隧道穿越富水破碎帶涌水突泥風險評估模型研究

毛 永 強，張 子 平，2，袁 青，2，熊 齊 歡，3，陳 世 豪，3

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430040； 3.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北 武漢 430040)

0 引 言

在隧道、硐室施工過程中，穿過溶洞發育的地段，尤其遇到地下暗河系統、含水泥沙礫層、富水破碎帶時，易發生突然大量涌水突泥現象，它對礦山、隧道等地下工程的施工危害極大。隧道穿越富水破碎帶的涌水突泥災害問題也是隧道工程地質災害的重點問題。涌水突泥災害發生突然、危害較大，易造成人員傷亡、經濟損失。若隧道通過區域工程地質條件復雜，水源補給量充足，則呈現出巨大的破壞性。首先突水量大，施加了巨大壓力；其次，涌水突泥過程中，由于夾帶大量的泥沙礫石等，隨著隧道的循進開挖，地下水排泄有了新通道，破壞了原有的補徑，加速了地下水對巖體的改造作用。

國內外的專家學者對于隧道涌水突泥的風險評價與力學機制問題已取得一定突破。國外學者對隧道等地下工程中的涌水問題進行了大量的研究，并提出了一系列研究方法，如Goodman方法[1]、Heuer分析法[2]及IMS法[3]等。國內常采用模糊綜合評價法、層次分析法、神經網絡法、加權平均法、可拓理論等方法，對隧道涌水突泥危險性進行建模分析，提出評價體系與判斷標準。毛邦燕[4]、許振浩[5]、翁其能等[6]均分析了隧道涌水突泥控制因素與因素權值，得到隧道涌水突泥風險評價模型。張偉杰[7]研究了斷層破碎帶注漿加固機理，建立了富水斷層破碎帶涌水突泥地質災害復合控制注漿治理關鍵技術體系。楊卓等[8]綜合分析了巖溶隧道水文地質條件，運用BP神經網絡方法對巖溶隧道突涌水風險進行評估。譚英華[9]研制了大型三維富水斷層破碎帶隧道模型試驗系統，建立了工程預警機制。徐鐘等[10]等根據風險控制目標和形成條件劃分風險影響因素，明確風險指標要素的分級標準，考慮了影響因素的動態屬性。黃鑫[11]將誘發隧道涌水突泥災害的致災系統劃分為3類11型，提出了一種隧道涌水突泥抗突評判方法RBAM法。張凱等[12]基于可拓理論建立了巖溶區隧道涌水風險的可拓評估模型，通過最大關聯度原則確定隧道的涌水風險等級。周宗青等[13]提出了一種改進的屬性區間識別方法，包括多指標屬性測度計算方法及其對應的屬性識別分析方法。

上述方法中模糊綜合評價法和層次分析法[14-17]由于專家打分機制與定性定量的問題導致結果不夠明確；神經網絡法需要大量的參數，不能觀察學習過程，輸出結果難以解釋，會影響到結果的可信度；學習時間過長，甚至可能達不到學習的目的；加權平均法結果偏差波動較大，不利于統計分析；可拓理論中的量值域在工程領域中不好確定。

本文在結合模糊綜合評價法和層次分析法的基礎上，基于已有研究成果和相關實例確定評價指標和權重信息，根據工程地質因素、水文地質因素、工程施工因素提出了隧道穿越富水破碎帶的涌水突泥等級劃分標準。結合工程規范和專家評判信息實現了各分項指標的隸屬度分配，確定了涌水突泥的風險評價體系；將成果應用于西雙版納隧道玉溪至磨憨鐵路工程的涌水突泥風險評估，較好地預測出風險等級情況，并針對具體工況提出安全度改善措施，提高了隧道監測水平和超前預報能力。

1 隧道穿越富水破碎帶涌水突泥風險評價模型

1.1 模糊層次分析法原理

模糊層次分析法是一種結合模糊綜合評價法和層次分析法的評價分析方法。明確分析問題的指標和評價等級分級后，通過定性定量的方法來對確定的評價指標進行權重分配，得到權重向量，基于專家評分和客觀因素評判后計算各子級指標的隸屬度評價體系。根據實際情況中的隸屬度條件，配合權重分配，即可得出實際環境所屬的評價等級情況。主要步驟如下：

(1)建立層次結構模型，確定評價指標、結果等級；

(2)構造判斷矩陣計算各指標權重向量；

(3)層次排序及其一致性檢驗，證明劃分指標的可行性與準確性；

(4)建立隸屬度評價等級和結果所屬隸屬度等級；

(5)根據實際情況帶入隸屬度和權重分配確定結果。

1.2 層次結構模型

根據相關規范和專家學者的結果分析，在研究大量隧道穿越富水破碎帶涌水突泥現場案例的基礎上，提出圖1所示的層次結構模型。即將評價體系劃分為三大主要指標和16個次級指標。

圖1 涌水突泥層次結構模型

考慮模型整體指標建立結果和相關規范指南的要求，將隧道穿越富水破碎帶涌水突泥的風險等級劃分為4個級別(見表1)。

表1 涌水突泥風險等級劃分

1.3 權重確定及其一致性檢驗

作為該風險評估模型的3項主要指標，工程地質、水文地質和隧道施工對于隧道穿越富水破碎帶發生涌水突泥災害均有重要影響，但工程地質與水文地質對于工程的影響更為深遠，復雜多變的不良地質條件是引發隧道涌水突泥風險的決定因素。

在總結諸多類似工程經驗，參考相關規范并借鑒行業內專家建議的基礎上，提出了各級指標的判斷矩陣以得到權重占比。

(1)一級判斷矩陣A-B：

(2)二級判斷矩陣。首先構建B1-C判斷矩陣：

計算可以得到CI=0.027 9，CR=0.019 8<0.1，該判斷矩陣通過一致性檢驗。最大特征值λ=8.195 1，最大特征向量W1即為權重，W1=[0.325 6 0.162 6 0.122 9 0.042 1 0.182 6 0.041 0 0.070 0 0.053 2]。

再構建B2-C判斷矩陣：

計算可以得到CI=0.015 3，CR=0.017 0<0.1，該判斷矩陣通過一致性檢驗。最大特征值λ=4.045 8，最大特征向量W2即為權重，W2=[0.459 8 0.200 9 0.119 4 0.219 8]。

最后構建B3-C判斷矩陣，通過對各規范進行總結分析提出判斷矩陣

計算可以得到CI=0.083 0，CR=0.092 2<0.1，該判斷矩陣通過一致性檢驗。最大特征值λ=4.248 9，最大特征向量W3即為權重，W3=[0.507 5 0.249 8 0.085 8 0.156 9]

1.4 隸屬度等級確定

根據現有的規范標準中對于各項指標的范圍劃分以及模糊隸屬函數確定方法中的梯形分布方法來對各項指標進行隸屬度的界定。梯形分布計算主要為

式中：a，b，c，d分別為評價因素相對應級別上、中、下限值。

1.4.1工程地質隸屬度等級確定

(1)不良地質情況隸屬度。作為富水破碎帶涌水突泥風險的決定性因素，不良地質的存在與數量問題對隧道施工的安全管控具有重大影響，也是工程地質因素中權重最大的指標。由于不良地質情況常常沒有具體的數值界定體系，可通過標準規范[18-20]等規定的分類情況予以確定隸屬度。根據4個風險等級，將不良地質分為4種情況并確定其對應的隸屬度(見表2)。

表2 不良地質情況分級

在不良地質多發區域，富水斷層、巖溶、儲水斷裂帶、高山峽谷、洼地等匯水構造往往是大氣降水和地表徑流的匯集區域，大量地表水轉入地下，補給地下水，提高了地下水位，是引起隧道涌水突泥災害的重要因素之一。隧道施工中所遭遇的大中型涌水突泥現象都與暗河、水泥充填溶洞、儲水導水構造、巖溶管道等不良地質有關。

(2)地層巖性隸屬度。不同的地層巖性，引發隧道涌水突泥災害的類型有所不同，巖層的透水性、可溶性和風化程度對是否發生涌水突泥影響巨大。在石灰巖、白云巖等碳酸鹽巖巖層中，如果伴有構造裂隙，風化程度較高，充填介質往往以碎石角礫為主，具有較強的透水導水性，容易形成富水斷層，開挖施工揭露后會引起突涌水災害。而在泥質軟巖等親水巖層中，充填介質以黏土類礦物的斷層泥為主，風化程度越高的斷層泥強度越低，遇水發生軟化，在地下水壓力作用下發生流動，對隧道施工安全威脅極大，是造成涌水突泥的重要來源。

根據巖層的透水性、巖溶性和風化程度將地層巖性分級并確定其對應的隸屬度(見表3)。

表3 地層巖性情況分級

(3)地形地貌隸屬度。地形地貌特征與隧道涌水突泥災害發生有密切聯系。巖溶地區、落水洞、洼地等集水構造往往是大氣降水和地表徑流的匯集區域，大量地表水轉入地下，補給地下水。地表不同集水構造、巖溶地貌發育程度使得儲水匯流有極大的差別，影響著地下水向隧道儲集與運移的水量。集水量與各處地表匯水面積有關，也即地表出露封閉負地形面積，匯水面積很大程度上決定了地下系統的補給水量，反映出地下富水帶不良地質和巖溶水的賦存特征。

地形地貌情況可采取定性定量相結合的方式進行分級，通過地表出路封閉負地形面積占比進行量級劃分，結合集水能力強弱，將地形地貌情況分級并確定其對應的隸屬度(見表4)。

表4 地形地貌情況分級

(4)巖體質量與完整性隸屬度。圍巖質量及其完整性特征對隧道涌水突泥是否發生也有一定影響。圍巖的自穩性對不良地質的發生有反向促進作用，圍巖完整無填充、質量高、體積節理數少，裂隙不發育，則抗變形能力強，施工擾動變形小，一般不易發生涌水突泥等災害。圍巖強度低、結構破碎、節理裂隙發育則易失穩發生變形，施工擾動影響大，特別是斷層破碎帶、夾泥層等軟弱地質體在地下水作用下，易發生失穩破壞，施工不加注意即造成突水突泥等災害。

依據相關規范，以巖石質量指標BQ和圍巖級別進行等級劃分(見表5)。

表5 巖體質量與完整性情況分級

(5)斷裂破碎帶寬度隸屬度。斷裂破碎帶是巖體中具有一定寬度和延伸長度的破碎條帶地段，會使巖體喪失連續性和完整性，對涌水突泥災害的發生有較大影響。作為一個強度低、透水性大、抗水性差的存在，斷裂破碎帶通常導致兩側巖體在物理力學特性上具有顯著的差異，并且由于勘察設計和地質預報的不準確，其引發的地質災害往往具有突發性。規模較大的斷裂帶常為多期活動，地下工程在這種地段通過時，常發生嚴重坍方、冒頂、涌水。斷層破碎帶厚度越大，越容易產生不利影響。

根據隧道圍巖中主要斷裂破碎帶的最大寬度對此進行分級并確定對應的隸屬度(見表6)。

表6 斷裂破碎帶寬度情況分級

(6)層間裂隙隸屬度。層間裂隙發育程度影響地下水活動與徑流情況，從而造成巖溶發育形態與程度差異，進而引發涌水災害。裂隙發育帶滲透性強，地下水較活躍，促使裂隙不斷擴張，加速水循環，從而導致巖溶發育程度較強；層間裂隙弱發育或不發育地層內，多數地段巖溶發育程度低。

故以層間裂隙的長度、對于巖溶地層的影響為依據進行等級劃分并確定隸屬度(見表7)。

表7 層間裂隙情況分級

(7)褶皺構造隸屬度。巖層產狀是巖溶發育和地下水流動性的重要影響因素之一，巖層具有各向異滲透性。水平巖層滲透條件差，巖溶發育較弱；直立巖層地表匯水面積小，水循環較弱，巖溶發育亦較弱。最有利于巖溶發育的巖層產狀是傾角25°～65°的褶皺翼部。可溶巖中褶皺形成時所受的構造作用力越強，核部地層相對翼部地層裂隙也愈發育，富水性愈好，隧道穿越時發生涌水災害的幾率和危險性級別越高。

根據傾角大小和所處區域將褶皺構造情況分為4個等級并確定其對應的隸屬度(見表8)。

表8 褶皺構造情況分級

(8)巖石結構隸屬度。巖石的結構差異是巖溶發育的物質基礎，造成了地下水的富集各異。巖石結構控制了巖石中原始孔隙的分布類型及孔隙度大小，從而對巖石溶蝕性有顯著影響。碳酸鹽巖不等粒結構比等粒結構的相對溶解度大，溶蝕指標大小的依次關系為泥晶>亮晶>粉晶>微晶。

根據晶粒大小情況進行分級并確定對應的隸屬度(見表9)。

表9 巖石結構情況分級

1.4.2水文地質隸屬度等級確定

(1)地下水含量隸屬度。地下水含量是隧道穿越富水破碎帶發生涌水突泥風險最重要的因素之一，地下水含量越大，圍巖軟化作用越劇烈，穩定性越差。地下水以孔隙水、裂隙水、巖溶水3種形式存在，具有較強的致災能力，能夠分割巖層中的節理裂隙，減小巖體的抗剪強度，進而制造更多的破碎巖體。

根據地下水賦存程度和每10 m洞長出水量進行分級并確定對應的隸屬度(見表10)。

表10 地下水含量情況分級

(2)水壓力隸屬度。地下水對圍巖的作用力主要包括靜水壓力和動水壓力。地下水處于不同水位分帶時，具有不同的致災特性，通常水位較高的區域水壓力也隨之增大，易造成涌水災害。高位水壓力，是造成圍巖破壞，引起隧道涌水突泥的重要作用力。當斷層富水但水壓力較低時，隧道開挖后，雖有少量涌水，但難以造成重大的涌水突泥災害。

以水壓力和地下水位情況進行分級并確定對應的隸屬度(見表11)。

表11 水壓力情況分級

(3)環境溫度隸屬度。環境溫度會改變富水破碎地層的水量補給，從而給隧道施工帶來較大影響。常年氣溫低于0 ℃的高寒隧道，會由于冰凍水體的融化產生大量積水，導致進洞易發生滑塌、涌水現象。而氣溫高于40 ℃的高地溫隧道在惡化施工作業環境，威脅人員健康安全的同時會增加圍巖的滲透性，降低穩定性，當開挖至富水斷層時，在地應力和水壓力的綜合作用下，易造成破碎帶滲透失穩，引發涌水突泥風險。

由此參考大氣溫度分級標準和大多數工程環境溫度信息，給出表12所示的分級。

表12 環境溫度情況分級

(4)降水量影響隸屬度。降水量多少也是引起隧道涌水突泥的重要因素。雨季降水量較大，提升了隧道圍巖壓力，加強了地下水的運移和儲藏作用。降水量大的持續降水，會通過裂隙、斷層等滲入地下，補充地下水，提高地下水位線。豐富的地下水和較高的地下水壓力會降低圍巖的穩定性，為隧道安全施工帶來巨大威脅。

根據日均降水量對此進行分級并確定隸屬度(見表13)。

表13 降水量情況分級

1.4.3工程施工隸屬度等級確定

(1)超前地質預報隸屬度。基于超前地質預報的地質詳勘是預防涌水突泥災害的重要步驟。如果因為未施作超前地質預報或監測方案不合理、數據解譯準確度低而未能對地層進行詳細勘查，未提前探明斷層、溶洞等災害源，繼而未能正確指導設計和施工，會導致原設計的支護體系不足以維持圍巖的穩定性，發生失穩破壞，為后續地質災害埋下隱患。

以超前水平鉆孔數值界定體系，包含地質雷達、TSP等方法的分級情況予以確定隸屬度，分級結果如表14所示。

表14 超前地質預報情況分級

(2)監控量測隸屬度。監控量測是對隧道施工中地質結構變形、穩定狀態和環境動態的周期觀測工作，可為涌水突泥災害防治提供重要的前兆信息。通過對災變前兆的揭露，反映富水巖溶體或斷層破碎帶發生涌水突泥時的特征信息。如果施工過程未進行監控量測或監測方案不合理，會導致災變發生時無法實時記錄，繼而使涌水突泥災害持續惡化，引發工程事故。

對觀察量測工作進行分級評價，分級結果如表15所示。

表15 監控量測情況分級

(3)開挖支護隸屬度。開挖和支護是隧道施工的關鍵工序，合理的施工方案一定程度上可以減少涌水突泥災害風險。當隧道開挖至富水斷層破碎帶時，如果循尺過大或未設置合理的支護結構會導致預留的安全厚度不足，誘發圍巖發生變形與裂隙擴展，形成涌水突泥通道。

根據現場實際的開挖循進情況和支護手段進行分級和隸屬度分配，分級結果如表16所示。

表16 開挖支護情況分級

(4)地下水處理隸屬度。地下水是隧道涌水突泥災害的重要誘因，處理好地下排水有助于從源頭減少災變的發生。地下水的流動性和滲透性較強，能夠深入隧道結構內，對其安全和穩定性造成損害，嚴重時引發突涌水災變。合理的疏導排水措施可以幫助減少災變發生的可能性，每日疏水流量則是衡量排水處理的有效指標。

通過標準規范及相關實際案例中的地下水處理、排水控制分類情況確定隸屬度，分級結果如表17所示。

表17 地下水處理情況分級

1.5 單一隸屬度評價分析

經過大量案例實際分析，以及上述各評價指標權重和隸屬度的分配分級，以單一隸屬度分級作為實際案例中某個因素代表的評價等級情況，將每一個因素的評價等級確定，與其所對應的權重相乘，即得到最后的案例實際評價向量，確定最終實際案例的風險等級，做出相對應的調整措施。

單一隸屬度表示根據某一因素的具體情況劃分對應的風險等級隸屬度因子，如表18所示。

表18 單一隸屬度風險等級評價

基于實際地質勘查和隸屬度等級評價可以得到所有C級指標因子的評價矩陣。對應C級評價矩陣乘各二級權重再乘一級權重即得到最后的總體評價矩陣：

記C級指標的評價矩陣分別為C1-C16，則最后結果為

(2)

得到R為四維向量，根據數值大小比較此工況下的評價風險等級情況。

2 工程實例應用

2.1 工程概況

西雙版納隧道玉溪至磨憨鐵路工程測區長度6 000多米，Ⅳ級圍巖占總長的53.2%，Ⅴ級圍巖占隧道總長的25.7%。不良地質信息為斷裂帶、滑坡、高地應力、高地溫等，區內構造復雜、地層變動、巖漿活動、斷裂發育。受區域構造影響，發育3條斷層、1個背斜，地層巖性以第四系粉質黏土和泥灰巖為主，巖溶有一定發育。屬低中山地貌，地面高程580～1 325 m，相對高差20～750 m，自然橫坡5°～40°，局部較陡。丘坡上覆土層較薄，基巖部分裸露，溝槽等低洼地帶覆土較厚。斷層破碎帶寬度5 m左右，層間裂隙發育為中等裂隙。巖石結構為泥晶結構。

水文地質方面，流量受季節控制明顯，雨季水量較大，地下較含水，洞身地表季節性溝水對隧道區基巖裂隙水及斷層水的補給作用明顯，易引發隧道涌水突泥，水壓力約0.3 MPa，受高地溫影響工作環境溫度較高，洞內年平均氣溫在31 ℃左右，濕潤多雨，雨季一般持續6個月且降雨量較大。

超前地質預報采取TSP、HSP、紅外探水儀器、地質雷達、水平鉆機同步實施；監控量測采用全站儀、應力應變監測傳感器等裝置；建立了超前支護、初期支護及二襯結構，循進速度較慢；排水采取有效控制。

2.2 評價結果

將工程概況中的具體情況，對應上述隸屬度模型中的具體分級得到16個C級權重因子的隸屬度情況，如表19所示。

表19 C級權重因子隸屬度

由此得到C級權重因子的評價矩陣：

據此得到C級指標評價矩陣與二級權重的加乘結果為

(3)

故根據公式(2)，最后的評價結果為R=[0.1760 0.179 4 0.275 4 0.369 1]，即此隧道標段的涌水突泥風險等級為Ⅳ級，風險很大，需要加強固結和排水處理。實際情況中由于隧道區基巖裂隙水，斷層水的補給情況較大，地質條件較差，涌水突泥常常突發且劇烈，符合風險評價結果。

3 結 論

(1)基于模糊綜合評價法和層次分析法建立了隧道穿越富水破碎帶的涌水突泥評價模型，提出了以不良地質條件、地層巖性、地下水含量等16個指標的評價體系，根據相關規范案例設定定量參照，專家打分等為定性參照確定各評價指標權重和隸屬度，以此計算分析風險評價等級。

(2)權重結果表明，工程地質和水文地質的天然條件對隧道涌水突泥風險影響最大，而不良地質體、斷裂帶的富水性等因素更是作用顯著。施工過程中可針對這些問題進行重點處理。經過測試，該模型能較全面地預測涌水突泥風險等級，為施工的提前防護和風險處理提供參考，針對具體工況提出安全措施，提高隧道監測水平和超前預報能力。