应用模糊层次分析法研究隧道施工对地下水环境的影响

王志杰，王宁，李昭，梁宏浩，何明磊

(1．西南交通大学土木工程学院，四川成都610031;2．西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031)

应用模糊层次分析法研究隧道施工对地下水环境的影响

王志杰1，2，王宁1，2，李昭1，2，梁宏浩1，2，何明磊1，2

(1．西南交通大学土木工程学院，四川成都610031;2．西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031)

隧道修建会对地下水环境产生影响。为了解隧道施工对地下水环境的影响程度，研究了川(主寺)黄(龙)公路雪山梁隧道修建过程对地下水环境的影响。针对性地建立地下水环境影响评价指标体系，确定各指标权重，通过模糊综合层次分析法确定影响等级。评价结果为中等影响等级，与实际情况相符。

地下水环境;模糊层次分析法;指标体系;雪山梁隧道

伴随着隧道交通的快速发展，各种特殊环境下的隧道建设开始出现，这些特殊环境下隧道的建设，会出现不同的环境问题［1-3］。隧道在含水地层中修建，势必会影响地下水的原始渗流场，导致山体内水头和径流发生大的变化。在现有的关于隧道施工与地下水的影响研究中，大都是研究隧道建设中地下水对结构稳定性的不良影响，鲜有涉及到地下水影响研究。

本文主要针对雪山梁隧道进行研究，该地区水敏感性较强。综合已有的文献资料，采用模糊层次分析法，针对性地建立评价分析体系，对水环境影响等级进行评价，并确定评价结果。同时结合实际情况佐证，评价结果与实际相符，这说明评价体系的建立具有一定的合理性，可为类似的隧道工程对地下水环境的负效应评价及选址提供实际参考。

1　工程概况

川(主寺)黄(龙)公路雪山梁隧道起点顺接原川主寺至黄龙公路里程K2+720处，穿越雪山梁山体后在黄龙乡大岩方附近高程3 381 m出洞后接原川黄公路K40+585结束。雪山梁隧道按二级公路设计，设计时速40 km/h，主洞全长7 966 m。隧道建于黄龙景区附近，所涉及生态敏感区域包括黄龙国家级风景名胜区和四川黄龙自然保护区，水资源十分宝贵。

2　评价过程及结果

根据模糊层次分析法相关原理及评价步骤，在对环境影响进行评价时，需要确定评价相关因素和相应指标。包括评价总目标U={u1，u2，…，un}，其中ui表示总目标的下一层次目标因素;指定评价集V= {v1，v2，…，vn}，vi代表对应ui处的评判等级层次;模糊关系矩阵R以及各指标评价权重W;最终评价向量B={b1，b2，…，bn}。分析评价向量B，得出各因素影响评价。

2.1评价标准建立

采用综合分析法构建本次需要进行的评价指标。首先，需要确定第1级评判指标因子，即初选评价指标;随后将评价指标进一步划分;然后对初选指标进行比较，剔除重复和交叉的指标，保留影响大、意义明确的指标因子［4］。

针对雪山梁隧道实际特点，并结合层次分析法自上而下的特性，首先确定研究隧道施工对地下水环境影响目标层因素。随后结合国内外隧道施工对地下水环境影响具体因素，分3个方面研究，主要包括地下水补给条件、地下水径流条件和隧道工程，确定准则层。最后对准则层进行细化，确定出具体的影响指标，共计15个指标，分别用C11～C15，C21～C25，C31～C35表示。调查雪山梁实际工程情况以及地勘情况，各个指标实际参数见表1。

2.2评价指标量化及权重

评价的定量化是评价发展的方向，指标的定量化是评价定量化的基础，采用模糊层次分析法最终得到一个量化的具体数值。为更加精确地评定隧道开挖对地下水环境影响，对于各指标层中的定量指标，运用模糊数学理论，采用较为成熟的降半梯形分布曲线构造隶属函数，确定隶属度。而对于部分可以量化但是资料缺失无法量化的或者只能采用定性判断的定性指标，则根据评价指标标准表进行隶属度分析，确定模糊矩阵。

在确定各指标权重时，本文邀请15位专家对文中建立的指标按重要程度进行排序和打分，确定各指标的相对重要度，并利用G1法［5-6］确定各指标的权重。之后采用算术平均法，对上述专家给出的权重进行平均，整理后得到各指标的综合权重见表2。

表1　评价指标体系及相关参数

表2　G1法隧道工程地下水负效应评价权重

2.3负效应评价分析

根据计算出来的权重以及模糊矩阵，按照模糊综合评价法进行评价，得到3个因素的评价结果:

地下水补给，U1=W1R1=(0.38，0.33，0.28，0.06，0);

地下水径流，U2=W2R2=(0.20，0.23，0.19，0.19，0.19);

隧道工程，U3=W3R3=(0，0.15，0.40，0.32，0.31)。

在对各准则层内指标进行1级评判结果的基础上，可根据各准则层指标的计算结果进行2级评判，从而获得综合评价结果

3　评价结果分析及论证

3.1评价结果分析

1)各分项因素判断

对准则层3个方面因素进行分析，地下水补给因素和地下水径流因素的影响系数较小，处于弱和较弱的范围，而隧道工程因素U3=(0，0.15，0.40，0.32，0.31)，以中等为主。由此可见隧道实际工程的设计参数对隧道产生的影响较大。

2)整体修建模式判断

综合负效应体系的各个因素，最后得到评价结果U=(0.18，0.23，0.28，0.20，0.18)，对结果的最大隶属度计算α=0.217，此结果不满足最大隶属度要求。使用模糊向量单值化进行处理，模糊向量单值化是以加权平均为准则的评判方法。最终得到评价结果U= 3.201，判定隧道开挖对地下水开挖的整体负效应评价为中等等级。

3.2评价结果对比论证

参照建设项目地下水环境影响评价规范［7］以及国内外关于地下水评价以及相关登记划分标准，并参考相关文献［8］，结合雪山梁实际情况，我们确定出隧道对地下水负效应评价等级划分如表3所示。

表3　负效应评价等级划分

为判断上述评价结果是否合理，将从隧道周边流量观测、隧址区实际地表情况、气候特征分析、进出口项目部用水情况以及隧道内部情况5个方面加以分析论证。

1)长时间观测点流量分析

为调查隧道修建对隧址区周边水流量的影响，设置了隧道周边8个观测点进行水流量监测，8个测量点点位如图1所示。为更好地反映隧道开挖对周边流量的影响，将本次观测数据与往年观测数据进行横向和纵向对比分析。对比分析得到8个观测点的数据与往年数据相比，有6个观测点流量有所降低，普遍降低了10%～25%左右，其中，降低最为明显的点为1号点，流量减少了24.3%。对8个观测点统一分析，发现观测点流量随大气降水的变化幅度较大，季节变化明显。这说明周边水主要补给源为大气降水以及冰川融水。

图1　隧址区取水点分布

2)雪山梁实际地表情况

隧道的建设过程中，没有出现隧道内围岩坍塌和衬砌变形过大的情况，根据流量观测可得，在进出口隧址区有6个观测点地表水流量减少，实际地表植被也有影响，但在隧道涉及到的地表周围尚未发现因隧道修建而导致的地表局部坍塌或沉降现象。

3)气候特征分析

黄龙因受高空西风气流和印度西南季风影响，具有明显的青藏高原季风气候的特征。区内降水量在时间和空间上分配都不均衡。根据地表观测点的动态变化特征，观察到在此期间的地表流量的变化与大气降水相关性较大。水位减小的原因与当地的气候条件存在因果关系。

4)隧道附近用水情况

隧道开挖后，进口段项目部由于用水困难，在隧道进口附近往下钻探200 m左右，欲取地下水作为生活用水和施工用水，但没有找到类井泉的取水点，只能从外借水。出口段淘金沟为涪江水发源地，水位较岷江高，地表水较进口丰富，但隧道开挖过程中出现若干干溶洞。仅里程K18+300附近出现股状涌水情况，推断拟建隧道进出口及洞身大部分处于岩溶地下水垂直循环带之中。隧道内长期滴水可能为在山体内的动储量，局部短暂滴水可能为裂隙水的静储量。洞身中段局部受非可溶岩夹持，可能有部分区段处于水平径流带。

5)隧道洞内实际情况

观察隧道内涌水及掌子面渗漏水情况，隧道出口段掌子面(K18+100)附近200 m处(K18+300)有股状涌水，其余区段都处于较为干燥的状态。分析隧道内涌水来源，采用灰色关联分析方法，选取隧道内的涌水与隧道周边水源点进行分析，得到隧道内涌水与山体处的水源相似度较高，可判断出隧道内的涌水可能为山体内的长期储水流出所致。

综合实际情况分析，由流量观测可以发现，隧址区周边水补给主要以大气降水与冰川融水为主，并且流量减少幅度较小。同时，从地表情况分析，地表完整度较高，没有出现塌陷现象。隧道进出口及洞身大部分区段处于岩溶地下水垂直循环带之中，仅隧道出口在修建时，掌子面附近(K18+100)出现股状涌水。综合以上结果，得到雪山梁修建隧道虽然对地下水有一定的影响，但是影响较为有限，影响程度属于中等水平。与模糊层次分析法所得结果比较吻合。

4　结语

1)本文借鉴以往经验，针对性地建立了雪山梁隧道地下水环境影响评价指标体系，采用模糊层次分析法，对雪山梁隧道修建负效应进行了评价，得出雪山梁隧道的地下水影响等级为中等评价等级。

2)本文结合现场实际情况进行调研，从地表、水源流量、隧道洞内情况等5个方面验证分析，得到评价结果与实际相符合，这说明构建的评价体系具有一定的合理性。

目前隧道的修建环境越来越复杂，对环境的影响评估必不可少，本次研究对于今后相关隧道工程地下水环境影响评价及研究具有参考价值，在隧道修建选址时可作为一定的考量指标。

［1］刘翠容．隧道工程地下水处理与生态环境保护［J］．铁道建筑，2005(3):24-27．

［2］王梦恕．中国铁路、隧道与地下空间发展概况［J］．隧道建设，2010，30(4):351-364．

［3］李显伟．深长隧道涌水量预测影响因素评价分析［J］．铁道建筑，2014(2):70－73．

［4］刘向远．岩溶隧道施工中地下水环境负效应评价指标体系研究［D］．成都:西南交通大学，2004．

［5］常艳梅，陈义华．基于指数标度的G1法及其应用［J］．重庆理工大学学报(自然科学版)，2013，27(8):131-134．

［6］王学军，郭亚军．基于G1法的判断矩阵的一致性分析［J］．中国管理科学，2006(6):65-70．

［7］中华人民共和国地质矿产部．DZ 0225—2004建设项目地下水环境影响评价规范［S］．北京:标准出版社，2004．

［8］史景革，史彦民．隧道施工对周围水环境影响研究［J］．铁道建筑，2013(5):62-64．

(责任审编 赵其文)

Study on Influence of Tunnel Construction on Groundwater Environment Using Fuzzy Analytic Hierarchy Process

WANG Zhijie1，2，WANG Ning1，2，LI Zhao1，2，LIANG Honghao1，2，HE Minglei1，2
(1．School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China;2．Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

The construction of tunnel will affect the groundwater environment．Taking the Chuanzhusi－Huanglong highway Xueshanliang tunnel as the research object，the degree of influence of tunnel construction on groundw ater environment was studied in this paper．The evaluation index system of the influence of groundw ater environment was set up，and the weights of each index were determ ined．The influence grade was determined by using the fuzzy analytic hierarchy process(FAHP)．The evaluation results were of medium influence grade and were consistent with the actual situation．

Groundwater environment;Fuzzy analytic hierarchy process;Index system;Xueshan liang tunnel

U455;TV213．9

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．21

1003-1995(2016)11-0080-04

2016-06-08;

2016-08-29

中央高校基本科研业务费专题项目(SWJTU11ZT33)

王志杰(1964—)，男，教授，硕士。