基于層次分析法的綜合超前地質預報及應用

陳素敏，王馨霆，袁真秀，左戰旗，郁金龍

基于層次分析法的綜合超前地質預報及應用

陳素敏，王馨霆，袁真秀，左戰旗，郁金龍

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司隧道設計分公司，天津 300133）

綜合超前地質預報是通過不同預報方法，在隧道施工中探明不良地質，降低工程風險的有效技術手段。不同預報手段的有效組合成為綜合超前地質預報工作的關鍵，為了避免預報手段的隨意組合、效率低下的問題，結合預報工程的實際情況，采用層次分析法及Yaahp軟件進行多層次組合評價，定量化各種預報手段對預報最佳方案的權重，合理選擇出以超前鉆探為主，地質雷達、地質分析、TSP為輔的綜合預報手段組合。經過城市地鐵預報工作的實際應用，在應對地質環境復雜多變、環境影響因素較多的隧道預報中，顯示了良好的效果。

層次分析法；綜合超前地質預報；Yaahp軟件；判斷矩陣；地鐵

我國已成為隧道修建規模和難度最大的國家[1]，隨著城市的快速發展，地鐵建設受到各屆政府的重視。在地質環境復雜的城市里，對地鐵建設要求更加規范嚴格。城市地下管線的密集分布、建筑基礎多樣、地質條件復雜給施工帶來嚴峻挑戰[2-4]?？辈旃ぷ魍荒軠蚀_查明地質災害的具體位置、規模，為了減少施工的盲目性，避免無法預料的地質災害的發生，施工的超前地質預報尤為重要。

超前地質預報主要通過地質分析、物探、超前鉆探等手段，對隧道開挖工作面前方的圍巖情況進行檢測，以查明不良地質體的性質、位置、規模等，有效指導現場施工[5-7]。目前，超前地質預報比較成熟的手段主要為地質調查法、地質雷達、TSP、超前鉆探、紅外探水等手段，不同預報手段具有不同的特點，根據現場施工及環境條件選擇最佳方法組合進行綜合超前地質預報尤為關鍵，避免了預報的盲目性[8-10]。以往綜合超前地質預報手段主要依賴人為感覺進行選擇，往往不能有效地組合，給預報成本、效果帶來影響。

根據隧道開挖工程地質情況，結合系統工程方法有針對性地制定隧道超前地質預報方案，并進行定量綜合評價，具有重要意義。

層次分析法及模糊綜合評價能夠科學地進行決策與評價，以解決超前地質預報方法在結構復雜工程中的決策問題。

1 層次分析法

層次分析法（AHP）是由美國運籌學家L.T.Saaty等人在20世紀70年代提出的一種定性定量相結合的多屬性決策分析方法[11]。通過比較相關因素對目標的影響，將主觀判斷用數據表達，以確定多種因素在目標中的權重，并利用構建模糊評判矩陣進行多層次模糊綜合評判決策。本次主要通過Yaahp軟件進行模型建立及計算。

1.1 層次結構模型的建立

層次模型中，將復雜問題分解為多個元素，元素根據不同性質又分為多組，層次模型中一般分為3類：目標層、準則層、指標層[12]，考慮貴陽地鐵超前地質預報方案選擇因素及重要性，將目標層設置為貴陽地鐵超前地質預報最佳方案。預報過程評價準則層主要從探測準確性1、技術可靠性2及經濟合理性3方面考慮。每一準則層又結合實際情況細化為不同的評價指標，層次結構模型見表1。

表1 層次結構模型

1.2 構造判斷矩陣

層次結構模型反映了因素之間的關系，需要確定衡量目標層各準則層、指標層及方案層所占權重。層次分析法的核心是基于上層目標對下層因素之間的兩兩比較，決定下層元素對上層元素的重要程度，即構成多元素比較判斷矩陣，如下式為-i判斷矩陣形式公式（1）。

式中，-為下層元素和相對于之間的相對重要性；為第個目標和第個目標的相對重要程度；且>0，=1/，=1。

根據層次分析標度一般采用1～9標度法（見表2）。

表2 層次分析法判斷標度

相對目標層，對準則層各因素進行兩兩比較，得到判斷矩陣-；相對準則層，對指標層分組進行兩兩比較，得到判斷矩陣1-、2-、3-；同理以指標層為準則，對方案層進行兩兩比較，得到-、-、-。因此，將得到15組判斷矩陣。

1.3 判斷矩陣計算方法

根據判斷矩陣計算最大特征值與特征向量，一般采用求和法或求根法計算特征值的近似值。

1.4 一致性檢驗

一致性檢驗是衡量判斷矩陣質量好壞的標準，可以有效避免判斷過程中的邏輯錯誤。通過最大特征根l計算判斷矩陣偏離的一致性指標CI：

CI=（l–）/（–1） （4）

式中，為判斷矩陣的階數。

一致性指標CI與同階平均隨機一致性指標RI之比為隨機一致性比例CR：

CR=CI/RI （5）

當CR<0.10時，判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要判斷矩陣的比較值，使之通過一致性要求。

2 基于Yaahp的層次分析法計算

Yaahp是一款層次分析法輔助軟件，主要集成模型構造、計算及分析于一體，對整個決策過程進行監控，利用該軟件繪制層次模型非常直觀，結合本地區預報的實際情況，擬選擇篩選的探測方法為地質分析法、地質雷達、TSP、紅外探水及超前鉆探，基于此建立評價模型，如圖1所示。

圖1 層次結構模型建立

根據已建立的模型，利用1～9標度法進行判斷比較，分別建立-，1-、2-、3-，同理建立-（=1～6）、-（=1、2）、-（=1～3）共計15組判斷矩陣，見表3～表6。判斷矩陣-表示對于總目標1-33個因素的重要程度；1-、2-、3-表示各種分組指標對各準則層的相對重要性比較；-、-、-表示探測方案在相應各指標中的重要性比較。

表3 判斷矩陣A-B

表4 判斷矩陣B1-C

表5 判斷矩陣B2-E

表6 判斷矩陣B3-F

同理，比較可以得到-、-、-的判斷矩陣。根據yaahp軟件，自動計算各判斷矩陣的特征向量及最大特征值，見表7。

由此可見，判斷矩陣一致性比例CR值均小于0.1，符合一致性要求。

表7 Yaahp計算結果

得到每一層的各元素的權重，依據層次分析模型，自下而上進行對目標層的綜合權重進行計算。由表7可得地質分析法1的綜合評判結果：

探測準確性：

技術可靠性：

經濟合理性：

目標層權重：

同理，可得到地質雷達2、TSP3、紅外探水4、超前鉆探5對目標層的權重，見表8。

由表8可知，本次預報綜合重要性排序依次為超前鉆探、地質雷達、地質分析、TSP、紅外探測。由于地鐵施工中地質條件的復雜性、地下水發育的實際情況，應綜合考慮，采取超前鉆探、地質雷達、地質分析、TSP等手段組合預報。地質分析有助于把握所測地區的地質背景，有針對性地進行預報；超前鉆探對圍巖級別及水的判斷十分準確，但存在一孔之見的弊端；地質雷達的短距離探測和TSP長距離探測，通過相鄰介質的物性差異，有助于宏觀把握地質異常位置，但存在多解性的特點；因此在本次預報中，應采用組合預報手段，效果最佳。

表8 方案層對決策目標的排序權重

3 綜合預報實例

貴陽地鐵某線路區間屬巖溶槽谷地貌，區間受褶曲及斷裂構造影響。第四紀覆蓋層較薄，下伏侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系等地層，巖性主要以灰巖、白云巖為主，次為泥質灰巖、泥質白云巖、砂巖、頁巖等，節理裂隙較發育，圍巖完整性較差。擬建區間地下水類型主要有：上層滯水、第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水，線路穿越市區河道，地下水補給充分。

地質分析法顯示該段以灰巖為主，部分地段夾煤層，由于地下水較發育，初步判斷存在巖溶及采空區的可能性，遂重點對該段進行超前地質預報。

采用瑞典MALA-X3M地質雷達對掌子面里程ZDK31+015進行掃描，經過對數據進行去直流漂移、找直達波、增益（energy decay）、去水平信號、帶通濾波（bandpass butter worth）、滑動平均等步驟的處理[13]，得到地質雷達剖面圖（見圖2）。剖面圖顯示該段振幅較大，物性差別較大；同相軸不連續，且無明顯的雙曲線特征，說明該段圍巖較破碎；頻率主要為低頻信號，受地下水影響較大，說明預報前方范圍內地下水發育，綜合分析得出該預報里程ZDK31+016～ZDK31+035圍巖較破碎～破碎、節理裂隙發育、地下水發育，在ZDK31+030附近該段存在溶洞或采空區的可能。

圖2 地質雷達剖面

TSP（tunnel seismic prediction）采用最新的TSP203Plus儀器，在隧道掌子面附近邊墻一定范圍內布置激發孔，通過在孔中人工激發地震波以球面波的形式在隧道圍巖中傳播，當圍巖波阻抗發生變化時（例如遇巖溶、斷層等），一部分地震波將會被反射回來，另一部分地震波將會繼續向前傳播[14，15]。通過對原始數據進行放大、能量均衡、濾波等流程的處理。從地震波形記錄中拾取縱波波至和橫波波至，根據爆炸點與檢波器的距離可分別計算各段圍巖的縱波速度p和橫波速度s。p和s值的大小綜合反映了圍巖的物理力學性質，根據p和s值可直接計算動力學參數，即計算動彈性模量d、動剪切模量d和泊松比d（見圖3）。

根據TSP地震波反射層及物理力學參數成果圖可以得出，在里程ZDK31+020～ZDK31+030范圍，p和s都有所降低，其中s降低的幅度更大，說明存在流體，這樣反映到p/s、泊松比顯示升高，表示該范圍地下水影響較大；在該段密度降低，說明圍巖破碎；楊氏模量的下降表示該段內巖性較軟。綜合分析，得到該段范圍地下水發育，節理裂隙發育，存在夾層或巖溶、采空區的可能。

圖3 TSP法反射層位及物理力學參數成果圖

通過在掌子面ZDK31+016位置進行超前鉆探，發現在ZDK31+026處存在空洞，且出水量較大（見圖4）。因此在指導施工過程中，建議開挖后及時錨噴支護，防止巖體失穩坍塌，以確保隧道施工設備及人員的安全，同時做好防水降排工作。經開挖發現在ZDK31+028位置存在煤炭采空區，厚度約為0.7～1.5 m，采空區傾角約40°～50°，呈南北走向橫穿整個隧道斷面（見圖5）。由于預報及時，加強支護，成功發揮了超前預報的功能，為施工順利實施起到了保障作用。

圖4 超前鉆探

圖5 采空區現場

4 結語

本文以貴陽地鐵某線路隧道工程為研究對象，在分析該隧道相關工程地質情況及施工條件的基礎上，引入層次分析法建立了多層次綜合評價模型，給出了超前地質預報最佳方案，通過逐層次評價后再綜合評判使得復雜方案決策得到量化。實際應用該超前地質預報組合，達到了較好的預報效果。

1）引入系統工程學中的層次分析法，利用Yaahp軟件建立多層次綜合評價模型，根據實際工程情況，建立各指標層的判斷矩陣，得到了各層特征向量、最大特征根等數據，并通過了一致性檢測。

2）層次分析法將影響決策方案的各影響因素進行多層次分組分析，并賦予各指標因素以權重，通過綜合評判計算得到相對預報最佳組合的各方案權重，有效將預報方案進行數學化處理。

3）將層次分析法選擇的超前鉆探、地質雷達、地質分析及TSP探測組合應用到實際工程地質預報中，取得了良好的實際效果。

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（編輯：郝京紅）

Comprehensive Advanced Geological Prediction and Application Based on the Analytic Hierarchy Process

CHEN Sumin, WANG Xinting, YUAN Zhenxiu, ZUO Zhanqi, YU Jinlong

(China Railway Liuyuan Group Co., Ltd., Tianjin300133)

Comprehensive advanced geological prediction is an effective technique to detect bad geological features and reduce engineering risks in tunnel construction through different forecasting methods. The effective combination of different forecasting methods is the key to comprehensive geological prediction. In order to avoid the random combination of forecasting methods and inefficient problems, combined with current developments in forecasting engineering, AHP and Yaahp software were used to evaluate the multi-level combination, quantify the weights of the various forecasting methods to predict the best solution. A comprehensive forecasting combination methods is proposed, which focuses on reasonable selection of advanced drilling, and is aided with geological radar, geological analysis, and TSP, etc. The practical applications of the urban metro forecast are shown in the tunnel forecast for complex and changeable geological environments and other factors.

analytic hierarchy process; comprehensive advanced geological prediction; yaahp software; judgment matrix; metro

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.017

U231

A

1672-6073(2018)05-0086-07

2017-10-29

陳素敏，男，碩士研究生，助理工程師，從事隧道超前地質預報及城市軌道交通勘察工作，610184710@ qq.com