隧道围岩稳定性评价新方法及其应用

潘伟华,吴 军

（1.连云港市铁路事业发展中心,江苏 连云港 222000; 2.华设设计集团股份有限公司连云港分公司,江苏 连云港 222000）

0 引言

在评价隧道围岩稳定性的过程中，需要根据围岩的分类选取合适支护，设计隧道施工方案，进行隧道施工操作。若围岩分类不标准，将直接影响施工方案的设计与选择，影响支护类型。如增加成本、方案选择过于保守、隧道稳定性受到影响、出现事故或灾害等。因此，应当重点关注围岩分类工作，提升围岩分类准确性与技术含量。

1 基于特尔菲-理想点法的隧道围岩分类

特尔菲-理想点法对隧道围岩进行分类，其核心思想为借鉴判别的理论，是目前一种新引入的隧道围岩分类方法。该种方法属于多因子综合评价法，可将多个对象、多个评价因子综合起来进行评价，确定所属类别。该种方法的原理相对较为简单，且结构合理、计算简便、分辨率相对较高。

当前，已经有很多领域引入该种分类方法。如环境质量综合评价、学生考试成绩、考场纪律、企业产品生产质量，甚至在军事作战系统中也引入了该种评判方法[1-2]。

2 工程概况

北固山隧道位于连云港墟沟城区西部，是北疏港高速公路的关键位置，是该道路北固山段。源起于大棺材山西南坡与墟沟互通相接，至黄石嘴东坡与北港区Ⅰ类进港道路相接。隧道分为左右两条线路，左侧长度为2 810 m，右侧长度为2 755 m，双向四车道高速公路车速为80 km/h，除正常行驶车道外，还包括4.5 m宽的紧急车道。隧道内净宽为14 m，净高为5 m，车辆通行的横洞为3处，行人通行横洞为4处。隧道进、出口设置局部小净距段落，其余段落按分离式隧道设置，进口最小净距为10.0 m，中间最大净距为37.0 m，出口最小净距为12.0 m。

隧道位置的表层为第四系坡积物，土质偏向为硬塑状黏土层，其中包含少量砾石、碎石以及滚石；基岩为中～晚元古代云台组区域变质岩系，以钠长浅粒岩、石英变粒岩为主（统称为变粒岩）；在隧道进口段岩性主要为云母片岩，岩质较软；此外，隧址区局部地段见绿片岩，多呈夹层状产出。变粒岩的质地相对紧密，分类为硬质岩石；云母片岩与绿泥片岩的抗压强度相对较低，遇水后其质地会发生软化的情况，抗风性能较其他材料存在明显不足。

3 各评价指标的获得

选取北固山隧道左洞K5+590~K5+685和右洞K3+720~K3+750，对其围岩类别进行判别。右洞K3+720~K3+750位于中~微风化变粒岩中，岩质坚硬较发育，块状、层状结构，岩质坚硬。左洞K5+590~K5+685围岩主要为微风化变粒岩夹绿泥片岩，局部围岩为强~中风化，变粒岩岩质坚硬，属硬质岩，节理裂隙较发育、块状、层状结构。表1中为北固山隧道所选洞段围岩的各评价指标值。

表1 北固山隧道围岩数据资料

3.1 评价因子权重的确定

通过相关公式对各评价因子的归一化权重系数进行求解，计算结果如表2所示。

从表2指标权重的结果来分析，三位专家对岩体完整性系数Kv的存在不同意见，Kv的方差为1.0，较比其他数值最大。而其他指标的意见相对较少，方差相同，为0.333。从相关指标的归一化权重系数结果来看，指标对隧道围岩稳定性可按照结构面强度指标、岩体完整性指标、岩体质量指标、岩体坚硬程度指标、地下水作用指标的从大到小的顺序来排列。

表2 各评价因子权重一览表

3.2 围岩等级判别

按照特尔菲-理想点法围岩分类模型展开分析与计算，相关样本不同类别围岩标准的数据如表3所示。按照理想点贴近度越大，样本与围岩越贴近的基本原则，得到项目隧道内围岩级别[3-5]。

根据表3可以发现，采用该种方法判断隧道内围岩级别的结果相对准确，与施工过程中围岩级别基本一致。经过计算得出，左洞K4+120~K4+150段围岩级别与数值最为贴近，可以判定其等级为Ⅳ。该洞段设计围岩级别为Ⅲ级，而从施工期现场开挖出的围岩发现，岩体整体破碎，自稳能力较差。经过设计单位与甲方现场勘测分析，最终变更为Ⅳ级围岩，与特尔菲-理想点模型的判别结果一致。特尔菲-理想点法进行围岩分类所得到的数据相对准确，能够提升隧道围岩分类精准度，且该方法使用简便，能够满足施工过程中的相关需求。

表3 各洞段围岩到Ⅰ-Ⅴ级围岩标准理想点贴近度及围岩类别判定

4 隧道围岩分级的集对分析模型

4.1 构建评价模型

（1）确定围岩分级的五元联系度。根据各指标评价标准把隧道围岩的等级划分为五级，将围岩分级的各评价指标与评价标准构成一个集对。满足Ⅰ级标准则为同一度而存在，超过Ⅴ级标准则认为对立度，符合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级标准的分别作为差异偏同度、差异度和差异偏反度。建立围岩分级的五元联系度表达式为：

式中，n——第n个待评价的围岩样本；N——评价指标的总数；S——符合Ⅰ级标准的评价指标的个数；F1——符合Ⅱ级标准的评价指标的个数；F2——符合Ⅲ级标准的评价指标的个数；F3——符合Ⅳ级标准的评价指标的个数；P——符合Ⅴ级标准的评价指标的个数。

（2）各评价指标联系度的确定。在围岩分级评价标准体系中，可主要分成效益型指标与成本型指标。其中，效益型指标中，指标数值与围岩稳定性成正比，即指标越大，围岩稳定性也越佳；而成本型指标中，数值与围岩稳定性则成反比，即指标数值越大，则围岩稳定性越差。在所选取的围岩评价指标中，以Rc代表岩石单轴抗压强度，Kv为岩体完整性指数，Ss为结构面状况指标，洞轴线与主要结构面的夹角θ为效益型指标，地下水渗流量W为成本型指标。

在成本型指标中，利用以下公式来表达指标与分级标准之间的关系，公式如下：

式（2）和（3）中，SⅠ、SⅡ、SⅢ、SⅣ、SⅤ分别为Ⅰ~Ⅴ级的评价分级标准限值；x——各评价指标的实际值；n——第n个待评价的围岩样本；k——第k个评价指标。

（3）求解平均联系度。将各个级别的指标联系度计算出来，并将所的数据相加求得平均值，即可得到平均联系度。该数据能够显示出评价对象与围岩标准之间的关系，公式具体如下：

4.2 围岩失稳风险预警模型

选取北固山隧道左洞K3+610~K3+640、K5+590~K5+685、K5+220~K5+280；右洞K3+720~K3+750进行围岩警情分析。根据洞内连续观察和掌子面编录，结合室内试验数据，得到了所选洞段岩石的单轴饱和抗压强度Rc、岩石质量指标RQD、岩体完整性系数Kv、结构面强度系数Kf以及洞轴线与主要结构面的夹角θ。运用基于功效系数法建立的围岩失稳预警模型进行计算，得到了各洞段的警度指标，计算结果如表4所示。

表4 北固山隧道围岩稳定性综合评价表

从表4中可以看出，左洞K3+610~640和右洞K3+720~750里程段围岩均处于轻警状态，为蓝色警情，表明围岩稳定性较好，失稳风险较低。右洞K5+590~685里程段围岩处于中警状态，为黄色警情，表明围岩基本稳定，失稳风险一般。左洞K5+220~280的总功效系数值为63.647，围岩处于重警状态，为橙色警情，表明围岩稳定性差，失稳风险很高。该洞段的设计围岩级别为Ⅲ级围岩，但从现场开挖出的围岩实际情况证明其危险性较高。该洞段岩体非常破碎，且洞顶不时出现小的掉块，经过设计单位与甲方现场勘测分析，最终变更为Ⅴ级围岩。在施工该洞段时，通过功效系数法围岩失稳预警模型及时进行了险情预报，发出橙色警情指示。施工单位高度重视，采取缩小钢拱架间距、加强喷锚支护、围岩注浆堵水和初期支护引排水等工程措施，保证隧道围岩的稳定，避免施工过程中出现的塌方等灾害问题，有效提升隧道施工安全性，保证施工人员生命安全。

5 结论

通过隧道围岩分级的特尔菲-理想点模型和集对分析模型，可以得到较为准确的围岩级别，初步预测隧道施工过程中的围岩塌方风险。结合所建立的围岩失稳风险预警的功效系数模型，可综合评价围岩稳定性情况，对设计围岩类别进行及时的检验和修正，对围岩的危险性做出准确预测预报，便于隧道施工过程中及时采取有效支护措施，防患于未然。