李孝宇

(中鐵十九局集團(tuán)第七工程有限公司，廣東 珠海 519029)

可拓法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的應(yīng)用

李孝宇

(中鐵十九局集團(tuán)第七工程有限公司，廣東 珠海 519029)

巖溶地區(qū)的隧道地質(zhì)復(fù)雜，極易發(fā)生突水突泥等事故，如何提高巖溶地區(qū)地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性成為迫切需要解決的難題。基于可拓理論，構(gòu)建隧道圍巖不良地質(zhì)情況的四個(gè)等級指標(biāo)體系，對定性指標(biāo)予以量化，同時(shí)對各指標(biāo)歸一化、無量綱化預(yù)處理。在物元模型的基礎(chǔ)上建立隧道圍巖不良地質(zhì)情況的評估模型，采用熵權(quán)法對各因素進(jìn)行權(quán)系數(shù)分析。結(jié)合工程隧道進(jìn)行了實(shí)例分析，結(jié)果表明：柿子園隧道圍巖不良地質(zhì)情況等級為t=4，根據(jù)隧道開挖實(shí)際結(jié)果反饋發(fā)現(xiàn)，該評價(jià)模型評估準(zhǔn)確，具有良好的適用性。

隧道；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；巖體波速；可拓法；熵權(quán)法

隨著我國高鐵或高速公路建設(shè)日益增多，隧道的修建難度也大大增加。比如，宜萬鐵路的野三關(guān)隧道及云桂鐵路的六郎隧道在修建過程中都發(fā)現(xiàn)了大型溶洞[1-2]，給施工增加了極大難度。因而對修建隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是不可或缺的環(huán)節(jié)[2-4]。

近年來，以地震波法為原理的TSP技術(shù)在隧道等地下工程中應(yīng)用廣泛。李術(shù)才等[5]采用TSP203plus系統(tǒng)對滬蓉西高速的齊岳山隧道進(jìn)行了不良地質(zhì)探測，成功預(yù)報(bào)出一直徑約70 cm的向下孔洞。周文峰[6]對不同傾角地層的地震反射波時(shí)距曲線以及繞射波時(shí)距曲線進(jìn)行了研究，并將理論研究應(yīng)用于實(shí)際工程隧道，取得了良好效果。曲海峰等[7]認(rèn)為多種物探手段結(jié)合可顯著提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，將地面地質(zhì)調(diào)查法、地質(zhì)雷達(dá)和TSP三種手段結(jié)合，基于系統(tǒng)論建立了綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，所提出的方法應(yīng)用于廣仁嶺公路隧道，預(yù)報(bào)精度達(dá)到95%以上。江杰等[8]指出城市巖溶地鐵隧道具有埋深淺、干擾因素多等特點(diǎn)，認(rèn)為城市地下工程預(yù)報(bào)不可照搬山區(qū)隧道的預(yù)報(bào)方法，提出了隧道地表采用高密度電法，隧道內(nèi)部采用掌子面素描和地質(zhì)雷達(dá)的方法，該方法在南寧地鐵某暗挖段進(jìn)行了應(yīng)用，對類似工程具有一定指導(dǎo)意義。通過比較，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)雷達(dá)法、TSP技術(shù)和高密度電法是比較成熟的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法[9-13]，但是地質(zhì)雷達(dá)法是一種短距離預(yù)報(bào)，一般預(yù)報(bào)長度為30 m；而高密度電法受限于探測空間，一般在半空間內(nèi)測試比較準(zhǔn)確，而隧道內(nèi)部全空間測試就無法準(zhǔn)確判斷不良地質(zhì)體位置；TSP技術(shù)則具有預(yù)報(bào)距離長，測試數(shù)據(jù)多，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確等特點(diǎn)?？紤]到TSP技術(shù)測試數(shù)據(jù)多，又沒有成熟的理論進(jìn)行綜合判斷，提出一種合適的理論來進(jìn)行地質(zhì)解譯很有必要。

可拓法在風(fēng)險(xiǎn)評估方面應(yīng)用廣泛，其主要特征是基于區(qū)間的研究，并將定性分析和定量分析結(jié)合在一起，使得其計(jì)算結(jié)果更為實(shí)際?？赏胤ㄓ置赏乩碚?，可轉(zhuǎn)化不相容或矛盾問題，具有很強(qiáng)的通用優(yōu)勢。基于可拓法，構(gòu)建隧道不良地質(zhì)情況四個(gè)等級指標(biāo)體系，對定性指標(biāo)予以量化，同時(shí)對各指標(biāo)歸一化、無量綱化預(yù)處理。在物元模型的基礎(chǔ)上建立隧道不良地質(zhì)情況的評估模型，采用熵權(quán)法對各因素進(jìn)行權(quán)系數(shù)分析。最后，結(jié)合實(shí)際工程隧道進(jìn)行了評估分析。

1 隧道不良地質(zhì)可拓評價(jià)模型

可拓學(xué)理論[14-15]由蔡文等學(xué)者創(chuàng)立，主要框架為可拓?cái)?shù)學(xué)和物元理論。對需評價(jià)的工程項(xiàng)目設(shè)為N，以有序三元的R={N，c，v}表述，其中c為特征，v為量值，共同組建的基本元，簡稱物元。假設(shè)隧道的不良地質(zhì)體N有多個(gè)特征，則

(1)

式中：R為n維物元，簡記為R=(N，c，v)。

在可拓法中，包含所有特征時(shí)稱為節(jié)域，而具有某一特征稱為經(jīng)典域，即經(jīng)典域包含于節(jié)域。經(jīng)典域和節(jié)域的物元矩陣可分別表示為

Rot=(Not，C，Vot)=

(2)

Rp=(Np，C，Vp)=

(3)

式中：Not為研究對象的某一特征，如巖體縱波波速、巖體泊松比、楊氏模量等，關(guān)于特征ci量值范圍Voti=時(shí)，Rot為隧道的不良地質(zhì)體里程段，Voti為對應(yīng)ci取值區(qū)間，也就是經(jīng)典域；Rp為不良地質(zhì)情況的因子，Vpi為對應(yīng)指標(biāo)ci的所有取值標(biāo)準(zhǔn)；Not為判斷因素。存在?，(i=1，2，… ，n)。

隧道的表征因素需技術(shù)人員對實(shí)際工程隧道進(jìn)行測量或評價(jià)，得到相應(yīng)數(shù)值，根據(jù)實(shí)際情況獲取某物質(zhì)單元Nj(j=1，2，…，m)。

(4)

Nj關(guān)于評價(jià)等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)為

(5)

式中，ktj(vti)=

(6)

(7)

|voti|=bji-aji

(8)

(9)

式中：ktj(vti)為第j個(gè)對象的i個(gè)特征關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)物元等級的關(guān)聯(lián)度。采用熵權(quán)法獲得權(quán)系數(shù)，則某物質(zhì)單元Nj關(guān)于等級的關(guān)聯(lián)度ktj(Nj)為(10)和(11)，則此研究對象等級為t0。

(10)

ktj0(Nj)=max{ktj(Nj)|t=1，2，3，4}

(11)

2 隧道不良地質(zhì)情況的評價(jià)構(gòu)建

2.1確定評價(jià)指標(biāo)

隧道不良地質(zhì)體情況多樣，主要包括突水、突泥(砂)、瓦斯突出、斷層破碎帶和溶洞等。根據(jù)國內(nèi)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP技術(shù)的相關(guān)研究[4-5]，總結(jié)了隧道不良地質(zhì)的4個(gè)評價(jià)因素，如圖1所示，即巖體縱波波速、密度、泊松比和楊氏模量。

圖1 隧道不良地質(zhì)評價(jià)指標(biāo)體系

2.2風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級

根據(jù)《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評估與管理暫行規(guī)定》[16]，將隧道的風(fēng)險(xiǎn)等級分為極高、高度、中度和低度風(fēng)險(xiǎn)四個(gè)等級，如表1所示。

鐵路隧道不良地質(zhì)情況等級的劃分與隧道的地震發(fā)射波測試參數(shù)緊密相關(guān)。本文根據(jù)鐵路隧道規(guī)范和文獻(xiàn)[7-9]將指標(biāo)劃分為四個(gè)等級：

t={t1，t2，t3，t4}

(12)

式中：t1，t2，t3，t4分別對應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)極高風(fēng)險(xiǎn)、高度風(fēng)險(xiǎn)、中度風(fēng)險(xiǎn)和低度風(fēng)險(xiǎn)四個(gè)等級。

表1 隧道健康評價(jià)等級劃分

3 隧道不良地質(zhì)評估實(shí)例

柿子園隧道位于成蘭鐵路安縣至高川區(qū)間，隧道全長14069 m，隧道進(jìn)出口均緊鄰橋臺(tái)工程，進(jìn)口緊鄰雎水河大橋，隧道最大埋深約680 m。線路穿越龍門山山脈，沿雎水河左岸傍河設(shè)隧道通過，屬中低山構(gòu)造侵蝕地貌，溝槽相間，由于構(gòu)造侵蝕下切作用，地形波狀起伏高差較大，部分測段位厚～巨厚層灰?guī)r等屹立山頂，形成幾十米至百米的陡壁絕崖。

地面高程760～1834 m，相對高差20～1000 m，自然坡度一般20°～60°，局部為陡壁。坡面上覆第四系土層較厚，局部基巖出露，地表多為雜木、杉樹等植被覆蓋，較平緩處、溝槽等低洼地帶被墾為旱地或經(jīng)濟(jì)林木。圖2為柿子園隧道洞口圖。

3.1定性指標(biāo)量化處理

使用可拓法需要將非量化的指標(biāo)作量化處理，用于后期數(shù)據(jù)的評價(jià)計(jì)算。

對于巖體縱波波速C1：考慮到不同圍巖具有不同波速，C1<1000 m/s表示圍巖整體性較差；1000 m/s≤C1<2500 m/s表示圍巖整體性差；2500 m/s≤C1<4000 m/s表示圍巖整體一般；C1>4000 m/s表示圍巖整體性好；

對于密度C2：根據(jù)相關(guān)規(guī)范[16]和地震反射法測試統(tǒng)計(jì)資料，C2≤1.4 g/cm3表示圍巖密度較??；1.4 g/cm3≤C2<2.0 g/cm3表示圍巖密度小；2.0 g/cm3≤C2<2.6 g/cm3表示圍巖密度中等；C2>2.6 g/cm3表示圍巖密度大；

對于泊松比C3：根據(jù)地震反射法測試統(tǒng)計(jì)資料，C3≤0.1表示圍巖泊松比較??；0.1≤C3<0.2表示圍巖泊松比??；0.2≤C3<0.4表示圍巖泊松比一般；0.4≤C3<0.5表示圍巖泊松比大；

對于楊氏模量C4：楊氏模量采用的是靜態(tài)楊氏模量表征，C4<10 GPa表示圍巖楊氏模量較小；10 GPa≤C4<20 GPa表示圍巖楊氏模量??；20 GPa≤C4<35 GPa表示圍巖楊氏模量中等；C4≥35 GPa表示圍巖楊氏模量大；

將波速、密度、泊松比和楊氏模量采用表格列出，如表2所示。

表2 各指標(biāo)量化

3.2風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)歸一化

使用公式(13)對各因子進(jìn)行量綱歸一化[9]：

(13)

3.3確定隧道不良地質(zhì)評估的物元

由式(2)和(3)可得柿子園隧道不良地質(zhì)情況評估的經(jīng)典域和節(jié)域如下：

表3 指標(biāo)歸一化處理過程

式中：j=1，2，3，4。當(dāng)t=1時(shí)，c1，c2，c3和c4的取值范圍， ， ，分別取<0，0.2>， <0，0.35>， <0，0.2>， <0，0.22>。即：

同樣可知，當(dāng)t=2，3，4時(shí)對應(yīng)的量值范圍，以此類推。根據(jù)式(4)，請根據(jù)隧道TSP法得到待評價(jià)不良地質(zhì)段的同征物元如下：

3.4確定隧道評估指標(biāo)權(quán)系數(shù)

(1)數(shù)據(jù)歸一化。解釋的存在災(zāi)害隧道分m級，每級被評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)因子有n個(gè)，得到原始矩陣A=(aij)m×n，歸一化后可得矩陣R：

R=(rij)m×n(i=1，2， …，m;j=1，2， …，n)

(14)

(2) 定義各評價(jià)指標(biāo)的熵[13]：

(15)

(3)計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)w

(16)

根據(jù)熵權(quán)法，可得權(quán)系數(shù)為：

wi=[0.235 0.233 0.219 0.313]

3.5計(jì)算需要評價(jià)物元的關(guān)聯(lián)度

根據(jù)式(5)～(9)，得到柿子園隧道的不良地質(zhì)情況的各評價(jià)等級的關(guān)聯(lián)度。計(jì)算結(jié)果如下：

3.6病害隧道可拓法結(jié)果與分析

根據(jù)式(10)，可以計(jì)算得到柿子園隧道不良地質(zhì)情況關(guān)于等級t的關(guān)聯(lián)度：

ktj=[-0.05753 -0.159442 0.02871 -0.406191]

根據(jù)式(11)，可以計(jì)算得到柿子園隧道不良地質(zhì)體等級t=3，即隧道出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害等級為“高度風(fēng)險(xiǎn)”。

4 結(jié) 論

基于可拓法理論，在物元模型的基礎(chǔ)上建立隧道不良地質(zhì)情況的評估模型，并構(gòu)建隧道風(fēng)險(xiǎn)等級指標(biāo)體系，結(jié)合地震波法的多參數(shù)進(jìn)行綜合輸入。結(jié)果表明，可拓法的主要特征是將定性分析和定量分析結(jié)合在一起，使得隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)更為準(zhǔn)確可靠。實(shí)際工程案例的柿子園隧道里程段內(nèi)的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)等級為t=3，需盡快進(jìn)行多手段加密探測措施。

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(責(zé)任編輯：熊文濤)

ApplicationofSeismicPredicationofTunnelsBasedonExtensionTheory

Li Xiaoyu

(No.7EngineeringCo.,Ltd,ChinaRailway19thBureauGroup,Zhuhai,Guangdong519029,China)

The geology of tunnels in karst area is complicated, and water inrush or mud inrush may take place at any time. Hence it is an urgent problem and it is of significance to improve the accuracy of geological prediction in karst area becomes an urgent problem. Based on the extension theory, four grades of index system for bad geological condition surrounding rock in tunnels are constructed. The qualitative indexes are quantified, and the indexes are normalized and dimensionlessly pretreated. On the basis of matter element model, the evaluation model of unfavorable geological condition of tunnel surrounding rock is established, and the weight coefficient is analyzed by means of entropy. The Peiziyuan tunnel was analyzed by the proposed method and results show show that the Peiziyuan tunnel bad geological conditions of gradet=4, and the grade was verified by the excavated results. Therefore, the evaluation model has a good applicability for assessment.

tunnel; tunnel seismic predication; P-wave velocity; entropy; the extension theory

U24

A

2095-4824(2017)06-0123-05

2017-08-05

李孝宇(1972- )，男，遼寧遼陽人，中鐵十九局集團(tuán)第七工程有限公司工程師。