基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的隧道開挖模糊綜合評(píng)價(jià)

關(guān)林坤，雷 慧

（1.中南電力設(shè)計(jì)院 武漢市 430000；2.武漢理工大學(xué) 武漢市 430063）

基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的隧道開挖模糊綜合評(píng)價(jià)

關(guān)林坤1，2，雷 慧2

（1.中南電力設(shè)計(jì)院 武漢市 430000；2.武漢理工大學(xué) 武漢市 430063）

以內(nèi)蒙古地區(qū)某隧道項(xiàng)目為技術(shù)背景，提出在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果的基礎(chǔ)上采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)隧道施工方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的手段，對(duì)比得出適用于該地區(qū)特殊地質(zhì)環(huán)境下的可靠施工手段。為今后該地區(qū)隧道施工建設(shè)提供參考。

超前預(yù)報(bào)；隧道開挖；模糊綜合評(píng)價(jià)

目前，隧道地下施工仍面臨著諸多困難。地下環(huán)境復(fù)雜多樣和無(wú)法預(yù)知性都會(huì)對(duì)施工安全造成影響［1］。根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果得出的初步結(jié)論，對(duì)專家進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)該隧道的開挖工法進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，從而得出特別適用于該地區(qū)且較為經(jīng)濟(jì)適用的開挖方案。

1 項(xiàng)目背景

該隧道施工方法為新奧法，左線起點(diǎn)K82+ 975.587，終點(diǎn)K86+930，全長(zhǎng)3954.413m；右線起點(diǎn)樁號(hào)為K83+005.170，終點(diǎn)樁號(hào)為 K86+950，全長(zhǎng)3944.83m。設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h；行車道凈寬10.75m；行車凈高5.0m；緊急停車帶凈寬為13.25m。隧道埋深最大值為233m。

2 模糊綜合評(píng)價(jià)簡(jiǎn)介

該評(píng)價(jià)方法依據(jù)已知條件，對(duì)總體進(jìn)行評(píng)判，為每一個(gè)對(duì)象設(shè)置評(píng)判指標(biāo)，再根據(jù)結(jié)果排序，選擇最佳方案［2］。模糊綜合評(píng)價(jià)的基本步驟如下：首先對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的因素集和評(píng)價(jià)集進(jìn)行整理歸納；根據(jù)各因素對(duì)系統(tǒng)影響的大小，建立因素權(quán)重集；根據(jù)評(píng)判對(duì)象可能得到的評(píng)判結(jié)果建立評(píng)價(jià)集；最后通過(guò)單因素評(píng)判，完成綜合決策。

該方法簡(jiǎn)單易操作，尤其對(duì)多重因素的復(fù)雜模型評(píng)價(jià)效果較好，在土木工程領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用價(jià)值，尤其是在初步設(shè)計(jì)階段，需要涉及到很多的問題，而又很難對(duì)所有的問題進(jìn)行精確的把握，常通過(guò)模糊評(píng)價(jià)方法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)［3］。除此之外，該方法在多項(xiàng)領(lǐng)域中均有所應(yīng)用，該模型的選取也帶來(lái)了很好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

評(píng)價(jià)對(duì)象的模糊綜合評(píng)判結(jié)果B是通過(guò)模糊關(guān)系矩陣R和模糊權(quán)向量A合成所得，在二者結(jié)果確定后，通過(guò)適合的模糊合成算子，得出結(jié)果，計(jì)算公式見式（1）：

式中，b表示被評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)評(píng)價(jià)模糊元素v的隸屬程度大?。?］。

3 隧道施工指標(biāo)體系的建立

為保證隧道施工安全，減小或消除安全隱患對(duì)施工的影響，堅(jiān)持科學(xué)性、系統(tǒng)性、實(shí)用性和可靠性原則，該安全評(píng)價(jià)在原則上應(yīng)選擇盡可能多的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)該評(píng)價(jià)體系的原則，分別建立施工方法、安全管理、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件等影響因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系［5］。隧道開挖評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

3.1確定隧道開挖指標(biāo)權(quán)重

首先完成判斷矩陣的構(gòu)造，可以通過(guò)判斷矩陣值的大小，反應(yīng)各因素的重要性［6］。判斷矩陣最大特征根為λmax，對(duì)應(yīng)特征向量值為W，通過(guò)W歸一化處理，得出本層元素對(duì)上層對(duì)應(yīng)元素的重要性權(quán)重。通過(guò)公式對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)指標(biāo)CI計(jì)算公式見式（2）：

其中，n表示判斷矩陣的階數(shù)。一般規(guī)定當(dāng) CR =CI/RI＜0.1時(shí)，判斷矩陣才滿足一致性要求［7］。

根據(jù)目前隧道的發(fā)展趨勢(shì)，判斷出影響隧道開挖方案主要有施工安全、經(jīng)濟(jì)合理、施工難度、環(huán)境影響和未知因素等五項(xiàng)組成，通過(guò)專家實(shí)地調(diào)研和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，并結(jié)合以往工程項(xiàng)目，完成判斷矩陣的構(gòu)造和指標(biāo)權(quán)重的判定。隧道開挖影響因素的判斷矩陣如表1所示。

表1　開挖影響因素判斷矩陣

根據(jù)矩陣計(jì)算得λmax=5.4，CI=0.1，RI= 1.12，計(jì)算得最終CR=0.09＜0.1，所以第一層因素指標(biāo)的矩陣結(jié)果符合要求。根據(jù)表1得出各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)如下：施工安全為0.46，經(jīng)濟(jì)合理為0.26，施工難度為0.16，環(huán)境影響為0.07，未知因素為0.04。依次構(gòu)建第二層指標(biāo)的判斷矩陣如表2。

表2　施工安全影響因素矩陣

根據(jù)矩陣計(jì)算得λmax=3.1，CI=0.04，RI= 0.58，計(jì)算得最終CR=0.06＜0.1，所以施工安全影響因素指標(biāo)的矩陣結(jié)果符合要求。

表3　經(jīng)濟(jì)合理影響因素矩陣

根據(jù)矩陣計(jì)算得λmax=3.0，CI=0.005，RI= 0.58，計(jì)算得最終CR=0.01＜0.1，所以經(jīng)濟(jì)合理影響因素指標(biāo)的矩陣結(jié)果符合要求。

表4　施工難度影響因素矩陣

根據(jù)矩陣計(jì)算得λmax=3.0，CI=0.01，RI= 0.58，計(jì)算得最終CR=0.02＜0.1，所以隧道便利影響因素指標(biāo)的矩陣結(jié)果符合要求。

表5　環(huán)境影響因素矩陣

根據(jù)矩陣計(jì)算得λmax=2，CI=2，RI=2，計(jì)算得最終CR=1＞0.1，所以環(huán)境影響因素指標(biāo)的矩陣結(jié)果不符合要求。

3.2隧道施工方法評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)隧道施工的影響因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，對(duì)其進(jìn)行歸納分析后最終得出適合該地區(qū)隧道地質(zhì)條件的隧道開挖方法，建立評(píng)判集來(lái)代表各影響因素的重要性［8］，I1表示非常重要，I2表示重要，I3表示一般，I4表示不重要，I5表示非常不重要。

根據(jù)上文中各因素的影響矩陣可以確定隧道施工的二級(jí)模型及各自權(quán)重，針對(duì)該隧道的特殊復(fù)雜地質(zhì)條件，針對(duì)五種方案進(jìn)行評(píng)判，依次為Q全斷面開挖，T臺(tái)階法開挖，F(xiàn)分部開挖法，Z為中隔壁法，S為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法［9］。本人通過(guò)參考超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，并對(duì)多名專家的調(diào)研和實(shí)地考察，綜合評(píng)價(jià)后對(duì)五種隧道開挖方法進(jìn)行了評(píng)比，得出綜合評(píng)判結(jié)果如表6所示。

根據(jù)上節(jié)中各因素權(quán)重和本表構(gòu)成的單因素評(píng)判矩陣，可通過(guò)計(jì)算得出 S1、S2、S3、S4、S5的值如下：

表6　綜合評(píng)判結(jié)果表

由此根據(jù)第一層權(quán)重施工安全為0.46，經(jīng)濟(jì)合理為0.26，隧道便利為0.16，環(huán)境影響為0.07，未知因素為0.04和得到的第二層評(píng)判矩陣值，可得：

由此根據(jù)五種施工方法的排序，優(yōu)選方案依次為T臺(tái)階法開挖、Z中隔壁法、S雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、F分部開挖法、Q全斷面開挖，故選取臺(tái)階法開挖作為該隧道的最佳開挖方法。

4 結(jié)論

文章根據(jù)內(nèi)蒙古某高速公路隧道的要求和該地區(qū)的特殊地理環(huán)境，考慮到隧道施工的經(jīng)濟(jì)性、工期要求、實(shí)用性等特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論的分析研究，并對(duì)多名專家和相關(guān)工程技術(shù)人員訪談?wù){(diào)研［10］，經(jīng)過(guò)歸納總結(jié)，對(duì)比它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)和內(nèi)在聯(lián)系，輔助以模糊數(shù)學(xué)基本理論對(duì)該地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的隧道施工進(jìn)行方案比選，建立隧道施工模糊綜合評(píng)價(jià)體系，初步得出最優(yōu)施工開挖方法。模糊分析法的應(yīng)用，對(duì)該隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系進(jìn)行了完善和優(yōu)化，從而為施工單位提供更加可靠的參考性意見。

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［9］ 張繼武.地質(zhì)力學(xué)的系統(tǒng)思想和系統(tǒng)方法［J］.科學(xué)技術(shù)與辯證法，1989（3）.

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GUAN Lin-kun1，2，LEI Hui2

（1.Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430000，China；2.Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China）

A tunnel project in Inner Mongolia region as the technical background，put forward based on the results of in advance geological forecast for tunnel construction method by using fuzzy comprehensive evaluation method of comprehensive evaluation method，contrast that is suitable for the reliable construction measures under the special geological environment in the region.Provide a reference for the future construction of the tunnel construction in the region.

Advanced prediction；The excavation of the tunnel；Fuzzy comprehensive evaluation

U455

A

1673-6052（2016）01-0070-03

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.01.018