基于模糊綜合判別法的隧道巖爆烈度等級預測

趙鄉委

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

現代隧道建設逐漸朝著長、大、深埋的方向發展，大埋深勢必會導致隧道巖爆地質災害頻發。自1738年在英國錫礦坑道中首次發現巖爆現象以來，巖爆已成為地下工程普遍關注的一種地質災害。我國在歷經錦屏水電站輔助隧洞巖爆、二郎山隧道巖爆等巖爆事故后，現已形成一套較為有效的巖爆處置方案，但是目前關于巖爆預測仍然是隧道建設中的薄弱環節。楊建[1](2005年)將系統決策論與模糊數學相結合，提出利用層次分析-模糊綜合評價法(AHP-F)對巖爆進行綜合預測。該方法將多種因素綜合考慮，彌補了傳統單因素預測方法的不足。龍浪波[2](2015年)進一步將模糊-層次法推廣到隧道工程巖爆預測中，結合隧道建設特點對巖爆因素集的選取做了深度改進。最后以大相嶺隧道為依托開展模糊-層次法巖爆預測的驗證。

本文在已有研究基礎上將隧道施工因素引入到巖爆預測中，擴大因素集的范圍，對因素集重新選取，使巖爆預測能夠全面考慮隧道建設過程中的各方面因素，最終以都汶高速福堂隧道為工程依托，對本文所構建的巖爆因素集、風險層次結構、權重確定方法的合理性進行驗證，提出一套較為細致詳盡的巖爆模糊-層次預測方法。

1 工程概況

福堂隧道位于四川省汶川縣銀杏鄉桃關村境內，總長4 382m，隧道整體埋深較大，最大埋深669m。隧道傍山通過岷江右岸的山地斜坡，隧道軸線上呈現波狀起伏，高程差異大。隧道穿越巖層主要為第四期花崗巖及后期侵入的輝綠巖，圍巖級別為V～Ⅱ級。其中Ⅱ、Ⅲ級圍巖段巖體較為完整，局部破碎，掌子面處于滲水～滴水狀態，巖爆頻發。

2 模糊-層次法基本判別原理

2.1 巖爆因素集確定

巖爆是地下工程開挖過程中，堅硬、脆性圍巖在高應力條件下，因開挖擾動導致圍巖應力重新分布和應力集中，巖體內儲存的彈性應變能突發性的急劇釋放，產生的爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現象的一種動力失穩、破壞性的地質災害[3]。從巖爆發生條件分析，巖爆影響因素準則層可以劃分為地質風險因素U1和施工風險因素U2，其中結合傳統巖爆預報方法[3-4]：應力強度比法、Russense判據法、Turchaninov判據，將地質風險因素U1進一步劃分為指標層U11、U12、U13、U14、U15。施工風險因素主要來自于開挖引起的應力集中，同時初期支護能對巖爆起到一定的限制作用，因此將施工風險因素進一步劃分為開挖方案U21和支護方案U22指標層。巖爆風險層次結構體系(圖1)。

圖1 巖爆風險層次結構體系

2.2 構造判斷矩陣

巖爆因素層次結構確立之后，需要構造判斷矩陣確定各因素對上一層結構的權重值。通過對同類別、同一層因素之間的兩兩對比，確定兩個因素對上層因素的相對重要性，從而構建判斷方陣。兩因素之間的相對重要性標度值采用層A.L.Satty提出的1～9及其倒數標度法[5]。

由于兩兩因素相對重要性的確定是由人為主觀確定的，難免將不確定因素引入判斷矩陣中，為了使判斷矩陣更加合理，剔除主觀因素的影響，需要對判斷矩陣最大特征值λmax進行一致性檢驗。

通過因素間相對重要性標度，并對建立判斷矩陣進行一致性檢驗，經多次調整最終確定巖爆各層次判斷矩陣以及各層次對上層結構的權重值(表1～表3)

表1 準則層權重判斷矩陣

表2 指標層地質風險權重判斷矩陣

表3 指標層施工風險權重判斷矩陣

根各層次因素權重值，確定權重向量：

ω=[0.83 0.17]

ω1=[0.10 0.34 0.28 0.18 0.10]

ω2=[0.65 0.35]

2.3 建立目標評價集

目前學術界主要將隧道巖爆烈度等級劃分為四級[6]，為保證該巖爆預測方法的可行性，現將巖爆預測等級進行調整如下：

(1)無巖爆(Ⅰ)。

(2)輕微巖爆(Ⅱ)，洞壁巖體呈片狀剝落、鼓脹，伴有噼啪聲，運動狀態為射落，波及深度較小。

(3)中等巖爆(Ⅲ)，洞壁巖體剝離現象嚴重，部分巖塊彈射，伴有爆裂聲，對機械設備有輕微影響，且巖爆持續時間長。

(4)強烈巖爆(Ⅳ)，開挖后隧道出現大片爆裂，巖塊彈射劇烈，有強烈的炸裂聲及山體悶響，對機械設備危害較大，施工中斷。

結合(JTG-TD70-2010)《公路隧道設計細則》[7]中對巖體完整性系數KV、強度應力比、巖體飽和單軸抗壓強度的定性分級規定，現將巖爆因素集中的定量因素指標按照巖爆等級分為四類(表4)。

2.4 確定隸屬度矩陣

根據巖爆風險層次劃分，指標層因素集主要分為兩種：定性指標、定量指標。對于連續型定量指標可以選取適當的隸屬度函數來確定其隸屬度，對于離散型定性指標因素可以按照專家打分法確定因素隸屬度。本文采用“降半梯形分布”

表4 巖爆定量因素指標量化分級表

隸屬度函數確定定量因素隸屬度。

對于因素集中的開挖作業和支護作業，由于每條隧道的開挖支護作業對隧道巖爆發生的影響程度不一，無法采取統一方法確定兩者的隸屬度，故采取專家打分法的形式，對評判隧道進行專家論證，確定其隸屬度。由此確定單個因素對巖爆等級的隸屬度向量。將單因素隸屬度向量按照準則層進行組合，得到各準則部隸屬度矩陣：

2.5 多級模糊綜合判別

根據本文對巖爆影響因素的層次劃分，該方法需進行兩級模糊綜合判別。

B1、B2：一級綜合評判結果向量。

將一級綜合評判結果向量：B1、B2進行組合為二級綜合評判的隸屬度矩陣R：

結合準則層權重向量ω，進行二級模糊綜合評判，確定評判結果向量B：

根據最大隸屬度原則，確定結果向量B中最大元素值bk(k=1 2 3 4)，則k值即為對應的巖爆烈度等級。

3 福堂隧道巖爆實例預測

根據福堂隧道勘察設計資料分析，該隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖段采用鉆爆法施工分步開挖，具體參數為：隧道洞壁周邊噴10cm厚C25混凝土，布設長2.5m的φ22mm砂漿錨桿，間距1.2m×1.2m，在拱頂加φ6.5mm鋼筋網，@30cm×30cm，加間距1.2m厚度10cm的格柵鋼架。結合福堂隧道具體開挖支護參數，參考大相嶺隧道、二郎山隧道、錦屏水電站引水隧洞等地下工程[8]，對福堂隧道施工風險進行打分，確定隸屬度矩陣R2：

福堂隧道左洞自施工以來發生巖爆里程累計超過1 000m，現選取三段左洞巖爆頻發里程進行預測驗證。各里程評價因素指標值(表5)。由表6可知巖爆預測結果與施工開挖實際情況基本相符。

表5 各里程巖爆因素指標值

表6 各里程段巖爆預測與實際開挖對比結果

4 結 論

本文通過將巖爆定性指標-施工風險因素引入隧道巖爆風險的目標-準則-指標層次結構圖，利用專家打分法解決定性因素隸屬度難以確定的問題，進一步完善巖爆風險層次結構，對AHP-F巖爆預測方法起到一定改進作用。

(1)對巖爆烈度影響因素進行層次分析，在已有研究的基礎上，將施工風險因素引進至巖爆層次結構中，運用專家打分法確定其隸屬度，進一步完善現有巖爆層次結構。

(2)通過對福堂隧道巖爆實例預測，驗證模糊層次法(F-AHP)在隧道巖爆等級預測中可靠性較高，能夠對巖爆隧道的施工設計提供一定參考價值。