隧道圍巖穩定性評價新方法及其應用

潘偉華,吳 軍

（1.連云港市鐵路事業發展中心,江蘇 連云港 222000; 2.華設設計集團股份有限公司連云港分公司,江蘇 連云港 222000）

0 引言

在評價隧道圍巖穩定性的過程中，需要根據圍巖的分類選取合適支護，設計隧道施工方案，進行隧道施工操作。若圍巖分類不標準，將直接影響施工方案的設計與選擇，影響支護類型。如增加成本、方案選擇過于保守、隧道穩定性受到影響、出現事故或災害等。因此，應當重點關注圍巖分類工作，提升圍巖分類準確性與技術含量。

1 基于特爾菲-理想點法的隧道圍巖分類

特爾菲-理想點法對隧道圍巖進行分類，其核心思想為借鑒判別的理論，是目前一種新引入的隧道圍巖分類方法。該種方法屬于多因子綜合評價法，可將多個對象、多個評價因子綜合起來進行評價，確定所屬類別。該種方法的原理相對較為簡單，且結構合理、計算簡便、分辨率相對較高。

當前，已經有很多領域引入該種分類方法。如環境質量綜合評價、學生考試成績、考場紀律、企業產品生產質量，甚至在軍事作戰系統中也引入了該種評判方法[1-2]。

2 工程概況

北固山隧道位于連云港墟溝城區西部，是北疏港高速公路的關鍵位置，是該道路北固山段。源起于大棺材山西南坡與墟溝互通相接，至黃石嘴東坡與北港區Ⅰ類進港道路相接。隧道分為左右兩條線路，左側長度為2 810 m，右側長度為2 755 m，雙向四車道高速公路車速為80 km/h，除正常行駛車道外，還包括4.5 m寬的緊急車道。隧道內凈寬為14 m，凈高為5 m，車輛通行的橫洞為3處，行人通行橫洞為4處。隧道進、出口設置局部小凈距段落，其余段落按分離式隧道設置，進口最小凈距為10.0 m，中間最大凈距為37.0 m，出口最小凈距為12.0 m。

隧道位置的表層為第四系坡積物，土質偏向為硬塑狀黏土層，其中包含少量礫石、碎石以及滾石；基巖為中～晚元古代云臺組區域變質巖系，以鈉長淺粒巖、石英變粒巖為主（統稱為變粒巖）；在隧道進口段巖性主要為云母片巖，巖質較軟；此外，隧址區局部地段見綠片巖，多呈夾層狀產出。變粒巖的質地相對緊密，分類為硬質巖石；云母片巖與綠泥片巖的抗壓強度相對較低，遇水后其質地會發生軟化的情況，抗風性能較其他材料存在明顯不足。

3 各評價指標的獲得

選取北固山隧道左洞K5+590~K5+685和右洞K3+720~K3+750，對其圍巖類別進行判別。右洞K3+720~K3+750位于中~微風化變粒巖中，巖質堅硬較發育，塊狀、層狀結構，巖質堅硬。左洞K5+590~K5+685圍巖主要為微風化變粒巖夾綠泥片巖，局部圍巖為強~中風化，變粒巖巖質堅硬，屬硬質巖，節理裂隙較發育、塊狀、層狀結構。表1中為北固山隧道所選洞段圍巖的各評價指標值。

表1 北固山隧道圍巖數據資料

3.1 評價因子權重的確定

通過相關公式對各評價因子的歸一化權重系數進行求解，計算結果如表2所示。

從表2指標權重的結果來分析，三位專家對巖體完整性系數Kv的存在不同意見，Kv的方差為1.0，較比其他數值最大。而其他指標的意見相對較少，方差相同，為0.333。從相關指標的歸一化權重系數結果來看，指標對隧道圍巖穩定性可按照結構面強度指標、巖體完整性指標、巖體質量指標、巖體堅硬程度指標、地下水作用指標的從大到小的順序來排列。

表2 各評價因子權重一覽表

3.2 圍巖等級判別

按照特爾菲-理想點法圍巖分類模型展開分析與計算，相關樣本不同類別圍巖標準的數據如表3所示。按照理想點貼近度越大，樣本與圍巖越貼近的基本原則，得到項目隧道內圍巖級別[3-5]。

根據表3可以發現，采用該種方法判斷隧道內圍巖級別的結果相對準確，與施工過程中圍巖級別基本一致。經過計算得出，左洞K4+120~K4+150段圍巖級別與數值最為貼近，可以判定其等級為Ⅳ。該洞段設計圍巖級別為Ⅲ級，而從施工期現場開挖出的圍巖發現，巖體整體破碎，自穩能力較差。經過設計單位與甲方現場勘測分析，最終變更為Ⅳ級圍巖，與特爾菲-理想點模型的判別結果一致。特爾菲-理想點法進行圍巖分類所得到的數據相對準確，能夠提升隧道圍巖分類精準度，且該方法使用簡便，能夠滿足施工過程中的相關需求。

表3 各洞段圍巖到Ⅰ-Ⅴ級圍巖標準理想點貼近度及圍巖類別判定

4 隧道圍巖分級的集對分析模型

4.1 構建評價模型

（1）確定圍巖分級的五元聯系度。根據各指標評價標準把隧道圍巖的等級劃分為五級，將圍巖分級的各評價指標與評價標準構成一個集對。滿足Ⅰ級標準則為同一度而存在，超過Ⅴ級標準則認為對立度，符合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級標準的分別作為差異偏同度、差異度和差異偏反度。建立圍巖分級的五元聯系度表達式為：

式中，n——第n個待評價的圍巖樣本；N——評價指標的總數；S——符合Ⅰ級標準的評價指標的個數；F1——符合Ⅱ級標準的評價指標的個數；F2——符合Ⅲ級標準的評價指標的個數；F3——符合Ⅳ級標準的評價指標的個數；P——符合Ⅴ級標準的評價指標的個數。

（2）各評價指標聯系度的確定。在圍巖分級評價標準體系中，可主要分成效益型指標與成本型指標。其中，效益型指標中，指標數值與圍巖穩定性成正比，即指標越大，圍巖穩定性也越佳；而成本型指標中，數值與圍巖穩定性則成反比，即指標數值越大，則圍巖穩定性越差。在所選取的圍巖評價指標中，以Rc代表巖石單軸抗壓強度，Kv為巖體完整性指數，Ss為結構面狀況指標，洞軸線與主要結構面的夾角θ為效益型指標，地下水滲流量W為成本型指標。

在成本型指標中，利用以下公式來表達指標與分級標準之間的關系，公式如下：

式（2）和（3）中，SⅠ、SⅡ、SⅢ、SⅣ、SⅤ分別為Ⅰ~Ⅴ級的評價分級標準限值；x——各評價指標的實際值；n——第n個待評價的圍巖樣本；k——第k個評價指標。

（3）求解平均聯系度。將各個級別的指標聯系度計算出來，并將所的數據相加求得平均值，即可得到平均聯系度。該數據能夠顯示出評價對象與圍巖標準之間的關系，公式具體如下：

4.2 圍巖失穩風險預警模型

選取北固山隧道左洞K3+610~K3+640、K5+590~K5+685、K5+220~K5+280；右洞K3+720~K3+750進行圍巖警情分析。根據洞內連續觀察和掌子面編錄，結合室內試驗數據，得到了所選洞段巖石的單軸飽和抗壓強度Rc、巖石質量指標RQD、巖體完整性系數Kv、結構面強度系數Kf以及洞軸線與主要結構面的夾角θ。運用基于功效系數法建立的圍巖失穩預警模型進行計算，得到了各洞段的警度指標，計算結果如表4所示。

表4 北固山隧道圍巖穩定性綜合評價表

從表4中可以看出，左洞K3+610~640和右洞K3+720~750里程段圍巖均處于輕警狀態，為藍色警情，表明圍巖穩定性較好，失穩風險較低。右洞K5+590~685里程段圍巖處于中警狀態，為黃色警情，表明圍巖基本穩定，失穩風險一般。左洞K5+220~280的總功效系數值為63.647，圍巖處于重警狀態，為橙色警情，表明圍巖穩定性差，失穩風險很高。該洞段的設計圍巖級別為Ⅲ級圍巖，但從現場開挖出的圍巖實際情況證明其危險性較高。該洞段巖體非常破碎，且洞頂不時出現小的掉塊，經過設計單位與甲方現場勘測分析，最終變更為Ⅴ級圍巖。在施工該洞段時，通過功效系數法圍巖失穩預警模型及時進行了險情預報，發出橙色警情指示。施工單位高度重視，采取縮小鋼拱架間距、加強噴錨支護、圍巖注漿堵水和初期支護引排水等工程措施，保證隧道圍巖的穩定，避免施工過程中出現的塌方等災害問題，有效提升隧道施工安全性，保證施工人員生命安全。

5 結論

通過隧道圍巖分級的特爾菲-理想點模型和集對分析模型，可以得到較為準確的圍巖級別，初步預測隧道施工過程中的圍巖塌方風險。結合所建立的圍巖失穩風險預警的功效系數模型，可綜合評價圍巖穩定性情況，對設計圍巖類別進行及時的檢驗和修正，對圍巖的危險性做出準確預測預報，便于隧道施工過程中及時采取有效支護措施，防患于未然。