可拓法在隧道超前地质预报的应用

李孝宇

(中铁十九局集团第七工程有限公司，广东 珠海 519029)

可拓法在隧道超前地质预报的应用

李孝宇

(中铁十九局集团第七工程有限公司，广东 珠海 519029)

岩溶地区的隧道地质复杂，极易发生突水突泥等事故，如何提高岩溶地区地质预报准确性成为迫切需要解决的难题。基于可拓理论，构建隧道围岩不良地质情况的四个等级指标体系，对定性指标予以量化，同时对各指标归一化、无量纲化预处理。在物元模型的基础上建立隧道围岩不良地质情况的评估模型，采用熵权法对各因素进行权系数分析。结合工程隧道进行了实例分析，结果表明：柿子园隧道围岩不良地质情况等级为t=4，根据隧道开挖实际结果反馈发现，该评价模型评估准确，具有良好的适用性。

隧道；超前地质预报；岩体波速；可拓法；熵权法

随着我国高铁或高速公路建设日益增多，隧道的修建难度也大大增加。比如，宜万铁路的野三关隧道及云桂铁路的六郎隧道在修建过程中都发现了大型溶洞[1-2]，给施工增加了极大难度。因而对修建隧道进行超前地质预报是不可或缺的环节[2-4]。

近年来，以地震波法为原理的TSP技术在隧道等地下工程中应用广泛。李术才等[5]采用TSP203plus系统对沪蓉西高速的齐岳山隧道进行了不良地质探测，成功预报出一直径约70 cm的向下孔洞。周文峰[6]对不同倾角地层的地震反射波时距曲线以及绕射波时距曲线进行了研究，并将理论研究应用于实际工程隧道，取得了良好效果。曲海峰等[7]认为多种物探手段结合可显著提高预报准确性，将地面地质调查法、地质雷达和TSP三种手段结合，基于系统论建立了综合地质预报方法，所提出的方法应用于广仁岭公路隧道，预报精度达到95%以上。江杰等[8]指出城市岩溶地铁隧道具有埋深浅、干扰因素多等特点，认为城市地下工程预报不可照搬山区隧道的预报方法，提出了隧道地表采用高密度电法，隧道内部采用掌子面素描和地质雷达的方法，该方法在南宁地铁某暗挖段进行了应用，对类似工程具有一定指导意义。通过比较，发现地质雷达法、TSP技术和高密度电法是比较成熟的超前地质预报方法[9-13]，但是地质雷达法是一种短距离预报，一般预报长度为30 m；而高密度电法受限于探测空间，一般在半空间内测试比较准确，而隧道内部全空间测试就无法准确判断不良地质体位置；TSP技术则具有预报距离长，测试数据多，预报准确等特点。考虑到TSP技术测试数据多，又没有成熟的理论进行综合判断，提出一种合适的理论来进行地质解译很有必要。

可拓法在风险评估方面应用广泛，其主要特征是基于区间的研究，并将定性分析和定量分析结合在一起，使得其计算结果更为实际。可拓法又名可拓理论，可转化不相容或矛盾问题，具有很强的通用优势。基于可拓法，构建隧道不良地质情况四个等级指标体系，对定性指标予以量化，同时对各指标归一化、无量纲化预处理。在物元模型的基础上建立隧道不良地质情况的评估模型，采用熵权法对各因素进行权系数分析。最后，结合实际工程隧道进行了评估分析。

1 隧道不良地质可拓评价模型

可拓学理论[14-15]由蔡文等学者创立，主要框架为可拓数学和物元理论。对需评价的工程项目设为N，以有序三元的R={N，c，v}表述，其中c为特征，v为量值，共同组建的基本元，简称物元。假设隧道的不良地质体N有多个特征，则

(1)

式中：R为n维物元，简记为R=(N，c，v)。

在可拓法中，包含所有特征时称为节域，而具有某一特征称为经典域，即经典域包含于节域。经典域和节域的物元矩阵可分别表示为

Rot=(Not，C，Vot)=

(2)

Rp=(Np，C，Vp)=

(3)

式中：Not为研究对象的某一特征，如岩体纵波波速、岩体泊松比、杨氏模量等，关于特征ci量值范围Voti=时，Rot为隧道的不良地质体里程段，Voti为对应ci取值区间，也就是经典域；Rp为不良地质情况的因子，Vpi为对应指标ci的所有取值标准；Not为判断因素。存在⊂，(i=1，2，… ，n)。

隧道的表征因素需技术人员对实际工程隧道进行测量或评价，得到相应数值，根据实际情况获取某物质单元Nj(j=1，2，…，m)。

(4)

Nj关于评价等级的关联函数为

(5)

式中，ktj(vti)=

(6)

(7)

|voti|=bji-aji

(8)

(9)

式中：ktj(vti)为第j个对象的i个特征关于标准物元等级的关联度。采用熵权法获得权系数，则某物质单元Nj关于等级的关联度ktj(Nj)为(10)和(11)，则此研究对象等级为t0。

(10)

ktj0(Nj)=max{ktj(Nj)|t=1，2，3，4}

(11)

2 隧道不良地质情况的评价构建

2.1确定评价指标

隧道不良地质体情况多样，主要包括突水、突泥(砂)、瓦斯突出、断层破碎带和溶洞等。根据国内隧道超前地质预报TSP技术的相关研究[4-5]，总结了隧道不良地质的4个评价因素，如图1所示，即岩体纵波波速、密度、泊松比和杨氏模量。

图1 隧道不良地质评价指标体系

2.2风险评价等级

根据《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》[16]，将隧道的风险等级分为极高、高度、中度和低度风险四个等级，如表1所示。

铁路隧道不良地质情况等级的划分与隧道的地震发射波测试参数紧密相关。本文根据铁路隧道规范和文献[7-9]将指标划分为四个等级：

t={t1，t2，t3，t4}

(12)

式中：t1，t2，t3，t4分别对应风险极高风险、高度风险、中度风险和低度风险四个等级。

表1 隧道健康评价等级划分

3 隧道不良地质评估实例

柿子园隧道位于成兰铁路安县至高川区间，隧道全长14069 m，隧道进出口均紧邻桥台工程，进口紧邻雎水河大桥，隧道最大埋深约680 m。线路穿越龙门山山脉，沿雎水河左岸傍河设隧道通过，属中低山构造侵蚀地貌，沟槽相间，由于构造侵蚀下切作用，地形波状起伏高差较大，部分测段位厚～巨厚层灰岩等屹立山顶，形成几十米至百米的陡壁绝崖。

地面高程760～1834 m，相对高差20～1000 m，自然坡度一般20°～60°，局部为陡壁。坡面上覆第四系土层较厚，局部基岩出露，地表多为杂木、杉树等植被覆盖，较平缓处、沟槽等低洼地带被垦为旱地或经济林木。图2为柿子园隧道洞口图。

3.1定性指标量化处理

使用可拓法需要将非量化的指标作量化处理，用于后期数据的评价计算。

对于岩体纵波波速C1：考虑到不同围岩具有不同波速，C1<1000 m/s表示围岩整体性较差；1000 m/s≤C1<2500 m/s表示围岩整体性差；2500 m/s≤C1<4000 m/s表示围岩整体一般；C1>4000 m/s表示围岩整体性好；

对于密度C2：根据相关规范[16]和地震反射法测试统计资料，C2≤1.4 g/cm3表示围岩密度较小；1.4 g/cm3≤C2<2.0 g/cm3表示围岩密度小；2.0 g/cm3≤C2<2.6 g/cm3表示围岩密度中等；C2>2.6 g/cm3表示围岩密度大；

对于泊松比C3：根据地震反射法测试统计资料，C3≤0.1表示围岩泊松比较小；0.1≤C3<0.2表示围岩泊松比小；0.2≤C3<0.4表示围岩泊松比一般；0.4≤C3<0.5表示围岩泊松比大；

对于杨氏模量C4：杨氏模量采用的是静态杨氏模量表征，C4<10 GPa表示围岩杨氏模量较小；10 GPa≤C4<20 GPa表示围岩杨氏模量小；20 GPa≤C4<35 GPa表示围岩杨氏模量中等；C4≥35 GPa表示围岩杨氏模量大；

将波速、密度、泊松比和杨氏模量采用表格列出，如表2所示。

表2 各指标量化

3.2风险评价指标归一化

使用公式(13)对各因子进行量纲归一化[9]：

(13)

3.3确定隧道不良地质评估的物元

由式(2)和(3)可得柿子园隧道不良地质情况评估的经典域和节域如下：

表3 指标归一化处理过程

式中：j=1，2，3，4。当t=1时，c1，c2，c3和c4的取值范围， ， ，分别取<0，0.2>， <0，0.35>， <0，0.2>， <0，0.22>。即：

同样可知，当t=2，3，4时对应的量值范围，以此类推。根据式(4)，请根据隧道TSP法得到待评价不良地质段的同征物元如下：

3.4确定隧道评估指标权系数

(1)数据归一化。解释的存在灾害隧道分m级，每级被评价风险因子有n个，得到原始矩阵A=(aij)m×n，归一化后可得矩阵R：

R=(rij)m×n(i=1，2， …，m;j=1，2， …，n)

(14)

(2) 定义各评价指标的熵[13]：

(15)

(3)计算各评价指标的熵权w

(16)

根据熵权法，可得权系数为：

wi=[0.235 0.233 0.219 0.313]

3.5计算需要评价物元的关联度

根据式(5)～(9)，得到柿子园隧道的不良地质情况的各评价等级的关联度。计算结果如下：

3.6病害隧道可拓法结果与分析

根据式(10)，可以计算得到柿子园隧道不良地质情况关于等级t的关联度：

ktj=[-0.05753 -0.159442 0.02871 -0.406191]

根据式(11)，可以计算得到柿子园隧道不良地质体等级t=3，即隧道出现地质灾害等级为“高度风险”。

4 结 论

基于可拓法理论，在物元模型的基础上建立隧道不良地质情况的评估模型，并构建隧道风险等级指标体系，结合地震波法的多参数进行综合输入。结果表明，可拓法的主要特征是将定性分析和定量分析结合在一起，使得隧道超前地质预报更为准确可靠。实际工程案例的柿子园隧道里程段内的实际风险等级为t=3，需尽快进行多手段加密探测措施。

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(责任编辑：熊文涛)

ApplicationofSeismicPredicationofTunnelsBasedonExtensionTheory

Li Xiaoyu

(No.7EngineeringCo.,Ltd,ChinaRailway19thBureauGroup,Zhuhai,Guangdong519029,China)

The geology of tunnels in karst area is complicated, and water inrush or mud inrush may take place at any time. Hence it is an urgent problem and it is of significance to improve the accuracy of geological prediction in karst area becomes an urgent problem. Based on the extension theory, four grades of index system for bad geological condition surrounding rock in tunnels are constructed. The qualitative indexes are quantified, and the indexes are normalized and dimensionlessly pretreated. On the basis of matter element model, the evaluation model of unfavorable geological condition of tunnel surrounding rock is established, and the weight coefficient is analyzed by means of entropy. The Peiziyuan tunnel was analyzed by the proposed method and results show show that the Peiziyuan tunnel bad geological conditions of gradet=4, and the grade was verified by the excavated results. Therefore, the evaluation model has a good applicability for assessment.

tunnel; tunnel seismic predication; P-wave velocity; entropy; the extension theory

U24

A

2095-4824(2017)06-0123-05

2017-08-05

李孝宇(1972- )，男，辽宁辽阳人，中铁十九局集团第七工程有限公司工程师。