基于模糊綜合評判的護盾式TBM施工圍巖穩(wěn)定性分類

楊繼華，路新景，閆長斌，齊三紅，郭衛(wèi)新

1. 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，鄭州 450003 2. 鄭州大學土木工程學院，鄭州 450001

0 引言

全斷面隧洞掘進機(TBM)施工具有掘進速度快、成洞質(zhì)量好、施工環(huán)境好及人員安全性高等的技術(shù)特點，已在國內(nèi)的水利水電工程長隧洞的施工中得到了廣泛的應用[1-4]。護盾式(shield)TBM是全斷面TBM的一種常見機型，其可以分為單護盾(single shield)TBM、雙護盾(double shields或telescopic shields)TBM和三護盾(triple shields)TBM，其最大的特點是掘進和支護作業(yè)都是在護盾的保護下進行，安全性高，對地質(zhì)條件的適應范圍較廣。

隧洞圍巖穩(wěn)定性分類是施工中的一項重要工作，分類結(jié)果直接關(guān)系到支護、襯砌的強度和型式選擇。無論是鉆爆法還是TBM施工，隧洞圍巖的穩(wěn)定性均取決于圍巖性質(zhì)及場地工程地質(zhì)條件，如巖石的單軸抗壓強度、巖石質(zhì)量指標(RQD)、節(jié)理間距、節(jié)理面性狀、地下水、地應力等，以上這些指標均可以通過室內(nèi)試驗、現(xiàn)場測試及調(diào)查獲得。目前隧洞圍巖分類一般采用這些定性、定量、半定量指標通過評分的方法把圍巖分為若干等級，每種等級對應圍巖的不同穩(wěn)定性。常用的圍巖穩(wěn)定性分類方法有國外的地質(zhì)力學分類法(RMR)[5]、Q系統(tǒng)分類法[6]，及國內(nèi)的工程巖體分級方法[7]、水電系統(tǒng)的分類法[8]等。鉆爆法施工時可以采用以上這些方法對圍巖的穩(wěn)定性進行分類和評價。

與開敞式TBM不同，護盾式TBM隧洞施工時，刀盤、護盾和襯砌管片將掌子面和洞壁圍巖幾乎全部遮擋，無法像鉆爆法和開敞式TBM那樣對圍巖進行直接的地質(zhì)描述，也無法采取原狀巖樣進行試驗，影響圍巖穩(wěn)定性的指標無法直接獲得，因此傳統(tǒng)的圍巖分類方法并不適用護盾式TBM施工。目前，針對護盾式TBM施工隧洞圍巖分類尚沒有統(tǒng)一的標準；隨著護盾式TBM在隧洞施工的廣泛應用，迫切需要尋求一種適用于護盾式TBM施工的圍巖分類方法。

本文采用模糊綜合評判的方法，選擇護盾式TBM施工所能獲得的圍巖穩(wěn)定性評價指標，對圍巖的穩(wěn)定性進行分類并應用到工程實際中。

1 護盾式TBM隧洞施工圍巖穩(wěn)定性分類模糊綜合評判法的建立

1.1 評判因素的選取

根據(jù)模糊綜合評判法的基本原理，對圍巖穩(wěn)定性分類應首先選取合理的評判因素，并對各因素賦予參數(shù)值；其值可以是定量的或半定量的，也可是定性描述的。考慮影響圍巖穩(wěn)定性的主要地質(zhì)因素及護盾式TBM施工的特點，所選取的評判因素應能全面、客觀地反映圍巖類別，同時要具有可操作性。本文根據(jù)相關(guān)工程實踐及文獻[5-14]選取以下6個因素對圍巖穩(wěn)定性進行分類。

1)回彈值：護盾式TBM施工時，可在停機時采用高強度回彈儀(schmidt hammer)通過滾刀間隙、護盾觀察窗口或伸縮護盾連接處對巖石進行回彈值測試。相關(guān)研究[10]表明：巖石的回彈值與巖石的單軸抗壓強度直接相關(guān)；可通過回彈值估算巖石的單軸抗壓強度，而巖石的單軸抗壓強度直接關(guān)系到巖石的穩(wěn)定；一般情況下巖石的回彈值越高，巖石的單軸抗壓強度越高，對圍巖穩(wěn)定越有利。

2)TBM刀盤推力：用所采用推力占額定推力的比例表示。掘進推力是隧洞圍巖地質(zhì)條件的反映，應成為圍巖穩(wěn)定性評判的依據(jù)之一。一般情況下，在完整硬巖中掘進時，TBM需要較高的推力；而在軟弱破碎圍巖中掘進時，TBM需要的推力較小。

3)TBM刀盤扭矩：用所采用扭矩占額定扭矩的比例表示。掘進時刀盤扭矩受地質(zhì)條件的影響而變化，在硬巖中掘進，滾動阻力小，相應扭矩小；反之在軟巖中掘進需要的扭矩大。

4)片狀巖渣質(zhì)量分數(shù)：用片狀巖渣質(zhì)量與巖渣總質(zhì)量的比值表示。渣料中巖渣的形狀、粒徑與圍巖的強度與節(jié)理密度等密切相關(guān)，可從較大程度上反映圍巖的穩(wěn)定性。一般情況下，完整硬巖的巖渣主要呈片狀，而破碎圍巖的巖渣主要呈塊狀。

5)地下水：用地下水流滲量參數(shù)表示。當圍巖中存在地下水時，會軟化巖石，降低圍巖的穩(wěn)定性，因此圍巖中地下水的發(fā)育程度越低對圍巖穩(wěn)定越有利。

6)地應力：用最大主應力方向與洞軸線的夾角表示。當最大主應力與洞軸線平行時對圍巖穩(wěn)定最有利，當與洞軸線垂直時最不利。

圍巖穩(wěn)定性分類目前尚無統(tǒng)一的標準，不同行業(yè)、不同學者所采用的標準均有所差別。考慮模糊綜合評判法的需要，并參照國內(nèi)、外成熟的圍巖分類方法，本文將圍巖穩(wěn)定分為5個類別，即穩(wěn)定、較穩(wěn)定、局部穩(wěn)定性差、不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定，分別對應Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類圍巖。根據(jù)相關(guān)工程實踐及文獻[5-14]，選取的因素與圍巖分類標準的關(guān)系見表1。

1.2 評判因素集的建立

按照表1，評判圍巖穩(wěn)定性的因素有6個，可以用集合表示為

U={u1,u2,u3,u4,u5,u6}。

(1)

式中：u1為回彈值；u2為刀盤推力；u3為刀盤扭矩；u4為片狀巖渣質(zhì)量分數(shù)；u5為地下水滲流量；u6為最大主應力方向與隧洞軸線夾角。

1.3 因素權(quán)重的確定

因素權(quán)重的確定采用層次分析法[15-17]，其原理是：先把n個評判因素排列成一個n階矩陣；然后對各因素的重要程度進行兩兩比較，矩陣中元素值由各因素的重要程度來確定；再計算出判斷矩陣的最大特征根和其對應的特征向量，其特征向量即為所求的權(quán)重值。兩因素之間的重要程度比較和對應值由層次分析法[14-16]確定，如表2所示。

本文根據(jù)國、外常用的圍巖分類方法及工程經(jīng)驗，得出判斷矩陣如下：

1.4 矩陣特征根的判斷及特征向量的計算

1)計算判斷矩陣每行元素的乘積Wi：

即W1=630.000，W2=0.198，W3=0.066，W4=69.300，W5=12.000，W6=0。

表1 圍巖穩(wěn)定性分類標準

表2 兩因素重要程度比較結(jié)果

注：f為ui和uj的函數(shù)，即ui和uj的相比較的值。

即

則特征向量A為：

A=(0.362, 0.094, 0.079, 0.250, 0.187, 0.028)T。

則最大特征根λmax為：

4)進行一致性檢驗計算，用一致性指標CI表示：

查隨機性指標CR數(shù)值表[17]可知，當n=6時，CR=1.24，則

(2)

式(2)表明判斷矩陣的一致性達到了要求，因此向量A的各個分量可以作為相應評判因素的權(quán)重系數(shù)。

1.5 隸屬函數(shù)的確定

根據(jù)所要解決問題的實際特征，參照文獻[11]的研究方法，采用嶺形隸屬函數(shù)，按照公式(2)建立代表評判因素隸屬度的函數(shù)u(x)：

u(x)=

(3)

式中，a1,a2,a3均為參數(shù)，表示各子集的區(qū)間邊界。

以回彈值為例，建立其對應不同圍巖的隸屬函數(shù)：

式中，uⅠ(x)、uⅡ(x)、uⅢ(x)、uⅣ(x)、uⅤ(x)分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖的隸屬函數(shù)。其余因素與其類似，限于篇幅有限，本文略去。

2 工程應用

某水電站引水隧洞全長24.8 km，洞徑9.11 m，采用雙護盾式TBM開挖施工，在掘進過程中獲得了若干洞段的掘進參數(shù)、渣料成分與地質(zhì)資料，現(xiàn)選取4組數(shù)據(jù)(表3)，采用模糊綜合評判法，對圍巖穩(wěn)定性進行綜合評判。

1)評判因素集合見式(1)。

2)選擇評語集V：

V={v1,v2,v3,v4,v5}。

式中：v1表示穩(wěn)定，對應Ⅰ類圍巖；v2表示較穩(wěn)定，對應Ⅱ類圍巖；v3表示局部穩(wěn)定性差，對應Ⅲ類圍巖；v4表示不穩(wěn)定，對應Ⅳ類圍巖；v5表示極不穩(wěn)定，對應Ⅴ類圍巖。

3)單因素評判。以表3中序號1洞段為例，將評判因素值代入式(3)隸屬函數(shù)中，可得各因素對應不同穩(wěn)定狀態(tài)的隸屬度M：

M=

4)各因素的權(quán)重向量即特征向量A：

A=(0.362, 0.094, 0.079, 0.250, 0.187, 0.028)。

5)進行綜合評判計算，用隸屬度向量B表示：

B=A·M。

參照以上計算方法，對表2中序號2、3和4洞段分別進行計算，得：

按照最大隸屬度原則，可以判斷序號1、2、3和4洞段的最大隸屬度分別為0.494、0.403、0.388、0.442，圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)分別為較穩(wěn)定、較穩(wěn)定、局部穩(wěn)定性差和不穩(wěn)定，分別對應Ⅱ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ類圍巖。該評判結(jié)果在工程中已得到驗證。

3 結(jié)語

1)護盾式TBM隧洞施工時，無法直接對圍巖進行地質(zhì)描述，因此無法采用傳統(tǒng)的分類方法對圍巖穩(wěn)定性進行評價。圍巖的穩(wěn)定性受多種因素的影響，本文在研究護盾式TBM施工特點的基礎(chǔ)上，參照國內(nèi)、外常用的圍巖分類方法，選擇了巖石的回彈值、刀盤推力、刀盤扭矩、片狀巖渣質(zhì)量分數(shù)、地下水滲流量和最大主應力與洞軸線的夾角作為圍巖穩(wěn)定性評判因素。

表3某水電站引水隧洞雙護盾TBM施工部分洞段掘進參數(shù)與地質(zhì)資料

Table3TunnelingparametersandgeologicdataofpartialsectionsofheadracetunnelbydoubleshieldsTBMconstructioninahydropowerstation

序號隧洞樁號回彈值刀盤推力/%刀盤扭矩/%片狀巖渣質(zhì)量分數(shù)/%地下水滲流量/(L/(min·10m))最大主應力與洞軸線夾角/(°)117+660—17+68548786485553218+212—18+22836726882860322+985—22+998286474631252423+871—23+886225382522055

2)影響因素與隧洞圍巖是否穩(wěn)定具有一定的模糊性質(zhì)，圍巖的穩(wěn)定性無法采用精確的關(guān)系式來表達。采用模糊綜合評判方法，建立圍巖穩(wěn)定性多因素評判模型，制定穩(wěn)定性分類標準，對圍巖穩(wěn)定性進行定量評判，可以得到較為合理的結(jié)果。