地表積水對(duì)隧道安全影響及其發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究

鄭建春，高冰月，何 健，孫世國(guó)

（1.北京城市系統(tǒng)工程研究中心，北京 100035；2.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144）

地下軌道交通是城市交通運(yùn)營(yíng)的主要手段之一，但當(dāng)城市遭遇突降暴雨且排水能力不足的極端天氣災(zāi)害問(wèn)題時(shí)，地下隧道的安全會(huì)受到影響。目前，降雨入滲的主要研究對(duì)象為路基、邊坡、山嶺隧道等[1-7]，針對(duì)地表積水問(wèn)題導(dǎo)致的降雨入滲對(duì)隧道的影響研究甚少。在建立評(píng)價(jià)體系方面，由于層次分析法受主觀影響較大[8-9]，而熵權(quán)理論在計(jì)算中偏客觀[10]，故采用改進(jìn)層次分析和熵權(quán)理論分別確定指標(biāo)主觀和客觀權(quán)重，并采用博弈論計(jì)算指標(biāo)綜合權(quán)重，對(duì)隧道進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)[11-12]。以北京市豐臺(tái)區(qū)14 號(hào)線地鐵隧道工程為案例，針對(duì)極端天氣降雨條件下地鐵隧道的安全問(wèn)題進(jìn)行研究，探索隧道圍巖在不同含水率及地表不同積水深度工況下其圍巖應(yīng)力場(chǎng)演化特點(diǎn)與規(guī)律，并基于博弈論對(duì)隧道安全進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)，找出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

1 不同工況下隧道安全數(shù)值模擬

1.1 工程地質(zhì)概況

該區(qū)域按照地層沉積年代、成因類型、地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)地層進(jìn)行劃分，具體各土層巖性及分布特征劃分為：①人工堆積層，主要包含粉土填土層、細(xì)砂填土2 層，該地層土厚度1.90～6.80 m，土質(zhì)不均，工程性質(zhì)差；②新近沉積層，主要包含粉土層，屬中高壓縮性土，局部細(xì)砂、粉質(zhì)黏土夾層，含云母、氧化鐵；粉質(zhì)黏土層屬中高-高壓縮性土；③第四紀(jì)沉積層，主要巖性特征包含卵石、圓礫層屬低壓縮性土，粉質(zhì)黏土層屬中壓縮性土，主要以卵石層屬低壓縮性土為主。

1.2 數(shù)值模擬分析模型建立與參數(shù)選取

數(shù)值模擬模型尺寸為x 方向100 m、y 方向50 m、z 方向隧道埋深為13.8 m，隧道高7.7 m、隧道下方土體取25 m，模型累計(jì)劃分277 127 個(gè)單元。按Mohr—Coulomb 破壞準(zhǔn)則。邊界設(shè)計(jì) x 方向、y 方向和z 方向底部為約束邊界。隧道襯砌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)為不透水結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型如圖1。根據(jù)地勘報(bào)告中地層分布及參數(shù)，主要力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 模型單元?jiǎng)澐諪ig.1 Model unit division

1.3 隧道豎向應(yīng)力演化特點(diǎn)

1.3.1 降雨工況

考慮到城市排水能力不足的問(wèn)題，雨水會(huì)存積在地表，導(dǎo)致地鐵上覆土體積水。隨著降雨時(shí)間的增加，土體含水率逐漸升高。土體在不同含水率的條件下強(qiáng)度值產(chǎn)生變化，當(dāng)土樣中含水率增加時(shí)，有效應(yīng)力由于孔隙水壓的影響而降低，土體抗剪強(qiáng)度減弱，土的黏聚力及內(nèi)摩擦角隨之減小。通過(guò)模擬降雨入滲土體含水率的增加，分析不同降雨情況下地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。根據(jù)降雨持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)過(guò)程，設(shè)置了土體含水率從10%增加至30%的工況模擬真實(shí)降雨入滲的情況。城市強(qiáng)降雨帶來(lái)的影響除了隧道上覆土的含水率增加，同時(shí)伴隨著城市排水能力不足引起的土體表面積水，設(shè)計(jì)積水深度分別為 0.5、1.0、1.5、2 m 4 種工況下模擬研究隧道安全狀態(tài)演化特點(diǎn)。

表1 各地層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of each layer

1.3.2 不同工況下的隧道豎向應(yīng)力

在含水率由10%增加至30%的過(guò)程中，隧道拱頂處豎向應(yīng)力呈現(xiàn)先穩(wěn)定后增加的變化規(guī)律，豎向應(yīng)力增加了0.006 MPa，增加了1%；隧道拱肩處豎向應(yīng)力呈現(xiàn)先穩(wěn)定后減小的變化規(guī)律，豎向應(yīng)力減小了0.002 MPa，減小了0.3%；拱腰和拱底處豎向應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后增加的變化規(guī)律，豎向應(yīng)力分別浮動(dòng)了0.016 MPa 和0.001 MPa。隧道襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化在容許范圍之內(nèi)處于安全狀態(tài)。

隧道關(guān)鍵位置的豎向應(yīng)力變化值如圖2 和圖3。隧道拱頂、拱肩、拱腰和拱底處的豎向應(yīng)力均隨著積水深度的增加而增大。在積水深度由0.5 m 升高至2 m 的過(guò)程中，隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱底處豎向應(yīng)力分別增加了 0.047、0.026、0.27、0.027 MPa，分別增大了6.9%、6.1%、5.5%、4.8%。拱頂處的豎向應(yīng)力增量最大，但沒(méi)有超出結(jié)構(gòu)容許值，說(shuō)明隧道是安全的。

2 基于博弈論隧道安全預(yù)測(cè)及其防控技術(shù)

2.1 比較矩陣

采用 3 標(biāo)度理論建立指標(biāo)比較矩陣，相比于9標(biāo)度理論具有操作性強(qiáng)、計(jì)算簡(jiǎn)單，易于主觀評(píng)價(jià)者掌握和有效降低主觀因素影響等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)3 標(biāo)度理論建立的比較矩陣A 為：

圖2 不同含水率條件下隧道拱頂豎向壓應(yīng)力Fig.2 Vertical compressive stress of tunnel vault under different moisture contents

圖3 不同積水深度條件下隧道拱頂豎向壓應(yīng)力Fig.3 Vertical compressive stress of tunnel vault under different water depth conditions

其中aij表示如下：

2.2 評(píng)價(jià)體系

建立全面的綜合體系是評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)，隧道主要受到地質(zhì)條件和環(huán)境條件的影響，這些因素都具有隨機(jī)性和模糊性的特點(diǎn)，在分析了大量影響因素、咨詢相關(guān)專家和參考大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,建立的隧道在極端降雨條件下的安全性評(píng)價(jià)體系如圖4。

圖4 隧道在極端降雨條件下安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.4 Safety evaluation index system of tunnel under extreme rainfall conditions

將安全性評(píng)價(jià)分為5 個(gè)等級(jí)，分別為極安全、安全、基本安全、不安全和極不安全，不同等級(jí)劃分見(jiàn)表2。根據(jù)所生成的單指標(biāo)云圖可以獲得不同隧道指標(biāo)在不同等級(jí)下的單指標(biāo)確定度，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到綜合確定度，綜合確定度的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 隧道在極端降雨條件下各類指標(biāo)等價(jià)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Equivalent classification criteria of various indexes under extreme rainfall conditions

表3 綜合確定度計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of comprehensive determination

根據(jù)綜合確定度的計(jì)算結(jié)果和最大隸屬度原則，可知3 個(gè)隧道的安全性等級(jí)分別為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查結(jié)論完全一致。

3 結(jié) 論

1）隨著上覆地層含水率的增大，隧道圍巖的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力依次增大，但增大幅度不大，對(duì)隧道安全性影響不大。

2）一般隨地面積水深度增加，隧道圍巖應(yīng)力遞增較大，當(dāng)積水深度達(dá)到2 m 時(shí)，最大壓應(yīng)力增量增加7%，對(duì)隧道薄弱環(huán)節(jié)的安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響，易產(chǎn)生滲水等危害。

3）基于博弈論建立了隧道安全評(píng)價(jià)方法。傳統(tǒng)的層次分析法和熵權(quán)理論在確定指標(biāo)權(quán)重的影響較大，導(dǎo)致權(quán)值計(jì)算結(jié)果可靠性低；采用博弈論理論，計(jì)算指標(biāo)綜合權(quán)值提升了評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。針對(duì)云模型在分析具有隨機(jī)性與模糊性特點(diǎn)問(wèn)題具有突出優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合隧道受到多種因素影響的實(shí)際案例，從工程地質(zhì)、環(huán)境和工程施工方法3 個(gè)方面選取了12 個(gè)指標(biāo)，建立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并將該理論評(píng)價(jià)模型應(yīng)用到隧道安全性分析，獲得了滿意的效果，為安全評(píng)價(jià)提供了一條量化分析新思路。