隧道施工引起的地下水环境负效应评价体系研究

万炳彤， 鲍学英， 李爱春

(兰州交通大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 730070)

1 研究背景

环境效应特指由于人为活动或自然过程而引发环境系统结构和功能改变的一种环境效果。环境负效应即指对环境造成的不良效果[1]。隧道开挖会破坏隧址区原有的地下水循环系统，造成一系列的地下水环境负效应，主要表现为以下几个方面：出现隧道内涌水，造成地下水位下降，水资源流失；疏干漏斗扩大，造成洞顶地表水资源的涸竭、地表塌陷等灾害；出现土壤缺水情况，造成植被无法正常生长，破坏生态环境[1-3]，其影响机理如图1所示。目前，已有不少学者在关于隧道建设对地下水环境产生的负效应方面进行了一些研究[1-4]。但是，现有的研究多见于分析隧道施工对地下水环境产生负效应的成因、表现形式与对应的的控制措施上，而对产生负效应的程度等级方面的评价研究却为数不多。隧道工程地下水环境负效应评价体系研究作为隧道工程地下水环境负效应方向的重要分支，不仅能够量化对水环境的影响程度，为隧道工程的生态环境负效应评价提供理论基础，同时也为隧道工程选址优化、隧道安全施工、隧道区域生态修复工作提供理论参考[1]。目前，现有的主要研究成果有：刘建[5]以垫邻高速铜锣山隧道为例，构建了基于地下水补给源— 径流途径—隧道受体为框架的指标体系，并利用模糊评价模型对其进行了综合评价。白明洲等[6]认为隧道涌水是造成地下水环境负效应的主要原因，故考虑了诱发隧道涌水的各项因素，建立了隧道工程地下水环境负效应评价的层次模型，同样应用模糊数学方法进行了综合评价。上述研究在隧道施工引起的地下水环境负效应评价方面均发挥了重要作用，但在科学合理地解决这类问题上均存在一定的局限性。例如刘建[5]在充分考虑诱发隧道涌水因素的基础上，从自然地理、水文地质、隧道工程3个方面出发，构建了一套科学完善的隧道工程地下水环境负效应评价体系，具体指标多达19个，并应用了模糊综合评价法进行了评价分析。但该模型存在固有缺陷，即因数集(指标个数)较大时，相对隶属度权系数变小(权向量和为1)，出现权向量和模糊矩阵 不匹配的现象，从而引发超模糊现象，难以识别各等级的隶属度高低，影响评价效果[7]。故该模型在评价隧道施工引起的地下水环境负效应时缺乏合理性。白明洲等[6]在构建层次模型时，仅考虑了自然地理与水文地质因素，忽略了隧道施工因素与地下水环境的相关性，构建的评价体系缺乏科学完善性。隧道建设时影响地下水环境的因素复杂多变，具有不确定性，很难用简易的方法对隧道工程地下水环境负效应进行量化评价，且隧道建设时影响地下水环境的因素例如地表汇水面积、多年平均蒸发量、可溶岩出露面积比率等指标信息无法避免的会出现实测资料不完全、测量值不精确等原因所导致的不确定性，这种纯主观认知上的不确定性称为未确知性。

未确知测度模型是一种适用于大数据集的不确定性分析方法，能够解决隧道施工引起的地下水环境负效应评价中诸多因素的未确知性，还能对其进行定量分析。基于此，本文根据《铁路工程水文地质勘察规范》(TB/10049-2014)中的8.24节及其他相关文献，建立了一套科学完善的评价体系，并建立各项指标与地下水环境负效应间的未确知测度模型，应用AHP法求出各指标权重，获得多指标加权综合测度，从而得出基于未确知测度理论的评价模型(具体过程如图2所示)。最后利用某工程实例对该模型加以验证。

图1 隧道施工对地下水环境的影响机理

图2 基于未确知测度理论的评价模型

2 未知测度评价模型

设O1,O2,…,On代表n个待评价地下水环境负效应的隧道工程，其构成的集合O={O1,O2,…,On}称作评价对象空间，任取Oi∈O(i=1,2,…，n)都有m个评价指标S1,S2,…，Sm，其构成的集合S={S1,S2,…，Sm}称为评测空间，xij(j=1,2,…，m)表示第i个隧道工程Oi关于评价指标Sj的实测值。对于每个实测值xij都划分成q个负效应等级C1,C2,…，Cq，其构成的集合E={C1,C2,…，Cq}称作评价空间。其中Ck代表隧道工程地下水环境的第k个负效应等级，且k级负效应弱于k+1级，即Ck>Ck+1[8]。

2.1 单指标测度

若μijk=μ(xij∈Ck)代表实测值xij隶属于第k个负效应等级Ck的范围，且满足：

O≤μ(xij∈Ck)≤1

(1)

μ(xij∈E)=1

(2)

(3)

则称μ为未确知测度[9-11]，(μijk)m×q称作评价对象Oi的单指标测度评价矩阵，表示为：

(4)

利用最常用的直线型测度函数[12]，如公式(5)所示，计算各评价对象的单指标测度评价矩阵。

式中：dk为评价对象实测值区间上分布的点，设第k个负效应等级的取值区间为[dk-1,dk]，实测值从dk升高到dk+1时，对于第k个负效应等级的隶属度慢慢减少，至dk+1时，降为0，相应的对第k+1个负效应等级的隶属度由0增加到1。

2.2 多指加权标综合测度

(6)

(i=1,2,…,n;k=1,2,…,q)

2.3 置信度识别

(7)

则第i个隧道工程Oi施工引起的地下水环境负效应属于Ckr等级。上述准则认为“负效应低”的类应占相当大的比例。实际应用中置信度取0.6～0.7之间[14]，本文取λ=0.6。

2.4 排序

得知各隧道工程的负效应等级后，还可以对其负效应程度进行排序，从而使评价结果更加直观，便于针对性地对隧道区段施行相应的优化措施。已知C1>C2>C3>…>Cq，取Ck(k=1,2,…,q)的分值为Ik，则Ik>Ik+1。且

(8)

式中：doi称为评价对象Oi的未确知重要度，其构成的集合d={do1,do2,…,don}称为未确知重要度向量[14]。根据各隧道工程的未确知重要度大小即可获知其最终的地下水环境负效应程度排序。

3 评价指标体系与分级标准

3.1 评价指标体系的构建

根据《铁路工程水文地质勘察规范》(TB/10049-2014)8.24节及参考文献[15]，在充分考虑诱发隧道涌水因素的基础上,从地质-水文地质、自然地理、隧道工程3个方面出发构建评价指标体系，并将各指标运用Delphi法进行筛选，最终筛选出洞顶水头压力等19个具体指标，构建出隧道工程地下水环境负效应评价指标体系如图3所示。

3.2 地下水环境负效应分级标准

分级标准参照国内外现有研究成果[15-18]常用的地下水环境负效应划分标准，将评价对象关于各评价指标的实测值xij划分为5个负效应等级，即E={C1,C2,…,C5}，C1，C2，C3，C4，C5依次对应：很弱(I)、较弱(II)、中等(III)、较强(IV)、很强(V)，具体分级标准如表1所示(注：岩层富水性S3按补给模数(M)划分[5])。各负效应等级对应的表现形式如表2所示。

4 实证研究

以重庆市渝怀铁路歌乐山隧道为例[15]，该隧道全长4 050m,对应里程DK1+560～DK5+610。最大洞高7.25 m，洞顶最大埋深28 m。隧址区气候属于亚热带季风湿润气候，多年平均降雨量为1 082 mm，多年评均蒸发量为766.2mm，根据该隧道工程相关设计参数，结合隧址区地质-水文地质情况、自然地理情况、现场调查情况，按图3获得该工程各项指标的实测值如表3所示。

根据表1与公式(5)，分别构建各负效应评价指标的测度函数图如图4所示(其中定性指标I级取9分，II级取7分， III级取5分，IV级取3分，V级取1分)。

图3 隧道工程地下水环境负效应评价指标体系

评价指标地下水环境负效应等级IIIIIIIVVS1/%<3030～5050～7070～90>90S2/MPa<0.50.5～1.01.0～3.03.0～5.0>5.0S3/104(m3·a-1·km-2)<55～1010～1515～20>20S4不发育较差一般较发育发育S5补给区弱补给区弱径流区强径流区排泄区S6无褶皱平缓褶皱裂隙较发育的褶皱裂隙发育的褶皱断层发育的褶皱S7泥岩、黏土岩砂岩、细砂岩花岗岩、火成岩风化变质岩石灰岩等可溶岩S8/km2<1010～2020～4040～80>80S9/mm<600600～800800～10001000～1600>1600S10/mm>800600～800500～600400～500<400S11<0.050.05～0.150.15～0.300.30～0.50>0.50S12/104 m3<5050～100100～500500～1000>1000S13平坦单斜面型山谷侧下方平行型横贯河流型山谷正下方平行型S14/(m3·s-1)<0.10.1～0.50.5～2.02.0～10.0>10.0S15TBM法新奥法钻爆法分部开挖钻爆法台阶法钻爆法全断面S16/m2<5050～120120～250250～350>350S17/km<0.10.1～0.30.3～1.01.0～3.0>3.0S18/km<0.40.4～1.01.0～2.02.0～3.0>3.0S19/m<100100～300300～500500～1000>1000

表2 地下水环境各负效应等级的表现形式

表3 各项评价指标的实测值

图4 各项负效应评价指标的测度函数图

S1S2S3S4S5S6S7S8S9S100.06790.03930.07050.08340.06810.06170.07810.03870.05350.0251S11S12S13S14S15S16S17S18S190.03860.04190.05390.04190.04770.03620.05540.05380.0445

将表3中地下水环境负效应评价的各项指标取值分别代入图4所对应的各负效应指标的测度函数图中，得到渝怀铁路歌乐山隧道工程的单指标测度矩阵μ1jk如下：

文献[15]根据隧道工程地下水环境负效应评价指标体系(图3)，利用AHP法和10位地质—水文地质、自然地理、隧道工程等领域的专家打分构建出多层次评价模型层间的判断矩阵。获得各负效应指标的总排序权重如表4所示。

表5 渝怀铁路歌乐山隧道工程地下水环境负效应评价结果

5 结 论

(1)本文根据《铁路工程水文地质勘察规范》(TB/10049-2014)及相关文献，在充分考虑诱发隧道涌水因素的基础上,从地质-水文地质、自然地理、隧道工程3个方面出发建立了隧道工程地下水环境负效应评价的层次模型。

(2)考虑到隧道工程地下水环境负效应评价中信息的不确定性和未确知性，建立评价指标与地下水环境负效应间的未确知测度模型，结合AHP法求出的各指标权重，得到多指标加权综合测度，从而得出基于未确知测度理论的评价模型。

(3)利用本文所构建的评价体系对渝怀铁路歌乐山隧道某区段引起的地下水环境负效应进行了评价,其结果为IV级，即该区段隧道工程引起的地下水环境负效较强。且评价结果同模糊综合评价法求出的负效应等级一致，验证了本文所构建评价模型的可靠适用性。