高温隧道热害现象典型特点及影响因素权重分析

袁 可

(中铁二十局集团第一工程有限公司 江苏苏州 215151)

1 引言

隧道热害问题是深埋隧道施工面临的主要不良地质问题之一，高温隧道不仅会对施工人员造成影响和危害，同时也会对围岩及隧道本身结构产生影响。隧道工程埋深逐渐变大，隧道长度也逐渐变长，隧道选线无法躲避不良地质区，造成高地温区隧道热害现象逐渐增多[1]，隧道热害问题也越来越被学者们所重视，诸多学者基于不同地域隧道工程对隧道热害问题特征及成因进行了探讨及分析。侯新伟等[2]基于专家打分法和层次分析法确定隧道热害影响因素及等级标准。范磊[3]以高黎贡山隧道为依托，分析了高地温隧道热害特征，并提出相应的隧道降温设计方法。刘珣[4]以某铁路超高温隧道为依托，得出高地温隧道的超高地温成因是地层的高地热值以及地层裂缝带出高水温地下水及水汽的活动所导致。赵国斌等[5]分析某地下工程高地温表现形式，并从区域内地质构造、地热资源赋存特征、地下水活动的不良条件及热源导热体四个方面分析了该区域地下工程高地温现象成因。王生仁等[6]依托某隧道开展地质调查及勘测研究，分析了研究区内地温分布特征。雷俊峰[7]基于某铁路隧道工程，分析了通过区地热特征及产生原因，为工程施工提供了相应对策。

虽然已有不少学者对不同地区高温隧道热害影响因素进行了归纳分析，但未对隧道热害成因的共同特点分析总结，缺少对各影响因素之间重要性次序的分析。本文总结描述高温隧道热害的特点，并对隧道热害影响因素进行定量分析，揭示不同影响因素对隧道热害的影响机理。依托某铁路工程，建立隧道热害影响因素分析指标体系，采用熵值赋权法，进行热害影响因素权重分析得出不同影响因素重要性排序，从而为隧道线路选线设计提供重要科学依据。

2 高温隧道热害特点及影响因素

2.1 高温隧道热害特点

高温隧道热害主要是指高岩温及高水温对隧道施工造成的危害。在高地温地区修建隧道时，当洞身围岩温度达到35℃左右、隧道内相对湿度达到80%以上时，高地温问题将变得尤为突出[8]，我国部分高温隧道热害问题类型及概况见表1[9]。高温隧道热害对隧道的影响有如下特点:

表1 我国部分隧道热害类型

(1)在热源作用下，高温隧道热害持续时间长，从隧道施工修建到隧道建成运营各个时段均受到高温热害影响，需要持续对隧道进行保养维护。

(2)由于热传导作用的特点，致使隧道热害作用范围较广。隧道热害区较大范围内均会受到其造成的温度影响。

(3)因为隧道内空气流通较差，且隧道内外温差较大，所以随着隧道掌子面距洞口的距离越远，热害影响效应越明显。

(4)高温会造成岩石热应力效应，围岩温度每增加1℃，在岩石内产生0.4～0.5 MPa的热应力变化，当温度达到临界值时，可能诱发岩爆发生。并且，因温度引起的热应力改变将会持续作用在支护结构上，影响支护结构的正常使用和耐久性能。

2.2 高温隧道热害影响因素

影响隧道热害因素有很多，归纳为围岩性质、环境和地质条件及隧道施工设计三个方面。围岩性质因素包含岩石孔隙率、围岩导热系数、围岩温度及节理裂隙是否发育等围岩岩体自身性质因素；环境和地质条件因素包含地下水温度及流速、气温、海拔、大气压力、地下水流速、近期岩浆活动及断层数量等环境、气候及地质构造条件因素；施工设计因素包含隧道埋深、隧道长度、进出口海拔高差及隧道断面大小等隧道设计施工因素。这都为地下热源的产生和传导提供了条件。

与隧道冻害多发生于洞口段不同，隧道热害多发生于洞身段。当围岩导热系数较大时，热量通过热传导作用于围岩，并且当围岩温度升高，热量通过热辐射传递给隧道内部，对隧道内温度造成一定的影响；地下水活动是影响隧道热害的一个重要因素，地下深循环热水水源主要来自于大陆环境的大气降水、浅表水入渗汇合而成[10]，地下水流经地下热源加热，同时雨水或地表水经断层构造下渗深部，经过深部热源加热后，裂隙水带出热，通过断层、岩体孔隙及节理裂隙使得围岩温度急剧上升，由于水热活动严格受断裂、褶皱构造控制，分布于多个局部水热系统内[11]。在地震作用下断层摩擦会提供热源，同样近期岩浆活动也会为隧道热害提供热源，地下赋存的岩浆通过断层向上移动，其对隧道局部温度影响较大，这两种不同热源对隧道热害产生不同程度的影响。随着隧道埋深增加，若按正常的地温梯度计算，隧道中的地温逐渐增高，以至于出现高地温问题[12]。

综上所述，隧道的高温热害问题并不是某一因素单独作用而成，是多种因素耦合所致。其最主要的原因为地下水活动、岩浆及断层活动与隧道埋深共同作用而导致的不良地质问题。所以定量探究各因素对隧道热害问题影响权重对预测及针对性解决隧道热害问题意义重大。

3 基于熵值法的高温隧道热害发生影响因素权重分析

3.1 熵值法

熵值法又名熵值赋权法，是德国著名物理学家T.Clausuis提出的一种客观赋权法，其原理是通过给出的定量数据，计算出各影响因素的熵值，若熵值越小，则表明该因素信息量越大，不确定性越小，离散程度越大，对综合评价的影响也就越大，所占权重越大。其分析步骤如下:

(1)数据收集整理

利用实际数据构造一个有m行、n列的初始数据矩阵K，其中m代表有m个样本对象，n代表有n个影响因素指标。

式中:kij为第i样本对象、第j个影响因素的数据(1≤i≤m，1≤j≤n)。

(2)指标无量纲化处理

本文采用极值化方法对数据进行无量纲化处理。

式中:max(kj)和min(kj)分别为影响因素j中各样本对象中的最大值和最小值。

(3)建立数据概率矩阵

式中:0≤pij≤1。

结合式(3)、式(4)可得到指标数据的概率矩阵。

(4)计算指标信息熵式中:ej为第j个指标的信息熵，且0≤ej≤1；K为调节系数，。

(5)计算指标权重

式中:hj为指标的差异性系数。

由式(5)得到指标的信息熵后通过式(6)计算出指标的差异性系数。差异性系数越大，则该指标信息载量越大，权重也就越大。

式中:wj为指标j所占权重，且0≤wj≤1。

经过一系列分析计算，最终可得到各影响因素指标所占权重。

3.2 高温隧道热害的层次分析体系及指标分析

依据高温隧道热害问题影响因素，并结合隧道实际数据，选取指标分析体系建立见表2。

表2 高温隧道热害问题影响因素指标体系

经过上文分析，将影响隧道热害围岩物理力学性质、环境及地质条件和隧道施工设计三个概括性因素设置为一级指标。根据实际数据可得性，依据«铁路隧道设计规范»由于Ⅳ、Ⅴ级围岩完整性较差且节理较发育，所以选取Ⅳ、Ⅴ级围岩占比作为围岩物理力学性质一级指标下的二级指标。选取具有典型代表性的定量指标中的平均海拔、断层数量及涌水量作为环境及地质条件下的二级指标，隧道长度、进出口海拔差及埋深作为隧道施工设计下的二级指标。由此建立高温隧道热害问题影响因素指标体系。

3.3 隧道热害指标权重确定

对某线10座隧道8个影响因素指标进行权重分析，通过m＝10、n＝8构造出一个10×8的初始数据矩阵，利用式(2)计算出的数据无量纲化结果见表3，利用计算式(4)～式(7)计算出各指标的信息熵、差异性系数及指标权重见表4、表5。

表3 无量纲化数据

表4 隧道热害影响因素一级指标权重计算结果

表5 隧道热害影响因素二级指标权重计算结果

由熵值赋权法计算分析结果可知，围岩物理力学性质因素、环境和地质条件因素及施工设计因素3个一级指标三者权重分别为8.16%、64.98%及26.86%。其下选取的影响高温隧道热害8个因素所占权重中，断层数量占比最大为44.53%，其次为涌水量及进出口海拔高差，分别占比19.92%和19.57%，经围岩分级后Ⅳ、Ⅴ级围岩占比权重合计为8.16%，埋深、隧道长度及平均海拔相对占比较少，依次为4.12%、3.16%和0.54%。可见，环境和地质条件因素对高温隧道热害问题影响最大，施工设计因素次之，围岩物理力学性质因素最小，这进一步说明，隧址区是否有热源是隧道热害问题发生的主要条件，而围岩物理力学性质为热量传递的途径。

4 结束语

(1)通过对高温隧道热害影响因素进行分析，得出各影响因素对隧道热害问题影响程度大小排序，直观反映隧道热害各影响因素的影响程度，为预测高温隧道热害问题发生的可能性提供了一定的数据支持及理论依据。

(2)环境及地质条件为影响隧道热害问题的主要一级指标，断层数量、涌水量及进出口海拔差为影响隧道热害问题的主要二级指标。

(3)根据本文计算分析结果，环境及地质条件因素对隧道影响最大，所占权重为64.98%，并且在此一级指标下的二级指标中，断层数量所占权重为44.53%，对隧道热害问题影响程度最大。在隧道施工前应做好超前地质预报，探明隧址区地质情况，针对高温隧道热害问题及时采取相应降温及施工措施，见图1。

图1 隧道主动降温措施