可拓法在隧道超前地質預報的應用

李孝宇

(中鐵十九局集團第七工程有限公司，廣東 珠海 519029)

可拓法在隧道超前地質預報的應用

李孝宇

(中鐵十九局集團第七工程有限公司，廣東 珠海 519029)

巖溶地區的隧道地質復雜，極易發生突水突泥等事故，如何提高巖溶地區地質預報準確性成為迫切需要解決的難題。基于可拓理論，構建隧道圍巖不良地質情況的四個等級指標體系，對定性指標予以量化，同時對各指標歸一化、無量綱化預處理。在物元模型的基礎上建立隧道圍巖不良地質情況的評估模型，采用熵權法對各因素進行權系數分析。結合工程隧道進行了實例分析，結果表明：柿子園隧道圍巖不良地質情況等級為t=4，根據隧道開挖實際結果反饋發現，該評價模型評估準確，具有良好的適用性。

隧道；超前地質預報；巖體波速；可拓法；熵權法

隨著我國高鐵或高速公路建設日益增多，隧道的修建難度也大大增加。比如，宜萬鐵路的野三關隧道及云桂鐵路的六郎隧道在修建過程中都發現了大型溶洞[1-2]，給施工增加了極大難度。因而對修建隧道進行超前地質預報是不可或缺的環節[2-4]。

近年來，以地震波法為原理的TSP技術在隧道等地下工程中應用廣泛。李術才等[5]采用TSP203plus系統對滬蓉西高速的齊岳山隧道進行了不良地質探測，成功預報出一直徑約70 cm的向下孔洞。周文峰[6]對不同傾角地層的地震反射波時距曲線以及繞射波時距曲線進行了研究，并將理論研究應用于實際工程隧道，取得了良好效果。曲海峰等[7]認為多種物探手段結合可顯著提高預報準確性，將地面地質調查法、地質雷達和TSP三種手段結合，基于系統論建立了綜合地質預報方法，所提出的方法應用于廣仁嶺公路隧道，預報精度達到95%以上。江杰等[8]指出城市巖溶地鐵隧道具有埋深淺、干擾因素多等特點，認為城市地下工程預報不可照搬山區隧道的預報方法，提出了隧道地表采用高密度電法，隧道內部采用掌子面素描和地質雷達的方法，該方法在南寧地鐵某暗挖段進行了應用，對類似工程具有一定指導意義。通過比較，發現地質雷達法、TSP技術和高密度電法是比較成熟的超前地質預報方法[9-13]，但是地質雷達法是一種短距離預報，一般預報長度為30 m；而高密度電法受限于探測空間，一般在半空間內測試比較準確，而隧道內部全空間測試就無法準確判斷不良地質體位置；TSP技術則具有預報距離長，測試數據多，預報準確等特點。考慮到TSP技術測試數據多，又沒有成熟的理論進行綜合判斷，提出一種合適的理論來進行地質解譯很有必要。

可拓法在風險評估方面應用廣泛，其主要特征是基于區間的研究，并將定性分析和定量分析結合在一起，使得其計算結果更為實際。可拓法又名可拓理論，可轉化不相容或矛盾問題，具有很強的通用優勢。基于可拓法，構建隧道不良地質情況四個等級指標體系，對定性指標予以量化，同時對各指標歸一化、無量綱化預處理。在物元模型的基礎上建立隧道不良地質情況的評估模型，采用熵權法對各因素進行權系數分析。最后，結合實際工程隧道進行了評估分析。

1 隧道不良地質可拓評價模型

可拓學理論[14-15]由蔡文等學者創立，主要框架為可拓數學和物元理論。對需評價的工程項目設為N，以有序三元的R={N，c，v}表述，其中c為特征，v為量值，共同組建的基本元，簡稱物元。假設隧道的不良地質體N有多個特征，則

(1)

式中：R為n維物元，簡記為R=(N，c，v)。

在可拓法中，包含所有特征時稱為節域，而具有某一特征稱為經典域，即經典域包含于節域。經典域和節域的物元矩陣可分別表示為

Rot=(Not，C，Vot)=

(2)

Rp=(Np，C，Vp)=

(3)

式中：Not為研究對象的某一特征，如巖體縱波波速、巖體泊松比、楊氏模量等，關于特征ci量值范圍Voti=時，Rot為隧道的不良地質體里程段，Voti為對應ci取值區間，也就是經典域；Rp為不良地質情況的因子，Vpi為對應指標ci的所有取值標準；Not為判斷因素。存在?，(i=1，2，… ，n)。

隧道的表征因素需技術人員對實際工程隧道進行測量或評價，得到相應數值，根據實際情況獲取某物質單元Nj(j=1，2，…，m)。

(4)

Nj關于評價等級的關聯函數為

(5)

式中，ktj(vti)=

(6)

(7)

|voti|=bji-aji

(8)

(9)

式中：ktj(vti)為第j個對象的i個特征關于標準物元等級的關聯度。采用熵權法獲得權系數，則某物質單元Nj關于等級的關聯度ktj(Nj)為(10)和(11)，則此研究對象等級為t0。

(10)

ktj0(Nj)=max{ktj(Nj)|t=1，2，3，4}

(11)

2 隧道不良地質情況的評價構建

2.1確定評價指標

隧道不良地質體情況多樣，主要包括突水、突泥(砂)、瓦斯突出、斷層破碎帶和溶洞等。根據國內隧道超前地質預報TSP技術的相關研究[4-5]，總結了隧道不良地質的4個評價因素，如圖1所示，即巖體縱波波速、密度、泊松比和楊氏模量。

圖1 隧道不良地質評價指標體系

2.2風險評價等級

根據《鐵路隧道風險評估與管理暫行規定》[16]，將隧道的風險等級分為極高、高度、中度和低度風險四個等級，如表1所示。

鐵路隧道不良地質情況等級的劃分與隧道的地震發射波測試參數緊密相關。本文根據鐵路隧道規范和文獻[7-9]將指標劃分為四個等級：

t={t1，t2，t3，t4}

(12)

式中：t1，t2，t3，t4分別對應風險極高風險、高度風險、中度風險和低度風險四個等級。

表1 隧道健康評價等級劃分

3 隧道不良地質評估實例

柿子園隧道位于成蘭鐵路安縣至高川區間，隧道全長14069 m，隧道進出口均緊鄰橋臺工程，進口緊鄰雎水河大橋，隧道最大埋深約680 m。線路穿越龍門山山脈，沿雎水河左岸傍河設隧道通過，屬中低山構造侵蝕地貌，溝槽相間，由于構造侵蝕下切作用，地形波狀起伏高差較大，部分測段位厚～巨厚層灰巖等屹立山頂，形成幾十米至百米的陡壁絕崖。

地面高程760～1834 m，相對高差20～1000 m，自然坡度一般20°～60°，局部為陡壁。坡面上覆第四系土層較厚，局部基巖出露，地表多為雜木、杉樹等植被覆蓋，較平緩處、溝槽等低洼地帶被墾為旱地或經濟林木。圖2為柿子園隧道洞口圖。

3.1定性指標量化處理

使用可拓法需要將非量化的指標作量化處理，用于后期數據的評價計算。

對于巖體縱波波速C1：考慮到不同圍巖具有不同波速，C1<1000 m/s表示圍巖整體性較差；1000 m/s≤C1<2500 m/s表示圍巖整體性差；2500 m/s≤C1<4000 m/s表示圍巖整體一般；C1>4000 m/s表示圍巖整體性好；

對于密度C2：根據相關規范[16]和地震反射法測試統計資料，C2≤1.4 g/cm3表示圍巖密度較小；1.4 g/cm3≤C2<2.0 g/cm3表示圍巖密度小；2.0 g/cm3≤C2<2.6 g/cm3表示圍巖密度中等；C2>2.6 g/cm3表示圍巖密度大；

對于泊松比C3：根據地震反射法測試統計資料，C3≤0.1表示圍巖泊松比較小；0.1≤C3<0.2表示圍巖泊松比小；0.2≤C3<0.4表示圍巖泊松比一般；0.4≤C3<0.5表示圍巖泊松比大；

對于楊氏模量C4：楊氏模量采用的是靜態楊氏模量表征，C4<10 GPa表示圍巖楊氏模量較小；10 GPa≤C4<20 GPa表示圍巖楊氏模量小；20 GPa≤C4<35 GPa表示圍巖楊氏模量中等；C4≥35 GPa表示圍巖楊氏模量大；

將波速、密度、泊松比和楊氏模量采用表格列出，如表2所示。

表2 各指標量化

3.2風險評價指標歸一化

使用公式(13)對各因子進行量綱歸一化[9]：

(13)

3.3確定隧道不良地質評估的物元

由式(2)和(3)可得柿子園隧道不良地質情況評估的經典域和節域如下：

表3 指標歸一化處理過程

式中：j=1，2，3，4。當t=1時，c1，c2，c3和c4的取值范圍， ， ，分別取<0，0.2>， <0，0.35>， <0，0.2>， <0，0.22>。即：

同樣可知，當t=2，3，4時對應的量值范圍，以此類推。根據式(4)，請根據隧道TSP法得到待評價不良地質段的同征物元如下：

3.4確定隧道評估指標權系數

(1)數據歸一化。解釋的存在災害隧道分m級，每級被評價風險因子有n個，得到原始矩陣A=(aij)m×n，歸一化后可得矩陣R：

R=(rij)m×n(i=1，2， …，m;j=1，2， …，n)

(14)

(2) 定義各評價指標的熵[13]：

(15)

(3)計算各評價指標的熵權w

(16)

根據熵權法，可得權系數為：

wi=[0.235 0.233 0.219 0.313]

3.5計算需要評價物元的關聯度

根據式(5)～(9)，得到柿子園隧道的不良地質情況的各評價等級的關聯度。計算結果如下：

3.6病害隧道可拓法結果與分析

根據式(10)，可以計算得到柿子園隧道不良地質情況關于等級t的關聯度：

ktj=[-0.05753 -0.159442 0.02871 -0.406191]

根據式(11)，可以計算得到柿子園隧道不良地質體等級t=3，即隧道出現地質災害等級為“高度風險”。

4 結 論

基于可拓法理論，在物元模型的基礎上建立隧道不良地質情況的評估模型，并構建隧道風險等級指標體系，結合地震波法的多參數進行綜合輸入。結果表明，可拓法的主要特征是將定性分析和定量分析結合在一起，使得隧道超前地質預報更為準確可靠。實際工程案例的柿子園隧道里程段內的實際風險等級為t=3，需盡快進行多手段加密探測措施。

[1] 張順忠. 野三關隧道特大溶洞崩塌堆積體處治施工技術[J]. 隧道建設， 2007， 27(3):59-61．

[2] 陽躍朋， 陳秋南. 復雜巖溶隧道中地質超前預報的綜合應用[J]. 工程地球物理學報， 2012， 9(1):1-4．

[3] 魏梧樹. 淺埋大斷面高速鐵路巖溶隧道信息化施工和數值模擬研究[D]. 湘潭: 湖南科技大學， 2012．

[4] 李術才， 薛翊國， 張慶松，等. 高風險巖溶地區隧道施工地質災害綜合預報預警關鍵技術研究[J]. 巖石力學與工程學報， 2008， 27(7):1297-1307.

[5] 李術才， 李樹忱， 張慶松，等. 巖溶裂隙水與不良地質情況超前預報研究[J]. 巖石力學與工程學報， 2007， 26(2):217-225.

[6] 周文峰. 地震反射波法(TSP)在隧道地質超前預報中的應用研究[D]. 成都: 成都理工大學， 2009．

[7] 曲海鋒， 劉志剛， 朱合華. 隧道信息化施工中綜合超前地質預報技術[J]. 巖石力學與工程學報， 2006， 25(6):1246-1251．

[8] 江杰， 黃厚， 鐘一和，等. 巖溶地區地鐵一種綜合超前地質預報方法[J]. 工程勘察， 2017(6):69-73．

[9] 黃小城， 陳秋南， 陽躍朋，等. 可拓理論對復雜條件下巖溶隧道的風險評估[J]. 地下空間與工程學報， 2013， 9(5):1179-1185.

[10] 汪成兵， 丁文其， 由廣明. 隧道超前地質預報技術及應用[J]. 水文地質工程地質， 2007， 34(1):120-122.

[11] 張紹斐， 余斌， 李文俊. 超前地質預報技術在夾活巖隧道巖溶地質施工中的應用[J]. 公路交通科技， 2006(9):144-146．

[12] 雷明鋒， 彭立敏， 施成華. 復雜地質條件下隧道淺埋段全空間綜合超前地質預報技術[J]. 巖石力學與工程學報， 2009， 28(s2):3571-3576．

[13] 龔固培. 超前地質預報在北京市八達嶺高速公路隧道施工中的應用[J]. 現代隧道技術， 2000(5):38-41．

[14] 蔡文. 物元模型及其應用[M]. 北京：科學技術出版社，1994．

[15] 蔡文，楊春燕，林偉初. 可拓工程方法[M]. 北京：科學技術出版社，1997.

[16] 中華人民共和國交通部.中華人民共和國行業標準(JTG H12-2015)：鐵路隧道養護技術規范[M].北京：人民交通出版社，2003．

(責任編輯：熊文濤)

ApplicationofSeismicPredicationofTunnelsBasedonExtensionTheory

Li Xiaoyu

(No.7EngineeringCo.,Ltd,ChinaRailway19thBureauGroup,Zhuhai,Guangdong519029,China)

The geology of tunnels in karst area is complicated, and water inrush or mud inrush may take place at any time. Hence it is an urgent problem and it is of significance to improve the accuracy of geological prediction in karst area becomes an urgent problem. Based on the extension theory, four grades of index system for bad geological condition surrounding rock in tunnels are constructed. The qualitative indexes are quantified, and the indexes are normalized and dimensionlessly pretreated. On the basis of matter element model, the evaluation model of unfavorable geological condition of tunnel surrounding rock is established, and the weight coefficient is analyzed by means of entropy. The Peiziyuan tunnel was analyzed by the proposed method and results show show that the Peiziyuan tunnel bad geological conditions of gradet=4, and the grade was verified by the excavated results. Therefore, the evaluation model has a good applicability for assessment.

tunnel; tunnel seismic predication; P-wave velocity; entropy; the extension theory

U24

A

2095-4824(2017)06-0123-05

2017-08-05

李孝宇(1972- )，男，遼寧遼陽人，中鐵十九局集團第七工程有限公司工程師。