淺埋黃土隧道塌方成因分析及后續(xù)失穩(wěn)風險評價

婁益彰

（中鐵十六局集團路橋工程有限公司，北京 101500）

0 引言

黃土在我國廣泛分布，其分布面積約64×104km2，占國土面積的6.60%。隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展，黃土隧道工程越來越多，引發(fā)的工程事故也隨之增加。因此，開展黃土隧道的相關(guān)事故研究具有重要的現(xiàn)實意義[1-2]。目前，已有不少學者進行了類似的研究，王思捷等[3]對黃土隧道初支扭曲變形成因進行分析；梁慶國等[4]研究了富水條件下的黃土大變形控制技術(shù)；周鵬等[5]分析了偏壓黃土隧道的大變形特征。上述研究雖然取得了相應(yīng)的成果，但是均未涉及黃土隧道塌方事故研究，尤其未細化研究淺埋條件下的塌方成因及后續(xù)失穩(wěn)風險評價。一方面，塌方成因分析可為其防治措施研究提供理論基礎(chǔ)，研究意義重大；另一方面，隧道變形是其各類影響成因綜合作用的直觀體現(xiàn)，通過變形預(yù)測來評價其后續(xù)失穩(wěn)風險也是可行的。因此，開展淺埋黃土隧道塌方成因分析及后續(xù)失穩(wěn)風險評價顯得十分必要。綜上所述，該文以淺埋黃土隧道塌方事故為工程背景，在開展其塌方成因分析的基礎(chǔ)上，進一步通過變形預(yù)測評價其后續(xù)失穩(wěn)風險，以便為其防治提供理論依據(jù)。

1 基本原理

該文的分析過程如下：以淺埋黃土隧道塌方段為工程背景，首先，結(jié)合其地質(zhì)條件，開展其塌方成因分析；其次，以變形監(jiān)測成果為基礎(chǔ)，在開展其變形特征分析的基礎(chǔ)上，通過變形預(yù)測來完成其后續(xù)失穩(wěn)風險評價。在該文的分析過程中，所涉及的理論主要是變形預(yù)測模型構(gòu)建。一般來說，如果塌方段的后續(xù)變形持續(xù)增加，那么其失穩(wěn)風險相對會更大，所以通過變形預(yù)測來開展其后續(xù)失穩(wěn)風險評價是可行的。

由于支持向量機（Stochastic Volatility Model，SVM）能將低維非線性問題轉(zhuǎn)變?yōu)楦呔S線性問題，可保證預(yù)測過程的結(jié)構(gòu)風險最小[6-7]，因此利用其構(gòu)建塌方段的變形預(yù)測模型；結(jié)合其基本原理，其訓(xùn)練函數(shù)如公式（1）所示。

式中：yi為隧道變形預(yù)測值；wT為維列向量的轉(zhuǎn)置向量；xi為隧道變形輸入信息；φ（xi）為模型激勵函數(shù)；b為偏置量。

但是根據(jù)使用經(jīng)驗，核函數(shù)、偏置量參數(shù)是由模型隨機產(chǎn)生，因此有必要對其進行優(yōu)化處理，以保證其預(yù)測精度。

考慮到生物地理學優(yōu)化算法（Biogeography Based Optimization，BBO）具有較強的全局尋優(yōu)能力，因此，提出利用其開展SVM模型的參數(shù)優(yōu)化處理；結(jié)合該算法的基本原理，將其尋優(yōu)步驟整理如圖1 所示。

圖1 BBO 算法對SVM 模型的優(yōu)化流程

綜上所述，將塌方段的變形預(yù)測模型最終確定為BBOSVM 模型。

結(jié)合相關(guān)文獻[8]研究成果，隧道變形速率s的變形程度可劃分為如果s＞1 mm/d，那么其變形屬急劇變形階段；如果0.2mm/d ≤s≤1mm/d，那么其變形屬緩慢變化階段；如果s＜0.2 mm/d，那么其變形屬基本穩(wěn)定階段。

綜上所述，將外推預(yù)測結(jié)果對塌方后續(xù)失穩(wěn)風險的評估標準定義為若變形屬加速變形階段，那么塌方段的后續(xù)塌方風險的可能性較大，即極易再次發(fā)生塌方事故；如果變形屬緩慢變形階段，那么塌方段的后續(xù)失穩(wěn)風險的可能性相對一般；如果變形屬基本穩(wěn)定階段，那么塌方段的后續(xù)失穩(wěn)風險相對較低。同時，提出以外推預(yù)測結(jié)果的變形速率均值作為隧道變形程度的劃分指標。

2 實例分析

2.1 工程概況

2.1.1 隧道基本信息

某隧道埋深較淺，最大埋深僅為80m，具淺埋隧道特征，且該隧道屬雙洞分離式隧道，兩洞凈距為45m~65m，其中，左洞長度為1295m，明洞長度24m，洞口加強段長度為55m，Ⅴ級圍巖段長度為960m，進口段具600m 上坡段，對應(yīng)坡率為0.625%，其后均是下坡段，坡率為0.5%；右洞長度為1076m，明洞長度30m，洞口加強段長度為65m，Ⅴ級圍巖段長度為985m，進口段具550m 上坡段，對應(yīng)坡率亦為0.625%，其后均是下坡段，坡率也為0.5%。

2.1.2 隧址區(qū)工程地質(zhì)條件

結(jié)合隧道勘察成果，其工程地質(zhì)條件如下：①地形地貌。隧址區(qū)具黃土殘塬地貌，其切割相對較淺，但頂部較寬且平緩，起伏相對較小；結(jié)合地形圖，隧址區(qū)高程為1851.63 m~1932.48 m，高差為80.85 m，地形起伏相對一般。②地層巖性。隧道所穿越地段均為新黃土，在天然干燥狀態(tài)下，具有較高的結(jié)構(gòu)性，但受水浸濕后，其強度會明顯降低，并經(jīng)過試驗統(tǒng)計，隧址區(qū)黃土具自重濕陷性，濕陷性等級為Ⅱ~Ⅲ級，工程性質(zhì)相對較差。③地質(zhì)構(gòu)造。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件，隧址區(qū)附近未見大型地質(zhì)構(gòu)造，但受黃土性質(zhì)影響，地層發(fā)育有較多節(jié)理裂隙，導(dǎo)致其完整性較差，且由于區(qū)內(nèi)近期受大地震影響，在山體內(nèi)也引發(fā)了大量的構(gòu)造裂隙和斷層，影響了地層的完整性。④水文地質(zhì)條件。隧址區(qū)地表及附近均未見常年地表水體，在降雨過程中會在地表形成季節(jié)性徑流。地下水類型為孔隙水，但是賦存量相對較小，這次勘察過程均未見明顯的地下水位。

根據(jù)上述工程地質(zhì)條件，該隧道存在較多的施工難點，主要包括黃土強度較低，具有濕陷性特征，施工時易造成變形較大的問題，對施工要求較高；隧道口兩側(cè)發(fā)育有明顯重構(gòu)，地形上存在偏壓的可能，易引發(fā)滑坡、坍塌現(xiàn)象；隧道洞口附近山體上發(fā)育有若干落水洞，其引發(fā)的地下水、裂隙等不清楚。因此，開展該隧道研究具有重要的意義。

2.1.3 隧道塌方概況

當隧道左洞掌子面施工至ZK45+174m 處，正欲施做鋼拱架時，掌子面開始出現(xiàn)裂縫，其裂縫寬度為1 cm~2 cm，且具有進一步擴展特征；當出現(xiàn)上述現(xiàn)象后，施工單位立即組織撤離，待撤離1 h 后，隨即出現(xiàn)了塌方災(zāi)害，其特點主要表現(xiàn)為左、右兩側(cè)出現(xiàn)2 個塌方體，其中，左側(cè)塌方體尺寸為2.5m×2.0m×3.0m，體積約15m3；右側(cè)塌方體尺寸為2.1m×1.8m×2.7m，體積約10.21 m3。

當發(fā)生塌方災(zāi)害后，施工單位對塌方體及已施做開裂初支進行重新混凝土噴射。同時，隧道塌方后，其對應(yīng)地表也出現(xiàn)了明顯裂縫。其中，最大的1 條裂縫的延伸長度約15 m，寬度為1 cm~5 cm，并具有明顯下錯、沉降特征。

2.2 塌方成因分析

結(jié)合隧道塌方段的地質(zhì)條件，將其塌方成因分析如下：1）地形地貌成因。由于塌方段地表較為陡峻，地形起伏較大，且塌方段上部地層的垂直節(jié)理較發(fā)育，各類結(jié)構(gòu)面交錯發(fā)育，導(dǎo)致因此地層的完整性差，自穩(wěn)能力弱。2）淺埋、降雨成因。塌方段埋深為18.4 m，具有顯著的淺埋特征，塌方發(fā)生前，隧址區(qū)發(fā)生了10 h 的連續(xù)降雨，累計降雨量較大；同時，該施工段處于斜坡坡腳，降雨匯集易形成徑流，侵蝕作用明顯。因此，在塌方段施工的過程中，雨水沿垂直節(jié)理滲入至隧道深度處，造成其強度、承載力等急劇下降。3）參數(shù)變化成因。由于雨水入滲的影響，塌方段地層的含水量會逐步增加，抗剪參數(shù)等也會隨之減弱，即地層參數(shù)變差，因此影響地層的自穩(wěn)能力。同時，在該過程中，存在參數(shù)漸變特征，即參數(shù)并不是短時降低。由于參數(shù)漸變，隧道變形也會持續(xù)變形，這也與后續(xù)隧道變形時間曲線匹配。4） 施工擾動成因。隧道施工開挖具有三維特征，即開挖形成后的空間效應(yīng)明顯，這會產(chǎn)生明顯的卸荷作用，使地層裂隙擴展，減少其完整性。且該過程是一個持續(xù)過程，即其地層劣化具長久時間效應(yīng)。當某些特殊機械操作不當時，機械可能對圍巖施做短期作用力，可能引發(fā)一定的小規(guī)模塌方。5）機械擾動成因。黃土隧道施工雖然不用爆破作業(yè)，但是其施工過程也會用到各類機械，機械施工過程會產(chǎn)生一定的振動，會使地層裂隙逐步擴展、貫通，造成其變形破壞。綜上所述，該隧道塌方成因相對較多，其成災(zāi)并不是單一因素作用的結(jié)果，是各因素相互作用共同造成的。

2.3 后續(xù)失穩(wěn)風險評價

2.3.1 變形特征分析

在塌方災(zāi)害初步處理后，在ZK45+165 m 及ZK45+165 m處布設(shè)2 個監(jiān)測斷面，監(jiān)測項目內(nèi)容包括拱頂沉降及水平收斂，旨在實時掌握塌方段的變形特征；在監(jiān)測過程中，監(jiān)測頻率設(shè)置為1 次/d，共計收集得到30 d 變形數(shù)據(jù)。

首先，經(jīng)過統(tǒng)計，得到ZK45+165m 斷面的變形時間曲線，見表1。根據(jù)表1，ZK45+165m 斷面的沉降變形、水平收斂有持續(xù)增加的趨勢，其中，沉降變形值為114.66mm，大于水平收斂值77.41mm。同時，拱頂沉降的變形速率為0.22mm/d~12.42mm/d，平均值為3.28mm/d；水平收斂的變形速率為1.24mm/d~4.07mm/d，平均值為2.21mm/d。在該斷面，將2 類監(jiān)測項目進行對比，得出沉降變形的累計變化量相對更大，且變形速率有更強的波動性。

表1 ZK45+165m 的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

表2 為ZK45+170 m 斷面的變形時間曲線。根據(jù)表2，ZK45+170 m 斷面的沉降變形值為131.49 mm，也大于水平收斂值85.28 mm；在變形速率方面，拱頂沉降的變形速率為0.31 mm/d~10.40 mm/d，平均值為3.76 mm/d；水平收斂的變形速率為0.15 mm/d~6.38 mm/d，平均值為2.44 mm/d。該斷面2 類監(jiān)測項目的變形規(guī)律與ZK45+165m 斷面一致。

表2 ZK45+170m 的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

其次，再對兩監(jiān)測斷面所有變形速率進行區(qū)間分布統(tǒng)計，結(jié)果見表3。根據(jù)表3 可知，隧道塌方段的變形速率分布特征如下：隨著變形速率增加，其對應(yīng)分布區(qū)間的分布次數(shù)或所占比例先增大后變小，且小變形速率區(qū)間的分布比例一般大于大變形速率區(qū)間的分布比例，其中，變形速率在“2 mm/期＜s≤4 mm/期”區(qū)間的分布比例相對最大，占30%。

表3 變形速率的區(qū)間分布

綜上所述，淺埋黃土隧道塌方段的變形特征顯著，因此，開展其后續(xù)變形失穩(wěn)風險評價是十分必要的。

2.3.2 變形預(yù)測及失穩(wěn)風險評價

按照該文的思路，該節(jié)通過變形預(yù)測來實現(xiàn)塌方段后期變形趨勢研究，進而評價其后續(xù)失穩(wěn)風險。

在變形預(yù)測過程中，預(yù)測模型為BBO-SVM 模型，為驗證BBO 算法的優(yōu)化能力，提出以ZK45+165m 斷面的拱頂沉降為例，對其優(yōu)化前后的預(yù)測結(jié)果進行對比，所得結(jié)果見表4。

表4 ZK45+165m 斷面的拱頂沉降預(yù)測結(jié)果

根據(jù)表4，在對應(yīng)驗證節(jié)點處，BBO-SVM 模型的相對誤差值均不同程度地小于SVM 模型的相對誤差值，且前者的平均相對誤差值為2.10%，有較高的預(yù)測精度，但是后者的平均相對誤差值為3.18%，明顯大于前者，充分說明BBO算法能有效地完成SVM 模型的參數(shù)優(yōu)化處理，對提升預(yù)測精度具有良好的效果。

上述已驗證了BBO-SVM 模型在該隧道塌方段變形預(yù)測中的適用性，然后再利用其對其他監(jiān)測點、監(jiān)測項目開展同樣預(yù)測及外推預(yù)測，所得結(jié)果見表5。據(jù)表5，各監(jiān)測點、監(jiān)測項目的預(yù)測精度雖然有一定的差異，但是其相對誤差均在2%左右，預(yù)測結(jié)果的穩(wěn)定性較好，且在兩監(jiān)測斷面的所有預(yù)測結(jié)果中，其相對誤差均值為2.08%~2.28%，進一步驗證了BBO-SVM 模型的預(yù)測能力。

表5 隧道塌方段的最終預(yù)測結(jié)果

根據(jù)表3 中的外推預(yù)測的結(jié)果，得出該塌方段的后續(xù)變形還會進一步增加，并統(tǒng)計得到外推31~34 周期的變形速率均值如下：ZK45+165m 斷面的拱頂沉降預(yù)測速率均值為1.45 mm/d，屬加速變形階段。ZK45+165m 斷面的水平收斂預(yù)測速率均值為1.18 mm/d，屬加速變形階段。ZK45+170m 斷面的拱頂沉降預(yù)測速率均值為1.21 mm/d，屬于加速變形階段。ZK45+170m 斷面的水平收斂預(yù)測速率均值為0.84 mm/d，屬緩慢變化階段。

由上文可知，除ZK45+170 m 斷面的水平收斂存在相對一般的后續(xù)失穩(wěn)風險外，其余監(jiān)測點或項目均存在較大的后續(xù)塌方風險，極易再次發(fā)生塌方事故，建議進一步采取必要的措施，以保證塌方段的穩(wěn)定性，例如在塌方段地表往下進行豎向注漿加固，并在塌方斷面，向上部地層、前部地層進行注漿加固處理；當然，在各類處理過程中，應(yīng)該保持變形監(jiān)測，實時預(yù)警，保障加固過程的安全。

3 結(jié)論

通過淺埋黃土隧道塌方成因分析及后續(xù)失穩(wěn)風險評價，主要得到以下2 個結(jié)論：1）淺埋黃土隧道的塌方成因相對較多，主要包括地形地貌成因、淺埋和降雨成因、參數(shù)變化成因、施工擾動成因以及機械擾動成因，且其塌方成災(zāi)并不是單一因素作用的結(jié)果，是各因素相互作用共同造成的。2）BBO-SVM 模型在該隧道塌方段變形預(yù)測中具有良好的預(yù)測精度，其預(yù)測結(jié)果顯示除ZK45+170m 斷面的水平收斂有相對一般的后續(xù)失穩(wěn)風險外，其余監(jiān)測點或項目均是存在較大的后續(xù)塌方風險，極易再次出現(xiàn)塌方事故。