公路隧道施工中瓦斯危害性评价体系

2021-01-05韩永胜赵文峰高国红

土木工程与管理学报 2020年6期

韩永胜，赵文峰，高国红，骆勇,4

(1.云南召泸高速公路有限责任公司，云南曲靖 655099；2.四川省煤矿瓦斯(煤层气)工程研究中心，四川成都 610072；3.云南交投集团投资有限公司，云南昆明 650228;4.四川省煤田地质工程勘察设计研究院，四川成都 610072)

遇水搭桥，逢山凿隧，天堑变通途。随着交通建设的快速发展，隧道工程日益增多[1～5]。在公路、铁路隧道选线时，虽然尽可能避免穿越含煤地层或煤矿采空区，但往往改道建设会增加成倍的投入，不得不采用隧道穿越，相应地增加了工程建设的风险[6～8]。目前，国内外学者在采空区稳定性评价方面进行了大量的研究工作，而针对煤矿采空区瓦斯危害性评价与治理方法少有关注[5,9～12]。为有效防治公路隧道因穿越采空区而导致瓦斯事故的发生，建立隧道采空区瓦斯危害性评价体系和方法，评价其危害程度，对隧道的安全、经济、高效施工具有现实意义。

1 评价指标体系的建立

根据公路隧道施工特点，参考以往铁路、公路瓦斯隧道以及煤矿采空区风险评价分析的资料及成果[7～15]，总结归纳出影响公路隧道采空区瓦斯危害性的3个一级指标，共10个二级评价指标，以此建立危险性评价指标体系(图1)。

图1 公路隧道采空区瓦斯危害性评价指标体系

2 评价指标权重系数的计算

在采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)和关系矩阵法分别计算权重系数的基础上，建立组合权重模型最终确定评价指标权重系数。

2.1 层次分析法计算权重

层次分析法是一种广泛应用于不同领域的一种较好的权重确定方法[16]。为了能定量确定各指标的权重，首先需要建立同层次指标间的判别矩阵。对于同层次指标的两两比较，重要性标度按照表1取值[17]。利用数学方法计算出判别矩阵的最大特征根λmax及其对应的特征向量W，得到各指标的权重系数。采用随机一致性比率CR来判别矩阵的一致性。若CR<0.1，则认为判别矩阵具有可接受的不一致性；否则，重新赋值和修正计算[18]。

表1 标度方法

(1)

式中：n为矩阵的阶数；RI为同阶平均随机一致性指标，其值为0.00(1，2阶矩阵)、0.52(3阶矩阵)、0.89(4阶矩阵)和1.12(5阶矩阵)。

在构建一级评价指标和二级评价指标判断矩阵的基础上，计算各评价指标在该级中的权重系数，并利用CR值进行一致性检验。公路隧道采空区瓦斯危害性一、二级评价指标判断矩阵、权重值及CR值计算结果见表2～6。

表2 一级评价指标判断矩阵、权重值及CR值

表3 瓦斯地质因素判断矩阵、权重值及CR值

表4 工程因素判断矩阵、权重值及CR值

表5 人为因素判断矩阵、权重值及CR值

2.2 关系矩阵法计算权重

根据关系矩阵相互作用原理，主对角线元素表示系统的主要影响因素，主对角线以外元素表示因素之间的相互作用关系。主对角线上元素取值为空，表示各因素不影响其自身，只能通过与其他因素相互作用来影响系统；主对角线以外元素取值一般采用专家半定量取值法[19]，根据相互作用程度取为0，1，2，3，4(表7)。图2表示N个参数相互作用的关系矩阵，Iij表示主要因素Pi对主要因素Pj的影响，Ci为第i行非主对角线元素值之和，Ei为第i列非主对角线元素值之和[6,20]。

表6 各层次评价指标权重

表7 关系矩阵的专家半定量取值法

图2 N个参数相互作用关系矩阵

通常计算所有参与评价指标的活动性指数ki：

(2)

该指数表示每一指标的因果值总和占系统总因果值的百分比，即各指标的权重。

根据上述方法，构建公路隧道采空区瓦斯危害性评价关系矩阵编码表，并计算ki值(表8)。关系矩阵编码表中主对角线元素Pi(i=1，2，…，10)表示采空区瓦斯灾害危险性评价指标：P1为瓦斯浓度；P2为瓦斯资源量；P3为连通及封闭性能；P4为采空区积水情况；P5为埋深；P6为采空区与隧道关系；P7为开挖断面大小；P8为瓦斯管理；P9为瓦斯隧道施工经验；P10为作业人员素质。

表8 评价指标相互作用关系矩阵编码及活动性指数

2.3 组合赋权

综合考虑层次分析法和关系矩阵法所确定的权重系数，将组合权重模型定义为：

Wi=tpi+(1-t)ki

(3)

式中：pi，ki分别为层次分析法、关系矩阵法确定的权重系数；t为系数，取值为0.5，i=1，2，…，10。通过组合权重计算得到二级指标权重系数(表9)。

表9 采空区瓦斯危害性评价指标权重系数

3 危害性等级划分标准

综合隧道工程、煤矿采空区危险性评价的成熟经验，公路隧道采空区瓦斯危害性划分为四个等级(表10)，即较低(Ⅰ)、一般(Ⅱ)、较高(Ⅲ)、极高(Ⅳ)。划分等级时遵循采空区瓦斯危害性越严重则量化值越大的原则。

表10 采空区瓦斯危害性评价等级标准

4 评价模型与方法

4.1 综合评判法模型

根据二级评价指标危害性程度评分量化值和确定的权重系数，按叠加法求得其综合评价值y，对评价样本进行综合评判。公式如下：

y=∑αixi

(4)

式中：xi为i类评价指标；αi为xi的权重。

4.2 可拓学评价模型

令物元R=(事物，特征，量值)=(N，C，V)。事物有n个特征，即C={c1，c2，…，cn}；也有相应的量值，即V={v1，v2，…，vn}。可拓学评价模型按如下步骤构建[21]。

(1)确定经典域、节域

设标准事物为N0 j，关于特征Ci的量值范围为Vi j=[ai j，bi j](i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)，则经典域R0 j和节域物元Rp分别为：

(5)

(6)

式中：Ci(i=1，2，…，n)为决定N0 j的因素；V0ij为N0 j关于特征Ci所确定的量值范围；Vpi为Np关于特征Ci在P条件下所取的量值范围。

(2)确定待评物元

对于待评采空区N，把所测得的数据或分析结果用物元表示，称为采空区待评物元。

(7)

式中：Vi为关于Ci的量值，即待评采空区所得的具体数值。

(3)计算待评物元关于各级的关联度

(8)

对每个特征Ci，取αi为权重。

(4)确定评价等级

5 工程应用

5.1 工程概况

云南省召夸至泸西高速公路拟建隧道一座，即白兆隧道。该隧道为分离式隧道，右幅起点桩号K8+370，止点桩K9+633，右幅长1263 m，左幅起点桩号ZK8+400，止点桩号ZK9+650，左幅长1250 m。隧道开挖断面150 m2，围岩以玄武岩、泥页岩、泥质粉砂岩、砂岩为主，围岩分级为Ⅳ2～Ⅴ2级，复合式衬砌。据隧址区工程勘察成果，会遇到C10，C14，C17，C22共4层大于0.70 m的煤层，瓦斯含量2.55～3.60 m3/t。里程桩号左幅ZK9+005—ZK9+098 m、右幅K9+005—K9+090 m 为高瓦斯地段。预测了5个煤矿采空区，编号为1～5号。其中，对隧道施工有直接影响的有3～5号采空区(图3)。本文取其中3～5号采空区作为待评样本。

图3 百兆隧道采空区分布示意

(1)3号采空区

根据钻孔采样测试成果，3号采空区瓦斯浓度为0.05%。预测瓦斯资源量为778 m3，占采空区体积的5%。采空引起的裂隙已连通至风氧化带或地表，地表断层F919切割采空区，封闭性能差。采空区处于无水或少水状态。采空区埋深30～60 m，该采空区与隧道部分重叠，并横穿隧道左、右幅。

(2)4号采空区

根据钻孔采样测试成果，4号采空区瓦斯浓度为0.26%。预测瓦斯资源量为1249 m3，占采空区体积的8%。采空引起的裂隙已连通至风氧化带或地表，封闭性能差。采空区处于无水或少水状态。采空区埋深40～60 m，位于隧道轴线及底板下方15 m，并横穿隧道左、右幅。

(3)5号采空区

根据钻孔采样测试成果，5号采空区瓦斯浓度为0.13%，预测瓦斯资源量为485 m3，占采空区体积的4%。采空引起的裂隙已连通至地表以下10 m左右，封闭性能差。采空区处于无水或少水状态。采空区埋深63～85 m，其顶板位于隧道轴线底板下方5～17 m，即隧道位于采空区垮落带和裂隙带内。

3～5号采空区瓦斯地质因素与工程因素相关指标有以上差异，其余指标相同。如隧道采用双向六车道高速公路标准建设，设计速度100 km/h，路基宽度33.5 m，开挖断面150 m2。施工队伍瓦斯管理制度完善，符合煤矿安全规程的要求，但有少数次要项目不落实。有瓦斯隧道施工经验，作业人员全部培训，责任心较强，素质较好。