基于多级灰关联方法的围岩质量评价

郝　杰

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐　830000)



基于多级灰关联方法的围岩质量评价

郝杰

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000)

摘要：地下洞室围岩质量评价由于其力学参数的不确定性和随机性使得评价结果与实际情况存在一定偏差。准确进行围岩质量评估成为设计和施工阶段最为重要的因素，直接影响着设计方案比选、施工工艺和建设周期。因此，为了提高围岩质量评价的准确性，基于实际工程需要，提出采用多级灰关联评价方法进行围岩质量评价，并将其计算结果与传统围岩评价方法进行对比，验证其准确性。关键词：地下洞室;围岩质量；质量评价;多级灰关联分析

0前言

21世纪以来随着地下工程项目的迅速发展，对诸如隧道、矿山、水工隧洞等围岩安全性评价的要求越来越高[1]，围岩质量评价也是设计和施工过程中极为重要的环节，不仅关系着工程进度、投资和施工形式，也关系着施工人员生命财产安全，因此，科学合理的评价围岩条件，为提供安全可靠的开挖和支护形式提供理论依据[2]。截止目前，中国岩土工程领域采用最多的围岩质量评价方法主要集中在以下3类：国标《工程岩体分级指标》中提出的围岩质量评价方法[3]、RMR分级标准[4]和Q系统分级标准[5]。虽然这些围岩评价方法在实际工程中解决了许多问题，为设计和施工人员所容易接受，但是这些评价方法都存在着一些不足，如围岩参数无法呈现模糊性和随机性，评价结果太过刚性，单纯给出围岩几级，反映不出围岩等级偏好问题，无法体现评价结果的不确定性。基于这一问题，本文提出采用多级灰关联的方法进行围岩质量评价，权重计算采用主成分分析的方法，避免了权重计算的主观性，充分挖掘数据内在关系，并将该方法应用于实际工程中[6-7]。

1围岩质量评价方法简介

1.1围岩评价指标及标准的建立

本文依据相关学者研究资料[8-10]，结合实际工程，提出将单轴抗压强度Rc(MPa)、岩石质量指标RQD(%)、岩体完整性系数Kv、地下水渗水量Q(L/(min·10m))、岩体声波速度V(m/s)和结构面走向与洞轴线夹角θ(°)6个因素作为分析指标，表1列出了围岩评价等级标准。

表1　围岩质量分类标准表

1.2系统多级灰关联综合评价方法

1.2.1样本矩阵与标准矩阵归一化

基于新疆布伦口-公格尔水电站地下洞室研究标段的地质力学参数，建立样本矩阵，详见表2，记为An×m，归一化后矩阵记为(aij)n×m；标准矩阵由表1制定的标准构成，记为Bc×m，归一化后矩阵记为(btj)c×m。本研究采用的归一化方法为分段线性变化，对于指标为越大等级越优型采用下式进行变换[11]：

(1)

(2)

对于指标为越小等级越优型采用下式进行变换：

(3)

(4)

式中：n为评估指标的标段数量；m为评估指标的个数；c为标准的级别数;xij为第i个标段第j个指标的实测数据;Aij为第i年第j个指标的实测数据;Scj为第c个等级第j个指标的标准值;Stj为第j个指标标准限值的均值;S1j为第j个指标的边界值。

表2　洞室各段围岩指标参数值表

1.2.2权重计算

权重计算方法采用主成分分析法，其优点在于它的权数计算是根据指标真实数据的内在相关关系来确定的，从而避免了主观随意性，实现了客观赋权。其计算步骤为：

(1) 根据标准化的数据矩阵(aij)n×m，计算相关系数矩阵Rn×m。

表3　各段围岩指标权重值表

1.2.3关联离散函数的计算

对样本矩阵与标准矩阵进行归一化，并在求得各指标的权重分配后，基于灰色系统理论构造满足关联空间的关联离散函数[12]，具体步骤为：

(1) 计算关联离散函数记样本向量与标准向量的中第j个指标的绝对差，公式为：

(2) 计算关联系数ξi(aj,bt)，公式为：

式中：ρ为分辨系数，0<ρ<1，本文ρ取0.5；t为指标标准限值的均值。

(3) 计算关联度γjt(aj,bt)，公式为：

由关联度γjt(aj,bt)可确定关联度最大、隶属度最高的某个子序列，即可得到各指标的综合评价结果。

2围岩质量评价结果

最终得到的多级灰关联综合评估结果以及其他方法的围岩评价结果汇总于见表4。

表4　围岩稳定灰色综合评价结果表

由表4可知，通过本文方法进行围岩质量评价的结果具有连续性，避免了传统围岩等级“一刀切”的弊端。例如，1号标段的围岩评价结果是2.16，说明该段围岩是偏向Ⅲ类的Ⅱ类围岩，但是偏向Ⅲ类围岩的程度较低，姑且可以评定为Ⅱ类围岩；也可根据实际地质条件、工程重要性程度调为偏于更加保守的Ⅲ类围岩。而对于2号标段，本文评价结果为2.98，虽然也属于偏于Ⅲ类的Ⅱ类围岩，但是由于其偏向Ⅲ类围岩程度很大，此时即可评定为Ⅲ类围岩。同时，将本文评价方法与传统围岩评价方法(QC法、BQ法、HC法和RMR法)相对比，结果具有一定的准确性，说明本文方法在能够表述围岩级别连续的条件下具有较为精确的评价结果，具有一定的应用价值。

3结语

(1) 针对传统围岩评价方法存在的不足，提出基于多级灰关联的围岩质量评价方法，评价结果呈现连续性，反映出围岩质量的不确定性和随机性，避免围岩等级划分太过“刚性”的弊端。

(2) 采用主成分分析法进行围岩影响因子的权重计算，摒弃了主观权重计算的不合理性，完全发挥待测围岩标段参数本身的价值，权重结果更加符合客观实际。

(3) 通过与传统围岩评价方法相互验证，说明本文方法在实践中具有一定应用价值。

参考文献:

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[2]申艳军,闫蕊鑫.工程因素对施工期地下洞室围岩质量影响分析[J].长江科学院院报,2014,31(08)：66-72.

[3]长江水利委员会长江科学院.GB/T50218—2014,工程岩体分级标准[S].北京：中国计划出版社，2015.

[4]唐红宁.RMR围岩分级方法在隧道施工现场的应用[J]. 隧道建设,2008,28(06)：666-671.

[5]Barton N. Analysis of rock mass quality and support practice in tunneling and a guide for estimating support requirement [J].Rock Mechanics,1974,6(04)：189-236.

[6]朱敏，杨栗.基于极限平衡法和有限元法的岩质高边坡稳定性分析[J].西北水电,2012(03)：13-16.

[7]王显丽,贾尔恒·阿哈提,王君丽.博斯腾湖生态服务功能评估模型及应用[J].环境污染与防治,2014,36(01)：24-27.

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[9]贾超,肖树芳,刘宁.可拓学理论在洞室岩体质量评价中的应用[J].岩石力学与工程学报,2003,22(05)：751-756.

[10]康志强,冯夏庭,周辉.基于层次分析法的可拓学理论在地下洞室岩体质量评价中的应用[J].岩石力学与工程学报,2006,25(S2)：3687-3693.

[11]王红莉,姜国强,陶建华.渤海湾水环境系统多级灰关联评价[J].海洋技术,2004,23(04):48-52.

[12]夏军.区域水环境质量灰关联度评价方法的研究[J].水文,1995(02):4-9.

Surrounding Rock Quality Assessment Based on Multiple-stage Grey Correlation Method

HAO Jie

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi830000,China)

Abstract:Assessment of surrounding rock of underground cavern is with certain deviation compared with its actual situation due to uncertainty and randomicity of its mechanics parameters. The accurate assessment of surrounding rock quality becomes the important factor at design and construction stages. It impacts design scheme comparison & selection, construction technology and construction period. Therefore, the multiple-stage grey correlation method is proposed and applied for assessment of surrounding rock quality based on actual engineering demand to improve accuracy of assessment of surrounding rock quality. Furthermore, the calculation result is compared with that of the conventional method for surrounding rock assessment to verify accuracy of the assessment method of multiple-stage grey correlation. Key words:underground cavern; surrounding rock quality; quality assurance; multiple-stage grey correlation analysis

文章编号：1006—2610(2016)03—0024—03

收稿日期：2016-03-11

作者简介：郝杰(1987- )，男，河北省万全县人，工程师，主要从事水利工程设计和研究工作.

基金项目：新疆水利水电工程重点学科资助(xjzdxk-2010-02-12)；新疆科技支撑项目(201233132).

中图分类号：TV223.1

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.006