基于灰色聚類法的下洲隧道圍巖分級研究

祝艷波

(中國地質大學（武漢）工程學院巖土工程與工程地質系，湖北武漢 430074)

基于灰色聚類法的下洲隧道圍巖分級研究

祝艷波

(中國地質大學（武漢）工程學院巖土工程與工程地質系，湖北武漢 430074)

在隧道開挖施工過程中，經常會遇到圍巖失穩、變形的問題。本文結合了寧德至武夷山高速公路S4合同段下洲隧道工程，利用灰色聚類法對隧道圍巖分級進行了分析計算，對比傳統分級法與灰色聚類法兩種分級結果，并對隧道開挖施工后圍巖穩定、支護提出了意見。

隧道；圍巖分級；圍巖穩定性；灰色理論；灰色聚類

0 引言

地下硐室是指人工開挖或者天然存在于巖土體中，作為各種用途的構筑物。在高速公路隧道施工過程中，由于巖體的天然應力平衡遭到破壞，引起隧道圍巖體的卸載回彈和應力重分布，當這種回彈應力和重分布應力超過圍巖強度所能承受的范圍時，將造成工程巖體的失穩破壞，給隧道施工和運營帶來危害。

基于灰色理論的應用逐漸成熟，其中的灰色聚類法在隧道圍巖分析中，有著較好的適用性和應用前景。灰色聚類主要用于隧道圍巖分級中，這種灰色方法很好地解決了傳統方法只靠經驗、定性地分析的局限，逐步從定性走向定量分析。本文對相同5段樁段，運用BQ法和灰色聚類法對隧道工程圍巖進行了分析計算，為開挖施工提供建議。

1 下洲隧道工程概況

寧德至武夷山高速公路S4合同段D10線下洲隧道，是線路通過下洲山而設計分離式隧道。其左線起止里程為D10Zk284+850～D10Zk285+733，全長883m，最大埋深118.0m；右線起止里程為D10K284+825～D10K285+710，全長885m，最大埋深81.0m。

根據區域地質資料，測區地質時期經歷海里東、海西、印支、燕山等構造運動，其中以燕山期運動最為強烈，發育次正長石斑巖等侵入巖體。隧址區存在侏羅系上統兜嶺群上亞群第一段弱—微風化凝灰熔巖及燕山期次正長石斑巖兩種巖性，其接觸帶位于左線D10ZK285+078及右線D10K285+031附近。

根據野外調查及鉆探資料，隧道通過地層為侏羅系上統兜嶺群上亞群第一段弱—微風化凝灰熔巖及燕山期次正長石斑巖。上覆地層為第四系坡殘積亞粘土（Qdl+el），下伏地層為凝灰熔巖（J3dl1b）及次正長石斑巖（επ），見圖1。

圖1 下洲隧道地質剖面圖

2 下洲隧道圍巖聚類分級

2.1 灰色聚類分級標準

在對圍巖進行聚類分析過程中，參考公路隧道圍巖級別判定表，采用圍巖的工程地質特征、結構完整狀態和開挖以后的穩定程度3項指標，考慮彈性波速度影響，將各項指標量化如表1。地下水及地應力狀態通常只對軟弱圍巖產生明顯影響，在分級過后進行修正[14]。

表1 各量化指標分級標準[3]

2.2 白化函數的確定

為了反映不同指標在聚類過程中作用的差異性，不對指標樣本值無量綱化，采用指標定權聚類。記fjk為第j個指標屬于第k個灰類的白化函數。各量化指標見圖2～5［14］。

圖2 巖體完整性指數（Kv）白化權函數

圖3 單軸飽和抗壓強度Rc的白化權函數

圖4 開挖后穩定性狀態評分的白化權函數

圖5 圍巖彈性波縱波波速Vp的白化權函數

具體函數解析式如下：

當 j=1時：

當 j=2時：

當 j=3時：

當 j=4時：

2.3 灰色聚類圍巖分級

2.3.1 聚類分級

根據經驗及定性分析將影響圍巖等級的兩項主要因素聚類權定為0.30 ，其余兩項為0.20。即取聚類權η1=η2= 0.30 ，η3=η4= 0.20[10]。

因隧道圍巖分段較多，本文只選出較為典型的5段加以灰色聚類理論進行圍巖分級。其地質概況及分級指標如表2所示。

表2 下洲隧道部分圍巖地質概況及分級指標值

以下給出各段的圍巖分級聚類分析過程，記σik為i個對象對第k個灰類的聚類系數，在此有5個聚類對象，5個灰類。記dk為分級指標值，ηj為權數。

則當i=1時，

代入數值到（1）公式中計算得到：

則

由max{σ1k}=σ13則可初步判別編號為1的圍巖屬于第Ⅲ級。

當i=2時，

同理帶入數據到公式（2）計算得到：

由max{σ2k}=σ22則可初步判別編號為2的圍巖屬于第Ⅱ級。

當i=3時，

帶入數據到公式（3）計算得到：

由max{σ3k}=σ32則可初步判別編號為2的圍巖屬于第Ⅱ級。

當i=4時,

帶入數據到公式（4）計算得到：

由{σ4k}=σ63則可初步判別編號為4的圍巖屬于第Ⅲ級。

當i=5時，

帶入數據到公式（5）計算得到：

由{σ5k}=σ52則可初步判別編號為5的圍巖屬于第Ⅱ級.則圍巖分級聚類結果如表3所示

表3 圍巖分級聚類結果

2.3.2 結合地下水及地應力狀態對圍巖分級的修正

在地下水豐富，特別是軟弱圍巖地段，在按以上聚類的基礎上，需根據勘測資料進行修正。一般原則是“遇水降級”，但還需根據水量、圍巖類別進行修正。地下水狀態的等級劃分如表4。

表4 地下水狀態的分級

地下水影響對圍巖分級的修正如表5。

表5 地下水影響的修正

根據地下水對圍巖分級的影響，現根據編號1-5的圍巖體水文地質條件進行地下水狀態分級，并對已經分好的圍巖進行修正。具體修正結果如下6表。

表6 修正后的圍巖分級聚類結果

3 總結及建議

利用巖體分類中的國標BQ法對下洲隧道各段圍巖進行分級，劃分為Ⅱ～Ⅴ級；利用灰色理論中的灰色聚類法對圍巖進行分級，也得到相應的Ⅱ～Ⅴ級。兩種分級方法對比，結果趨于一致，充分說明了灰色聚類法定量確定圍巖級別的可靠性。結合相關指標進行修正，使其更加符合工程實際。

根據灰色系統理論對隧道圍巖進行聚類分析，僅依靠少數指標，按影響分級的主要因素聚類，即可定量化確定圍巖級別，其數學推導嚴謹，概念清晰，評價結果可靠。隧道圍巖分級應向多參數定量化、統一化發展，運用灰色聚類法進行圍巖分級是在此方面的有益探索。但在確定圍巖分級的量化指標上還需進一步完善，使其更加符合工程實際。

根據隧道圍巖分級的結果，對隧道開挖提出以下建議：

（1）隧道洞身處在Ⅴ級圍巖地段，巖體穩定性差，開挖易坍塌、冒頂，隧道掘進時應采取支護措施；處在Ⅲ級圍巖處的洞身建議采用錨噴混凝土支護。

（2）隧道洞口仰坡、土質邊坡采用1：1.25。當邊坡超過12m時，需在10m高處留一寬約2.0m平臺，并以漿砌塊石骨架植草護坡防護。基巖強風化帶采用1：1.0m設計放坡，挖溝植草護坡。基巖微、弱風化帶邊坡采用1:0.75放坡，可采用藤蔓植物放坡。

（3）隧道進、出口段風化嚴重，頂板薄，成洞困難，洞身穩定性差，易發生塌方，施工中需要采取必要的支護措施，必要時可采用明挖施工。

[1]劉佑榮，唐輝明.巖體力學.北京：中國地質大學出版社，1999年9月，第一版.

[2]李智毅，楊裕云.工程地質學概論. 北京：中國地質大學出版社，1994年10月第一版.

[3]李世輝.隧道圍巖穩定性系統分析. 北京：中國鐵道出版社，1991年6月，第一版.

[4]王思敬，楊志法等.地下工程巖體穩定性分析.北京：科學出版社，1984.109～180.

[5]李智毅，唐輝明.巖土工程勘察. 北京：中國地質大學出版社，2000年9月，第一版.

[6]重慶交通科研設計院.JTG D70-2004 公路隧道設計規范.北京：人民交通出版社，2004.

[7]楊新安，吳德康. 鐵路隧道[M] . 上海:同濟大學出版社，2003，第一版.

[8]劉思峰，郭天榜.灰色系統理論及其應用.南京：河南大學出版社，1991年2月，第一版.

[9]鄧聚龍.灰理論基礎.華中科技大學出版社，2002年2月，第一版.

[10]鄧聚龍.灰色系統基本方法.華中科技大學出版社，2005年8月，第一版.

[11] 張慶飛，巫錫勇.灰色聚類法在圍巖分級中的應用.西部探礦工程學報，2005 年第5 期.

[12]Malay Bhattacharrya，Fuzzy Mark ovia decision process，Fuzzy Sets and systems，1998

[13]Goodman R.E and Shi Genhua Block Theory and Its Application to Rock Engineering，rentice-Hall，Inc.，Englewood Cliffs，1985

[14]Hoek E，Marinos P.Predicting squeeze[J].Tunnels an Tunneling Internationnal，2000，(11):45～51.

Tunnel Surrounding Rock Classification based on Gray Theory

ZHU Yanbo
(Department of Geotechnical Engineering, Chinese University of Geosciences, Wuhan 430071)

In the course of excavation of tunnel, the problems of rock stability, deformation and damage are often encountered. In this paper the tunnel projects of the Ningde to Wuyishan S4 highway contracts and Bidanya Tunnel Engineering of the Chengdu-Shanghai highway are combined, and the knowledge of Rock Mechanics and Gray Theory are used in the surrounding rock classification and calculation of stability analysis. At the same time, this paper puts forward the suggestion to the rock stability after the excavation of the tunnel, and discusses whether to need supporting or not.

Tunnel; Surrounding rock classification; Rock stability; Grey theory; Grey cluster

TU45

A

祝艷波（1985-），男，遼寧省葫蘆島市人，中國地質大學（武漢）工程學院，碩士研究生，主要從事巖土地質環境與地質災害研究。Email:342948684@qq.com