王繼飛

（上海同濟(jì)檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海市 200092）

0 引言

地下工程所處環(huán)境及地層賦存條件是十分復(fù)雜的，存在著隨機(jī)性、模糊性、未知性等不定因素，因此對(duì)隧道施工過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估、圍巖穩(wěn)定性預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)隧道變形預(yù)測(cè)一直是巖土工程中的研究難點(diǎn)。影響圍巖穩(wěn)定性的因素很多，在進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性綜合評(píng)估時(shí)，主要考慮的因素有：巖石類別、地下水、結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況、工程形態(tài)及開(kāi)挖因素等。因此隧道工程在施工前都會(huì)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可以獲取圍巖級(jí)別、地下水賦存情況、結(jié)構(gòu)面節(jié)理裂隙發(fā)育情況等地質(zhì)信息，這些信息對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要，如何利用所獲取的信息準(zhǔn)確的推測(cè)圍巖的穩(wěn)定性，對(duì)后續(xù)的施工是十分必要的[1-6]。

1 圍巖穩(wěn)定性影響因素

由于巖土體的復(fù)雜性，對(duì)于某一具體工程，各因素影響程度只能是一種模糊的經(jīng)驗(yàn)性判斷，定量地揭示這些因素的影響程度是很困難的，各影響因素與圍巖穩(wěn)定性關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 影響因素與穩(wěn)定性狀態(tài)模糊關(guān)系

1.1 圍巖級(jí)別的影響

通過(guò)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)可以較為準(zhǔn)確的獲取隧道的圍巖級(jí)別情況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，巖石分屬不同級(jí)別時(shí)，對(duì)其相應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)影響很大，而對(duì)其他狀態(tài)影響程度迅速下降，據(jù)此認(rèn)為：巖石為某一特定基本時(shí)，其隸屬于對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)為1；隸屬于其他狀態(tài)迅速遞減，具體情況見(jiàn)表2。

表2 圍巖類別影響程度

1.2 結(jié)構(gòu)面狀況的影響

電磁波預(yù)報(bào)設(shè)備（地質(zhì)雷達(dá)）或者地震波設(shè)備（TGP等）可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)圍巖的結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況，如結(jié)構(gòu)面類型、發(fā)育規(guī)律及結(jié)構(gòu)面間的軟弱夾層充填情況等，將這些因素?cái)?shù)值化，見(jiàn)表3。

表3 結(jié)構(gòu)面影響模糊關(guān)系

1.3 地下水的影響

目前，地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的瞬變電磁儀對(duì)圍巖中的地下水賦存情況可以做出較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，對(duì)含水體的類型、位置、水量的大小等也可以做出較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，本文從以下幾個(gè)方面考慮地下水的影響：水的類型、對(duì)圍巖作用的機(jī)理、圍巖開(kāi)挖后的出水狀況等，具體處理見(jiàn)表4。

表4 地下水的影響分析

其中開(kāi)挖后出水狀況評(píng)價(jià)根據(jù)水量由多到少分為四級(jí)：A、B、C、D級(jí)，當(dāng)實(shí)際情況為哪一級(jí)時(shí)，即為1，否則為0。

1.4 工程影響因素

工程因素主要指工程形態(tài)和開(kāi)挖因素，工程形態(tài)包括開(kāi)挖體的幾何尺寸、工程用途及工程軸線與軟弱結(jié)構(gòu)面的方位等。為了考慮地下工程的幾何尺寸對(duì)穩(wěn)定性影響及工程用途不同對(duì)應(yīng)不同的穩(wěn)定安全程度，這里引入隧道開(kāi)挖質(zhì)量指標(biāo)Q方法的一個(gè)參數(shù)即開(kāi)挖體的“當(dāng)量尺寸”De。De值是由開(kāi)挖體的跨度、高度或直徑最大值除以所謂的開(kāi)挖體的“支護(hù)比”ESR。

其中ESR與開(kāi)挖體的用途和它所允許的不穩(wěn)定程度兩者有關(guān)，地下電站主廠房，主要公路及鐵路隧道，民防設(shè)施，隧道入口及交叉點(diǎn)取值為1.0。

De值是反映工程形態(tài)對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響的參數(shù)，其物理意義為：ESR值越大（?。?，需要的支護(hù)程度越弱（強(qiáng)）。因此De與ESR成反比關(guān)系；工程尺寸越大（?。?，對(duì)穩(wěn)定性影響程度越大（小），故De與工程尺寸成正比關(guān)系。

另外，不同的開(kāi)挖手段對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響不同，如機(jī)械開(kāi)挖與光面爆破較普通爆破能更有效地保護(hù)圍巖強(qiáng)度和整體性。不同的開(kāi)挖手段及開(kāi)挖方法對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響見(jiàn)表5、表6。

表5 開(kāi)挖手段的影響分析

表6 開(kāi)挖方法的影響分析

2 圍巖穩(wěn)定性影響因素的權(quán)重確定

在圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)問(wèn)題上，不但各影響因素存在程度不一，且對(duì)于不同的穩(wěn)定狀態(tài)，各因素影響也不相同，因此本文擬采用層次分析法（the Analytic Hierarchy Process,簡(jiǎn)稱 AHP）來(lái)解決以上問(wèn)題。AHP可以簡(jiǎn)單地描述為：

確定指標(biāo)體系→建立遞階層次結(jié)構(gòu)→確定權(quán)重→多指標(biāo)綜合。

權(quán)重的確定是AHP解決的核心問(wèn)題，它是在專家調(diào)查的基礎(chǔ)上運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，在一定程度上減少了專家主觀因素的影響。

首先，建立遞階層次結(jié)構(gòu)。

這是確定權(quán)重過(guò)程中最基本、最重要的一步。首先要把復(fù)雜的問(wèn)題分解為各組成部分，稱作元素，把這些元素按屬性不同分為若干組，以形成不同層次。同一層次的元素作為準(zhǔn)則，對(duì)下一層次的某些元素起支配作用，同時(shí)它又受上一層次元素的支配。這種從上至下的支配關(guān)系形成了遞階層次。因此，本文根據(jù)隧道圍巖穩(wěn)定性的實(shí)際情況建立如下層次分析模型，見(jiàn)圖1。

圖1 影響圍巖穩(wěn)定性因素層次分析模型

3 圍巖穩(wěn)定性的模糊綜合評(píng)價(jià)

將模糊數(shù)學(xué)知識(shí)和經(jīng)典綜合評(píng)判理論相結(jié)合，建立模糊層次綜合評(píng)估方法，其具體過(guò)程如下：

先根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算各影響因素隸屬于各穩(wěn)定狀態(tài)的模糊隸屬度，即：

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論：

設(shè)穩(wěn)定性狀態(tài)論域V為：

影響因素論域U為：

則影響因素對(duì)穩(wěn)定性的模糊隸屬矩陣為

rij即為 uij。

模糊綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型為：

上式以不同模式計(jì)算，模型計(jì)算所得的結(jié)果不同。

因此在圍巖穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)時(shí)采用“加權(quán)平均型運(yùn)算”是合理的。由上面所述的層次分析法可得影響因素的權(quán)重矩陣A為：

則“加權(quán)評(píng)價(jià)型”為：

可以得到隸屬于各穩(wěn)定狀態(tài)的隸屬度大?。?/p>

采用模糊數(shù)學(xué)則進(jìn)，取c=max（bi），即可以得到圍巖穩(wěn)定性的類別。也可通過(guò)加權(quán)平均集化方法得到圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)的量化評(píng)估值來(lái)綜合反映圍巖的穩(wěn)定情況。

4 總結(jié)和建議

通過(guò)建立本文所述的模糊綜合評(píng)估模型，可以較為方便的對(duì)公路隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行一個(gè)定量的評(píng)估，對(duì)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和施工方法的及時(shí)調(diào)整具有良好的指導(dǎo)意義，但在具體實(shí)施的過(guò)程中，還需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）超前預(yù)報(bào)人員需要較為豐富的地質(zhì)知識(shí)和從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，這樣所獲取的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果才更準(zhǔn)確，后續(xù)的評(píng)估結(jié)果也相應(yīng)的更為精確。

（2）評(píng)估人員可根據(jù)某一工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況對(duì)部分指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，使模型更接近實(shí)際情況。

（3）應(yīng)將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和預(yù)測(cè)結(jié)果經(jīng)常進(jìn)行比對(duì)，如發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果有偏離情況，則應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行檢查調(diào)整,以得到更加科學(xué)、準(zhǔn)確的結(jié)論。

（4）積極運(yùn)用新技術(shù)、新方法、新設(shè)備，提高超前預(yù)報(bào)的精度和效率，以此提高預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性。