基于模糊層次分析法的單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖段全斷面法的適用性研究

舒文韜 周尚武 劉柯良 王驍男 唐春宇

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610031；2.中鐵十二局集團(tuán)有限公司 山西太原 030032)

1 引言

近年來，隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，長(zhǎng)大深埋單線鐵路隧道大量增加，穿越地層巖性也愈加復(fù)雜，相應(yīng)的Ⅳ級(jí)及以上級(jí)別的圍巖區(qū)段大幅增長(zhǎng)，對(duì)于單線鐵路隧道的Ⅳ級(jí)圍巖段，通常采用臺(tái)階法施工，如南呂梁山隧道、新關(guān)角隧道等[1]，但隨著工程建設(shè)不斷創(chuàng)新，部分單線鐵路隧道的Ⅳ級(jí)圍巖段亦成功采用了全斷面法施工，如當(dāng)金山隧道、平安隧道等[2-3]。截止目前，我國(guó)隧道設(shè)計(jì)施工中對(duì)于隧道施工工法的選擇主要是依據(jù)圍巖等級(jí)并結(jié)合隧道尺寸、型式等進(jìn)行選取的，總體上建議Ⅲ級(jí)及其以下圍巖段采用全斷面法施工，Ⅳ級(jí)及其以上圍巖段采用分部開挖法施工。但從文獻(xiàn)[2]和[3]可以看出，在單線鐵路隧道的Ⅳ級(jí)圍巖段雖大多采用分部開挖，但部分隧道采用全斷面法亦取得了成功，表明全斷面法在Ⅳ級(jí)圍巖隧道中具有一定的適用性?？v觀已有在Ⅳ級(jí)圍巖段采用全斷面法進(jìn)行施工的單線鐵路隧道成功案例，究竟在Ⅳ級(jí)圍巖隧道中何種情況下該選擇全斷面工法，現(xiàn)有研究成果并未給出量化的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)施工往往面臨難以抉擇的窘境。有鑒于此，本文以大瑞鐵路老尖山隧道為依托，基于老尖山隧道不同巖性條件下Ⅳ級(jí)圍巖段全斷面法施工的成功應(yīng)用，采用模糊層次分析法對(duì)單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖段全斷面工法的適用性標(biāo)準(zhǔn)開展研究，提出一種適宜于單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖段全斷面工法的選擇方法，期望為類似隧道工程提供參考和依據(jù)。

2 全斷面法在老尖山隧道Ⅳ級(jí)圍巖段的應(yīng)用

2.1 工程概況

老尖山隧道是大瑞鐵路保瑞段的控制性工程之一，屬于單線鐵路隧道，全長(zhǎng)7 993 m，最大埋深約775 m。隧址區(qū)處低中山剝蝕、溶蝕地貌，溝谷縱橫，地形起伏大，自然坡度一般25°～55°。穿越的巖性主要為侏羅系中統(tǒng)勐戛組下段(J2m1)泥巖夾砂巖，三疊系中統(tǒng)河灣街組(T2h)白云巖夾灰?guī)r、泥灰?guī)r。設(shè)計(jì)中對(duì)全線進(jìn)行圍巖分級(jí)，其中Ⅳ級(jí)圍巖段占比最大，約占隧道全長(zhǎng)45%左右(見圖1)，長(zhǎng)度近3 590 m，涵蓋的巖性有泥巖、砂巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r等，且分布零散。

圖1 老尖山隧道縱斷面圖及Ⅳ級(jí)圍巖段

2.2 全斷面工法施工工序

為實(shí)現(xiàn)老尖山隧道快速施工目的，現(xiàn)場(chǎng)Ⅳ級(jí)圍巖段根據(jù)工程地質(zhì)狀況采用了全斷面法施工方案(見圖2)，具體施工步驟如下:

圖2 全斷面工法施工工序橫斷面圖

(1)開挖①部；施作①部臺(tái)階周邊的初期支護(hù)。

(2)在滯后于①部一段距離后，開挖②部(隧道底部開挖、撿底)。

(3)灌筑Ⅲ部底板(仰拱)與邊墻基礎(chǔ)。

(4)待仰拱混凝土初凝后灌筑仰拱填充Ⅳ部至設(shè)計(jì)高度。

(5)清理好初期支護(hù)基面，初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)環(huán)、縱向透水盲溝，拱墻鋪設(shè)塑料防水板加無紡布。

(6)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行充填注漿。

2.3 全斷面法施工效果

為確保光爆效果，現(xiàn)場(chǎng)爆破采用光面爆破技術(shù)，開挖根據(jù)掌子面的實(shí)際狀況，確定鉆眼深度，避免開挖后掌子面形成掏槽開挖，影響掌子面穩(wěn)定。出碴完成后及時(shí)施作掌子面周邊的初期支護(hù)，即初噴4 cm厚混凝土，鋼筋網(wǎng)采用HPB300鋼筋，鋼架選用格柵鋼架，主筋直徑為22 mm，鋼筋保護(hù)層為40 mm，臨空一側(cè)的混凝土保護(hù)層厚度為30 mm。圖3為現(xiàn)場(chǎng)施工效果圖。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)施工效果

為密切掌控全斷面法施工條件下老尖山隧道的穩(wěn)定性狀況，老尖山隧道在施工過程中進(jìn)行了嚴(yán)格的監(jiān)控量測(cè)。圖4為Ⅳ級(jí)圍巖全斷面工法試驗(yàn)段D2K181＋412、D2K181＋438和 D2K181＋494三個(gè)典型斷面處的位移變形監(jiān)測(cè)圖，其中水平收斂取正值，拱頂沉降取負(fù)值。從圖4可以看出三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的拱頂沉降量均未超過6 mm，在20 d左右趨于穩(wěn)定；水平收斂值在15～20 d達(dá)到最大值并逐漸趨于穩(wěn)定，三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水平收斂值均未超過6 mm。綜合分析可知老尖山隧道Ⅳ級(jí)圍巖段在全斷面法施工條件下圍巖穩(wěn)定性良好。

圖4 典型斷面位移變形監(jiān)測(cè)

3 基于模糊層次分析法的單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖全斷面工法適用性標(biāo)準(zhǔn)研究

3.1 基本思路

鑒于老尖山隧道、當(dāng)金山隧道等均在Ⅳ級(jí)圍巖段成功采用了全斷面法施工，下文對(duì)單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖全斷面工法的適用性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行初步探究。由于影響單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖全斷面工法適用性的影響因素許多具有較強(qiáng)的模糊性，因此，對(duì)于工法適用性的評(píng)價(jià)作為多因素影響的模糊決策問題較為合適。而工程中對(duì)于模糊決策問題一般采用綜合評(píng)估方法，所采用的理論涉及層次分析法、模糊理論、專家系統(tǒng)等[4-5]多個(gè)方面。其中層次分析法與模糊理論結(jié)合形成的模糊層次分析法[6]與傳統(tǒng)的層次分析法相比，克服了傳統(tǒng)方法中固定評(píng)分的方式的不足，減少了評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況之間的差異，適用于模糊決策問題?？紤]到模糊層次分析法已廣泛應(yīng)用于工程施工、隧道地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估[7-9]等工程問題中，并取得了較好的效果，本文采用模糊層次分析法對(duì)單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖全斷面工法的適用性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，該方法的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 老尖山隧道Ⅳ級(jí)圍巖全斷面法適用性評(píng)價(jià)流程

3.2 明確評(píng)判目標(biāo)

全斷面工法的適用性是一個(gè)抽象的概念，對(duì)于單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖全斷面法適用性進(jìn)行評(píng)判歸根結(jié)底是對(duì)單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖采用全斷面法開挖后隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行判別。《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中給出了各級(jí)圍巖的自穩(wěn)能力，由此可見，對(duì)于單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖全斷面法適用性等級(jí)的劃分也可通過圍巖自穩(wěn)能力來評(píng)定。因此，本文結(jié)合老尖山隧道現(xiàn)場(chǎng)施工中圍巖的穩(wěn)定性情況和《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》將單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖全斷面法的適用性等級(jí)劃分為5級(jí):即E＝{e1，e2，e3，e4，e5} ＝{1，2，3，4，5}，其中e1為不適用，e2為部分適用，e3為基本適用，e4為適用，e5為完全適用，各等級(jí)的含義見表1。

表1 全斷面法適用性等級(jí)劃分

3.3 確立指標(biāo)體系

單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖段隧道尺寸、型式基本相同，決定隧道可否進(jìn)行全斷面法開挖的關(guān)鍵是圍巖的自身?xiàng)l件[10]，也即圍巖的等級(jí)。在現(xiàn)行的鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中，圍巖級(jí)別的劃分主要依據(jù)兩個(gè)基本指標(biāo):巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc、巖體完整性系數(shù)Kv，據(jù)此，指標(biāo)體系建立時(shí)主要以上述兩參數(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，將動(dòng)態(tài)楊氏彈性模量Ed和泊松比ν，作為補(bǔ)充評(píng)價(jià)指標(biāo)[11]。為建立各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)與評(píng)價(jià)等級(jí)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，依據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定建立Rc和Kv評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，補(bǔ)充Ed和ν在圍巖分級(jí)中的應(yīng)用。最終建立各指標(biāo)與單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖全斷面法適用性等級(jí)相對(duì)應(yīng)的評(píng)判基準(zhǔn)如表2所示。

表2 指標(biāo)評(píng)判基準(zhǔn)

3.4 建立評(píng)判模型

綜合前述分析，建立單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖全斷面法適用性評(píng)價(jià)體系的模糊層次分析模型如圖6所示。從圖中可以看出，單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖全斷面法適用性評(píng)判模型分為兩層:第一層為目標(biāo)層，即單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖全斷面法適用性評(píng)價(jià)系統(tǒng)；第二層為指標(biāo)層，由影響單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖全斷面法適用性的4項(xiàng)指標(biāo)組成。

圖6 模糊層次分析法評(píng)判模型

3.5 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

為科學(xué)評(píng)價(jià)老尖山隧道Ⅳ級(jí)圍巖全斷面法的適用性，需建立模糊層次分析綜合評(píng)判模型中各指標(biāo)與Ⅳ級(jí)圍巖全斷面法適用性之間的聯(lián)系，即權(quán)重關(guān)系。本文分析時(shí)對(duì)模型中各指標(biāo)權(quán)重的確定采用1～9標(biāo)度法進(jìn)行，通過建立不同影響因素的判斷矩陣，同時(shí)依據(jù)Saaty的建議以相鄰的模糊數(shù)重疊原則建立對(duì)照的三角模糊數(shù)(x/y/z)，其中y為評(píng)價(jià)值，x和z為模糊數(shù)的兩端點(diǎn)。例如，原始尺度5模糊化后為(3.5/5/6.5)。可將模糊化后的判斷矩陣用A～表示。對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性指標(biāo)檢驗(yàn)，以平均一致性指標(biāo)CR＜0.1作為有效數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)[12]，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行取舍，最終得到模糊正倒值矩陣見下式。

對(duì)矩陣X，Y和Z分別求各行數(shù)值的幾何平均數(shù)，如。計(jì)算特征權(quán)重值:

得到各因素的模糊權(quán)重:

最后利用幾何平均法將各模糊權(quán)重解模糊化，即先求得幾何平均數(shù)，然后再計(jì)算該因素在所有因素中的數(shù)學(xué)平均數(shù)，最終得到明確權(quán)重向量。

得到因素權(quán)重向量W＝(0.426，0.332，0.169，0.073)。

3.6 確定指標(biāo)隸屬度

模糊綜合評(píng)判中另一關(guān)鍵性問題是關(guān)于隸屬函數(shù)的確定，考慮到評(píng)分的主觀性較強(qiáng)，故以數(shù)學(xué)函數(shù)的方式確定了隸屬函數(shù)。本文所取指標(biāo)均為連續(xù)型指標(biāo)(非離散型)，采用的構(gòu)造函數(shù)如下:

式中，Vj(j＝1，2，3，4，5)為分段函數(shù)界限值，與各指標(biāo)的評(píng)判基準(zhǔn)(見表2)有關(guān)，最終得到各Vj取值如表3所示。

表3 各指標(biāo)(Ui)隸屬度構(gòu)造中選取的Vj

3.7 單線鐵路隧道中全斷面工法適用性標(biāo)準(zhǔn)研究

為實(shí)現(xiàn)研究目的，老尖山隧道現(xiàn)場(chǎng)施工中獲取了大量Ⅳ圍巖典型區(qū)段內(nèi)巖Rc、Kv、Ed和ν四項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)。其中Rc和Kv按《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，Ed和ν可通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP，由巖體在自然環(huán)境中彈性波場(chǎng)的縱、橫波速度測(cè)得。最終得到老尖山隧道各典型斷面的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)如表4所示。

表4 老尖山隧道典型斷面指標(biāo)參數(shù)

因斷面眾多，計(jì)算過程相似，現(xiàn)僅以序號(hào)1為例進(jìn)行說明。計(jì)算中首先將單一指標(biāo)參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的Vj代入隸屬函數(shù)，計(jì)算可得U11～U15，從而可以得到單因素向量(0，0，0.2，0.8，0)，向量的元素對(duì)應(yīng)表征對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)不適用、部分適用、基本適用、適用和非常適用的隸屬關(guān)系。然后依次代入其余幾個(gè)因素值得到對(duì)應(yīng)單因素向量，將單因素向量組合可得隸屬度矩陣R。將因素權(quán)重向量與隸屬度矩陣相乘，得到評(píng)價(jià)矩陣B，再將評(píng)價(jià)矩陣與評(píng)價(jià)值向量相乘即可得到最終的評(píng)價(jià)值K。據(jù)此，計(jì)算序號(hào)1的評(píng)價(jià)值過程見下各式。

通過計(jì)算得到序號(hào)1全斷面法的適用性評(píng)價(jià)值為3.708，表明該巖樣所在區(qū)段采用全斷面工法時(shí)的適用性等級(jí)在三級(jí)與四級(jí)之間，即全斷面法的適用性在基本適用和適用之間，可以采用全斷面法。

與上述計(jì)算方法相同，對(duì)老尖山隧道全線范圍內(nèi)的Ⅳ級(jí)圍巖的全斷面法適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)，獲得了老尖山隧道Ⅳ級(jí)圍巖全斷面法適用性狀況(見圖7)，從圖中可以看出，老尖山隧道Ⅳ級(jí)圍巖段全斷面法適用性等級(jí)均在三級(jí)到四級(jí)之間，即在基本適用與適用之間。

圖7 老尖山隧道Ⅳ級(jí)圍巖全斷面法適用性狀況

4 結(jié)論及建議

本文依托老尖山隧道工程，利用模糊層次分析法原理建立了單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖全段面工法適用性評(píng)價(jià)體系，并對(duì)老尖山隧道Ⅳ級(jí)圍巖段全斷面法適用性進(jìn)行判定，得到以下結(jié)論:

(1)老尖山隧道Ⅳ級(jí)圍巖段分布較廣，且?guī)r性復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)采用全斷面法施工縮短了工期，減少了管理成本，極大地提高了現(xiàn)場(chǎng)施工效率。并且，從現(xiàn)場(chǎng)施工效果和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)可以看出Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)段采用全斷面法圍巖位移變形很小，圍巖穩(wěn)定，施工效果良好。

(2)依據(jù)層次分析法建立了單線鐵路Ⅳ級(jí)圍巖全斷面工法適用性評(píng)價(jià)體系，將單線鐵路Ⅳ級(jí)圍巖段全斷面工法的適用性劃分為五個(gè)等級(jí)，以Rc和Kv為主要指標(biāo)，以Ed和ν作為補(bǔ)充指標(biāo)對(duì)單線鐵路Ⅳ級(jí)圍巖全斷面工法的適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)。利用模糊層次分析法確定了因素權(quán)重向量W＝(0.426，0.332，0.169，0.073)，由此可以看出Rc、Kv、Ed、ν對(duì)于單線鐵路Ⅳ級(jí)圍巖全斷面工法適用性的影響依次減小。

(3)運(yùn)用模糊層次分析法對(duì)老尖山隧道全線Ⅳ級(jí)圍巖段進(jìn)行計(jì)算分析得到的全斷面工法適用性評(píng)價(jià)值均大于3，即所有巖樣所在的區(qū)段采用全斷面法的適用性程度均大于3級(jí)，在基本適用以上。鑒于全斷面法在老尖山隧道Ⅳ級(jí)圍巖段的成功實(shí)施，說明在單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖段選用全斷面法時(shí)，依據(jù)評(píng)判模型得到的評(píng)價(jià)值需在3級(jí)及以上。

本文僅依據(jù)老尖山隧道的圍巖巖性參數(shù)對(duì)單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖段全斷面工法適宜性進(jìn)行了分析，因樣本數(shù)據(jù)有限，其可靠性有待于在后續(xù)研究中結(jié)合其他類似工程進(jìn)一步驗(yàn)證修訂，使其能更好地為單線鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖施工工法的選擇提供理論依據(jù)。