基于灰色聚类法的下洲隧道围岩分级研究

祝艳波

(中国地质大学（武汉）工程学院岩土工程与工程地质系，湖北武汉 430074)

基于灰色聚类法的下洲隧道围岩分级研究

祝艳波

(中国地质大学（武汉）工程学院岩土工程与工程地质系，湖北武汉 430074)

在隧道开挖施工过程中，经常会遇到围岩失稳、变形的问题。本文结合了宁德至武夷山高速公路S4合同段下洲隧道工程，利用灰色聚类法对隧道围岩分级进行了分析计算，对比传统分级法与灰色聚类法两种分级结果，并对隧道开挖施工后围岩稳定、支护提出了意见。

隧道；围岩分级；围岩稳定性；灰色理论；灰色聚类

0 引言

地下硐室是指人工开挖或者天然存在于岩土体中，作为各种用途的构筑物。在高速公路隧道施工过程中，由于岩体的天然应力平衡遭到破坏，引起隧道围岩体的卸载回弹和应力重分布，当这种回弹应力和重分布应力超过围岩强度所能承受的范围时，将造成工程岩体的失稳破坏，给隧道施工和运营带来危害。

基于灰色理论的应用逐渐成熟，其中的灰色聚类法在隧道围岩分析中，有着较好的适用性和应用前景。灰色聚类主要用于隧道围岩分级中，这种灰色方法很好地解决了传统方法只靠经验、定性地分析的局限，逐步从定性走向定量分析。本文对相同5段桩段，运用BQ法和灰色聚类法对隧道工程围岩进行了分析计算，为开挖施工提供建议。

1 下洲隧道工程概况

宁德至武夷山高速公路S4合同段D10线下洲隧道，是线路通过下洲山而设计分离式隧道。其左线起止里程为D10Zk284+850～D10Zk285+733，全长883m，最大埋深118.0m；右线起止里程为D10K284+825～D10K285+710，全长885m，最大埋深81.0m。

根据区域地质资料，测区地质时期经历海里东、海西、印支、燕山等构造运动，其中以燕山期运动最为强烈，发育次正长石斑岩等侵入岩体。隧址区存在侏罗系上统兜岭群上亚群第一段弱—微风化凝灰熔岩及燕山期次正长石斑岩两种岩性，其接触带位于左线D10ZK285+078及右线D10K285+031附近。

根据野外调查及钻探资料，隧道通过地层为侏罗系上统兜岭群上亚群第一段弱—微风化凝灰熔岩及燕山期次正长石斑岩。上覆地层为第四系坡残积亚粘土（Qdl+el），下伏地层为凝灰熔岩（J3dl1b）及次正长石斑岩（επ），见图1。

图1 下洲隧道地质剖面图

2 下洲隧道围岩聚类分级

2.1 灰色聚类分级标准

在对围岩进行聚类分析过程中，参考公路隧道围岩级别判定表，采用围岩的工程地质特征、结构完整状态和开挖以后的稳定程度3项指标，考虑弹性波速度影响，将各项指标量化如表1。地下水及地应力状态通常只对软弱围岩产生明显影响，在分级过后进行修正[14]。

表1 各量化指标分级标准[3]

2.2 白化函数的确定

为了反映不同指标在聚类过程中作用的差异性，不对指标样本值无量纲化，采用指标定权聚类。记fjk为第j个指标属于第k个灰类的白化函数。各量化指标见图2～5［14］。

图2 岩体完整性指数（Kv）白化权函数

图3 单轴饱和抗压强度Rc的白化权函数

图4 开挖后稳定性状态评分的白化权函数

图5 围岩弹性波纵波波速Vp的白化权函数

具体函数解析式如下：

当 j=1时：

当 j=2时：

当 j=3时：

当 j=4时：

2.3 灰色聚类围岩分级

2.3.1 聚类分级

根据经验及定性分析将影响围岩等级的两项主要因素聚类权定为0.30 ，其余两项为0.20。即取聚类权η1=η2= 0.30 ，η3=η4= 0.20[10]。

因隧道围岩分段较多，本文只选出较为典型的5段加以灰色聚类理论进行围岩分级。其地质概况及分级指标如表2所示。

表2 下洲隧道部分围岩地质概况及分级指标值

以下给出各段的围岩分级聚类分析过程，记σik为i个对象对第k个灰类的聚类系数，在此有5个聚类对象，5个灰类。记dk为分级指标值，ηj为权数。

则当i=1时，

代入数值到（1）公式中计算得到：

则

由max{σ1k}=σ13则可初步判别编号为1的围岩属于第Ⅲ级。

当i=2时，

同理带入数据到公式（2）计算得到：

由max{σ2k}=σ22则可初步判别编号为2的围岩属于第Ⅱ级。

当i=3时，

带入数据到公式（3）计算得到：

由max{σ3k}=σ32则可初步判别编号为2的围岩属于第Ⅱ级。

当i=4时,

带入数据到公式（4）计算得到：

由{σ4k}=σ63则可初步判别编号为4的围岩属于第Ⅲ级。

当i=5时，

带入数据到公式（5）计算得到：

由{σ5k}=σ52则可初步判别编号为5的围岩属于第Ⅱ级.则围岩分级聚类结果如表3所示

表3 围岩分级聚类结果

2.3.2 结合地下水及地应力状态对围岩分级的修正

在地下水丰富，特别是软弱围岩地段，在按以上聚类的基础上，需根据勘测资料进行修正。一般原则是“遇水降级”，但还需根据水量、围岩类别进行修正。地下水状态的等级划分如表4。

表4 地下水状态的分级

地下水影响对围岩分级的修正如表5。

表5 地下水影响的修正

根据地下水对围岩分级的影响，现根据编号1-5的围岩体水文地质条件进行地下水状态分级，并对已经分好的围岩进行修正。具体修正结果如下6表。

表6 修正后的围岩分级聚类结果

3 总结及建议

利用岩体分类中的国标BQ法对下洲隧道各段围岩进行分级，划分为Ⅱ～Ⅴ级；利用灰色理论中的灰色聚类法对围岩进行分级，也得到相应的Ⅱ～Ⅴ级。两种分级方法对比，结果趋于一致，充分说明了灰色聚类法定量确定围岩级别的可靠性。结合相关指标进行修正，使其更加符合工程实际。

根据灰色系统理论对隧道围岩进行聚类分析，仅依靠少数指标，按影响分级的主要因素聚类，即可定量化确定围岩级别，其数学推导严谨，概念清晰，评价结果可靠。隧道围岩分级应向多参数定量化、统一化发展，运用灰色聚类法进行围岩分级是在此方面的有益探索。但在确定围岩分级的量化指标上还需进一步完善，使其更加符合工程实际。

根据隧道围岩分级的结果，对隧道开挖提出以下建议：

（1）隧道洞身处在Ⅴ级围岩地段，岩体稳定性差，开挖易坍塌、冒顶，隧道掘进时应采取支护措施；处在Ⅲ级围岩处的洞身建议采用锚喷混凝土支护。

（2）隧道洞口仰坡、土质边坡采用1：1.25。当边坡超过12m时，需在10m高处留一宽约2.0m平台，并以浆砌块石骨架植草护坡防护。基岩强风化带采用1：1.0m设计放坡，挖沟植草护坡。基岩微、弱风化带边坡采用1:0.75放坡，可采用藤蔓植物放坡。

（3）隧道进、出口段风化严重，顶板薄，成洞困难，洞身稳定性差，易发生塌方，施工中需要采取必要的支护措施，必要时可采用明挖施工。

[1]刘佑荣，唐辉明.岩体力学.北京：中国地质大学出版社，1999年9月，第一版.

[2]李智毅，杨裕云.工程地质学概论. 北京：中国地质大学出版社，1994年10月第一版.

[3]李世辉.隧道围岩稳定性系统分析. 北京：中国铁道出版社，1991年6月，第一版.

[4]王思敬，杨志法等.地下工程岩体稳定性分析.北京：科学出版社，1984.109～180.

[5]李智毅，唐辉明.岩土工程勘察. 北京：中国地质大学出版社，2000年9月，第一版.

[6]重庆交通科研设计院.JTG D70-2004 公路隧道设计规范.北京：人民交通出版社，2004.

[7]杨新安，吴德康. 铁路隧道[M] . 上海:同济大学出版社，2003，第一版.

[8]刘思峰，郭天榜.灰色系统理论及其应用.南京：河南大学出版社，1991年2月，第一版.

[9]邓聚龙.灰理论基础.华中科技大学出版社，2002年2月，第一版.

[10]邓聚龙.灰色系统基本方法.华中科技大学出版社，2005年8月，第一版.

[11] 张庆飞，巫锡勇.灰色聚类法在围岩分级中的应用.西部探矿工程学报，2005 年第5 期.

[12]Malay Bhattacharrya，Fuzzy Mark ovia decision process，Fuzzy Sets and systems，1998

[13]Goodman R.E and Shi Genhua Block Theory and Its Application to Rock Engineering，rentice-Hall，Inc.，Englewood Cliffs，1985

[14]Hoek E，Marinos P.Predicting squeeze[J].Tunnels an Tunneling Internationnal，2000，(11):45～51.

Tunnel Surrounding Rock Classification based on Gray Theory

ZHU Yanbo
(Department of Geotechnical Engineering, Chinese University of Geosciences, Wuhan 430071)

In the course of excavation of tunnel, the problems of rock stability, deformation and damage are often encountered. In this paper the tunnel projects of the Ningde to Wuyishan S4 highway contracts and Bidanya Tunnel Engineering of the Chengdu-Shanghai highway are combined, and the knowledge of Rock Mechanics and Gray Theory are used in the surrounding rock classification and calculation of stability analysis. At the same time, this paper puts forward the suggestion to the rock stability after the excavation of the tunnel, and discusses whether to need supporting or not.

Tunnel; Surrounding rock classification; Rock stability; Grey theory; Grey cluster

TU45

A

祝艳波（1985-），男，辽宁省葫芦岛市人，中国地质大学（武汉）工程学院，硕士研究生，主要从事岩土地质环境与地质灾害研究。Email:342948684@qq.com