地鐵隧道回填段圍巖失穩(wěn)影響因素權(quán)重分析

吳春燕 譚欽文, 2 劉娟 李文武 郎流勝 李子龍

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 四川綿陽 621010； 2.西南科技大學(xué)非煤礦山安全技術(shù)四川省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川綿陽 621010)

0 引言

一般城市地鐵隧道圍巖通常是巖石或土壤，具有開挖方法多樣、輔助工法多、強(qiáng)支護(hù)、地下水豐富、近接施工相互影響、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜等特點(diǎn)。隨著我國城市建設(shè)面積逐年增大，各種地鐵隧道建設(shè)面臨的地質(zhì)環(huán)境變得更加復(fù)雜，城市隧道建設(shè)所面臨的溝壑或臨邊等復(fù)雜地質(zhì)問題也隨之暴露出來?，F(xiàn)階段解決此類問題一般采用隧道回填技術(shù)，所以探究地鐵回填段隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素的權(quán)重是該類工程必須面對的問題。

國內(nèi)外許多專家學(xué)者對回填隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素展開了較為深入的研究，并取得了相應(yīng)成果。PATWARDHAN A S等[1]為了分析土石混合體的含石率與其抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，通過大量的直剪試驗(yàn)得出土石混合體含石率越高，其抗剪強(qiáng)度就越高。魏進(jìn)兵等[2]對土石混合體進(jìn)行了飽和滲透系數(shù)的原位試驗(yàn)和針對其土水特征曲線的現(xiàn)場模擬試驗(yàn)，得出了土石混合體的飽和滲透系數(shù)以及顆粒含量對滲透系數(shù)的影響規(guī)律。黃廣龍等[3]基于散體巖土體的力學(xué)試驗(yàn)得出粗顆粒粒徑越大，散體巖土體的粘聚力反而減小，內(nèi)摩擦角值逐漸增大；散體巖土體發(fā)生剪縮，其本構(gòu)關(guān)系為非線性硬化型。李維樹等[4]基于三峽庫區(qū)3類不同性質(zhì)的滑帶土在不同含水狀態(tài)下的直剪對比原位試驗(yàn)，分析得出含水率不斷增大時(shí)，粘聚力和內(nèi)摩擦角都有所降低，含水率20%為粘聚力和內(nèi)摩擦角的分居點(diǎn)。宋上明[5]對重慶地區(qū)典型土石混合體回填土區(qū)隧道圍巖進(jìn)行分級，得出其圍巖分級指標(biāo)重點(diǎn)選用含水率和含石量這一結(jié)論，提出適用于重慶地區(qū)土石混合體回填土的圍巖分級指標(biāo)和方法。

雖然國內(nèi)外針對保持回填隧道圍巖穩(wěn)定因素有了較多的研究，但并未對常見的失穩(wěn)因素之間的權(quán)重進(jìn)行過多的分析。研究隧道回填段保持圍巖穩(wěn)定的各個(gè)因子之間的相互關(guān)系和各因子的權(quán)重，可為今后隧道回填段圍巖穩(wěn)定綜合管理及決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 方法選擇

目前主流的判斷各因素權(quán)重的方法大致上分為7種：專家打分法、序列綜合法、調(diào)查統(tǒng)計(jì)法、公式法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、復(fù)雜度分析法以及層次分析法。

專家打分法是指多位專業(yè)人員在知曉工程背景和各項(xiàng)條件的情況下通過匿名的方式對回填段隧道圍巖各影響因子提出意見，再將專家意見進(jìn)行匯總后反饋，專家們在看到結(jié)果后進(jìn)行修改，經(jīng)過多次匿名修改反饋后得到最終結(jié)果。此方法適用于不確定因素較多的項(xiàng)目，其優(yōu)點(diǎn)在于簡便、直觀性強(qiáng)、統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法簡單且可以將定量的評價(jià)項(xiàng)目和定性的評價(jià)項(xiàng)目一起加以考慮，不過專家打分法具有一定的主觀性，并不能很好的確認(rèn)得出的結(jié)果是否真正的合理。

序列綜合法，此類方法主要是針對定量的性狀指標(biāo)進(jìn)行定權(quán)，對于研究回填段隧道圍巖穩(wěn)定因素的權(quán)重分析這種定性加定量相結(jié)合的評價(jià)項(xiàng)目不太適用。

調(diào)查統(tǒng)計(jì)法，主要可分為問卷法、觀察法、實(shí)驗(yàn)法、訪談法、文獻(xiàn)法等類型，根據(jù)調(diào)查對象所包含的范圍分類為非全面調(diào)查和全面調(diào)查。非全面調(diào)查是對調(diào)查整體中的一部分進(jìn)行抽樣調(diào)查，如重點(diǎn)調(diào)查、抽樣調(diào)查和典型調(diào)查等。全面調(diào)查則是對調(diào)查對象中所有對象進(jìn)行調(diào)查。這一方法需要大量案例或者時(shí)間去收集整理，但找到的數(shù)據(jù)或收集得到的結(jié)論并不能一定與真實(shí)規(guī)律相吻合。

公式法，包括概率法、三元函數(shù)法、信息量法、隸屬函數(shù)法、信息量法等。但公式法總體來說需要一定的數(shù)據(jù)支撐，或者需要滿足各個(gè)公式的一定條件，計(jì)算也比較復(fù)雜，短時(shí)間內(nèi)無法準(zhǔn)確快速的完成。

數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，主要是研究大量隨機(jī)現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)的規(guī)律性，雖然此類方法應(yīng)用廣泛，但也存在計(jì)算步驟復(fù)雜且需要大量數(shù)據(jù)支撐這一問題。

復(fù)雜度分析法，這種方法的基本思想是，如果評價(jià)因子復(fù)雜度及變化程度越大，則對總體結(jié)果的影響也就越大?？蛇\(yùn)用此方法引入復(fù)雜的概念最終歸一化后得出權(quán)分布，一般多用于電腦、心電、腦磁等分析。

著名的層次分析法是美國運(yùn)籌學(xué)家Saaty于20世紀(jì)70年代初提出的，層次分析法是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法，該方法具有系統(tǒng)、靈活、簡潔的優(yōu)點(diǎn)。層次分析方法在分析研究事物時(shí)其特點(diǎn)是能夠?qū)?fù)雜決策問題進(jìn)行本質(zhì)的研究，對每個(gè)影響因素進(jìn)行深入分析，將決策利用較小的結(jié)構(gòu)信息定量化，達(dá)到為目標(biāo)不明確、原則多樣化以及沒有固定的結(jié)構(gòu)模式的復(fù)雜問題提供便捷決策的分析方法[6]。本文采用層次分析法來逐層分析影響因素權(quán)重，以便于分析優(yōu)化安全決策及戰(zhàn)略部署。

2 工程概況與分析

2.1 區(qū)間概況

西南地區(qū)C市軌道交通4號線是C市市軌道交通第二輪建設(shè)規(guī)劃的線路。全長46.06 km，共設(shè)20座車站，其中一期工程長約15.657 km。

C市軌道交通9號線穿過城市南北中3個(gè)片區(qū)，線路全長40.46 km，其中地下線36.41 km，高架線4.05 km；共設(shè)29座車站，其中地下站25座，高架站4座；新建1座臺商工業(yè)園車輛段，新建2座停車場；新建1座主變電所；不新建控制中心，控制中心依托某綜合控制中心。其中一期工程共設(shè)24座車站，全長31.6 km。

軌道4號線為明挖F型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高為214.246 m；軌道9號線為明挖J型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高為206.065 m；根據(jù)軌道設(shè)計(jì)資料，此剖面中軌道4號線結(jié)構(gòu)上方回填最大高度約5.1 m，軌道9號線結(jié)構(gòu)上方回填最大高度約13.17 m。

擬建場地地層結(jié)構(gòu)由人工填土、粉質(zhì)粘土、下伏砂、泥巖組成。人工填土松散至稍密，屬透(含)水層；粉質(zhì)粘土、泥巖屬相對隔水層；砂巖巖體較完整，裂隙不發(fā)育，屬弱含水層。施工后期對該區(qū)域部分鉆孔再次進(jìn)行水文觀測發(fā)現(xiàn)水位有所下降，說明該區(qū)域地下水主要以上層滯水形式存在，主要由雨水補(bǔ)給，其水位及水流方向與河溝地形坡度方向相似，當(dāng)河溝水位上漲時(shí)，河溝水補(bǔ)給地下水，當(dāng)河溝水位下降時(shí)，地下水補(bǔ)給河溝水。沖溝內(nèi)排水箱涵常年流水，流量隨季節(jié)變化明顯，勘察期間對其流量進(jìn)行簡易測試為200 L/min。

該結(jié)構(gòu)采用樁基礎(chǔ)，基底標(biāo)高為191.3～196 m，與軌道結(jié)構(gòu)最近樁基距離軌道結(jié)構(gòu)水平距離約28.76 m，此根樁基底與軌道結(jié)構(gòu)頂豎向距離約17.65 m。擬建項(xiàng)目需在軌道回填地面線上再進(jìn)行二次回填，軌道4號線結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)回填最大高度約6.21 m，軌道9號線結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)回填最大高度約6.31 m。

2.2 各層次因素指標(biāo)的形成

回填土隧道具有可塑性、分散性、流變性和觸變性等特性[7]?；靥钏淼啦捎玫幕靥罘绞酱蟛糠质撬赝粱靥詈突彝粱靥顑煞N，灰土回填即為采用一定比例的石灰和土進(jìn)行混合，提升材料強(qiáng)度進(jìn)行回填；素土回填一般是采用范圍粒徑的無大雜質(zhì)土壤按特定方法夯實(shí)后進(jìn)行的回填，且回填材質(zhì)具有一定粘稠度。在回填隧道施工過程中，企業(yè)為考慮主體經(jīng)濟(jì)效益，大多采用較為經(jīng)濟(jì)的換填方式，即素土或灰土回填，因此回填隧道圍巖穩(wěn)定性主要取決于回填物質(zhì)的特性。在解決回填隧道圍巖穩(wěn)定性因子到底有哪些這個(gè)問題上來說，主要對象為回填材質(zhì)問題，若回填材質(zhì)的含水率較高或較低，處于不正常的比例范圍，都能直接影響圍巖的粘聚力和內(nèi)摩擦角；圍巖土石比例中含石量越高回填材質(zhì)的抗剪性越高且土石混合體的飽和滲透系數(shù)和顆粒含量對滲透系數(shù)也有直接影響，處于地下水豐富或降雨量大的地區(qū)尤為值得關(guān)注。鑒別回填物質(zhì)量的關(guān)鍵因素通常為回填物的含水率、含石量、天然密度、干密度、孔隙比等，鑒于本文分析案例所在區(qū)域地質(zhì)狀況多為級配不良的軟土地層，主要考慮含水率、含石量兩因素對于隧道回填段圍巖應(yīng)力的影響。除了回填材質(zhì)這一主體對象，合理的施工步驟和支護(hù)措施也對圍巖穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用，支護(hù)結(jié)構(gòu)上承擔(dān)著能夠阻止圍巖變形的壓力，若要支護(hù)結(jié)構(gòu)足夠穩(wěn)定，不僅僅是支護(hù)材料剛度和時(shí)長的問題，還和圍巖應(yīng)力息息相關(guān)，施工的步序很大程度上影響著竣工后的圍巖應(yīng)力，所以以上兩個(gè)因素也不容忽視。基于上述研究分析出的影響因子，制定總目標(biāo)層因素集表示如下：

U={u1，u2，u3，u4}={含水率，含石量，支護(hù)措施，施工步驟}

解決回填隧道圍巖穩(wěn)定性問題關(guān)鍵點(diǎn)首先在于勘探清楚所建隧道周圍水文及地質(zhì)狀況，如勘探清楚其中地下水、瓦斯、巖土成分等，這樣就能夠很好的根據(jù)其地質(zhì)情況確定如何開展隧道建設(shè)工作。其次就是根據(jù)其周邊地質(zhì)狀況來制定建設(shè)方案，避開或者加固所勘探出來的各種風(fēng)險(xiǎn)，把握施工建設(shè)的順序，制定開挖方式、開挖隧道斷面和支護(hù)措施等為其中的重點(diǎn)。最后回填隧道圍巖最為重要的因素是回填材料的質(zhì)量(回填材料穩(wěn)定性)，若回填材料未完全夯實(shí)或質(zhì)量因素受到外界環(huán)境的影響較大，則嚴(yán)重影響了隧道圍巖的穩(wěn)定性，甚至?xí)l(fā)生圍巖垮塌事故。所以解決回填隧道圍巖穩(wěn)定性的方案層由回填材料質(zhì)量、地質(zhì)情況、方案設(shè)計(jì)這3個(gè)方案表示。

3 因子分析

3.1 評價(jià)分析模型的建立及權(quán)重計(jì)算

(1)層次結(jié)構(gòu)模型。進(jìn)行該評價(jià)的目的在于研究回填地鐵隧道圍巖穩(wěn)定性因素以及各因素的重要程度，目標(biāo)層為回填地鐵隧道圍巖失穩(wěn)；準(zhǔn)則層為全方位角度上造成圍巖失穩(wěn)主要4個(gè)大的方面，即含水率、含石量、支護(hù)措施、施工步驟；方案層則為回填材料質(zhì)量、地質(zhì)情況、方案設(shè)計(jì)這3個(gè)能夠解決目標(biāo)層失穩(wěn)問題的方案劃分，如圖1所示。

圖1 回填地鐵隧道失穩(wěn)因素層次結(jié)構(gòu)模型

(2)評分收集。構(gòu)造判斷矩陣，從層次結(jié)構(gòu)模型的第二層開始，對于從屬于(或影響)上一層每個(gè)因素的同一層諸因素，用1—9分度法構(gòu)造比較陣，直到最下層,見表1。

表1 判斷矩陣標(biāo)度

依據(jù)上述分析采用了1—9分度法制作了回填地鐵隧道圍巖失穩(wěn)因素重要性判斷表，并召開會議，邀請了國內(nèi)具有豐富巖土力學(xué)經(jīng)驗(yàn)或隧道礦山經(jīng)驗(yàn)的專家、學(xué)者共9人，運(yùn)用頭腦風(fēng)暴法為失穩(wěn)因素重要性判斷表打分。舉行了4次不超過2 h的會議，確保會議的高效性及準(zhǔn)確性，經(jīng)會議討論得出層級之間的評分，并進(jìn)行綜合整理歸納。

(3)判斷矩陣的建立?；靥畹罔F隧道圍巖失穩(wěn)因素評價(jià)因子判斷矩陣A和含水率、含石量、支護(hù)措施、施工步驟判斷矩陣B1、B2、B3、B4分別為：

(4)計(jì)算權(quán)重。僅僅得到判斷矩陣，并不能反映出本層次各元素重要程度，所以還需要計(jì)算本層次所有元素的相對權(quán)重，通常用數(shù)學(xué)方法求解特征向量，進(jìn)而得到相對權(quán)重值，如果計(jì)算工作量過大，還可以利用數(shù)學(xué)軟件建模求解各種參數(shù)。權(quán)重值計(jì)算方法如下(其中n為階數(shù))：

(i)將判斷矩陣按列進(jìn)行歸一化：

(ii)矩陣bij按行相乘：

(iii)對Wi各個(gè)元素開n次方，即得特征向量：

(iv)最大特征根計(jì)算：

(v)計(jì)算一致性指標(biāo)CI:

(vi)計(jì)算一致性比例CR：

判斷矩陣A、B1、B2、B3、B4的權(quán)重系數(shù)見表2—表6。

表2 回填地鐵隧道圍巖失穩(wěn)影響因素判斷矩陣A的權(quán)重系數(shù)

表3 含水率判斷矩陣B1的權(quán)重系數(shù)

表4 含石量判斷矩陣B2的權(quán)重系數(shù)

表5 支護(hù)措施判斷矩陣B3的權(quán)重系數(shù)

表6 施工步驟判斷矩陣B4的權(quán)重系數(shù)

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出影響目標(biāo)層圍巖穩(wěn)定性問題中的準(zhǔn)則層重要度排序狀況為含水率、含石量、施工步驟、支護(hù)措施。第三層方案層占準(zhǔn)則層權(quán)重的大小分別是：占含水率這一因素的方案層權(quán)重重要度依次為回填材料質(zhì)量、方案設(shè)計(jì)、地質(zhì)情況；占含石量這一因素的方案層權(quán)重重要度排序?yàn)榛靥畈牧腺|(zhì)量、地質(zhì)情況、方案設(shè)計(jì)；占支護(hù)措施這一因素的方案層權(quán)重重要度依次為地質(zhì)情況、方案設(shè)計(jì)、回填材料質(zhì)量；占施工步驟這一因素的方案層權(quán)重重要度排序?yàn)榉桨冈O(shè)計(jì)、地質(zhì)情況、回填材料質(zhì)量。

3.2 一致性檢驗(yàn)及方案層權(quán)重的計(jì)算

在構(gòu)造正反判斷矩陣時(shí)，由于評價(jià)系統(tǒng)的復(fù)雜性，往往構(gòu)建的判斷矩陣和實(shí)際情況有差異，所以，判斷矩陣是否可行，則需要對判斷矩陣的一致性做出檢驗(yàn)計(jì)算。

若CR<0.100時(shí)，則計(jì)算結(jié)果滿足一致性檢驗(yàn)。經(jīng)計(jì)算：CR=0.044<0.100，滿足層次排序一致性的要求，可得出各方案總權(quán)重，如下表7。

表7 方案層各因素權(quán)重

3.3 回填地鐵隧道圍巖失穩(wěn)因素敏感分析

各因素變化都會引起目標(biāo)層指標(biāo)的一定變化，但其影響程度卻各不相同。有些因素小幅度變化，能夠引起回填隧道圍巖穩(wěn)定目標(biāo)層發(fā)生較大幅度的波動；而其他因素即使發(fā)生了較大幅度的變化，對目標(biāo)層的影響也不是很大，所以把前一因素稱為敏感性因素，后一因素稱為非敏感性因素。敏感性分析能有效的篩選出敏感性因素和非敏感性因素，幫助管理者準(zhǔn)確快速的做出決策，宏觀調(diào)控部署安全工作，制定安全防范策略。含水率因子在回填隧道分析中權(quán)重占比最大，因此以含水率作為敏感度圖研究對象，敏感度圖如圖2。

圖2 含水率敏感度

回填材料質(zhì)量在此區(qū)間范圍內(nèi)單調(diào)遞增，地質(zhì)情況、方案設(shè)計(jì)權(quán)值在此區(qū)間范圍內(nèi)呈單調(diào)遞減趨勢，在考慮回填材料含水率因素當(dāng)前值時(shí)，對其影響的重要程度依次是回填材料質(zhì)量、地質(zhì)情況、方案設(shè)計(jì)。顯然回填材料質(zhì)量為敏感性因素，地質(zhì)情況、方案設(shè)計(jì)波動不明顯為非敏感性因素。因此，在制定安全決策及管理措施時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮回填材質(zhì)，以回填材質(zhì)為主，地質(zhì)情況、方案設(shè)計(jì)為輔，加強(qiáng)對回填段隧道圍巖穩(wěn)定性的安全管理。

4 結(jié)論

(1)提出了一種對影響隧道回填段穩(wěn)定各因素的綜合評價(jià)體系，該體系運(yùn)用層次分析法對含水率、含石量、支護(hù)措施、施工步驟4個(gè)影響因素進(jìn)行分析，為解決這4類問題，方案層提出了具體的措施或方案，最終得出各影響因子權(quán)值。研究結(jié)果為管理者或決策者提供了可行、可靠、高效的依據(jù)。

(2)在典型的西南地區(qū)回填隧道工程中，由于地質(zhì)多屬軟土地層且級配不良，所以監(jiān)管隧道回填材質(zhì)顯得尤為重要，準(zhǔn)則層中含水率權(quán)值0.558、含石量權(quán)值0.263，分別占因子權(quán)重中的首要、次要位置。

(3)敏感度圖直觀的反映出了影響回填隧道穩(wěn)定性各因子的敏感度大小。由于各因子單調(diào)性、地質(zhì)狀況和方案設(shè)計(jì)兩線性函數(shù)具有交點(diǎn)等特征，所以在考慮其他案例因子權(quán)重值不同的情況下，敏感性因子也會有所不同。