隧道施工引起的地下水環境負效應評價體系研究

萬炳彤， 鮑學英， 李愛春

(蘭州交通大學 土木工程學院， 甘肅 蘭州 730070)

1 研究背景

環境效應特指由于人為活動或自然過程而引發環境系統結構和功能改變的一種環境效果。環境負效應即指對環境造成的不良效果[1]。隧道開挖會破壞隧址區原有的地下水循環系統，造成一系列的地下水環境負效應，主要表現為以下幾個方面：出現隧道內涌水，造成地下水位下降，水資源流失；疏干漏斗擴大，造成洞頂地表水資源的涸竭、地表塌陷等災害；出現土壤缺水情況，造成植被無法正常生長，破壞生態環境[1-3]，其影響機理如圖1所示。目前，已有不少學者在關于隧道建設對地下水環境產生的負效應方面進行了一些研究[1-4]。但是，現有的研究多見于分析隧道施工對地下水環境產生負效應的成因、表現形式與對應的的控制措施上，而對產生負效應的程度等級方面的評價研究卻為數不多。隧道工程地下水環境負效應評價體系研究作為隧道工程地下水環境負效應方向的重要分支，不僅能夠量化對水環境的影響程度，為隧道工程的生態環境負效應評價提供理論基礎，同時也為隧道工程選址優化、隧道安全施工、隧道區域生態修復工作提供理論參考[1]。目前，現有的主要研究成果有：劉建[5]以墊鄰高速銅鑼山隧道為例，構建了基于地下水補給源— 徑流途徑—隧道受體為框架的指標體系，并利用模糊評價模型對其進行了綜合評價。白明洲等[6]認為隧道涌水是造成地下水環境負效應的主要原因，故考慮了誘發隧道涌水的各項因素，建立了隧道工程地下水環境負效應評價的層次模型，同樣應用模糊數學方法進行了綜合評價。上述研究在隧道施工引起的地下水環境負效應評價方面均發揮了重要作用，但在科學合理地解決這類問題上均存在一定的局限性。例如劉建[5]在充分考慮誘發隧道涌水因素的基礎上，從自然地理、水文地質、隧道工程3個方面出發，構建了一套科學完善的隧道工程地下水環境負效應評價體系，具體指標多達19個，并應用了模糊綜合評價法進行了評價分析。但該模型存在固有缺陷，即因數集(指標個數)較大時，相對隸屬度權系數變小(權向量和為1)，出現權向量和模糊矩陣 不匹配的現象，從而引發超模糊現象，難以識別各等級的隸屬度高低，影響評價效果[7]。故該模型在評價隧道施工引起的地下水環境負效應時缺乏合理性。白明洲等[6]在構建層次模型時，僅考慮了自然地理與水文地質因素，忽略了隧道施工因素與地下水環境的相關性，構建的評價體系缺乏科學完善性。隧道建設時影響地下水環境的因素復雜多變，具有不確定性，很難用簡易的方法對隧道工程地下水環境負效應進行量化評價，且隧道建設時影響地下水環境的因素例如地表匯水面積、多年平均蒸發量、可溶巖出露面積比率等指標信息無法避免的會出現實測資料不完全、測量值不精確等原因所導致的不確定性，這種純主觀認知上的不確定性稱為未確知性。

未確知測度模型是一種適用于大數據集的不確定性分析方法，能夠解決隧道施工引起的地下水環境負效應評價中諸多因素的未確知性，還能對其進行定量分析。基于此，本文根據《鐵路工程水文地質勘察規范》(TB/10049-2014)中的8.24節及其他相關文獻，建立了一套科學完善的評價體系，并建立各項指標與地下水環境負效應間的未確知測度模型，應用AHP法求出各指標權重，獲得多指標加權綜合測度，從而得出基于未確知測度理論的評價模型(具體過程如圖2所示)。最后利用某工程實例對該模型加以驗證。

圖1 隧道施工對地下水環境的影響機理

圖2 基于未確知測度理論的評價模型

2 未知測度評價模型

設O1,O2,…,On代表n個待評價地下水環境負效應的隧道工程，其構成的集合O={O1,O2,…,On}稱作評價對象空間，任取Oi∈O(i=1,2,…，n)都有m個評價指標S1,S2,…，Sm，其構成的集合S={S1,S2,…，Sm}稱為評測空間，xij(j=1,2,…，m)表示第i個隧道工程Oi關于評價指標Sj的實測值。對于每個實測值xij都劃分成q個負效應等級C1,C2,…，Cq，其構成的集合E={C1,C2,…，Cq}稱作評價空間。其中Ck代表隧道工程地下水環境的第k個負效應等級，且k級負效應弱于k+1級，即Ck>Ck+1[8]。

2.1 單指標測度

若μijk=μ(xij∈Ck)代表實測值xij隸屬于第k個負效應等級Ck的范圍，且滿足：

O≤μ(xij∈Ck)≤1

(1)

μ(xij∈E)=1

(2)

(3)

則稱μ為未確知測度[9-11]，(μijk)m×q稱作評價對象Oi的單指標測度評價矩陣，表示為：

(4)

利用最常用的直線型測度函數[12]，如公式(5)所示，計算各評價對象的單指標測度評價矩陣。

式中：dk為評價對象實測值區間上分布的點，設第k個負效應等級的取值區間為[dk-1,dk]，實測值從dk升高到dk+1時，對于第k個負效應等級的隸屬度慢慢減少，至dk+1時，降為0，相應的對第k+1個負效應等級的隸屬度由0增加到1。

2.2 多指加權標綜合測度

(6)

(i=1,2,…,n;k=1,2,…,q)

2.3 置信度識別

(7)

則第i個隧道工程Oi施工引起的地下水環境負效應屬于Ckr等級。上述準則認為“負效應低”的類應占相當大的比例。實際應用中置信度取0.6～0.7之間[14]，本文取λ=0.6。

2.4 排序

得知各隧道工程的負效應等級后，還可以對其負效應程度進行排序，從而使評價結果更加直觀，便于針對性地對隧道區段施行相應的優化措施。已知C1>C2>C3>…>Cq，取Ck(k=1,2,…,q)的分值為Ik，則Ik>Ik+1。且

(8)

式中：doi稱為評價對象Oi的未確知重要度，其構成的集合d={do1,do2,…,don}稱為未確知重要度向量[14]。根據各隧道工程的未確知重要度大小即可獲知其最終的地下水環境負效應程度排序。

3 評價指標體系與分級標準

3.1 評價指標體系的構建

根據《鐵路工程水文地質勘察規范》(TB/10049-2014)8.24節及參考文獻[15]，在充分考慮誘發隧道涌水因素的基礎上,從地質-水文地質、自然地理、隧道工程3個方面出發構建評價指標體系，并將各指標運用Delphi法進行篩選，最終篩選出洞頂水頭壓力等19個具體指標，構建出隧道工程地下水環境負效應評價指標體系如圖3所示。

3.2 地下水環境負效應分級標準

分級標準參照國內外現有研究成果[15-18]常用的地下水環境負效應劃分標準，將評價對象關于各評價指標的實測值xij劃分為5個負效應等級，即E={C1,C2,…,C5}，C1，C2，C3，C4，C5依次對應：很弱(I)、較弱(II)、中等(III)、較強(IV)、很強(V)，具體分級標準如表1所示(注：巖層富水性S3按補給模數(M)劃分[5])。各負效應等級對應的表現形式如表2所示。

4 實證研究

以重慶市渝懷鐵路歌樂山隧道為例[15]，該隧道全長4 050m,對應里程DK1+560～DK5+610。最大洞高7.25 m，洞頂最大埋深28 m。隧址區氣候屬于亞熱帶季風濕潤氣候，多年平均降雨量為1 082 mm，多年評均蒸發量為766.2mm，根據該隧道工程相關設計參數，結合隧址區地質-水文地質情況、自然地理情況、現場調查情況，按圖3獲得該工程各項指標的實測值如表3所示。

根據表1與公式(5)，分別構建各負效應評價指標的測度函數圖如圖4所示(其中定性指標I級取9分，II級取7分， III級取5分，IV級取3分，V級取1分)。

圖3 隧道工程地下水環境負效應評價指標體系

評價指標地下水環境負效應等級IIIIIIIVVS1/%<3030～5050～7070～90>90S2/MPa<0.50.5～1.01.0～3.03.0～5.0>5.0S3/104(m3·a-1·km-2)<55～1010～1515～20>20S4不發育較差一般較發育發育S5補給區弱補給區弱徑流區強徑流區排泄區S6無褶皺平緩褶皺裂隙較發育的褶皺裂隙發育的褶皺斷層發育的褶皺S7泥巖、黏土巖砂巖、細砂巖花崗巖、火成巖風化變質巖石灰巖等可溶巖S8/km2<1010～2020～4040～80>80S9/mm<600600～800800～10001000～1600>1600S10/mm>800600～800500～600400～500<400S11<0.050.05～0.150.15～0.300.30～0.50>0.50S12/104 m3<5050～100100～500500～1000>1000S13平坦單斜面型山谷側下方平行型橫貫河流型山谷正下方平行型S14/(m3·s-1)<0.10.1～0.50.5～2.02.0～10.0>10.0S15TBM法新奧法鉆爆法分部開挖鉆爆法臺階法鉆爆法全斷面S16/m2<5050～120120～250250～350>350S17/km<0.10.1～0.30.3～1.01.0～3.0>3.0S18/km<0.40.4～1.01.0～2.02.0～3.0>3.0S19/m<100100～300300～500500～1000>1000

表2 地下水環境各負效應等級的表現形式

表3 各項評價指標的實測值

圖4 各項負效應評價指標的測度函數圖

S1S2S3S4S5S6S7S8S9S100.06790.03930.07050.08340.06810.06170.07810.03870.05350.0251S11S12S13S14S15S16S17S18S190.03860.04190.05390.04190.04770.03620.05540.05380.0445

將表3中地下水環境負效應評價的各項指標取值分別代入圖4所對應的各負效應指標的測度函數圖中，得到渝懷鐵路歌樂山隧道工程的單指標測度矩陣μ1jk如下：

文獻[15]根據隧道工程地下水環境負效應評價指標體系(圖3)，利用AHP法和10位地質—水文地質、自然地理、隧道工程等領域的專家打分構建出多層次評價模型層間的判斷矩陣。獲得各負效應指標的總排序權重如表4所示。

表5 渝懷鐵路歌樂山隧道工程地下水環境負效應評價結果

5 結 論

(1)本文根據《鐵路工程水文地質勘察規范》(TB/10049-2014)及相關文獻，在充分考慮誘發隧道涌水因素的基礎上,從地質-水文地質、自然地理、隧道工程3個方面出發建立了隧道工程地下水環境負效應評價的層次模型。

(2)考慮到隧道工程地下水環境負效應評價中信息的不確定性和未確知性，建立評價指標與地下水環境負效應間的未確知測度模型，結合AHP法求出的各指標權重，得到多指標加權綜合測度，從而得出基于未確知測度理論的評價模型。

(3)利用本文所構建的評價體系對渝懷鐵路歌樂山隧道某區段引起的地下水環境負效應進行了評價,其結果為IV級，即該區段隧道工程引起的地下水環境負效較強。且評價結果同模糊綜合評價法求出的負效應等級一致，驗證了本文所構建評價模型的可靠適用性。