基于TSP203和理想點(diǎn)法的隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

牟新偉 王育奎

(山東高速工程檢測(cè)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

理想點(diǎn)法是一種多屬性、多目標(biāo)規(guī)劃評(píng)價(jià)函數(shù)方法。TSP203系統(tǒng)利用現(xiàn)代先進(jìn)物探技術(shù)，可以對(duì)隧道掌子面開(kāi)挖前方可能存在的斷層破碎帶、富水區(qū)域等不良地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行很好的預(yù)測(cè)。本文擬研究一種基于理想點(diǎn)法和TSP203的隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法，其中理想點(diǎn)法中各指標(biāo)的權(quán)重采用特爾菲法，再利用地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法對(duì)塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)作出客觀描述。最后將該方法運(yùn)用到山東濟(jì)泰高速公路小佛寺隧道中，得到了十分有用的結(jié)論[1-4]。

1 理想點(diǎn)法的原理

理想點(diǎn)法就是通過(guò)創(chuàng)造n種規(guī)則，并將該n種規(guī)則分為等量的若干等級(jí)，并為每種等級(jí)規(guī)定一個(gè)理想?yún)^(qū)域。當(dāng)評(píng)價(jià)點(diǎn)的某一規(guī)則的量位于某一理想?yún)^(qū)域之中，則該評(píng)價(jià)點(diǎn)貼近該理想?yún)^(qū)域的相應(yīng)等級(jí)。通過(guò)構(gòu)建各種規(guī)則及各種等級(jí)之間的相關(guān)關(guān)系，可以計(jì)算評(píng)價(jià)點(diǎn)的最佳等級(jí)貼近度[5,6]。

1.1 建立指標(biāo)等級(jí)矩陣

1.2 確定收益指標(biāo)理想點(diǎn)

一般評(píng)價(jià)指標(biāo)分為正收益指標(biāo)及負(fù)收益指標(biāo)，正收益指標(biāo)指的是指標(biāo)與結(jié)果成正比的指標(biāo)，負(fù)收益指標(biāo)指的是指標(biāo)與結(jié)果成反比的指標(biāo)。

當(dāng)指標(biāo)為正收益指標(biāo)，有：

(1)

當(dāng)指標(biāo)為負(fù)收益指標(biāo)時(shí)，有：

(2)

其中，minfi(x),maxfi(x)分別為第i組指標(biāo)的理想?yún)^(qū)域最小值與最大值。

1.3 理想點(diǎn)相對(duì)距離

理想點(diǎn)的最優(yōu)解為距離理想?yún)^(qū)域的最大值近，距離理想?yún)^(qū)域的最小值遠(yuǎn)，以正收益指標(biāo)為例，表現(xiàn)到公式上即為：

f(x)-f*(+)→min,f(x)-f*(-)→max。

最常用的方法是歐氏距離法，以正收益指標(biāo)為例，通過(guò)與理想?yún)^(qū)域最大值及最小值分別計(jì)算得到：

1.4 理想點(diǎn)的相關(guān)貼近度

最后計(jì)算相關(guān)評(píng)價(jià)點(diǎn)的貼近度，計(jì)算公式為:

Ti=D2i/(D1i+D2i),i=1,2,…,n。

2 隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)超前評(píng)價(jià)體系

2.1 隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系

本文選取巖石單軸抗壓強(qiáng)度、圍巖完整性系數(shù)、主要結(jié)構(gòu)面與洞軸線(xiàn)的夾角、不連續(xù)結(jié)構(gòu)面狀態(tài)和地下水影響5種因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)?？陀^參數(shù)由TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)獲得，巖石單軸抗壓強(qiáng)度通過(guò)鉆孔取芯并進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)獲得。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)值確定方法

1)巖石單軸抗壓強(qiáng)度。

巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是最常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其可以很直觀的反映巖石的堅(jiān)硬程度，其抗壓強(qiáng)度越高，則巖石越堅(jiān)硬，反之亦然。通過(guò)取芯并進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，查閱相關(guān)規(guī)范確定其抗壓強(qiáng)度。

2)巖體完整性系數(shù)。

通過(guò)TSP203系統(tǒng)可以得到一系列的指標(biāo)，其中包括巖體完整性系數(shù)Kv，其計(jì)算公式為:

其中，Vp為巖體的縱波波速；Vd為巖塊的縱波波速，Vd通過(guò)查閱相關(guān)規(guī)范得到。

3)主要結(jié)構(gòu)面與洞軸線(xiàn)的夾角(θ)。

主要結(jié)構(gòu)面與洞軸線(xiàn)的組合關(guān)系與硐室穩(wěn)定有著很密切的聯(lián)系。其夾角越小則圍巖穩(wěn)定性越差。通過(guò)TSP203系統(tǒng)對(duì)反射時(shí)間及地震波速度的相關(guān)運(yùn)算，可以得到反射面位置，繼而算出該夾角的具體數(shù)值。

4)不連續(xù)結(jié)構(gòu)面狀態(tài)(N)。

不連續(xù)結(jié)構(gòu)面狀態(tài)反映了相關(guān)結(jié)構(gòu)面的粗糙程度、張開(kāi)度及巖壁風(fēng)化情況等，與圍巖穩(wěn)定性有著密切的關(guān)系。結(jié)構(gòu)面越光滑、張開(kāi)度越大，巖壁越風(fēng)化則圍巖狀況越差，反映到TSP203系統(tǒng)上的表現(xiàn)形式為壓縮波P波負(fù)反射強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)面狀態(tài)越差，則負(fù)反射越強(qiáng)，所以可以根據(jù)P波的負(fù)反射狀況對(duì)本指標(biāo)進(jìn)行量化處理。

5)地下水(GW)。

地下水的沖刷溶蝕作用以及產(chǎn)生的靜水壓力可以改變圍巖的物理參數(shù)，破壞圍巖的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，引起巖體軟化、強(qiáng)度降低，對(duì)軟弱圍巖的溶蝕作用尤其顯著，可以使本就不完整的巖體中的細(xì)小顆粒變形，沙土泥化，最后形成崩解，引起坍塌。通過(guò)TSP203系統(tǒng)的Vp/Vs及泊松比的情況及S波的帶寬狀況來(lái)為地下水發(fā)育情況進(jìn)行量化處理。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況及隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

小佛寺隧道位于山東省濟(jì)南市歷城區(qū)錦繡川鎮(zhèn)，為分離式隧道。小佛寺隧道左線(xiàn)起訖樁號(hào)Z1K6+652～Z1K8+295，長(zhǎng)1 643 m，右線(xiàn)起訖樁號(hào)K6+687～K8+300，長(zhǎng)1 613 m，為長(zhǎng)隧道。

制定的隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，Ⅰ級(jí)為高風(fēng)險(xiǎn)，Ⅴ級(jí)為低風(fēng)險(xiǎn)，以此類(lèi)推。

表1 塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 理想點(diǎn)和反理想點(diǎn)的確定

3.3 基于特爾菲法的權(quán)系數(shù)確定

特爾菲法是一種采用匿名方式對(duì)選定的人員進(jìn)行連續(xù)征詢(xún)，相關(guān)人員無(wú)交流討論，且所有反饋不設(shè)有權(quán)重，通過(guò)對(duì)信息的征集和分析，可以對(duì)某一不確定問(wèn)題或者不易確定問(wèn)題給出相對(duì)客觀判斷的方法。首先應(yīng)篩選合適的人選，然后設(shè)計(jì)合適的問(wèn)詢(xún)表格，通過(guò)無(wú)任何交流的方式對(duì)合適人選進(jìn)行問(wèn)詢(xún)并收集結(jié)果，最后根據(jù)問(wèn)詢(xún)結(jié)果計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。

3.4 工程實(shí)際應(yīng)用

我司通過(guò)隧道日常巡視及掌子面素描發(fā)現(xiàn)K6+760樁號(hào)處，出現(xiàn)異常結(jié)構(gòu)面以及圍巖較破碎現(xiàn)象，決定立即進(jìn)行TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)K6+760～K6+620樁號(hào)段進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，獲取了相關(guān)結(jié)果。通過(guò)分析結(jié)果及有關(guān)試驗(yàn)，得到了各指標(biāo)參數(shù)。

在確定預(yù)測(cè)硐段塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)后，再對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，消除各指標(biāo)值大小懸殊。

將每一段圍巖的五種參數(shù)輸入到專(zhuān)用軟件計(jì)算模塊中得到與五種圍巖等級(jí)的理想點(diǎn)相關(guān)度，并根據(jù)最大相關(guān)度得出每一段圍巖的推算等級(jí)，并與BQ值推定等級(jí)及實(shí)際設(shè)計(jì)等級(jí)進(jìn)行結(jié)果對(duì)比，如表2所示。由評(píng)判結(jié)果可知，該模型在K6+740～K6+760地段推斷出不良地質(zhì)，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，確認(rèn)該方法對(duì)于預(yù)測(cè)前方不良地質(zhì)有很好的效果，可見(jiàn)該方法在圍巖等級(jí)分類(lèi)中是可行的。

表2 評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法與統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法理想點(diǎn)法相結(jié)合，對(duì)一在建隧道進(jìn)行了前方塌方風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)的方法。實(shí)踐工程結(jié)果表明該方法具有較高的準(zhǔn)確度，操作難度較低，且具備可行性，可以為今后相關(guān)工程起到一定的指導(dǎo)作用。