毛 永 強(qiáng)，張 子 平，2，袁 青，2，熊 齊 歡，3，陳 世 豪，3

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040； 3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)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(fā)育的地段，尤其遇到地下暗河系統(tǒng)、含水泥沙礫層、富水破碎帶時(shí)，易發(fā)生突然大量涌水突泥現(xiàn)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(zāi)害問題也是隧道工程地質(zhì)災(zāi)害的重點(diǎn)問題。涌水突泥災(zāi)害發(fā)生突然、危害較大，易造成人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失。若隧道通過區(qū)域工程地質(zhì)條件復(fù)雜，水源補(bǔ)給量充足，則呈現(xiàn)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(jìn)開挖，地下水排泄有了新通道，破壞了原有的補(bǔ)徑，加速了地下水對巖體的改造作用。

國內(nèi)外的專家學(xué)者對于隧道涌水突泥的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與力學(xué)機(jī)制問題已取得一定突破。國外學(xué)者對隧道等地下工程中的涌水問題進(jìn)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(nèi)常采用模糊綜合評(píng)價(jià)法、層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、加權(quán)平均法、可拓理論等方法，對隧道涌水突泥危險(xiǎn)性進(jìn)行建模分析，提出評(píng)價(jià)體系與判斷標(biāo)準(zhǔn)。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(quán)值，得到隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。張偉杰[7]研究了斷層破碎帶注漿加固機(jī)理，建立了富水?dāng)鄬悠扑閹в克荒嗟刭|(zhì)災(zāi)害復(fù)合控制注漿治理關(guān)鍵技術(shù)體系。楊卓等[8]綜合分析了巖溶隧道水文地質(zhì)條件，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對巖溶隧道突涌水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。譚英華[9]研制了大型三維富水?dāng)鄬悠扑閹淼滥Ｐ驮囼?yàn)系統(tǒng)，建立了工程預(yù)警機(jī)制。徐鐘等[10]等根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)控制目標(biāo)和形成條件劃分風(fēng)險(xiǎn)影響因素，明確風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)要素的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，考慮了影響因素的動(dòng)態(tài)屬性。黃鑫[11]將誘發(fā)隧道涌水突泥災(zāi)害的致災(zāi)系統(tǒng)劃分為3類11型，提出了一種隧道涌水突泥抗突評(píng)判方法RBAM法。張凱等[12]基于可拓理論建立了巖溶區(qū)隧道涌水風(fēng)險(xiǎn)的可拓評(píng)估模型，通過最大關(guān)聯(lián)度原則確定隧道的涌水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。周宗青等[13]提出了一種改進(jìn)的屬性區(qū)間識(shí)別方法，包括多指標(biāo)屬性測度計(jì)算方法及其對應(yīng)的屬性識(shí)別分析方法。

上述方法中模糊綜合評(píng)價(jià)法和層次分析法[14-17]由于專家打分機(jī)制與定性定量的問題導(dǎo)致結(jié)果不夠明確；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法需要大量的參數(shù)，不能觀察學(xué)習(xí)過程，輸出結(jié)果難以解釋，會(huì)影響到結(jié)果的可信度；學(xué)習(xí)時(shí)間過長，甚至可能達(dá)不到學(xué)習(xí)的目的；加權(quán)平均法結(jié)果偏差波動(dòng)較大，不利于統(tǒng)計(jì)分析；可拓理論中的量值域在工程領(lǐng)域中不好確定。

本文在結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法和層次分析法的基礎(chǔ)上，基于已有研究成果和相關(guān)實(shí)例確定評(píng)價(jià)指標(biāo)和權(quán)重信息，根據(jù)工程地質(zhì)因素、水文地質(zhì)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(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合工程規(guī)范和專家評(píng)判信息實(shí)現(xiàn)了各分項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度分配，確定了涌水突泥的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系；將成果應(yīng)用于西雙版納隧道玉溪至磨憨鐵路工程的涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，較好地預(yù)測出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)情況，并針對具體工況提出安全度改善措施，提高了隧道監(jiān)測水平和超前預(yù)報(bào)能力。

1 隧道穿越富水破碎帶涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

1.1 模糊層次分析法原理

模糊層次分析法是一種結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法和層次分析法的評(píng)價(jià)分析方法。明確分析問題的指標(biāo)和評(píng)價(jià)等級(jí)分級(jí)后，通過定性定量的方法來對確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配，得到權(quán)重向量，基于專家評(píng)分和客觀因素評(píng)判后計(jì)算各子級(jí)指標(biāo)的隸屬度評(píng)價(jià)體系。根據(jù)實(shí)際情況中的隸屬度條件，配合權(quán)重分配，即可得出實(shí)際環(huán)境所屬的評(píng)價(jià)等級(jí)情況。主要步驟如下：

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)、結(jié)果等級(jí)；

(2)構(gòu)造判斷矩陣計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重向量；

(3)層次排序及其一致性檢驗(yàn)，證明劃分指標(biāo)的可行性與準(zhǔn)確性；

(4)建立隸屬度評(píng)價(jià)等級(jí)和結(jié)果所屬隸屬度等級(jí)；

(5)根據(jù)實(shí)際情況帶入隸屬度和權(quán)重分配確定結(jié)果。

1.2 層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和專家學(xué)者的結(jié)果分析，在研究大量隧道穿越富水破碎帶涌水突泥現(xiàn)場案例的基礎(chǔ)上，提出圖1所示的層次結(jié)構(gòu)模型。即將評(píng)價(jià)體系劃分為三大主要指標(biāo)和16個(gè)次級(jí)指標(biāo)。

圖1 涌水突泥層次結(jié)構(gòu)模型

考慮模型整體指標(biāo)建立結(jié)果和相關(guān)規(guī)范指南的要求，將隧道穿越富水破碎帶涌水突泥的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為4個(gè)級(jí)別(見表1)。

表1 涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

1.3 權(quán)重確定及其一致性檢驗(yàn)

作為該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的3項(xiàng)主要指標(biāo)，工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和隧道施工對于隧道穿越富水破碎帶發(fā)生涌水突泥災(zāi)害均有重要影響，但工程地質(zhì)與水文地質(zhì)對于工程的影響更為深遠(yuǎn)，復(fù)雜多變的不良地質(zhì)條件是引發(fā)隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)的決定因素。

在總結(jié)諸多類似工程經(jīng)驗(yàn)，參考相關(guān)規(guī)范并借鑒行業(yè)內(nèi)專家建議的基礎(chǔ)上，提出了各級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣以得到權(quán)重占比。

(1)一級(jí)判斷矩陣A-B：

(2)二級(jí)判斷矩陣。首先構(gòu)建B1-C判斷矩陣：

計(jì)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(yàn)。最大特征值λ=8.195 1，最大特征向量W1即為權(quán)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(gòu)建B2-C判斷矩陣：

計(jì)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(yàn)。最大特征值λ=4.045 8，最大特征向量W2即為權(quán)重，W2=[0.459 8 0.200 9 0.119 4 0.219 8]。

最后構(gòu)建B3-C判斷矩陣，通過對各規(guī)范進(jìn)行總結(jié)分析提出判斷矩陣

計(jì)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(yàn)。最大特征值λ=4.248 9，最大特征向量W3即為權(quán)重，W3=[0.507 5 0.249 8 0.085 8 0.156 9]

1.4 隸屬度等級(jí)確定

根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中對于各項(xiàng)指標(biāo)的范圍劃分以及模糊隸屬函數(shù)確定方法中的梯形分布方法來對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行隸屬度的界定。梯形分布計(jì)算主要為

式中：a，b，c，d分別為評(píng)價(jià)因素相對應(yīng)級(jí)別上、中、下限值。

1.4.1工程地質(zhì)隸屬度等級(jí)確定

(1)不良地質(zhì)情況隸屬度。作為富水破碎帶涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)的決定性因素，不良地質(zhì)的存在與數(shù)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(zhì)因素中權(quán)重最大的指標(biāo)。由于不良地質(zhì)情況常常沒有具體的數(shù)值界定體系，可通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[18-20]等規(guī)定的分類情況予以確定隸屬度。根據(jù)4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，將不良地質(zhì)分為4種情況并確定其對應(yīng)的隸屬度(見表2)。

表2 不良地質(zhì)情況分級(jí)

在不良地質(zhì)多發(fā)區(qū)域，富水?dāng)鄬?、巖溶、儲(chǔ)水?dāng)嗔褞?、高山峽谷、洼地等匯水構(gòu)造往往是大氣降水和地表徑流的匯集區(qū)域，大量地表水轉(zhuǎn)入地下，補(bǔ)給地下水，提高了地下水位，是引起隧道涌水突泥災(zāi)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(xiàn)象都與暗河、水泥充填溶洞、儲(chǔ)水導(dǎo)水構(gòu)造、巖溶管道等不良地質(zhì)有關(guān)。

(2)地層巖性隸屬度。不同的地層巖性，引發(fā)隧道涌水突泥災(zāi)害的類型有所不同，巖層的透水性、可溶性和風(fēng)化程度對是否發(fā)生涌水突泥影響巨大。在石灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖巖層中，如果伴有構(gòu)造裂隙，風(fēng)化程度較高，充填介質(zhì)往往以碎石角礫為主，具有較強(qiáng)的透水導(dǎo)水性，容易形成富水?dāng)鄬?，開挖施工揭露后會(huì)引起突涌水災(zāi)害。而在泥質(zhì)軟巖等親水巖層中，充填介質(zhì)以黏土類礦物的斷層泥為主，風(fēng)化程度越高的斷層泥強(qiáng)度越低，遇水發(fā)生軟化，在地下水壓力作用下發(fā)生流動(dòng)，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(jù)巖層的透水性、巖溶性和風(fēng)化程度將地層巖性分級(jí)并確定其對應(yīng)的隸屬度(見表3)。

表3 地層巖性情況分級(jí)

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

地形地貌情況可采取定性定量相結(jié)合的方式進(jìn)行分級(jí)，通過地表出路封閉負(fù)地形面積占比進(jìn)行量級(jí)劃分，結(jié)合集水能力強(qiáng)弱，將地形地貌情況分級(jí)并確定其對應(yīng)的隸屬度(見表4)。

表4 地形地貌情況分級(jí)

(4)巖體質(zhì)量與完整性隸屬度。圍巖質(zhì)量及其完整性特征對隧道涌水突泥是否發(fā)生也有一定影響。圍巖的自穩(wěn)性對不良地質(zhì)的發(fā)生有反向促進(jìn)作用，圍巖完整無填充、質(zhì)量高、體積節(jié)理數(shù)少，裂隙不發(fā)育，則抗變形能力強(qiáng)，施工擾動(dòng)變形小，一般不易發(fā)生涌水突泥等災(zāi)害。圍巖強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育則易失穩(wěn)發(fā)生變形，施工擾動(dòng)影響大，特別是斷層破碎帶、夾泥層等軟弱地質(zhì)體在地下水作用下，易發(fā)生失穩(wěn)破壞，施工不加注意即造成突水突泥等災(zāi)害。

依據(jù)相關(guān)規(guī)范，以巖石質(zhì)量指標(biāo)BQ和圍巖級(jí)別進(jìn)行等級(jí)劃分(見表5)。

表5 巖體質(zhì)量與完整性情況分級(jí)

(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(huì)使巖體喪失連續(xù)性和完整性，對涌水突泥災(zāi)害的發(fā)生有較大影響。作為一個(gè)強(qiáng)度低、透水性大、抗水性差的存在，斷裂破碎帶通常導(dǎo)致兩側(cè)巖體在物理力學(xué)特性上具有顯著的差異，并且由于勘察設(shè)計(jì)和地質(zhì)預(yù)報(bào)的不準(zhǔn)確，其引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害往往具有突發(fā)性。規(guī)模較大的斷裂帶常為多期活動(dòng)，地下工程在這種地段通過時(shí)，常發(fā)生嚴(yán)重坍方、冒頂、涌水。斷層破碎帶厚度越大，越容易產(chǎn)生不利影響。

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

表6 斷裂破碎帶寬度情況分級(jí)

(6)層間裂隙隸屬度。層間裂隙發(fā)育程度影響地下水活動(dòng)與徑流情況，從而造成巖溶發(fā)育形態(tài)與程度差異，進(jìn)而引發(fā)涌水災(zāi)害。裂隙發(fā)育帶滲透性強(qiáng)，地下水較活躍，促使裂隙不斷擴(kuò)張，加速水循環(huán)，從而導(dǎo)致巖溶發(fā)育程度較強(qiáng)；層間裂隙弱發(fā)育或不發(fā)育地層內(nèi)，多數(shù)地段巖溶發(fā)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(jù)進(jìn)行等級(jí)劃分并確定隸屬度(見表7)。

表7 層間裂隙情況分級(jí)

(7)褶皺構(gòu)造隸屬度。巖層產(chǎn)狀是巖溶發(fā)育和地下水流動(dòng)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(fā)育較弱；直立巖層地表匯水面積小，水循環(huán)較弱，巖溶發(fā)育亦較弱。最有利于巖溶發(fā)育的巖層產(chǎn)狀是傾角25°～65°的褶皺翼部。可溶巖中褶皺形成時(shí)所受的構(gòu)造作用力越強(qiáng)，核部地層相對翼部地層裂隙也愈發(fā)育，富水性愈好，隧道穿越時(shí)發(fā)生涌水災(zāi)害的幾率和危險(xiǎn)性級(jí)別越高。

根據(jù)傾角大小和所處區(qū)域?qū)Ⅰ薨櫂?gòu)造情況分為4個(gè)等級(jí)并確定其對應(yīng)的隸屬度(見表8)。

表8 褶皺構(gòu)造情況分級(jí)

(8)巖石結(jié)構(gòu)隸屬度。巖石的結(jié)構(gòu)差異是巖溶發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，造成了地下水的富集各異。巖石結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)比等粒結(jié)構(gòu)的相對溶解度大，溶蝕指標(biāo)大小的依次關(guān)系為泥晶>亮晶>粉晶>微晶。

根據(jù)晶粒大小情況進(jìn)行分級(jí)并確定對應(yīng)的隸屬度(見表9)。

表9 巖石結(jié)構(gòu)情況分級(jí)

1.4.2水文地質(zhì)隸屬度等級(jí)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(fā)生涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)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(wěn)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(qiáng)的致災(zāi)能力，能夠分割巖層中的節(jié)理裂隙，減小巖體的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而制造更多的破碎巖體。

根據(jù)地下水賦存程度和每10 m洞長出水量進(jìn)行分級(jí)并確定對應(yīng)的隸屬度(見表10)。

表10 地下水含量情況分級(jí)

(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(dòng)水壓力。地下水處于不同水位分帶時(shí)，具有不同的致災(zāi)特性，通常水位較高的區(qū)域水壓力也隨之增大，易造成涌水災(zāi)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(dāng)斷層富水但水壓力較低時(shí)，隧道開挖后，雖有少量涌水，但難以造成重大的涌水突泥災(zāi)害。

以水壓力和地下水位情況進(jìn)行分級(jí)并確定對應(yīng)的隸屬度(見表11)。

表11 水壓力情況分級(jí)

(3)環(huán)境溫度隸屬度。環(huán)境溫度會(huì)改變富水破碎地層的水量補(bǔ)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(huì)由于冰凍水體的融化產(chǎn)生大量積水，導(dǎo)致進(jìn)洞易發(fā)生滑塌、涌水現(xiàn)象。而氣溫高于40 ℃的高地溫隧道在惡化施工作業(yè)環(huán)境，威脅人員健康安全的同時(shí)會(huì)增加圍巖的滲透性，降低穩(wěn)定性，當(dāng)開挖至富水?dāng)鄬訒r(shí)，在地應(yīng)力和水壓力的綜合作用下，易造成破碎帶滲透失穩(wěn)，引發(fā)涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)。

由此參考大氣溫度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和大多數(shù)工程環(huán)境溫度信息，給出表12所示的分級(jí)。

表12 環(huán)境溫度情況分級(jí)

(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(qiáng)了地下水的運(yùn)移和儲(chǔ)藏作用。降水量大的持續(xù)降水，會(huì)通過裂隙、斷層等滲入地下，補(bǔ)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(huì)降低圍巖的穩(wěn)定性，為隧道安全施工帶來巨大威脅。

根據(jù)日均降水量對此進(jìn)行分級(jí)并確定隸屬度(見表13)。

表13 降水量情況分級(jí)

1.4.3工程施工隸屬度等級(jí)確定

(1)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)隸屬度?；诔暗刭|(zhì)預(yù)報(bào)的地質(zhì)詳勘是預(yù)防涌水突泥災(zāi)害的重要步驟。如果因?yàn)槲词┳鞒暗刭|(zhì)預(yù)報(bào)或監(jiān)測方案不合理、數(shù)據(jù)解譯準(zhǔn)確度低而未能對地層進(jìn)行詳細(xì)勘查，未提前探明斷層、溶洞等災(zāi)害源，繼而未能正確指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，會(huì)導(dǎo)致原設(shè)計(jì)的支護(hù)體系不足以維持圍巖的穩(wěn)定性，發(fā)生失穩(wěn)破壞，為后續(xù)地質(zhì)災(zāi)害埋下隱患。

以超前水平鉆孔數(shù)值界定體系，包含地質(zhì)雷達(dá)、TSP等方法的分級(jí)情況予以確定隸屬度，分級(jí)結(jié)果如表14所示。

表14 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況分級(jí)

(2)監(jiān)控量測隸屬度。監(jiān)控量測是對隧道施工中地質(zhì)結(jié)構(gòu)變形、穩(wěn)定狀態(tài)和環(huán)境動(dòng)態(tài)的周期觀測工作，可為涌水突泥災(zāi)害防治提供重要的前兆信息。通過對災(zāi)變前兆的揭露，反映富水巖溶體或斷層破碎帶發(fā)生涌水突泥時(shí)的特征信息。如果施工過程未進(jìn)行監(jiān)控量測或監(jiān)測方案不合理，會(huì)導(dǎo)致災(zāi)變發(fā)生時(shí)無法實(shí)時(shí)記錄，繼而使涌水突泥災(zāi)害持續(xù)惡化，引發(fā)工程事故。

對觀察量測工作進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，分級(jí)結(jié)果如表15所示。

表15 監(jiān)控量測情況分級(jí)

(3)開挖支護(hù)隸屬度。開挖和支護(hù)是隧道施工的關(guān)鍵工序，合理的施工方案一定程度上可以減少涌水突泥災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)隧道開挖至富水?dāng)鄬悠扑閹r(shí)，如果循尺過大或未設(shè)置合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致預(yù)留的安全厚度不足，誘發(fā)圍巖發(fā)生變形與裂隙擴(kuò)展，形成涌水突泥通道。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際的開挖循進(jìn)情況和支護(hù)手段進(jìn)行分級(jí)和隸屬度分配，分級(jí)結(jié)果如表16所示。

表16 開挖支護(hù)情況分級(jí)

(4)地下水處理隸屬度。地下水是隧道涌水突泥災(zāi)害的重要誘因，處理好地下排水有助于從源頭減少災(zāi)變的發(fā)生。地下水的流動(dòng)性和滲透性較強(qiáng)，能夠深入隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)，對其安全和穩(wěn)定性造成損害，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)突涌水災(zāi)變。合理的疏導(dǎo)排水措施可以幫助減少災(zāi)變發(fā)生的可能性，每日疏水流量則是衡量排水處理的有效指標(biāo)。

通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及相關(guān)實(shí)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(jí)結(jié)果如表17所示。

表17 地下水處理情況分級(jí)

1.5 單一隸屬度評(píng)價(jià)分析

經(jīng)過大量案例實(shí)際分析，以及上述各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重和隸屬度的分配分級(jí)，以單一隸屬度分級(jí)作為實(shí)際案例中某個(gè)因素代表的評(píng)價(jià)等級(jí)情況，將每一個(gè)因素的評(píng)價(jià)等級(jí)確定，與其所對應(yīng)的權(quán)重相乘，即得到最后的案例實(shí)際評(píng)價(jià)向量，確定最終實(shí)際案例的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，做出相對應(yīng)的調(diào)整措施。

單一隸屬度表示根據(jù)某一因素的具體情況劃分對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度因子，如表18所示。

表18 單一隸屬度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

基于實(shí)際地質(zhì)勘查和隸屬度等級(jí)評(píng)價(jià)可以得到所有C級(jí)指標(biāo)因子的評(píng)價(jià)矩陣。對應(yīng)C級(jí)評(píng)價(jià)矩陣乘各二級(jí)權(quán)重再乘一級(jí)權(quán)重即得到最后的總體評(píng)價(jià)矩陣：

記C級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)矩陣分別為C1-C16，則最后結(jié)果為

(2)

得到R為四維向量，根據(jù)數(shù)值大小比較此工況下的評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)情況。

2 工程實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

西雙版納隧道玉溪至磨憨鐵路工程測區(qū)長度6 000多米，Ⅳ級(jí)圍巖占總長的53.2%，Ⅴ級(jí)圍巖占隧道總長的25.7%。不良地質(zhì)信息為斷裂帶、滑坡、高地應(yīng)力、高地溫等，區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜、地層變動(dòng)、巖漿活動(dòng)、斷裂發(fā)育。受區(qū)域構(gòu)造影響，發(fā)育3條斷層、1個(gè)背斜，地層巖性以第四系粉質(zhì)黏土和泥灰?guī)r為主，巖溶有一定發(fā)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(fā)育為中等裂隙。巖石結(jié)構(gòu)為泥晶結(jié)構(gòu)。

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

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采取TSP、HSP、紅外探水儀器、地質(zhì)雷達(dá)、水平鉆機(jī)同步實(shí)施；監(jiān)控量測采用全站儀、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測傳感器等裝置；建立了超前支護(hù)、初期支護(hù)及二襯結(jié)構(gòu)，循進(jìn)速度較慢；排水采取有效控制。

2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

將工程概況中的具體情況，對應(yīng)上述隸屬度模型中的具體分級(jí)得到16個(gè)C級(jí)權(quán)重因子的隸屬度情況，如表19所示。

表19 C級(jí)權(quán)重因子隸屬度

由此得到C級(jí)權(quán)重因子的評(píng)價(jià)矩陣：

據(jù)此得到C級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣與二級(jí)權(quán)重的加乘結(jié)果為

(3)

故根據(jù)公式(2)，最后的評(píng)價(jià)結(jié)果為R=[0.1760 0.179 4 0.275 4 0.369 1]，即此隧道標(biāo)段的涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅳ級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)很大，需要加強(qiáng)固結(jié)和排水處理。實(shí)際情況中由于隧道區(qū)基巖裂隙水，斷層水的補(bǔ)給情況較大，地質(zhì)條件較差，涌水突泥常常突發(fā)且劇烈，符合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果。

3 結(jié) 論

(1)基于模糊綜合評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)模型，提出了以不良地質(zhì)條件、地層巖性、地下水含量等16個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系，根據(jù)相關(guān)規(guī)范案例設(shè)定定量參照，專家打分等為定性參照確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重和隸屬度，以此計(jì)算分析風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)。

(2)權(quán)重結(jié)果表明，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的天然條件對隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)影響最大，而不良地質(zhì)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(jìn)行重點(diǎn)處理。經(jīng)過測試，該模型能較全面地預(yù)測涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為施工的提前防護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)處理提供參考，針對具體工況提出安全措施，提高隧道監(jiān)測水平和超前預(yù)報(bào)能力。