模糊綜合評(píng)判理論在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究

王 一

(中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略向西轉(zhuǎn)移，西部大開發(fā)已成必然，交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)理當(dāng)先行。我國(guó)西南地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，修建長(zhǎng)大隧道及其困難，因此在隧道開挖前應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘查。我國(guó)西南地區(qū)富含大量碳酸鹽類巖石，遇水后極易形成巖溶洞穴。地下工程開挖過(guò)程中，巖溶突水、突泥、坍塌現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，對(duì)施工環(huán)境相對(duì)隱蔽的隧道工程來(lái)說(shuō)危害巨大，輕者造成施工進(jìn)度緩慢或暫停施工，重者將直接造成人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，宜萬(wàn)鐵路馬鹿箐隧道在2006年1月21日遭遇突水，由于事發(fā)突然，事故造成9人遇難，同為宜萬(wàn)鐵路的野三關(guān)隧道發(fā)生突水，事故造成10人遇難。所以，對(duì)隧道穿越段地質(zhì)情況的掌握是保證安全施工的關(guān)鍵，通過(guò)現(xiàn)有資料結(jié)合理論方法對(duì)未開挖段進(jìn)行提前預(yù)判已逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究方向，對(duì)重點(diǎn)區(qū)段制定預(yù)報(bào)方案，有著重大的現(xiàn)實(shí)和理論意義[1-2]。

隨著超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)不斷發(fā)展，TSP、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測(cè)、陸地聲納、瞬變電磁、超前鉆孔等技術(shù)日趨完善。每種技術(shù)都有其各自的特點(diǎn)，但單一的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)還不能完全滿足我國(guó)隧道工程的發(fā)展需求，主要是由于單一的探測(cè)技術(shù)精度不足，無(wú)法精確地測(cè)出掌子面前方是否存在巖溶情況[3-4]。因此，本文在已有資料的基礎(chǔ)上結(jié)合模糊綜合評(píng)判理論及地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)對(duì)楊林巖溶分布情況進(jìn)行研究，為巖溶區(qū)隧道安全施工提供可靠的理論依據(jù)。

1 突水突泥評(píng)價(jià)因素

1.1 巖層厚度及巖層組合

碳酸鹽類巖石的溶蝕情況不僅與巖層厚度有關(guān)，而且與層間組合情況也密切相關(guān)。通常厚度較大的巖層是巖溶發(fā)育的多發(fā)帶，由于厚度較大巖層中所含有的雜質(zhì)相對(duì)較少，其自身溶蝕性較好，巖溶在該種巖石中發(fā)育概率極大。相反，在厚度較薄的巖層通常富含雜質(zhì)，溶蝕性不好，不易產(chǎn)生巖溶現(xiàn)象。如果僅由碳酸鹽類的巖石或由其他巖層與碳酸鹽類巖石組合而成的巖層，其巖溶較為發(fā)育[5]。

巖層組合同樣對(duì)巖溶發(fā)育起著重要作用，含水層按巖性一般分為4個(gè)等級(jí)，即強(qiáng)巖溶含水層、中巖溶含水層、弱巖溶含水層和非可溶巖相對(duì)隔水層，該四種巖性在我國(guó)西南地區(qū)皆有存在。

1.2 洞穴距離

巖溶洞穴與隧道斷面之間的垂直距離同樣影響巖溶突水情況。當(dāng)巖溶洞穴距離隧道小于1倍隧道跨度時(shí)，巖溶突水可能性最大，當(dāng)巖溶洞穴距離隧道大于2倍隧道跨度時(shí)，影響甚微，幾乎不會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生影響。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)距離處于1.5倍跨度和2倍跨度之間的突水情況較弱，處于1倍跨度到1.5倍跨度之間的突水情況較強(qiáng)。

1.3 地下水

地下水是造成巖溶隧道產(chǎn)生突水的最根本因素。根據(jù)工程專家多年經(jīng)驗(yàn)可知，地下水頭的大小對(duì)隧道底板危害程度很大，地下水頭即年最高水位與隧道底板之間的高度差。隧道突水等級(jí)可分為四級(jí)，如果由水作為溶腔內(nèi)的主要充填物質(zhì)，且腔內(nèi)土石碎渣并未固結(jié)時(shí)，或固結(jié)程度不強(qiáng)，且地下水頭位于隧道底板以上60 m時(shí)，隧道極易發(fā)生瞬時(shí)突水，即突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一級(jí)，極度危險(xiǎn)。而當(dāng)?shù)叵滤^位于隧道底板以下時(shí)，不會(huì)造成突水突泥情況，突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為四級(jí)，即不發(fā)生危險(xiǎn)。介于一級(jí)和四級(jí)之間的二、三兩級(jí)則根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)得出，具體分級(jí)見表1。

表1 巖溶隧道突水突泥因素指標(biāo)

1.4 降水

隧道在雨季施工時(shí)，極易發(fā)生突水情況。由于地表水流的匯集，通過(guò)巖層間裂隙管道流入巖溶洞穴，增大洞穴內(nèi)含水量，易產(chǎn)生突水。對(duì)于隧道上方至地表相對(duì)較密實(shí)的巖體，雖然滲流速度較慢，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間持續(xù)滲流作用后還是會(huì)增加巖溶洞穴內(nèi)的水量，造成突水情況。

1.5 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造是控制巖溶發(fā)育的關(guān)鍵因素，對(duì)巖溶大小、形態(tài)、發(fā)展方向以及種群規(guī)模影響極大。地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要包括節(jié)理、裂隙、斷層和軟弱結(jié)構(gòu)面等。其中，壓性斷裂帶是在較大的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)擠壓下形成的特殊地質(zhì)帶，根據(jù)其產(chǎn)生原因，處于該地質(zhì)帶的圍巖主要以泥巖及壓碎巖構(gòu)成，各種巖體之間處于相互膠結(jié)混沌狀態(tài)，孔隙率極低，地下水在此處很難流動(dòng)。因此，壓性斷裂一般不會(huì)造成巖溶發(fā)育，而張性斷裂帶和扭性斷裂帶則容易產(chǎn)生巖溶現(xiàn)象。褶皺處通常也是巖溶的高發(fā)地帶。

1.6 巖層產(chǎn)狀

巖層產(chǎn)狀控制著層間水流狀態(tài)，水平和豎直產(chǎn)狀巖層最不易發(fā)育巖溶。因?yàn)樗綘顜r層水流速度緩慢，豎直產(chǎn)狀巖層匯水面積小，但豎直產(chǎn)狀較水平產(chǎn)狀相對(duì)容易產(chǎn)生巖溶現(xiàn)象。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)巖層產(chǎn)狀的傾角20°≤α≤60°，且僅為向斜或背斜翼部時(shí)，最易發(fā)育巖溶；而當(dāng)巖層產(chǎn)狀傾角0°≤α≤20°和60°≤α≤90°時(shí)，巖溶發(fā)育等級(jí)處于中等水平。

巖溶隧道突水突泥各影響因素指標(biāo)見表1。

2 突水突泥模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型[6]

因素集：根據(jù)前述可知，巖溶隧道突水突泥的主要影響因素有：巖層厚度及巖層組合A1，洞穴距離A2，地下水A3，降水A4，地質(zhì)構(gòu)造A5，巖層產(chǎn)狀A(yù)6，因此，因素集可表示為A={A1，A2，A3，A4，A5，A6}。

評(píng)價(jià)集：根據(jù)表1，將巖溶隧道突水突泥分為四個(gè)等級(jí)，其中P1、P2、P3、P4分別為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)性逐級(jí)遞減，因此，評(píng)價(jià)集可表示為P={P1，P2，P3，P4}。

突水突泥的數(shù)學(xué)模型：每一個(gè)突水突泥因素集有4個(gè)評(píng)價(jià)集對(duì)其進(jìn)行評(píng)定，記為Pi1，Pi2，Pi3，Pi4，即Pi={Pi1，Pi2，Pi3，Pi4}(其中i=1,2,3,4)，則表1可表示為：

(1)

式(1)中：P為風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)指標(biāo)矩陣，將該矩陣視為隧道突水突泥的數(shù)學(xué)模型，其中P矩陣的行向量為等級(jí)向量(即：一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí))，列向量為指標(biāo)向量或狀態(tài)向量(即巖層厚度及巖層組合、洞穴距離、地下水、降水、地質(zhì)構(gòu)造、巖層產(chǎn)狀)。

權(quán)重：由于巖溶隧道突水突泥的每種因素指標(biāo)所產(chǎn)生影響程度不同，因此要對(duì)每種因素分配不同的權(quán)重系數(shù)，設(shè)權(quán)重系數(shù)矩陣為W={ω1，ω2，…，ωn}。由于指標(biāo)向量只有6個(gè)，所以權(quán)重系數(shù)矩陣中取n=(1～6)，n∈Z。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、專家評(píng)判指標(biāo)及各影響因素自身優(yōu)劣性質(zhì)，對(duì)各影響因素權(quán)重系數(shù)分配如下：A1是突水突泥首要因素，即取A1權(quán)重系數(shù)為ω1=1；A2是巖溶洞穴與隧道之間距離因素，也是直接影響巖溶突水突泥的主要因素，取ω2=0.9；A3，A4為水對(duì)巖溶隧道突水突泥影響因素，可直接產(chǎn)生突水突泥，取ω3=0.8，ω4=0.7；A5，A6是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)地質(zhì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的地質(zhì)構(gòu)造與巖層產(chǎn)狀情況，影響因素相對(duì)較前幾項(xiàng)弱，取ω5=0.5，ω6=0.3。將ωi代入式(2)得：

(2)

(3)

歸一化后，可表示為：

(ω1ω2ω3ω4ω5ω6)=

(0.24 0.21 0.19 0.17 0.12 0.07)

(4)

由上式可知，A1所占權(quán)重系數(shù)最大，占總權(quán)重的24%，即巖層厚度和巖層組合對(duì)巖溶隧道突水突泥起主導(dǎo)作用，而A1～A5權(quán)重系數(shù)總和為0.93，可見突水突泥的產(chǎn)生原因主要是由此5種因素組成。

模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型：為反映突水風(fēng)險(xiǎn)，引入下列模糊關(guān)系：

(5)

式中：A為隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣；βi可由專家和工程經(jīng)驗(yàn)確定。βi取3/8與1/8差值，并擴(kuò)大100倍，且β1～β4按等差數(shù)列分布，得到4個(gè)等級(jí)，即β1=87.5，β2=62.5，β3=37.5，β4=12.5，根據(jù)隧道各區(qū)段影響因素，計(jì)算出具體值列于表2。

表2 巖溶隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)指數(shù)表

根據(jù)表2可將巖溶隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)，分值區(qū)段為(75,100],(50,75],(25,50],(0,25]，其中一級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)最高，四級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)最低。

3 楊林隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

楊林隧道位于昆明市東南山區(qū)，屬喀斯特地貌典型地質(zhì)區(qū)，地勢(shì)險(xiǎn)峻，雨水充沛，地下水系發(fā)達(dá)。經(jīng)勘查單位勘測(cè)資料顯示，該地區(qū)巖溶較為發(fā)育，隧道穿過(guò)地區(qū)極易發(fā)生突水突泥。

楊林隧道左幅出口端，樁號(hào)ZK21+790附近，在2015.10.19日發(fā)生涌水涌泥，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3 d，施工單位對(duì)涌泥段進(jìn)行帷幕注漿處理和施作套拱。工程檢測(cè)人員通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)ZK21+790附近掌子面圍巖現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，對(duì)該處圍巖進(jìn)行地質(zhì)描述：涌泥體巖性主要由全-強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖、頁(yè)巖和泥巖夾灰?guī)r組成，檢測(cè)斷面主要為砂巖礫石、碎石土、流沙等松散體，透水性能好，導(dǎo)水性能強(qiáng)，孔隙度大，整體性較差，且該區(qū)段地下水豐富，測(cè)試斷面拱部及左拱腰有大股狀涌水。經(jīng)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)可知，樁號(hào)ZK21+790附近存在一溶洞，內(nèi)部可能含有水或泥雜質(zhì)。

根據(jù)工程檢測(cè)人員對(duì)隧道圍巖情況的地質(zhì)描述及檢測(cè)結(jié)果并結(jié)合表1可知，樁號(hào)ZK21+790巖層厚度及巖層組合程度屬中等，洞穴距離處于1.5倍隧道跨度與2倍隧道跨度之間，地下水頭距離隧道底板55 m，雨季施工，地質(zhì)構(gòu)造情況處于中等，層理發(fā)育，傾角45°。根據(jù)巖溶隧道突水突泥因素指標(biāo)表計(jì)算權(quán)數(shù)為63.25，在(50,75]之間，屬于二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

(1)在巖溶區(qū)修建隧道過(guò)程中，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)巖溶位置及洞內(nèi)充填物情況是保證安全施工的關(guān)鍵。本文針對(duì)巖溶出現(xiàn)的不確定性，提出了巖溶突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

(2)根據(jù)巖溶隧道突水突泥情況，對(duì)其影響因素進(jìn)行了分類，包括巖層厚度及巖層組合、洞穴距離、地下水、降水、地質(zhì)構(gòu)造、巖層產(chǎn)狀。