山岭隧道塌方风险分析

吴越江

（江苏东南交通工程咨询监理有限公司，江苏 南京 210018）

山岭隧道塌方风险分析

吴越江

（江苏东南交通工程咨询监理有限公司，江苏 南京 210018）

文章采用模糊综合评价法对大丘林1号隧道断层破碎带塌方风险性进行了分析，对隧道在穿越断层破碎带时的施工风险性做出定量分析，根据分析结果指导施工，确保施工安全。

山岭隧道；塌方；模糊综合评价

1　概述

山岭隧道由于修建于崇山峻岭之中，地质条件复杂、构造活动强烈、不良地质灾害频发，具有投资大、施工周期长、工艺复杂、工法转换多，施工技术复杂、不可预见风险因素多等特点［1］。在隧道工程中，隧道塌方是隧道施工中最常见的灾害现象之一。由于围岩失稳所造成的突发性塌方、坍塌和崩塌，常会造成严重的安全事故［2］。对于断层破碎带，由于其自身是一个低强度、易变形、透水性大、抗水性差的软弱带。通常导致两侧岩体在物理力学特性上具有显著的差异。并且由于勘察设计和地质预报的不准确，断层破碎带引发的地质灾害往往具有突发性［3］。塌方已成为造成工期延误、生命财产损失的一个重要安全隐患［4］。

由隧道塌方安全事故调查可知，隧道塌方是多种因素共同作用下引发的；由于塌方现场收集的资料有限，塌方的各种影响因素信息并不能完全掌握，因此隧道塌方综合安全评价需结合诸多定量和定性的不确定性指标；而且隧道塌方受人为因素影响较大。鉴于此，模糊综合评价法是一种适用性和科学性较强的评价方法［5］。

2　模糊综合评判

模糊综合评价法（Fuzzy Com prehensive Evaluation）的基本思想是根据综合评价的目标，对客观事物的影响因素进行分解，以构造不同层次的统计指标体系，然后对这些指标进行指标赋值并确定其权重系数，最后采用综合评价模型计算得到综合评价值，以此进行排序和评价。在确定评价因素、因子的评价等级标准和权重的基础上，运用模糊集合变换原理，以隶属度描述各因素及因子的模糊界限，构造模糊评价矩阵，通过多层的复合运算，确定评价对象的可靠度［6］。

具体的步骤如下：（1）建立评价因素集

因素集是影响评价对象的各种元素的一个普通集合，U=｛u1，u2，…，un｝

（2）建立评价集

评价集是评价者对评价对象可能作出的各种评价结果组成的集合，V=｛v1，v2，…，vn｝

（3）找出模糊评价矩阵

式中：ri1，ri2，…，rim分别为把对第i个指标的评分值代入对v1，v2，…，vm的隶属函数u1，u2，…，um中计算出来的。

（4）建立因素权重集

由于各个因素的重要程度不同，为了反映各因素的重要程度，对各个因素应给予一个相应的权数，建立权重集如下A=｛a1，a2，…，am｝

（5）模糊综合评判

单因素模糊评判，仅反映了一个因素对评判对象的影响，这显然是不全面的，要得出正确的评判结果，就要综合所有因素的影响，这就是综合评判，即：B=A○R=｛b1，b2，…，bm｝

（6）由模糊综合评判

指标bi对评判指标作出综合评判结论。按照最小-最大法则来运算：

3　工程实例

3.1工程概况

莆永高速公路永春至永定泉州段起于永春达埔互通与泉三高速公路相接，经永春县达埔镇、安溪县金谷镇、湖头镇、白濑乡、湖上乡、剑斗镇、感德镇以及福田乡，终点设狮子炉隧道与龙岩相接，起讫桩号K0+000~K62+881.68，全长约62.986 km。其中，起点达埔枢纽互通至安溪洋中枢纽互通路段（约5.96 km）按双向6车道设计，路基宽度32 m；其余路段按双向4车道设计，路基宽度24.5 m。全线共设达埔枢纽、洋中枢纽（预留）、湖头、剑斗、感德、福田等6处互通立交。全线设计行车速度80 km/h。

大丘林1号隧道, 构造剥蚀低山丘陵地貌。地形起伏大，山坡坡度约35°~45°，进出口段围岩级别为V级。洞身围岩主要为全~微风化凝灰岩及全~中风化粉砂岩，III-IV级为主。隧址区凝灰岩与粉砂岩两种地层在ZK50+695（K50+680）处呈断层不整合接触关系。断层破碎带岩体节理裂隙发育，岩体以碎块状为主，局部地下水较丰富，对隧道洞身围岩稳定有一定影响。隧道区域地表未发现滑坡、崩塌等不良地质现象。地下水主要为基岩风化裂隙水及构造裂隙水，整体水量较小；ZK50+500~ZK50+700段受低洼地形控制，岩体受构造影响节理裂隙发育，易使地表水渗透至洞身岩体，地下水量较大。

隧址区属剥蚀丘陵地貌，隧道轴线大致呈北东-南西走向，穿越南北向的低山丘陵，地形起伏较大，进口处地面高程350~366 m，出口处地面高程360~379 m，隧道轴线最高点高程580 m，相对高差约230 m，地表植被较发育，覆盖层较厚。进口侧山坡自然坡度约25°~30°，出口侧山坡自然坡度约30°~35°。

3.2模糊综合评价［7］

大丘林1号隧道F43断裂带的自然因素、工程地质条件、水文地质条件具体情况如表1所示：

表1　大丘林1号隧道评价因素实际情况表

表2　大丘林1号隧道塌方风险影响评判各因子权重值

根据工程具体情况，得出风险评估所需要的风险因素参数，如表3所示。

表3　大丘林1号隧道各评价因素等级表

根据因素等级评价及隶属函数，求解出模糊函数矩阵：

进行模糊一级变换：

由此得到二级模糊关系矩阵：

将各评价等级赋以具体分值，然后用模糊综合评价结果向量中对应的隶属度将分值加权平均就可以得到一个点值。设给n个等级依次赋以x1，x2，…，xn，且分值间距相等，则模糊综合评价向量可单值化为：

分别给评价v1，v2，v3，v4，v5赋以分值1，2，3，4，5则：

代入的：F=3.68

评价值F与隧道塌方概率等级的关系如表4所示：

表4　隧道塌方概率等级表

从上表可知隧道塌方概率等级为Ⅳ，即该段围岩很可能发生塌方事故。

4　开挖验证

通过对大丘林1号隧道F43断层破碎带进行模糊综合评价，得知隧道在该断层破碎带附近的塌方概率等级为Ⅳ级，即该段围岩很可能发生塌方事故。实际上隧道实际在通过断层破碎带时并没有发生大规模塌方，但数次出现围岩变形超警戒的情况，同时，局部衬砌支护结构发生大变形，导致初支结构侵入限界。

评价结果可能发生坍塌事故，但实际开挖中并没有发生，究其原因主要是，隧道塌方的可能性是由两个方面控制的，一个是坍塌事件的孕险环境，另一个是坍塌事件的致险因子。隧道的孕险环境各指标如围岩完整性、地下水等指标的等级都较低，很容易导致隧道塌方；而隧道的致险因子各指标如开挖、施工等指标出于应对不利的影响，隧道参建各方都高度重视，采用合理的开挖方法，有效的不良地质改良措施、加强施工组织管理、加强支护并对隧道进行全面、可靠的监测。具体措施是将开挖方法由台阶法调整为CD法，每循环进尺1.0 m，左右导洞保持15 m间距，CD法开挖选取得非常合理，既保证安全，同时也很经济。采用全断面帷幕注浆，并辅以超前小导管预支护措施，地层改良方法及参数选取较合理。初期支护为I22钢拱架，纵向间距80 cm；Φ8钢筋网，间距20 cm×20 cm；拱部及边墙设置φ22锚杆，长3.5 m，梅花形布置，间排距0.8 m×0.8 m；初喷C25混凝土，厚度25 cm；初期支护刚度大，对地层位移控制较好。施工现场配备有经验丰富的管理人员，组织管理非常到位，施工安全措施合理，并建立了完善的规章制度及措施。

为了正确判断断层处开挖方法调整为CD法后围岩稳定情况，按照要求增设了ZK50+695监控量测断面，分别量测隧道左右导的拱顶下沉和收敛位移，其测点布置如图1所示。

ZK50+695断面左、右导的周边收敛位移和拱顶下沉量与时间关系曲线分别如图2、图3所示，由量测成果可知隧道的相对收敛位移最大值为0.37%，拱顶下沉量是0.33%，规范规定隧道在V级围岩中埋深在50 m以上允许相对位移值为0.6%~1.6%，因此满足规范要求。从改变施工工法后的量测数据及现场情况来看，CD法开挖及时控制了围岩的过大变形，对后续施工具有指导意义。

图1　CD法开挖监控量测测点布置图

图2　周边收敛位移时间曲线图

图3　拱顶下沉敛位移时间曲线图

5　结论

通过模糊评价，预测了大丘林1号山岭隧道可能发生施工塌方的高风险等级，在施工中采取了相应的措施，避免了灾害的发生。

模糊综合评判法是一种较好的评价方法。其优点是对不确定因素给予了足够的重视，尤其适用于被评价的事物是由多方面因素所决定的，考虑所有因素而作出一个综合评价。但是也存在许多问题，评价过程中的随机性、评价人员主观上的不确定性及认识上的模糊性，使评价过程带有一定程度的主观臆断性，所以存在一定的误差，需要在今后的研究中作出改进。

［1］ 冯卫星，况勇，陈建军.隧道坍方案例分析［M］.成都：西南交通大学出版社，2002：163-165.

［2］ 于学馥，郑颖人，刘怀恒，等.地下工程围岩稳定分析［M］.北京：煤炭工业出版社，1983.

［3］ 袁勇，王胜辉，彭定超.盾构隧道全寿命防水风险模糊评价［J］.自然灾害学报，2005，14（2）：81-88.

［4］ 黄润秋，许模，徐则民，等.圆梁山特长隧道施工地质灾害问题预测［J］.成都理工学院学报，2001，28（2）：111-115.

［5］ 霍玉华.浅埋公路隧道施工塌方事故的预防与整治技术研究［J］.中国安全科学学报，2005，15（7）：84-89.

［6］ 赵兴东，段进超，唐春安，等.不同断面形式隧道破坏模式研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（增 2）： 4921-4925.

［7］许柏树.层次分析法原理［M］.天津：天津大学出版社，1988：28-30.

Risk Analysis of Mountain Tunnel Collapse

Wu Yuejiang
（Jiangsu Dongnan Jianli Construction Project Management Co., LTD, Nanjing 210018, China）

This paper analyzed collapse risk of fault fracture zone for Daqiulin No.1 tunnel by the fuzzy comprehensive evaluation method.It made quantitative analysis of construction risk for tunnel through the fault fracture zone, which could be used to guide the construction and ensure construction safety.

mountain tunnel; collapse; fuzzy comprehensive evaluation

U458.3

B

1672-9889（2015）04-0068-04

吴越江（1975-），男，吉林乾安人，工程师，主要从事工程监理、管理工作。

（2014-09-17）