基于多級灰關聯方法的圍巖質量評價

郝　杰

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊　830000)

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基于多級灰關聯方法的圍巖質量評價

郝杰

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊830000)

摘要：地下洞室圍巖質量評價由于其力學參數的不確定性和隨機性使得評價結果與實際情況存在一定偏差。準確進行圍巖質量評估成為設計和施工階段最為重要的因素，直接影響著設計方案比選、施工工藝和建設周期。因此，為了提高圍巖質量評價的準確性，基于實際工程需要，提出采用多級灰關聯評價方法進行圍巖質量評價，并將其計算結果與傳統圍巖評價方法進行對比，驗證其準確性。關鍵詞：地下洞室;圍巖質量；質量評價;多級灰關聯分析

0前言

21世紀以來隨著地下工程項目的迅速發展，對諸如隧道、礦山、水工隧洞等圍巖安全性評價的要求越來越高[1]，圍巖質量評價也是設計和施工過程中極為重要的環節，不僅關系著工程進度、投資和施工形式，也關系著施工人員生命財產安全，因此，科學合理的評價圍巖條件，為提供安全可靠的開挖和支護形式提供理論依據[2]。截止目前，中國巖土工程領域采用最多的圍巖質量評價方法主要集中在以下3類：國標《工程巖體分級指標》中提出的圍巖質量評價方法[3]、RMR分級標準[4]和Q系統分級標準[5]。雖然這些圍巖評價方法在實際工程中解決了許多問題，為設計和施工人員所容易接受，但是這些評價方法都存在著一些不足，如圍巖參數無法呈現模糊性和隨機性，評價結果太過剛性，單純給出圍巖幾級，反映不出圍巖等級偏好問題，無法體現評價結果的不確定性。基于這一問題，本文提出采用多級灰關聯的方法進行圍巖質量評價，權重計算采用主成分分析的方法，避免了權重計算的主觀性，充分挖掘數據內在關系，并將該方法應用于實際工程中[6-7]。

1圍巖質量評價方法簡介

1.1圍巖評價指標及標準的建立

本文依據相關學者研究資料[8-10]，結合實際工程，提出將單軸抗壓強度Rc(MPa)、巖石質量指標RQD(%)、巖體完整性系數Kv、地下水滲水量Q(L/(min·10m))、巖體聲波速度V(m/s)和結構面走向與洞軸線夾角θ(°)6個因素作為分析指標，表1列出了圍巖評價等級標準。

表1　圍巖質量分類標準表

1.2系統多級灰關聯綜合評價方法

1.2.1樣本矩陣與標準矩陣歸一化

基于新疆布倫口-公格爾水電站地下洞室研究標段的地質力學參數，建立樣本矩陣，詳見表2，記為An×m，歸一化后矩陣記為(aij)n×m；標準矩陣由表1制定的標準構成，記為Bc×m，歸一化后矩陣記為(btj)c×m。本研究采用的歸一化方法為分段線性變化，對于指標為越大等級越優型采用下式進行變換[11]：

(1)

(2)

對于指標為越小等級越優型采用下式進行變換：

(3)

(4)

式中：n為評估指標的標段數量；m為評估指標的個數；c為標準的級別數;xij為第i個標段第j個指標的實測數據;Aij為第i年第j個指標的實測數據;Scj為第c個等級第j個指標的標準值;Stj為第j個指標標準限值的均值;S1j為第j個指標的邊界值。

表2　洞室各段圍巖指標參數值表

1.2.2權重計算

權重計算方法采用主成分分析法，其優點在于它的權數計算是根據指標真實數據的內在相關關系來確定的，從而避免了主觀隨意性，實現了客觀賦權。其計算步驟為：

(1) 根據標準化的數據矩陣(aij)n×m，計算相關系數矩陣Rn×m。

表3　各段圍巖指標權重值表

1.2.3關聯離散函數的計算

對樣本矩陣與標準矩陣進行歸一化，并在求得各指標的權重分配后，基于灰色系統理論構造滿足關聯空間的關聯離散函數[12]，具體步驟為：

(1) 計算關聯離散函數記樣本向量與標準向量的中第j個指標的絕對差，公式為：

(2) 計算關聯系數ξi(aj,bt)，公式為：

式中：ρ為分辨系數，0<ρ<1，本文ρ取0.5；t為指標標準限值的均值。

(3) 計算關聯度γjt(aj,bt)，公式為：

由關聯度γjt(aj,bt)可確定關聯度最大、隸屬度最高的某個子序列，即可得到各指標的綜合評價結果。

2圍巖質量評價結果

最終得到的多級灰關聯綜合評估結果以及其他方法的圍巖評價結果匯總于見表4。

表4　圍巖穩定灰色綜合評價結果表

由表4可知，通過本文方法進行圍巖質量評價的結果具有連續性，避免了傳統圍巖等級“一刀切”的弊端。例如，1號標段的圍巖評價結果是2.16，說明該段圍巖是偏向Ⅲ類的Ⅱ類圍巖，但是偏向Ⅲ類圍巖的程度較低，姑且可以評定為Ⅱ類圍巖；也可根據實際地質條件、工程重要性程度調為偏于更加保守的Ⅲ類圍巖。而對于2號標段，本文評價結果為2.98，雖然也屬于偏于Ⅲ類的Ⅱ類圍巖，但是由于其偏向Ⅲ類圍巖程度很大，此時即可評定為Ⅲ類圍巖。同時，將本文評價方法與傳統圍巖評價方法(QC法、BQ法、HC法和RMR法)相對比，結果具有一定的準確性，說明本文方法在能夠表述圍巖級別連續的條件下具有較為精確的評價結果，具有一定的應用價值。

3結語

(1) 針對傳統圍巖評價方法存在的不足，提出基于多級灰關聯的圍巖質量評價方法，評價結果呈現連續性，反映出圍巖質量的不確定性和隨機性，避免圍巖等級劃分太過“剛性”的弊端。

(2) 采用主成分分析法進行圍巖影響因子的權重計算，摒棄了主觀權重計算的不合理性，完全發揮待測圍巖標段參數本身的價值，權重結果更加符合客觀實際。

(3) 通過與傳統圍巖評價方法相互驗證，說明本文方法在實踐中具有一定應用價值。

參考文獻:

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[6]朱敏，楊栗.基于極限平衡法和有限元法的巖質高邊坡穩定性分析[J].西北水電,2012(03)：13-16.

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[10]康志強,馮夏庭,周輝.基于層次分析法的可拓學理論在地下洞室巖體質量評價中的應用[J].巖石力學與工程學報,2006,25(S2)：3687-3693.

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[12]夏軍.區域水環境質量灰關聯度評價方法的研究[J].水文,1995(02):4-9.

Surrounding Rock Quality Assessment Based on Multiple-stage Grey Correlation Method

HAO Jie

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi830000,China)

Abstract:Assessment of surrounding rock of underground cavern is with certain deviation compared with its actual situation due to uncertainty and randomicity of its mechanics parameters. The accurate assessment of surrounding rock quality becomes the important factor at design and construction stages. It impacts design scheme comparison & selection, construction technology and construction period. Therefore, the multiple-stage grey correlation method is proposed and applied for assessment of surrounding rock quality based on actual engineering demand to improve accuracy of assessment of surrounding rock quality. Furthermore, the calculation result is compared with that of the conventional method for surrounding rock assessment to verify accuracy of the assessment method of multiple-stage grey correlation. Key words:underground cavern; surrounding rock quality; quality assurance; multiple-stage grey correlation analysis

文章編號：1006—2610(2016)03—0024—03

收稿日期：2016-03-11

作者簡介：郝杰(1987- )，男，河北省萬全縣人，工程師，主要從事水利工程設計和研究工作.

基金項目：新疆水利水電工程重點學科資助(xjzdxk-2010-02-12)；新疆科技支撐項目(201233132).

中圖分類號：TV223.1

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.006