隧道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理，導(dǎo)致各種風(fēng)險(xiǎn)因素的事故發(fā)生概率分別為1到5表示“不可能”“偶然”“可能”“較高可能”和“極大可能”等風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，風(fēng)險(xiǎn)后果分類標(biāo)準(zhǔn)劃分為“極高(一級(jí))”“高(二級(jí))”“中(三級(jí))”和“低(四級(jí))”四個(gè)等級(jí)。

初步評(píng)估認(rèn)為，八陽溝隧洞施工區(qū)風(fēng)險(xiǎn)較高，初期8個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素主要集中在進(jìn)口斜坡段和淺埋段，由于該隧道位于地下水循環(huán)區(qū)和喀斯特溶洞區(qū)，地質(zhì)環(huán)境異常導(dǎo)致水(泥漿)突涌，其中隧道穿越泥巖突涌危險(xiǎn)區(qū)加之紅石巖高殘水率(高殘泥率)導(dǎo)致危險(xiǎn)程度高度集中。

綜上所述，典型的隧道風(fēng)險(xiǎn)事件包括突水、崩塌、洞內(nèi)泥石流等，主要是由斷裂帶和巖性土接觸帶導(dǎo)致地下水異常造成的。

3.2 定性指標(biāo)量化處理

采用優(yōu)度可拓評(píng)價(jià)法要求評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)是可靠的，評(píng)價(jià)指標(biāo)可以是離散的，但必須具有可代表性，數(shù)據(jù)需要有一定的規(guī)律性。因此，優(yōu)度可拓評(píng)價(jià)法作為一種綜合評(píng)價(jià)方法，可根據(jù)其對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系進(jìn)行量化處理。淺埋偏壓隧道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示[4]。

圖1 淺埋偏壓隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系示意圖

對(duì)于偏壓率C1，風(fēng)險(xiǎn)劃分情況見表3。

表3 偏壓率C1風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)表

對(duì)于地質(zhì)情況C2，風(fēng)險(xiǎn)劃分情況見表4。

表4 地質(zhì)情況C2風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)表

對(duì)于含水情況C3，結(jié)合開挖掌子面或勘察資料來表征，風(fēng)險(xiǎn)劃分情況見表5。

表5 含水情況C3風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)表

對(duì)于淺埋大小情況C4，以上覆巖層厚度來表征，根據(jù)太沙基公式分界標(biāo)準(zhǔn)見表6。

表6 淺埋大小情況C4風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)表

對(duì)于巖體完整性指標(biāo)C5，參考工程巖體分級(jí)相關(guān)規(guī)范。具體情況見表7。

表7 巖體完整性指標(biāo)C5風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)表

對(duì)于巖層產(chǎn)狀C6，以巖體的主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的傾角來表示，見表8。

表8 巖層產(chǎn)狀C6風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)表

對(duì)于層面與層間裂隙C7，一般而言，層面與層間裂隙很發(fā)育部位處地下水活躍，隧道穿過此類巖層易產(chǎn)生坍塌或突水突泥等事故。具體情況見表9。

表9 層面與層間裂隙C7風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)表

對(duì)于圍巖級(jí)別C8，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表10。

表10 圍巖級(jí)別C8風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)表

在隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中，可以邀請(qǐng)一定數(shù)量的有經(jīng)驗(yàn)的專家對(duì)備選隧道施工方案進(jìn)行比較，同時(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員也可以對(duì)每個(gè)非定量指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分?？紤]到不同的評(píng)估人經(jīng)驗(yàn)不同，需要考慮加權(quán)平均數(shù)。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的量綱統(tǒng)一

首先需要對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量綱統(tǒng)一化的量化處理，處理方法如下：[5]

根據(jù)八陽溝隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)顯示，DK2+205～DK2+770段為富水地段，地質(zhì)條件復(fù)雜，喀斯特地貌較明顯。隧道巖性以塊狀風(fēng)化片麻巖為主，巖體破碎、節(jié)理發(fā)育、存在球狀風(fēng)化，其洞頂板自穩(wěn)性差。相應(yīng)的八陽溝隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的量綱統(tǒng)一后數(shù)據(jù)如表11所示。

表11 隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)歸一化處理表

3.4 確定淺埋偏壓隧道的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)估權(quán)重

每個(gè)指標(biāo)的重要性可以通過對(duì)評(píng)估對(duì)象的權(quán)重系數(shù)的度量來表示，指標(biāo)數(shù)據(jù)越接近極值，說明隧道風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)施工的干擾程度越高，權(quán)重也就越大。[6]

Step1：根據(jù)層次分析法(AHP)，權(quán)重系數(shù)的計(jì)算如下：

wi=[0.134 0.105 0.149 0.157 0.145 0.035 0.148 0.127]

Step2：對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)程度進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果如下：

Step3：計(jì)算隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)后果等級(jí)之間的相關(guān)性：

kij=[-0.604 -0.515 0.047 0.240]

Step4：計(jì)算結(jié)果顯示隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為二級(jí)，即“高風(fēng)險(xiǎn)”等級(jí)，表明隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)較高。

3.5 評(píng)估結(jié)果分析

(1)基于可拓學(xué)的原理，針對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，建立優(yōu)度可拓評(píng)價(jià)法模型，對(duì)隧道施工遇到的定性指標(biāo)進(jìn)行量化預(yù)處理和比較。(2)分析確定出淺埋偏壓隧道風(fēng)險(xiǎn)因素集，包括偏差率、地質(zhì)條件、水情、埋深、巖體的完整性、圍巖級(jí)別等。(3)對(duì)定性指標(biāo)做定量化處理并對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化預(yù)處理，從而使得評(píng)估指標(biāo)具有可比性。

綜上所述，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)反饋信息，該計(jì)算結(jié)果顯示的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可以定義為非常高的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，與推斷結(jié)果基本一致。結(jié)果表明該方法具有一定的可預(yù)測(cè)性。

4 結(jié)語

(1)對(duì)淺埋偏壓隧道進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，包括偏差率、地質(zhì)條件、水情、埋深、巖體的完整性、圍巖級(jí)別等?；诳赏貙W(xué)的原理，針對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，建立優(yōu)度可拓評(píng)價(jià)法模型，對(duì)隧道施工遇到的定性指標(biāo)進(jìn)行量化預(yù)處理和比較。

(2)結(jié)合八陽溝隧道施工實(shí)例，其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果顯示隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為二級(jí)，即“高風(fēng)險(xiǎn)”等級(jí)，表明隧道發(fā)生塌方風(fēng)險(xiǎn)較高。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)的反饋，這種風(fēng)險(xiǎn)如果不及時(shí)采取措施，是非常危險(xiǎn)的。

(3)建立淺埋偏壓隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，應(yīng)用于隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理及事故預(yù)測(cè)，如突水概率、泥石流和山體滑坡概率，降低隧道施工事故風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)隧道施工安全規(guī)范，及時(shí)采取預(yù)防措施等。

(4)從檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合該處的地質(zhì)資料，K2+105～K2+770范圍內(nèi)圍巖以強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，巖體破碎，裂隙破碎帶較發(fā)育，潮濕，圍巖穩(wěn)定性和完整性差，施工中應(yīng)注意加強(qiáng)支護(hù)和防排水工作，防止拱部掉塊。