應(yīng)用層次分析法評價鐵路巖溶隧道選線水文地質(zhì)條件

汪繼鋒

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,湖北武漢 430063)

正處于可研階段的十宜鐵路,全線位于湖北省境內(nèi),線路北起十堰市,自北向南依次經(jīng)過房縣、神農(nóng)架林區(qū)、興山縣、秭歸縣、三峽庫區(qū),向東南引入宜昌東站。線路整體處于大巴山山脈東端,呈中山間夾深切河谷的地貌格局(見圖1)。

圖1 十宜鐵路位置

線路在房縣與神農(nóng)架林區(qū)之間主要以長大巖溶隧道穿越,其主要山峰為黑山(主峰海拔高程為1 740 m),屬大巴山山脈東端的連續(xù)延伸段,與大巴山山體相銜接,構(gòu)成了漢水支流苦水河與馬欄河的地表分水嶺。黑山山脊平行構(gòu)造線發(fā)育,呈東西向帶狀山脊,為明顯的線性展布,屬褶皺山。山體主要由碳酸鹽巖組成,受構(gòu)造影響,巖溶和地下水發(fā)育。

房縣與神農(nóng)架林區(qū)之間主要發(fā)育有五臺山向斜翼部—緊密線狀復(fù)式向斜蓄水系統(tǒng)及義渡—黑山復(fù)式向斜蓄水系統(tǒng),水文地質(zhì)條件復(fù)雜,鐵路隧道穿越存在突水突泥的風(fēng)險[1，2，5]。為降低巖溶隧道的施工風(fēng)險,需對該段線路進行多方案水文地質(zhì)條件比選,盡量選擇條件相對較好的方案,為此需要進行巖溶隧道水文地質(zhì)條件綜合評價,為線路方案比選提供依據(jù)。本文探討的就是巖溶隧道水文地質(zhì)條件綜合評價的有效方法之一——層次分析法(AHP法)[3]。

1 研究線路方案及地質(zhì)特征

十宜鐵路房縣至神農(nóng)架林區(qū)一帶屬揚子準地臺青峰臺褶束,構(gòu)造形態(tài)主要表現(xiàn)為東西向褶皺帶,該段線路方案經(jīng)研究有經(jīng)?？雕R橋東線方案、房縣至神農(nóng)架中線方案、穿野人谷西線方案,即東線、中線和西線方案(如圖2)。

三方案均垂直通過青峰斷裂、五臺山向斜、黑山復(fù)式向斜、孫家灣背斜構(gòu)造,地層與大地構(gòu)造差別不大,且無控制性的不良地質(zhì)體,區(qū)域水文地質(zhì)條件類似,但受局部地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、巖性組合、巖溶發(fā)育程度、地下水的補徑排條件的不同,各線路方案的水文地質(zhì)條件又存在一定的差異。三方案主要控制性工程為三大巖溶隧道,即東線五臺山隧道、中線陽日隧道及西線陽日隧道,突水突泥的風(fēng)險程度不一樣。各隧道工程地質(zhì)縱斷面見圖3。

圖2 十宜鐵路房縣至神農(nóng)架段線路方案及地質(zhì)概況

圖3 各線路方案控制性隧道工程地質(zhì)縱斷面

如何評價這些差異,并選出水文地質(zhì)條件相對較優(yōu)的線路方案,一般采用定性的地質(zhì)分析方法,但該方法存在的問題是,由于水文地質(zhì)條件因子較多,而其重要程度又大小不一,由此易產(chǎn)生因人而異、人為主觀性帶來的評價偏差。如果將水文地質(zhì)條件因子定量化,通過數(shù)學(xué)運算計算出各因子相對于評價總目標的排序權(quán)重,并比較各因子之間權(quán)重大小,來評價各方案水文地質(zhì)條件的優(yōu)劣,可以一定程度上克服人為主觀性帶來的評價偏差。

2 層次分析法(AHP法)應(yīng)用

層次分析法(The analytic hierarchy process)簡稱AHP法,20世紀70年代中期由美國運籌學(xué)家托馬斯·塞蒂(T.L.Saaty)正式提出。它是一種定性和定量相結(jié)合，系統(tǒng)化、層次化的分析方法,主要有四個步驟：①建立層次結(jié)構(gòu)模型；②構(gòu)造判斷矩陣；③計算權(quán)向量并做一致性檢驗；④計算組合權(quán)向量并做組合一致性檢驗。

水文地質(zhì)評價實際是一個系統(tǒng)分析問題,而且是一個由相互關(guān)聯(lián)、眾多水文地質(zhì)因素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。將系統(tǒng)分析定量化,將思維過程數(shù)學(xué)化,這就是層次分析法需要解決的問題。

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

進行水文地質(zhì)評價,首先確定線路各方案巖溶隧道水文地質(zhì)條件評價因子,建立層次分析法(AHP法)的層次結(jié)構(gòu)模型。

一般情況下,巖溶隧道水文地質(zhì)條件評價因子有：地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度，巖溶發(fā)育程度，富水巖組長度，含水介質(zhì)類型，地下水補給、徑流、排泄條件，隧道處于地下水動力分帶位置(垂直和水平水動力分帶)，預(yù)測的隧道局部最大涌水量及隧道涌水對周圍環(huán)境影響的程度等。具體到十宜鐵路房縣至神農(nóng)架林區(qū)段東、中、西線三方案巖溶隧道而言,線路方案比選其水文地質(zhì)條件評價因子主要為以下9個方面。

(1)隧道圍巖含水巖層(巖溶層占隧道長度的百分比)及富水性；

(2)隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造(富水背斜、貯水向斜、斷層破碎帶)發(fā)育狀況；

(3) 隧道埋藏條件(隧道處于巖溶垂直、水平水動力分帶的空間位置)；

(4)隧道巖溶地段存在涌突水(泥)風(fēng)險；

(5)隧道與大型巖溶水系統(tǒng)的密切程度(巖溶水系統(tǒng)個數(shù))；

(6)隧道巖溶發(fā)育情況(強巖溶層長度占隧道長度百分比)；

(7)隧道強巖溶發(fā)育地段可能最大涌水量；

(8)隧道巖溶含水層滲透結(jié)構(gòu)、徑流、排泄類型；

(9)隧道涌水引起的環(huán)境水文地質(zhì)問題(疏干)。

根據(jù)以上評價因子建立的層次結(jié)構(gòu)模型如圖4。

圖4 巖溶隧道水文地質(zhì)條件評價層次結(jié)構(gòu)模型

2.2 計算水文地質(zhì)評價因子權(quán)重值

采用張健華.Yaahp Version 0.5.1(Analytic Hierarchy Process)層次分析法[4]計算程序進行權(quán)重值計算,確定線路各方案巖溶隧道水文地質(zhì)條件評價因子相對重要性的權(quán)重值和其相對優(yōu)劣次序的排序問題。

首先,對9個水文地質(zhì)條件評價因子逐個進行比較,判斷相互間的重要性,并進行一致性檢驗,得出其權(quán)重值,進行重要性排序。房縣至神農(nóng)架林區(qū)段水文地質(zhì)條件評價因子權(quán)重列于表1。

通過排序,隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造(富水背斜、貯水向斜、斷層破碎帶)發(fā)育狀況(權(quán)重0.2507)、隧道巖溶地段涌突水(泥)風(fēng)險(權(quán)重0.2507)及隧道埋藏條件(隧道處于巖溶垂直、水平水動力分帶的空間位置)(權(quán)重0.1265)等因子權(quán)重值較高,說明它們是評價巖溶隧道水文地質(zhì)條件優(yōu)劣的主要因素。

表1 巖溶隧道水文地質(zhì)條件評價因子權(quán)重

其次,計算東、中、西線三方案水文地質(zhì)條件的層次總排序,并進行一致性檢驗,得出總權(quán)重,進行水文地質(zhì)條件綜合評價,選出最優(yōu)方案。

通過加深地質(zhì)工作階段及初測階段的水文地質(zhì)調(diào)查和測繪,將初步掌握的各方案巖溶隧道水文地質(zhì)條件情況進行匯總、相互比較,并利用層次分析法計算總權(quán)重值,使得各線路方案巖溶隧道水文地質(zhì)條件相對優(yōu)劣程度一目了然。表2為房縣至神農(nóng)架林區(qū)段東、中、西線三方案巖溶隧道水文地質(zhì)條件評價因子及權(quán)重。

2.3 水文地質(zhì)條件評價

評價線路方案水文地質(zhì)條件的優(yōu)劣,應(yīng)采取定性和定量的綜合評價方法,通過定性比較、定量分析,使評價結(jié)果更合理。層次分析法得出的結(jié)果建立在水文地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)地質(zhì)工作者對巖溶隧道地質(zhì)風(fēng)險因素大小的普遍性認識和判斷思維,通過數(shù)學(xué)邏輯計算形成,具有代表性和可行性。

表2 房縣至神農(nóng)架林區(qū)段東、中、西線三方案巖溶隧道水文地質(zhì)條件評價因子及權(quán)重

十宜鐵路房縣至神農(nóng)架林區(qū)東、中、西線三方案巖溶隧道水文地質(zhì)條件的優(yōu)劣,通過層次分析法(AHP法)進行排序和比較,得出該段中線水文地質(zhì)條件最好,突水突泥的風(fēng)險程度最低，其次為西線，最差為東線,為鐵路線路方案的比選提供了可靠的依據(jù),成功地解決了地質(zhì)選線難決策的問題。

3 結(jié)論

基于層次分析法的鐵路巖溶隧道水文地質(zhì)條件評價,從定性的地質(zhì)分析轉(zhuǎn)向定量的數(shù)學(xué)模型計算,即將巖溶隧道水文地質(zhì)評價因子數(shù)量化,確定因子權(quán)重,并比較各因子之間權(quán)重大小,可用于評價巖溶隧道水文地質(zhì)條件的優(yōu)劣,為線路方案的比選提供較準確的依據(jù)。

從各因子的權(quán)重大小來看,隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造(富水背斜、貯水向斜、斷層破碎帶)發(fā)育狀況(權(quán)重0.250 7)、隧道巖溶地段涌突水(泥)風(fēng)險(權(quán)重0.250 7)及隧道埋藏條件(隧道處于巖溶垂直、水平水動力分帶的空間位置)(權(quán)重0.126 5)等是評價巖溶隧道水文地質(zhì)條件優(yōu)劣的主要因素。

層次分析法解決了地質(zhì)定性分析因人而異、人的主觀性帶來的偏差。雖然對水文地質(zhì)條件評價因子的選擇、級別的劃分、重要性的比較也具有人的主觀性,但以長期從事鐵路水文地質(zhì)工程地質(zhì)工作、熟悉巖溶隧道地質(zhì)風(fēng)險因素的專家征詢(即專家調(diào)查法,又稱為“簡單的德爾菲法”)為基礎(chǔ),得到普遍性的風(fēng)險因素認識,在一定的程度上,可以減少人的主觀性偏差[6-10]。

層次分析法評價巖溶隧道水文地質(zhì)條件,可用于鐵路勘察加深地質(zhì)工作、可研階段巖溶隧道的方案比選及線路方案水文地質(zhì)條件總體評價。

[1]中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司.新建十堰至宜昌鐵路房縣至宜昌段加深地質(zhì)工作階段水文地質(zhì)報告[R].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，2010

[2]中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司.新建十堰至宜昌鐵路可行性研究地質(zhì)總報告[R].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，2011

[3]趙煥臣，許樹柏，和金生.層次分析法[M].北京：科學(xué)出版社,1986

[4]張健華.Yaahp Version 0.5.1[Analytic Hierarchy Process]層次分析法. http//www.jeffzhang.cn

[5]沈祥明，劉坡拉，汪繼鋒.基于層次分析法的鐵路巖溶隧道突水風(fēng)險評價[J].鐵道工程學(xué)報,2010(12).

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[7]何發(fā)亮,等.巖溶地區(qū)長大隧道涌水災(zāi)害預(yù)測預(yù)報技術(shù)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2001(5)：21-23

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