礦山法隧道施工期洞室圍巖安全性評價

何復生

(中鐵二局集團第一工程有限公司，貴陽 550003)

1 概述

隧道施工期洞室圍巖安全性影響因素較多，主要存在以下幾個方面:工程地質特征，應力場特征，洞室特征等[1]。這些影響因素中，有定量的也有定性的。這里采用模糊綜合評判的方法來評價礦山法隧道施工期洞室圍巖的安全性。模糊綜合評判應用非常廣泛，尤其在建筑與交通工程領域，主要應用在工程質量、工程使用性能，結構變異評判等方面[2-5]。模糊綜合評判方法從多個指標對被評價事物隸屬等級狀況進行綜合評判，一方面可以顧及評判對象的層次性，另一方面可以做到定性與定量因素相結合，使得評價結果更加客觀。模糊綜合評判的基本方法和步驟如下:建立因素集、建立權重集、建立評語集、構建綜合評判模糊數學模型并實施評價。模糊數學模型包括建立隸屬函數、因素集和評語集之間的模糊關系評價矩陣等。常見的模糊分布有:矩形分布或半矩形分布、梯形或半梯形分布、三角形分布、拋物線分布、正態分布、柯西分布、嶺形分布等。權重的確定可采用專家評定法、統計影射法、因素敏感度法、數理統計法、層次分析法等[6-8]。本文擬采用層次分析法依據建立的遞階層次結構模型對評價因素集中的各因素權重進行確定。

2 模糊分析模型

綜合關于影響洞室圍巖安全性的各個因素，結合模糊數學綜合評判理論，可建立礦山法隧道洞室圍巖二級模糊綜合評判模型[9-10]。施工期隧道洞室圍巖安全模糊綜合評判模型分為3層:第1層為目標層，包含1個目標對象，即隧道洞室圍巖安全性;第2層為準則層，由可能影響圍巖安全體系的因素組成，通常包括工程地質特征U1、應力場特征U2、洞室特征U3及施工水平U44類因素，這4類因素組成了隧道施工期洞室圍巖安全性評價的制約因素集;第3層為指標層，由可能影響制約層因素的各項指標組成。工程地質特征包括:巖石質量指標(U11)、抗壓強度(U12)、完整性(U13)、地下水賦存情況(U14)及斷層破碎帶影響(U15);應力場特征包括:隧道軸線與主應力方向夾角(U21)及地應力影響系數(U22);洞室特征包括:洞室跨度(U31)和洞室形狀(高跨比)(U32)指標。由于上述指標中既有定性指標，又有定量指標，在確定隸屬度時，對于定量指標可直接由隸屬函數求得，而對定性描述的指標，則可對其進行適當處理后再通過構造隸屬函數獲得其隸屬度。各項因素判定基準見表1。

表1 各項因素判定基準

首先，建立礦山法隧道施工期洞室圍巖安全評語集。綜合相關資料[1]，同時考慮4級劃分法具有廣泛的應用基礎，將洞室的安全性狀態劃分為4級:V={V1，V2，V3，V4}={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}。其中:Ⅰ級:洞室安全，洞室無破損或存在極少量細微裂縫;Ⅱ級:洞室基本安全，洞室周邊存在破損或輕微裂縫;Ⅲ級:洞室潛在不安全，洞室存在較大破損或裂縫，且繼續發展;Ⅳ級:洞室不安全，洞室圍巖基本破壞，且繼續發展。

模糊綜合評判法的關鍵技術之一是指標間的不可公度性，即各個指標之間沒有統一的度量標準，因而難以比較，所以在進行綜合評價前，應首先確定指標體系中各個指標的隸屬度。隸屬函數的確定通常有多種方法，比如統計法、三分法、隸屬函數法、專家或工程技術人員直接打分法等，由于統計法需要較多的樣本，而專家評分法主觀性又較強，這里采用隸屬函數方法對各個指標進行評價。對于定量因素，可直接由相近隸屬函數求得，而對定性描述的因素，則需對其進行適當數量化處理，如按分級法將其從高到低依次取不同數值后再通過構造隸屬函數確定其隸屬度。由于正態分布函數靠近中心處的敏感度較兩端要小，有利于不同安全狀態等級交界處作出較為準確的判斷，因此這里采用正態分布模型確定隸屬函數。正態分布數學模型及其示意如圖1～圖3所示。

圖1 正態分布偏小型

圖2 正態分布中間型

圖3 正態分布偏大型

公式(1)對應正態分布偏小型，公式(2)和公式(3)對應正態分布中間型，公式(4)對應正態分布偏大型。利用大量隧道工程開挖斷面的評判基準，可構建出隧道洞室圍巖中巖石質量指標、抗壓強度、巖體完整性、地下水的隸屬函數參數如表2所示[10-14]。利用表2中參數代入上述公式可確定上述各評判因素隸屬函數的數學表達式，將其均一化可得具體的計算隸屬函數。

對于評判因素集中地應力影響系數SFR、洞室跨度2個定量指標隸屬函數，常構造梯形隸屬函數予以確定。對于地應力影響系數SFR，對應各級安全狀態的隸屬度函數為

表2 隸屬函數參數

對于洞室跨度因素，對應各級安全狀態的隸屬度函數為

對于斷層破碎帶、隧道軸線與主應力夾角、洞室形狀(高跨比)以及施工水平等定性因素，應對其進行適當數量化處理后再通過構造隸屬函數求其隸屬度，并將因素分為4個等級:優(0.9)、良(0.7)、中(0.5)、差(0.3)。按照賦值標準給出評定值，采用梯形隸屬函數將其模糊化，構建隸屬函數如下

采用層次分析法對評判模型中各制約因素的權重進行確定。構建兩兩判斷矩陣，對影響洞室工程地質特征、應力場特征、洞室特征等制約因素的各項指標進行標度，構造出判斷矩陣，求出其特征值及特征向量，進而可確定各項指標評判因素的權重，如表3所示。根據表3，即

表3 準則層及指標層權重

3 工程應用

某隧道采用礦山法施工，Zk20+300～Zk21+500段處于Ⅰ級圍巖當中，巖石質量指標92%，抗壓強度168.0 MPa，巖石完整性系數為0.85，地下水情況L為5 min/10 m，隧道附近有小斷層或破碎帶，但距離較遠，數量化分值為0.80;軸線與主應力夾角為36°，屬于一般有利，數量化分值0.6，地應力影響系數SRF為12.5;洞室最大開挖跨度12.2m，高跨比屬一般有利，數量化分值0.55，，施工水平良，數量化分值0.75。現采用洞室穩定模糊綜合評判模型對洞室圍巖穩定性進行評價。根據隸屬度函數獲得各項指標的評價矩陣R，具體數值見表4。

表4 指標評價矩陣R

首先針對工程地質特征計算C1:

{0.6699 0.2360 0.0765 0.0176}其次針對應力場特征計算C2:

再次針對洞室特征計算C3:

由于施工水平項無指標層因素，因此

最后計算該隧道施工期洞室圍巖穩定性評判結果

計算結果表明:Zk20+300～Zk21+500段Ⅰ級圍巖施工過程中洞室安全的隸屬度為0.230 4，洞室基本安全的隸屬度為0.449 7，洞室潛在不安全的隸屬度為0.313 8，洞室不安全的隸屬度為0.006 1。綜合以上可以看出，洞室基本安全以上的隸屬度為0.680 1，而洞室不安全的隸屬度非常小，因此，總體上判斷該段洞室在施工開挖時是安全的。

4 結語

礦山法隧道施工期洞室安全評價是一個復雜的問題，一方面是隧道圍巖地質特性和場體的復雜性，另一方面還有施工開挖等人為因素不確定性的影響。與此同時，還在于目前缺乏一套公認的、行之有效的評價方法。本文采用模糊評價方法，對礦山法隧道施工洞室安全性評價開展了一些有益探索，重點在于影響洞室施工期安全主體因素的甄別、提供一些構造隸屬函數的相關參數以及權重的選擇。但施工水平等重要因素的評價過于簡單，沒有從施工開挖方法、開挖步序、支護時機、人員素質、施工機具、安全管理、施工工期等多方面實施綜合評價;另外、準則層及指標層權重的具體量值也需要在今后的工作中進一步進行檢驗其合理性。盡管如此，相關研究對于安全性評價體系的構建和實際工程仍然具有重要的參考價值。

[1]吳成剛.公路隧道結構安全性及其評價系統的研究[D].成都:西南交通大學，2009.

[2]中華人民共和國鐵道部.鐵路隧道風險評估與管理暫行規定[S].北京:中華人民共和國鐵道部，2007.

[3]劉文劍，吳湘濱.模糊層次性綜合評判模型對越嶺隧道開挖和支護方式的選擇初探[J].中南公路工程，2006，31(1):18-23.

[4]許傳華，任青文.地下工程圍巖穩定性的模糊綜合評判法[J].巖石力學與工程學報，2004，23(11):1852-1855.

[5]盛繼亮.地下工程圍巖穩定性模糊綜合評價模型研究[J].巖石力學與工程學報，2003，22(S1):2418-2421.

[6]謝季堅.模糊數學方法及其應用[M].第3版.武漢:華中科技大學出版社，2005.

[7]藎壚.實用模糊數學[M].北京:科學技術文獻出版社，1989.

[8]余瓊芳，陳迎松.模糊數學中隸屬函數的構造策略[J].世界隧道，2001(1):58-60.

[9]北京交科公路勘察設計研究院有限公司.燈草塘隧道工程施工安全風險評估[R].北京:北京交科公路勘察設計研究院有限公司，2009.

[10]楊慧林.工程風險管理在北京地鐵10號線國貿站土建工程中的應用[J].鐵道標準設計，2008(12):36-39.

[11]張濤，楊新安，王瑤.包神鐵路轉龍灣隧道施工風險評估[J].鐵道建筑，2008(8):71-72.

[12]關寶樹.隧道力學概論[M].成都:西南交通大學出版社，1993.

[13]陸兆溱.工程地質學[M].北京:中國水利水電出版社，2001.

[14]張俊儒.隧道單層襯砌作用機理及設計方法研究[D].成都:西南交通大學，2007.