隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)新方法及其應(yīng)用

潘偉華,吳 軍

（1.連云港市鐵路事業(yè)發(fā)展中心,江蘇 連云港 222000; 2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司連云港分公司,江蘇 連云港 222000）

0 引言

在評(píng)價(jià)隧道圍巖穩(wěn)定性的過(guò)程中，需要根據(jù)圍巖的分類(lèi)選取合適支護(hù)，設(shè)計(jì)隧道施工方案，進(jìn)行隧道施工操作。若圍巖分類(lèi)不標(biāo)準(zhǔn)，將直接影響施工方案的設(shè)計(jì)與選擇，影響支護(hù)類(lèi)型。如增加成本、方案選擇過(guò)于保守、隧道穩(wěn)定性受到影響、出現(xiàn)事故或?yàn)?zāi)害等。因此，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注圍巖分類(lèi)工作，提升圍巖分類(lèi)準(zhǔn)確性與技術(shù)含量。

1 基于特爾菲-理想點(diǎn)法的隧道圍巖分類(lèi)

特爾菲-理想點(diǎn)法對(duì)隧道圍巖進(jìn)行分類(lèi)，其核心思想為借鑒判別的理論，是目前一種新引入的隧道圍巖分類(lèi)方法。該種方法屬于多因子綜合評(píng)價(jià)法，可將多個(gè)對(duì)象、多個(gè)評(píng)價(jià)因子綜合起來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定所屬類(lèi)別。該種方法的原理相對(duì)較為簡(jiǎn)單，且結(jié)構(gòu)合理、計(jì)算簡(jiǎn)便、分辨率相對(duì)較高。

當(dāng)前，已經(jīng)有很多領(lǐng)域引入該種分類(lèi)方法。如環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)、學(xué)生考試成績(jī)、考場(chǎng)紀(jì)律、企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，甚至在軍事作戰(zhàn)系統(tǒng)中也引入了該種評(píng)判方法[1-2]。

2 工程概況

北固山隧道位于連云港墟溝城區(qū)西部，是北疏港高速公路的關(guān)鍵位置，是該道路北固山段。源起于大棺材山西南坡與墟溝互通相接，至黃石嘴東坡與北港區(qū)Ⅰ類(lèi)進(jìn)港道路相接。隧道分為左右兩條線(xiàn)路，左側(cè)長(zhǎng)度為2 810 m，右側(cè)長(zhǎng)度為2 755 m，雙向四車(chē)道高速公路車(chē)速為80 km/h，除正常行駛車(chē)道外，還包括4.5 m寬的緊急車(chē)道。隧道內(nèi)凈寬為14 m，凈高為5 m，車(chē)輛通行的橫洞為3處，行人通行橫洞為4處。隧道進(jìn)、出口設(shè)置局部小凈距段落，其余段落按分離式隧道設(shè)置，進(jìn)口最小凈距為10.0 m，中間最大凈距為37.0 m，出口最小凈距為12.0 m。

隧道位置的表層為第四系坡積物，土質(zhì)偏向?yàn)橛菜軤铕ね翆樱渲邪倭康[石、碎石以及滾石；基巖為中～晚元古代云臺(tái)組區(qū)域變質(zhì)巖系，以鈉長(zhǎng)淺粒巖、石英變粒巖為主（統(tǒng)稱(chēng)為變粒巖）；在隧道進(jìn)口段巖性主要為云母片巖，巖質(zhì)較軟；此外，隧址區(qū)局部地段見(jiàn)綠片巖，多呈夾層狀產(chǎn)出。變粒巖的質(zhì)地相對(duì)緊密，分類(lèi)為硬質(zhì)巖石；云母片巖與綠泥片巖的抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低，遇水后其質(zhì)地會(huì)發(fā)生軟化的情況，抗風(fēng)性能較其他材料存在明顯不足。

3 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的獲得

選取北固山隧道左洞K5+590~K5+685和右洞K3+720~K3+750，對(duì)其圍巖類(lèi)別進(jìn)行判別。右洞K3+720~K3+750位于中~微風(fēng)化變粒巖中，巖質(zhì)堅(jiān)硬較發(fā)育，塊狀、層狀結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)堅(jiān)硬。左洞K5+590~K5+685圍巖主要為微風(fēng)化變粒巖夾綠泥片巖，局部圍巖為強(qiáng)~中風(fēng)化，變粒巖巖質(zhì)堅(jiān)硬，屬硬質(zhì)巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育、塊狀、層狀結(jié)構(gòu)。表1中為北固山隧道所選洞段圍巖的各評(píng)價(jià)指標(biāo)值。

表1 北固山隧道圍巖數(shù)據(jù)資料

3.1 評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定

通過(guò)相關(guān)公式對(duì)各評(píng)價(jià)因子的歸一化權(quán)重系數(shù)進(jìn)行求解，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從表2指標(biāo)權(quán)重的結(jié)果來(lái)分析，三位專(zhuān)家對(duì)巖體完整性系數(shù)Kv的存在不同意見(jiàn)，Kv的方差為1.0，較比其他數(shù)值最大。而其他指標(biāo)的意見(jiàn)相對(duì)較少，方差相同，為0.333。從相關(guān)指標(biāo)的歸一化權(quán)重系數(shù)結(jié)果來(lái)看，指標(biāo)對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性可按照結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)、巖體完整性指標(biāo)、巖體質(zhì)量指標(biāo)、巖體堅(jiān)硬程度指標(biāo)、地下水作用指標(biāo)的從大到小的順序來(lái)排列。

表2 各評(píng)價(jià)因子權(quán)重一覽表

3.2 圍巖等級(jí)判別

按照特爾菲-理想點(diǎn)法圍巖分類(lèi)模型展開(kāi)分析與計(jì)算，相關(guān)樣本不同類(lèi)別圍巖標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)如表3所示。按照理想點(diǎn)貼近度越大，樣本與圍巖越貼近的基本原則，得到項(xiàng)目隧道內(nèi)圍巖級(jí)別[3-5]。

根據(jù)表3可以發(fā)現(xiàn)，采用該種方法判斷隧道內(nèi)圍巖級(jí)別的結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，與施工過(guò)程中圍巖級(jí)別基本一致。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，左洞K4+120~K4+150段圍巖級(jí)別與數(shù)值最為貼近，可以判定其等級(jí)為Ⅳ。該洞段設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)，而從施工期現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖出的圍巖發(fā)現(xiàn)，巖體整體破碎，自穩(wěn)能力較差。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)單位與甲方現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)分析，最終變更為Ⅳ級(jí)圍巖，與特爾菲-理想點(diǎn)模型的判別結(jié)果一致。特爾菲-理想點(diǎn)法進(jìn)行圍巖分類(lèi)所得到的數(shù)據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確，能夠提升隧道圍巖分類(lèi)精準(zhǔn)度，且該方法使用簡(jiǎn)便，能夠滿(mǎn)足施工過(guò)程中的相關(guān)需求。

表3 各洞段圍巖到Ⅰ-Ⅴ級(jí)圍巖標(biāo)準(zhǔn)理想點(diǎn)貼近度及圍巖類(lèi)別判定

4 隧道圍巖分級(jí)的集對(duì)分析模型

4.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)模型

（1）確定圍巖分級(jí)的五元聯(lián)系度。根據(jù)各指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)把隧道圍巖的等級(jí)劃分為五級(jí)，將圍巖分級(jí)的各評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成一個(gè)集對(duì)。滿(mǎn)足Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)則為同一度而存在，超過(guò)Ⅴ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)則認(rèn)為對(duì)立度，符合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的分別作為差異偏同度、差異度和差異偏反度。建立圍巖分級(jí)的五元聯(lián)系度表達(dá)式為：

式中，n——第n個(gè)待評(píng)價(jià)的圍巖樣本；N——評(píng)價(jià)指標(biāo)的總數(shù)；S——符合Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)；F1——符合Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)；F2——符合Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)；F3——符合Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)；P——符合Ⅴ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

（2）各評(píng)價(jià)指標(biāo)聯(lián)系度的確定。在圍巖分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系中，可主要分成效益型指標(biāo)與成本型指標(biāo)。其中，效益型指標(biāo)中，指標(biāo)數(shù)值與圍巖穩(wěn)定性成正比，即指標(biāo)越大，圍巖穩(wěn)定性也越佳；而成本型指標(biāo)中，數(shù)值與圍巖穩(wěn)定性則成反比，即指標(biāo)數(shù)值越大，則圍巖穩(wěn)定性越差。在所選取的圍巖評(píng)價(jià)指標(biāo)中，以Rc代表巖石單軸抗壓強(qiáng)度，Kv為巖體完整性指數(shù)，Ss為結(jié)構(gòu)面狀況指標(biāo)，洞軸線(xiàn)與主要結(jié)構(gòu)面的夾角θ為效益型指標(biāo)，地下水滲流量W為成本型指標(biāo)。

在成本型指標(biāo)中，利用以下公式來(lái)表達(dá)指標(biāo)與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，公式如下：

式（2）和（3）中，SⅠ、SⅡ、SⅢ、SⅣ、SⅤ分別為Ⅰ~Ⅴ級(jí)的評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值；x——各評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值；n——第n個(gè)待評(píng)價(jià)的圍巖樣本；k——第k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（3）求解平均聯(lián)系度。將各個(gè)級(jí)別的指標(biāo)聯(lián)系度計(jì)算出來(lái)，并將所的數(shù)據(jù)相加求得平均值，即可得到平均聯(lián)系度。該數(shù)據(jù)能夠顯示出評(píng)價(jià)對(duì)象與圍巖標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，公式具體如下：

4.2 圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型

選取北固山隧道左洞K3+610~K3+640、K5+590~K5+685、K5+220~K5+280；右洞K3+720~K3+750進(jìn)行圍巖警情分析。根據(jù)洞內(nèi)連續(xù)觀察和掌子面編錄，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了所選洞段巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc、巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD、巖體完整性系數(shù)Kv、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度系數(shù)Kf以及洞軸線(xiàn)與主要結(jié)構(gòu)面的夾角θ。運(yùn)用基于功效系數(shù)法建立的圍巖失穩(wěn)預(yù)警模型進(jìn)行計(jì)算，得到了各洞段的警度指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 北固山隧道圍巖穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)表

從表4中可以看出，左洞K3+610~640和右洞K3+720~750里程段圍巖均處于輕警狀態(tài)，為藍(lán)色警情，表明圍巖穩(wěn)定性較好，失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較低。右洞K5+590~685里程段圍巖處于中警狀態(tài)，為黃色警情，表明圍巖基本穩(wěn)定，失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)一般。左洞K5+220~280的總功效系數(shù)值為63.647，圍巖處于重警狀態(tài)，為橙色警情，表明圍巖穩(wěn)定性差，失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)很高。該洞段的設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)圍巖，但從現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖出的圍巖實(shí)際情況證明其危險(xiǎn)性較高。該洞段巖體非常破碎，且洞頂不時(shí)出現(xiàn)小的掉塊，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)單位與甲方現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)分析，最終變更為Ⅴ級(jí)圍巖。在施工該洞段時(shí)，通過(guò)功效系數(shù)法圍巖失穩(wěn)預(yù)警模型及時(shí)進(jìn)行了險(xiǎn)情預(yù)報(bào)，發(fā)出橙色警情指示。施工單位高度重視，采取縮小鋼拱架間距、加強(qiáng)噴錨支護(hù)、圍巖注漿堵水和初期支護(hù)引排水等工程措施，保證隧道圍巖的穩(wěn)定，避免施工過(guò)程中出現(xiàn)的塌方等災(zāi)害問(wèn)題，有效提升隧道施工安全性，保證施工人員生命安全。

5 結(jié)論

通過(guò)隧道圍巖分級(jí)的特爾菲-理想點(diǎn)模型和集對(duì)分析模型，可以得到較為準(zhǔn)確的圍巖級(jí)別，初步預(yù)測(cè)隧道施工過(guò)程中的圍巖塌方風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合所建立的圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的功效系數(shù)模型，可綜合評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性情況，對(duì)設(shè)計(jì)圍巖類(lèi)別進(jìn)行及時(shí)的檢驗(yàn)和修正，對(duì)圍巖的危險(xiǎn)性做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，便于隧道施工過(guò)程中及時(shí)采取有效支護(hù)措施，防患于未然。