一種基于地質超前預報的隧道圍巖穩定性模糊綜合評估方法

王繼飛

（上海同濟檢測技術有限公司，上海市 200092）

0 引言

地下工程所處環境及地層賦存條件是十分復雜的，存在著隨機性、模糊性、未知性等不定因素，因此對隧道施工過程中的圍巖穩定性進行評估、圍巖穩定性預警標準隧道變形預測一直是巖土工程中的研究難點。影響圍巖穩定性的因素很多，在進行圍巖穩定性綜合評估時，主要考慮的因素有：巖石類別、地下水、結構面發育狀況、工程形態及開挖因素等。因此隧道工程在施工前都會進行地質調查和超前地質預報，通過超前地質預報可以獲取圍巖級別、地下水賦存情況、結構面節理裂隙發育情況等地質信息，這些信息對圍巖穩定性的影響至關重要，如何利用所獲取的信息準確的推測圍巖的穩定性，對后續的施工是十分必要的[1-6]。

1 圍巖穩定性影響因素

由于巖土體的復雜性，對于某一具體工程，各因素影響程度只能是一種模糊的經驗性判斷，定量地揭示這些因素的影響程度是很困難的，各影響因素與圍巖穩定性關系見表1。

表1 影響因素與穩定性狀態模糊關系

1.1 圍巖級別的影響

通過地質超前預報可以較為準確的獲取隧道的圍巖級別情況，根據經驗，巖石分屬不同級別時，對其相應的穩定狀態影響很大，而對其他狀態影響程度迅速下降，據此認為：巖石為某一特定基本時，其隸屬于對應的穩定狀態為1；隸屬于其他狀態迅速遞減，具體情況見表2。

表2 圍巖類別影響程度

1.2 結構面狀況的影響

電磁波預報設備（地質雷達）或者地震波設備（TGP等）可以較為準確的預測圍巖的結構面發育情況，如結構面類型、發育規律及結構面間的軟弱夾層充填情況等，將這些因素數值化，見表3。

表3 結構面影響模糊關系

1.3 地下水的影響

目前，地質超前預報中的瞬變電磁儀對圍巖中的地下水賦存情況可以做出較為準確的預報，對含水體的類型、位置、水量的大小等也可以做出較為準確的預報，本文從以下幾個方面考慮地下水的影響：水的類型、對圍巖作用的機理、圍巖開挖后的出水狀況等，具體處理見表4。

表4 地下水的影響分析

其中開挖后出水狀況評價根據水量由多到少分為四級：A、B、C、D級，當實際情況為哪一級時，即為1，否則為0。

1.4 工程影響因素

工程因素主要指工程形態和開挖因素，工程形態包括開挖體的幾何尺寸、工程用途及工程軸線與軟弱結構面的方位等。為了考慮地下工程的幾何尺寸對穩定性影響及工程用途不同對應不同的穩定安全程度，這里引入隧道開挖質量指標Q方法的一個參數即開挖體的“當量尺寸”De。De值是由開挖體的跨度、高度或直徑最大值除以所謂的開挖體的“支護比”ESR。

其中ESR與開挖體的用途和它所允許的不穩定程度兩者有關，地下電站主廠房，主要公路及鐵路隧道，民防設施，隧道入口及交叉點取值為1.0。

De值是反映工程形態對圍巖穩定性影響的參數，其物理意義為：ESR值越大（小），需要的支護程度越弱（強）。因此De與ESR成反比關系；工程尺寸越大（小），對穩定性影響程度越大（小），故De與工程尺寸成正比關系。

另外，不同的開挖手段對圍巖穩定性的影響不同，如機械開挖與光面爆破較普通爆破能更有效地保護圍巖強度和整體性。不同的開挖手段及開挖方法對圍巖穩定性的影響見表5、表6。

表5 開挖手段的影響分析

表6 開挖方法的影響分析

2 圍巖穩定性影響因素的權重確定

在圍巖穩定性評價問題上，不但各影響因素存在程度不一，且對于不同的穩定狀態，各因素影響也不相同，因此本文擬采用層次分析法（the Analytic Hierarchy Process,簡稱 AHP）來解決以上問題。AHP可以簡單地描述為：

確定指標體系→建立遞階層次結構→確定權重→多指標綜合。

權重的確定是AHP解決的核心問題，它是在專家調查的基礎上運用數學方法，在一定程度上減少了專家主觀因素的影響。

首先，建立遞階層次結構。

這是確定權重過程中最基本、最重要的一步。首先要把復雜的問題分解為各組成部分，稱作元素，把這些元素按屬性不同分為若干組，以形成不同層次。同一層次的元素作為準則，對下一層次的某些元素起支配作用，同時它又受上一層次元素的支配。這種從上至下的支配關系形成了遞階層次。因此，本文根據隧道圍巖穩定性的實際情況建立如下層次分析模型，見圖1。

圖1 影響圍巖穩定性因素層次分析模型

3 圍巖穩定性的模糊綜合評價

將模糊數學知識和經典綜合評判理論相結合，建立模糊層次綜合評估方法，其具體過程如下：

先根據實際情況計算各影響因素隸屬于各穩定狀態的模糊隸屬度，即：

根據模糊數學理論：

設穩定性狀態論域V為：

影響因素論域U為：

則影響因素對穩定性的模糊隸屬矩陣為

rij即為 uij。

模糊綜合評價數學模型為：

上式以不同模式計算，模型計算所得的結果不同。

因此在圍巖穩定性綜合評價時采用“加權平均型運算”是合理的。由上面所述的層次分析法可得影響因素的權重矩陣A為：

則“加權評價型”為：

可以得到隸屬于各穩定狀態的隸屬度大小：

采用模糊數學則進，取c=max（bi），即可以得到圍巖穩定性的類別。也可通過加權平均集化方法得到圍巖穩定性狀態的量化評估值來綜合反映圍巖的穩定情況。

4 總結和建議

通過建立本文所述的模糊綜合評估模型，可以較為方便的對公路隧道圍巖的穩定性進行一個定量的評估，對動態設計和施工方法的及時調整具有良好的指導意義，但在具體實施的過程中，還需要注意以下幾點：

（1）超前預報人員需要較為豐富的地質知識和從業經驗，這樣所獲取的超前地質預報結果才更準確，后續的評估結果也相應的更為精確。

（2）評估人員可根據某一工程現場的實際情況對部分指標的權重進行調整，使模型更接近實際情況。

（3）應將現場的實際情況和預測結果經常進行比對，如發現預測結果有偏離情況，則應對模型進行檢查調整,以得到更加科學、準確的結論。

（4）積極運用新技術、新方法、新設備，提高超前預報的精度和效率，以此提高預測結果的準確性、可靠性。