模糊综合评判理论在隧道超前地质预报中的应用研究

王 一

(中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110136)

0 引言

随着国家经济战略向西转移，西部大开发已成必然，交通等基础设施建设理当先行。我国西南地区地质条件复杂多变，修建长大隧道及其困难，因此在隧道开挖前应进行详细的地质勘查。我国西南地区富含大量碳酸盐类岩石，遇水后极易形成岩溶洞穴。地下工程开挖过程中，岩溶突水、突泥、坍塌现象经常出现，对施工环境相对隐蔽的隧道工程来说危害巨大，轻者造成施工进度缓慢或暂停施工，重者将直接造成人员伤亡。据统计，宜万铁路马鹿箐隧道在2006年1月21日遭遇突水，由于事发突然，事故造成9人遇难，同为宜万铁路的野三关隧道发生突水，事故造成10人遇难。所以，对隧道穿越段地质情况的掌握是保证安全施工的关键，通过现有资料结合理论方法对未开挖段进行提前预判已逐渐成为国内外学者的研究方向，对重点区段制定预报方案，有着重大的现实和理论意义[1-2]。

随着超前地质预报技术不断发展，TSP、地质雷达、红外探测、陆地声纳、瞬变电磁、超前钻孔等技术日趋完善。每种技术都有其各自的特点，但单一的超前地质预报技术还不能完全满足我国隧道工程的发展需求，主要是由于单一的探测技术精度不足，无法精确地测出掌子面前方是否存在岩溶情况[3-4]。因此，本文在已有资料的基础上结合模糊综合评判理论及地质雷达检测技术对杨林岩溶分布情况进行研究，为岩溶区隧道安全施工提供可靠的理论依据。

1 突水突泥评价因素

1.1 岩层厚度及岩层组合

碳酸盐类岩石的溶蚀情况不仅与岩层厚度有关，而且与层间组合情况也密切相关。通常厚度较大的岩层是岩溶发育的多发带，由于厚度较大岩层中所含有的杂质相对较少，其自身溶蚀性较好，岩溶在该种岩石中发育概率极大。相反，在厚度较薄的岩层通常富含杂质，溶蚀性不好，不易产生岩溶现象。如果仅由碳酸盐类的岩石或由其他岩层与碳酸盐类岩石组合而成的岩层，其岩溶较为发育[5]。

岩层组合同样对岩溶发育起着重要作用，含水层按岩性一般分为4个等级，即强岩溶含水层、中岩溶含水层、弱岩溶含水层和非可溶岩相对隔水层，该四种岩性在我国西南地区皆有存在。

1.2 洞穴距离

岩溶洞穴与隧道断面之间的垂直距离同样影响岩溶突水情况。当岩溶洞穴距离隧道小于1倍隧道跨度时，岩溶突水可能性最大，当岩溶洞穴距离隧道大于2倍隧道跨度时，影响甚微，几乎不会对隧道产生影响。根据工程经验，当距离处于1.5倍跨度和2倍跨度之间的突水情况较弱，处于1倍跨度到1.5倍跨度之间的突水情况较强。

1.3 地下水

地下水是造成岩溶隧道产生突水的最根本因素。根据工程专家多年经验可知，地下水头的大小对隧道底板危害程度很大，地下水头即年最高水位与隧道底板之间的高度差。隧道突水等级可分为四级，如果由水作为溶腔内的主要充填物质，且腔内土石碎渣并未固结时，或固结程度不强，且地下水头位于隧道底板以上60 m时，隧道极易发生瞬时突水，即突水风险等级为一级，极度危险。而当地下水头位于隧道底板以下时，不会造成突水突泥情况，突水风险等级为四级，即不发生危险。介于一级和四级之间的二、三两级则根据工程经验得出，具体分级见表1。

表1 岩溶隧道突水突泥因素指标

1.4 降水

隧道在雨季施工时，极易发生突水情况。由于地表水流的汇集，通过岩层间裂隙管道流入岩溶洞穴，增大洞穴内含水量，易产生突水。对于隧道上方至地表相对较密实的岩体，虽然渗流速度较慢，但经过一段时间持续渗流作用后还是会增加岩溶洞穴内的水量，造成突水情况。

1.5 地质构造

地质构造是控制岩溶发育的关键因素，对岩溶大小、形态、发展方向以及种群规模影响极大。地质结构主要包括节理、裂隙、断层和软弱结构面等。其中，压性断裂带是在较大的地质构造运动挤压下形成的特殊地质带，根据其产生原因，处于该地质带的围岩主要以泥岩及压碎岩构成，各种岩体之间处于相互胶结混沌状态，孔隙率极低，地下水在此处很难流动。因此，压性断裂一般不会造成岩溶发育，而张性断裂带和扭性断裂带则容易产生岩溶现象。褶皱处通常也是岩溶的高发地带。

1.6 岩层产状

岩层产状控制着层间水流状态，水平和竖直产状岩层最不易发育岩溶。因为水平状岩层水流速度缓慢，竖直产状岩层汇水面积小，但竖直产状较水平产状相对容易产生岩溶现象。根据工程经验可知，当岩层产状的倾角20°≤α≤60°，且仅为向斜或背斜翼部时，最易发育岩溶；而当岩层产状倾角0°≤α≤20°和60°≤α≤90°时，岩溶发育等级处于中等水平。

岩溶隧道突水突泥各影响因素指标见表1。

2 突水突泥模糊数学评价模型[6]

因素集：根据前述可知，岩溶隧道突水突泥的主要影响因素有：岩层厚度及岩层组合A1，洞穴距离A2，地下水A3，降水A4，地质构造A5，岩层产状A6，因此，因素集可表示为A={A1，A2，A3，A4，A5，A6}。

评价集：根据表1，将岩溶隧道突水突泥分为四个等级，其中P1、P2、P3、P4分别为一级、二级、三级和四级，风险性逐级递减，因此，评价集可表示为P={P1，P2，P3，P4}。

突水突泥的数学模型：每一个突水突泥因素集有4个评价集对其进行评定，记为Pi1，Pi2，Pi3，Pi4，即Pi={Pi1，Pi2，Pi3，Pi4}(其中i=1,2,3,4)，则表1可表示为：

(1)

式(1)中：P为风险状态指标矩阵，将该矩阵视为隧道突水突泥的数学模型，其中P矩阵的行向量为等级向量(即：一级、二级、三级、四级)，列向量为指标向量或状态向量(即岩层厚度及岩层组合、洞穴距离、地下水、降水、地质构造、岩层产状)。

权重：由于岩溶隧道突水突泥的每种因素指标所产生影响程度不同，因此要对每种因素分配不同的权重系数，设权重系数矩阵为W={ω1，ω2，…，ωn}。由于指标向量只有6个，所以权重系数矩阵中取n=(1～6)，n∈Z。根据工程实践经验、专家评判指标及各影响因素自身优劣性质，对各影响因素权重系数分配如下：A1是突水突泥首要因素，即取A1权重系数为ω1=1；A2是岩溶洞穴与隧道之间距离因素，也是直接影响岩溶突水突泥的主要因素，取ω2=0.9；A3，A4为水对岩溶隧道突水突泥影响因素，可直接产生突水突泥，取ω3=0.8，ω4=0.7；A5，A6是经过漫长地质运动所产生的地质构造与岩层产状情况，影响因素相对较前几项弱，取ω5=0.5，ω6=0.3。将ωi代入式(2)得：

(2)

(3)

归一化后，可表示为：

(ω1ω2ω3ω4ω5ω6)=

(0.24 0.21 0.19 0.17 0.12 0.07)

(4)

由上式可知，A1所占权重系数最大，占总权重的24%，即岩层厚度和岩层组合对岩溶隧道突水突泥起主导作用，而A1～A5权重系数总和为0.93，可见突水突泥的产生原因主要是由此5种因素组成。

模糊数学评价模型：为反映突水风险，引入下列模糊关系：

(5)

式中：A为隧道突水突泥风险评价矩阵；βi可由专家和工程经验确定。βi取3/8与1/8差值，并扩大100倍，且β1～β4按等差数列分布，得到4个等级，即β1=87.5，β2=62.5，β3=37.5，β4=12.5，根据隧道各区段影响因素，计算出具体值列于表2。

表2 岩溶隧道突水突泥风险分级指数表

根据表2可将岩溶隧道突水突泥风险评价等级分为一级、二级、三级、四级，分值区段为(75,100],(50,75],(25,50],(0,25]，其中一级的风险最高，四级的风险最低。

3 杨林隧道超前地质预报

杨林隧道位于昆明市东南山区，属喀斯特地貌典型地质区，地势险峻，雨水充沛，地下水系发达。经勘查单位勘测资料显示，该地区岩溶较为发育，隧道穿过地区极易发生突水突泥。

杨林隧道左幅出口端，桩号ZK21+790附近，在2015.10.19日发生涌水涌泥，持续时间长达3 d，施工单位对涌泥段进行帷幕注浆处理和施作套拱。工程检测人员通过地质雷达对ZK21+790附近掌子面围岩现场检测，对该处围岩进行地质描述：涌泥体岩性主要由全-强风化泥质白云岩、页岩和泥岩夹灰岩组成，检测断面主要为砂岩砾石、碎石土、流沙等松散体，透水性能好，导水性能强，孔隙度大，整体性较差，且该区段地下水丰富，测试断面拱部及左拱腰有大股状涌水。经地质雷达检测可知，桩号ZK21+790附近存在一溶洞，内部可能含有水或泥杂质。

根据工程检测人员对隧道围岩情况的地质描述及检测结果并结合表1可知，桩号ZK21+790岩层厚度及岩层组合程度属中等，洞穴距离处于1.5倍隧道跨度与2倍隧道跨度之间，地下水头距离隧道底板55 m，雨季施工，地质构造情况处于中等，层理发育，倾角45°。根据岩溶隧道突水突泥因素指标表计算权数为63.25，在(50,75]之间，属于二级风险。

4 结论

(1)在岩溶区修建隧道过程中，准确预报岩溶位置及洞内充填物情况是保证安全施工的关键。本文针对岩溶出现的不确定性，提出了岩溶突水突泥风险评价的数学模型，并结合现场实测数据对该模型进行了验证。

(2)根据岩溶隧道突水突泥情况，对其影响因素进行了分类，包括岩层厚度及岩层组合、洞穴距离、地下水、降水、地质构造、岩层产状。