地铁隧道回填段围岩失稳影响因素权重分析

2022-02-24吴春燕谭钦文刘娟李文武郎流胜李子龙

工业安全与环保 2022年2期

吴春燕谭钦文, 2 刘娟李文武郎流胜李子龙

(1.西南科技大学环境与资源学院四川绵阳 621010； 2.西南科技大学非煤矿山安全技术四川省高等学校重点实验室四川绵阳 621010)

0 引言

一般城市地铁隧道围岩通常是岩石或土壤，具有开挖方法多样、辅助工法多、强支护、地下水丰富、近接施工相互影响、结构形式复杂等特点。随着我国城市建设面积逐年增大，各种地铁隧道建设面临的地质环境变得更加复杂，城市隧道建设所面临的沟壑或临边等复杂地质问题也随之暴露出来。现阶段解决此类问题一般采用隧道回填技术，所以探究地铁回填段隧道围岩稳定性影响因素的权重是该类工程必须面对的问题。

国内外许多专家学者对回填隧道围岩稳定性影响因素展开了较为深入的研究，并取得了相应成果。PATWARDHAN A S等[1]为了分析土石混合体的含石率与其抗剪强度的关系，通过大量的直剪试验得出土石混合体含石率越高，其抗剪强度就越高。魏进兵等[2]对土石混合体进行了饱和渗透系数的原位试验和针对其土水特征曲线的现场模拟试验，得出了土石混合体的饱和渗透系数以及颗粒含量对渗透系数的影响规律。黄广龙等[3]基于散体岩土体的力学试验得出粗颗粒粒径越大，散体岩土体的粘聚力反而减小，内摩擦角值逐渐增大；散体岩土体发生剪缩，其本构关系为非线性硬化型。李维树等[4]基于三峡库区3类不同性质的滑带土在不同含水状态下的直剪对比原位试验，分析得出含水率不断增大时，粘聚力和内摩擦角都有所降低，含水率20%为粘聚力和内摩擦角的分居点。宋上明[5]对重庆地区典型土石混合体回填土区隧道围岩进行分级，得出其围岩分级指标重点选用含水率和含石量这一结论，提出适用于重庆地区土石混合体回填土的围岩分级指标和方法。

虽然国内外针对保持回填隧道围岩稳定因素有了较多的研究，但并未对常见的失稳因素之间的权重进行过多的分析。研究隧道回填段保持围岩稳定的各个因子之间的相互关系和各因子的权重，可为今后隧道回填段围岩稳定综合管理及决策提供科学依据。

1 方法选择

目前主流的判断各因素权重的方法大致上分为7种：专家打分法、序列综合法、调查统计法、公式法、数理统计法、复杂度分析法以及层次分析法。

专家打分法是指多位专业人员在知晓工程背景和各项条件的情况下通过匿名的方式对回填段隧道围岩各影响因子提出意见，再将专家意见进行汇总后反馈，专家们在看到结果后进行修改，经过多次匿名修改反馈后得到最终结果。此方法适用于不确定因素较多的项目，其优点在于简便、直观性强、统计计算方法简单且可以将定量的评价项目和定性的评价项目一起加以考虑，不过专家打分法具有一定的主观性，并不能很好的确认得出的结果是否真正的合理。

序列综合法，此类方法主要是针对定量的性状指标进行定权，对于研究回填段隧道围岩稳定因素的权重分析这种定性加定量相结合的评价项目不太适用。

调查统计法，主要可分为问卷法、观察法、实验法、访谈法、文献法等类型，根据调查对象所包含的范围分类为非全面调查和全面调查。非全面调查是对调查整体中的一部分进行抽样调查，如重点调查、抽样调查和典型调查等。全面调查则是对调查对象中所有对象进行调查。这一方法需要大量案例或者时间去收集整理，但找到的数据或收集得到的结论并不能一定与真实规律相吻合。

公式法，包括概率法、三元函数法、信息量法、隶属函数法、信息量法等。但公式法总体来说需要一定的数据支撑，或者需要满足各个公式的一定条件，计算也比较复杂，短时间内无法准确快速的完成。

数理统计法，主要是研究大量随机现象统计的规律性，虽然此类方法应用广泛，但也存在计算步骤复杂且需要大量数据支撑这一问题。

复杂度分析法，这种方法的基本思想是，如果评价因子复杂度及变化程度越大，则对总体结果的影响也就越大。可运用此方法引入复杂的概念最终归一化后得出权分布，一般多用于电脑、心电、脑磁等分析。

著名的层次分析法是美国运筹学家Saaty于20世纪70年代初提出的，层次分析法是将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法，该方法具有系统、灵活、简洁的优点。层次分析方法在分析研究事物时其特点是能够对复杂决策问题进行本质的研究，对每个影响因素进行深入分析，将决策利用较小的结构信息定量化，达到为目标不明确、原则多样化以及没有固定的结构模式的复杂问题提供便捷决策的分析方法[6]。本文采用层次分析法来逐层分析影响因素权重，以便于分析优化安全决策及战略部署。

2 工程概况与分析

2.1 区间概况

西南地区C市轨道交通4号线是C市市轨道交通第二轮建设规划的线路。全长46.06 km，共设20座车站，其中一期工程长约15.657 km。

C市轨道交通9号线穿过城市南北中3个片区，线路全长40.46 km，其中地下线36.41 km，高架线4.05 km；共设29座车站，其中地下站25座，高架站4座；新建1座台商工业园车辆段，新建2座停车场；新建1座主变电所；不新建控制中心，控制中心依托某综合控制中心。其中一期工程共设24座车站，全长31.6 km。

轨道4号线为明挖F型结构，结构顶标高为214.246 m；轨道9号线为明挖J型结构，结构顶标高为206.065 m；根据轨道设计资料，此剖面中轨道4号线结构上方回填最大高度约5.1 m，轨道9号线结构上方回填最大高度约13.17 m。

拟建场地地层结构由人工填土、粉质粘土、下伏砂、泥岩组成。人工填土松散至稍密，属透(含)水层；粉质粘土、泥岩属相对隔水层；砂岩岩体较完整，裂隙不发育，属弱含水层。施工后期对该区域部分钻孔再次进行水文观测发现水位有所下降，说明该区域地下水主要以上层滞水形式存在，主要由雨水补给，其水位及水流方向与河沟地形坡度方向相似，当河沟水位上涨时，河沟水补给地下水，当河沟水位下降时，地下水补给河沟水。冲沟内排水箱涵常年流水，流量随季节变化明显，勘察期间对其流量进行简易测试为200 L/min。

该结构采用桩基础，基底标高为191.3～196 m，与轨道结构最近桩基距离轨道结构水平距离约28.76 m，此根桩基底与轨道结构顶竖向距离约17.65 m。拟建项目需在轨道回填地面线上再进行二次回填，轨道4号线结构范围内回填最大高度约6.21 m，轨道9号线结构范围内回填最大高度约6.31 m。

2.2 各层次因素指标的形成

回填土隧道具有可塑性、分散性、流变性和触变性等特性[7]。回填隧道采用的回填方式大部分是素土回填和灰土回填两种，灰土回填即为采用一定比例的石灰和土进行混合，提升材料强度进行回填；素土回填一般是采用范围粒径的无大杂质土壤按特定方法夯实后进行的回填，且回填材质具有一定粘稠度。在回填隧道施工过程中，企业为考虑主体经济效益，大多采用较为经济的换填方式，即素土或灰土回填，因此回填隧道围岩稳定性主要取决于回填物质的特性。在解决回填隧道围岩稳定性因子到底有哪些这个问题上来说，主要对象为回填材质问题，若回填材质的含水率较高或较低，处于不正常的比例范围，都能直接影响围岩的粘聚力和内摩擦角；围岩土石比例中含石量越高回填材质的抗剪性越高且土石混合体的饱和渗透系数和颗粒含量对渗透系数也有直接影响，处于地下水丰富或降雨量大的地区尤为值得关注。鉴别回填物质量的关键因素通常为回填物的含水率、含石量、天然密度、干密度、孔隙比等，鉴于本文分析案例所在区域地质状况多为级配不良的软土地层，主要考虑含水率、含石量两因素对于隧道回填段围岩应力的影响。除了回填材质这一主体对象，合理的施工步骤和支护措施也对围岩稳定起着至关重要的作用，支护结构上承担着能够阻止围岩变形的压力，若要支护结构足够稳定，不仅仅是支护材料刚度和时长的问题，还和围岩应力息息相关，施工的步序很大程度上影响着竣工后的围岩应力，所以以上两个因素也不容忽视。基于上述研究分析出的影响因子，制定总目标层因素集表示如下：

U={u1，u2，u3，u4}={含水率，含石量，支护措施，施工步骤}

解决回填隧道围岩稳定性问题关键点首先在于勘探清楚所建隧道周围水文及地质状况，如勘探清楚其中地下水、瓦斯、岩土成分等，这样就能够很好的根据其地质情况确定如何开展隧道建设工作。其次就是根据其周边地质状况来制定建设方案，避开或者加固所勘探出来的各种风险，把握施工建设的顺序，制定开挖方式、开挖隧道断面和支护措施等为其中的重点。最后回填隧道围岩最为重要的因素是回填材料的质量(回填材料稳定性)，若回填材料未完全夯实或质量因素受到外界环境的影响较大，则严重影响了隧道围岩的稳定性，甚至会发生围岩垮塌事故。所以解决回填隧道围岩稳定性的方案层由回填材料质量、地质情况、方案设计这3个方案表示。

3 因子分析

3.1 评价分析模型的建立及权重计算

(1)层次结构模型。进行该评价的目的在于研究回填地铁隧道围岩稳定性因素以及各因素的重要程度，目标层为回填地铁隧道围岩失稳；准则层为全方位角度上造成围岩失稳主要4个大的方面，即含水率、含石量、支护措施、施工步骤；方案层则为回填材料质量、地质情况、方案设计这3个能够解决目标层失稳问题的方案划分，如图1所示。

图1 回填地铁隧道失稳因素层次结构模型

(2)评分收集。构造判断矩阵，从层次结构模型的第二层开始，对于从属于(或影响)上一层每个因素的同一层诸因素，用1—9分度法构造比较阵，直到最下层,见表1。

表1 判断矩阵标度

依据上述分析采用了1—9分度法制作了回填地铁隧道围岩失稳因素重要性判断表，并召开会议，邀请了国内具有丰富岩土力学经验或隧道矿山经验的专家、学者共9人，运用头脑风暴法为失稳因素重要性判断表打分。举行了4次不超过2 h的会议，确保会议的高效性及准确性，经会议讨论得出层级之间的评分，并进行综合整理归纳。

(3)判断矩阵的建立。回填地铁隧道围岩失稳因素评价因子判断矩阵A和含水率、含石量、支护措施、施工步骤判断矩阵B1、B2、B3、B4分别为：

(4)计算权重。仅仅得到判断矩阵，并不能反映出本层次各元素重要程度，所以还需要计算本层次所有元素的相对权重，通常用数学方法求解特征向量，进而得到相对权重值，如果计算工作量过大，还可以利用数学软件建模求解各种参数。权重值计算方法如下(其中n为阶数)：

(i)将判断矩阵按列进行归一化：

(ii)矩阵bij按行相乘：

(iii)对Wi各个元素开n次方，即得特征向量：

(iv)最大特征根计算：

(v)计算一致性指标CI:

(vi)计算一致性比例CR：

判断矩阵A、B1、B2、B3、B4的权重系数见表2—表6。

表2 回填地铁隧道围岩失稳影响因素判断矩阵A的权重系数

表3 含水率判断矩阵B1的权重系数

表4 含石量判断矩阵B2的权重系数

表5 支护措施判断矩阵B3的权重系数

表6 施工步骤判断矩阵B4的权重系数

由上述计算结果可以看出影响目标层围岩稳定性问题中的准则层重要度排序状况为含水率、含石量、施工步骤、支护措施。第三层方案层占准则层权重的大小分别是：占含水率这一因素的方案层权重重要度依次为回填材料质量、方案设计、地质情况；占含石量这一因素的方案层权重重要度排序为回填材料质量、地质情况、方案设计；占支护措施这一因素的方案层权重重要度依次为地质情况、方案设计、回填材料质量；占施工步骤这一因素的方案层权重重要度排序为方案设计、地质情况、回填材料质量。

3.2 一致性检验及方案层权重的计算

在构造正反判断矩阵时，由于评价系统的复杂性，往往构建的判断矩阵和实际情况有差异，所以，判断矩阵是否可行，则需要对判断矩阵的一致性做出检验计算。

若CR<0.100时，则计算结果满足一致性检验。经计算：CR=0.044<0.100，满足层次排序一致性的要求，可得出各方案总权重，如下表7。

表7 方案层各因素权重

3.3 回填地铁隧道围岩失稳因素敏感分析

各因素变化都会引起目标层指标的一定变化，但其影响程度却各不相同。有些因素小幅度变化，能够引起回填隧道围岩稳定目标层发生较大幅度的波动；而其他因素即使发生了较大幅度的变化，对目标层的影响也不是很大，所以把前一因素称为敏感性因素，后一因素称为非敏感性因素。敏感性分析能有效的筛选出敏感性因素和非敏感性因素，帮助管理者准确快速的做出决策，宏观调控部署安全工作，制定安全防范策略。含水率因子在回填隧道分析中权重占比最大，因此以含水率作为敏感度图研究对象，敏感度图如图2。

图2 含水率敏感度

回填材料质量在此区间范围内单调递增，地质情况、方案设计权值在此区间范围内呈单调递减趋势，在考虑回填材料含水率因素当前值时，对其影响的重要程度依次是回填材料质量、地质情况、方案设计。显然回填材料质量为敏感性因素，地质情况、方案设计波动不明显为非敏感性因素。因此，在制定安全决策及管理措施时，应当充分考虑回填材质，以回填材质为主，地质情况、方案设计为辅，加强对回填段隧道围岩稳定性的安全管理。