基于CBR的鐵路工程巖爆預防措施決策模型研究

邵晨超,李遠富,鄒 鑫,吳文芊,樊惠惠

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 2.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

引言

礦山法隧道開挖過程中，巖爆是最為常見的一種災害[1]。巖爆發生時往往會帶來巨大的經濟損失，對人員和工程造成無法挽回的傷害[2]。西南山區地質條件復雜，工程經驗較少，施工技術方案又受到其高海拔、高地應力條件的限制，施工過程中易于引發工程災害。在工程資料不夠詳細、地質勘探難以深入開展的條件下，盲目地進行施工往往會引起較為嚴重的后果，而歷史工程案例對于施工具有一定的指導意義，對隧道開挖過程中引發的巖爆災害具有一定的預防和補救作用。

長期工程實踐積累了大量隧道開挖的經驗，為隧道開挖設計中應對巖爆現象提供了大量值得借鑒的參考資料。這些資料不僅對于巖爆現象的出現有預防作用，而且對巖爆發生后的應對措施有一定的指導意義。建立工程案例資料庫，不僅可以最大程度地利用現有工程儲備知識，更能不斷完善工程建設的質量標準和技術標準，為工程建設提供強有力的數據支持。

本文擬將與人工智能類似的推理方法應用于工程實踐，建立針對隧道施工過程中多發的巖爆現象的預防和補救措施決策的案例推演模型，在巖爆現象現有資料庫的基礎上，利用CBR技術快速高效地尋求解決應對措施，輔助解決施工過程中面臨的決策困難問題。

1 模型建立

1.1 案例推理基本理論

案例推理(CBR， Case-based Reasoning)是一種較為成熟的人工智能推演技術[3-7]。其本質是對于案例歷史知識經驗的二次利用。在CBR中，新的待解決的問題被稱為目標案例，已有的案例被稱為案例源。

CBR運作的基本原理是基于已有案例庫的條件下，根據目標案例固有特性，尋找相似案例進行案例比對，尋求目標案例的相似案例源，從而找到目標案例的建議解。對于已經完成比對過程的案例，系統又會將其納入到案例庫中，作為新的案例源參與比對，從而對案例庫進行不斷更新和完善。如圖1所示，這個過程也被稱為CBR循環理論。

圖1 CBR循環理論示意

1.2 構成因素分析

巖爆烈度等級一般被分為三類：輕微巖爆(Ⅰ級)、中等巖爆(Ⅱ級)、強烈巖爆(Ⅲ級)[8]。

產生巖爆的原因多種多樣，其中最主要的是圍巖能量的變化[9]。在隧道工程中出現的巖爆災害大多來自于巖石應力變化大的情況[10-11]。隧道工程巖石應力的影響因素眾多。不同的埋深導致其所處的地層差異巨大，隧道圍巖等級出現巨大差異；由于隧道所處地質條件的差別，隧道內部初始地應力受到地殼運動的影響，內部斷層增加，結構變得較為復雜，向斜和背斜等地質區域使得地層內部能量積累。部分地區由于地層內部巖漿等作用，還會出現較高的地溫，都使得巖石發生巖爆的可能性加大；而隧道所處區域的地下水不僅可以滲透進巖石內部，軟化巖石，更可以帶走熱量，減少巖石內部的能量儲備，對巖爆具有一定的抑制作用；地震作用對于巖爆現象的影響是不容忽視的，故而，在遵循針對性，獨立性，層次性和主導型的原則下，以已有工程案例的經驗為基礎，將巖爆對應工程特征屬性劃分為如圖2所示

圖2 巖爆特征屬性劃分示意

1.3 指標量化范圍

根據與巖爆相關的上述指標的具體工程體現，并結合巖爆烈度等級的劃分，將指標量化范圍劃分為4個等級：無巖爆(1)、輕微巖爆(2)、中等巖爆(3)和強烈巖爆(4)四個等級。在此基礎上，對相關工程實踐中出現的巖爆特征屬性進行4個等級的劃分，見表1。其中，除部分定量指標外，定性和半定量指標均采用特定的方法進行量化和標準化處理。

表1 特征屬性指標量化

1.4 熵權法確定權重[12]

不同的特征屬性具有不同的重要性，由于各特征屬性將直接或者間接地影響到案例檢索的精確性和獨特性。故而，對于不同的指標必須進行賦權是必要的。本文采用的主要賦權方法為熵權法。熵權法是一種基于目標熵值建立的權重確定方法，其主要優點是具有一定的客觀性。

首先根據既有的評價目標建立由表征特征屬性的基本向量構成的評價矩陣。假設共有m個評價對象，每個評價對象由l個評價指標構成，評價矩陣R可表示為

(1)

通過如下方式對評價指標的數據進行歸一化處理

(2)

經過歸一化處理，標準評價矩陣U表示為

(3)

特殊的，當pij=0，pijlnpij=0。由此，第j個因素的權重為

(4)

1.5 灰色關聯分析[13-14]案例檢索

本文中的案例檢索主要通過對目標案例與既有案例(源案例)關聯度大小的比較，尋求源案例中與目標案例最為相似或相近的案例模型。不同案例的差別主要體現在特征屬性的變化上，由于隧道巖爆現象地質條件復雜，資料及數據獲取難度大，基于此，灰色關聯是最好的選擇。

灰色關聯分析法是較為常見的一種關聯分析。其最大的優點在于對于樣本數據的數量要求較為寬松，對于數據典型性不太苛刻，可以有效地使用于定性和半定量指標。

灰色關聯分析的具體步驟如下。

(1)確定比較對象(評價案例)和參考數列(源案例)。假設共有m個源案例，每個源案例由n個評價指標(特征屬性)構成。則評價對象特征屬性向量為x0={x0(k)|k=1，2，…，n}，源案例特征屬性向量為xi={xi(k)|k=1，2，…，n}，i=1，2，…，m。

(3)計算灰色關聯系數。具體計算方式為

ξi(k)=

(5)

(4)計算灰色加權關聯度。灰色加權關聯度的計算公式為

(6)

式中，ri為第i個評價對象對理想對象的灰色加權關聯度。

2 實例應用

本文擬將上述案例推理模型應用于成昆(成都至昆明)鐵路關村壩隧道，探索其在巖爆災害預防和處理上的措施。將關村壩隧道作為目標案例(C0)，建立案例推演模型。

2.1 關村壩隧道工程概況

關村壩隧道是成昆鐵路的重點工程[15]，也是20世紀60年代中國第二長隧道，位于四川省樂山市金口河區境內成昆鐵路金口河站—關村壩站之間。關村壩隧道進口里程K255+855，軌面高程604 m，出口里程K261+962，軌面高程640 m，中心里程K258+949，隧道全長6 107 m。

2.1.1 氣候特點

該區屬大陸性高山氣候區，氣溫變化大，冬季干冷，夏季濕熱，高山全年多云霧，冬季積雪。年蒸發量1 400 mm，年降雨量697～1 100 mm，年平均降雨量900 mm，6～9月為雨季，7～8月降雨尤為集中。縣境內氣溫年平均為16.6 ℃，極端高溫為35.7 ℃，極端低溫為-3.2 ℃。7月最熱，月平均為25.3 ℃；1月最冷，月平均6.5 ℃。年極溫變化微小，高低相差1 ℃。

2.1.2 地質構造

隧道進、出口均位于100～300 m高的陡崖下部，陡崖上部危巖倒懸；山頂高程2 250～2 300 m，洞身最大埋深達1 700 m。巖溶不發育，洞口水流流量144 m3/d，雨后流量增至430 m3/d，總涌水量約為4.74 m3/d·m。洞身圍巖為石灰巖、白云質灰巖等硬質巖，圍巖分級為II級。隧址區抗震設防等級為Ⅵ度，設計基本地震加速度值為0.05g。

2.1.3 節理產狀

該區位于四川地臺(或臺向斜)南部大涼山褶皺帶的北部，隧道通過一寬緩向斜，向斜軸位于隧道中心附近。金口河至大沙壩大渡河右岸山地全部出露巖漿層，左岸臨河地段亦斷續出露輝長巖及花崗巖，震旦系石灰巖沉積于巖漿巖之上，呈不整合接觸。大沙壩至道林子大渡河峽谷兩岸均出露震旦系灰巖，產狀平緩(3°～8°)，未見巖漿巖侵入體，亦未見劇烈構造斷裂現象。但進口左側大渡河岸邊巖層受巖漿巖侵入影響，巖層擠壓褶皺明顯，張開節理發育，表層風化破碎。隧道進口段以黑白條帶狀薄層及中厚層灰巖為主，巖層產狀N40°E/l8°NW；出口段以灰白色中厚層狀灰巖及白云質灰巖為主，巖層產狀N25°W/8°NE。主要節理有3組:一組N25°～30E/90°，與大渡河方向及火成巖侵入方向一致；另一組N60°～65°E/90°，與支溝方向一致;第三組產狀近水平，與層理一致。出口附近節理統計為N3°～5°W或N5°E/85°～90°SW或NW、N70°W/85°SW、N25°～40°W/85°～90°SW，節理間距0.5～l.0 m，張開寬0.05～0.5 cm，充填少量黏土。

2.2 CBR防治措施求解

根據上述工程案例情況，結合西南山區隧道工程案例，將關村壩隧道相關工程情況按照特征屬性量化范圍進行量化，取隧道各段相關屬性的均值，得到特征屬性取值如表2所示。

表2 CBR案例推理特征屬性量化

根據式(2)～式(4)計算求得的特征屬性權重向量為

根據式(6)計算案例關聯度，此處取分辨系數的最大值ρ=0.5，計算結果見表3。

表3 案例推演灰色加權關聯度

根據表3可得，蘭渝鐵路西秦嶺隧道C11達到關聯度0.778 6，為目標案例最為接近的源案例。西秦嶺的地應力高，有發生巖爆和圍巖變形的可能性，故而目標案例關村壩隧道與西秦嶺隧道具有相似的巖爆發生可能來源，故而施工過程中采用加強超前地質預報，非鉆爆開挖，注漿堵水加固圍巖等一系列方法[16-18]。

3 結語及展望

由于隧道工程中巖爆現象影響因素的多樣性和復雜性，人類還無法完全準確地對巖爆現象進行預測，而巖爆一旦發生，其經濟和人員傷亡損失是巨大的[19]。本文避開探討巖爆發生機理的問題，從實際工程出發，總結工程經驗而尋求在工程實踐中探索相似案例的解決途徑，結論如下。

(1)隧道巖爆現象與內因和外因有關，內因包括圍巖自身巖性和初始地應力等條件，而外因則與開挖地區地震等特殊地質活動以及地下水等作用有關。其作用機理仍需要一步探索和研究。

(2)基于熵權法和灰色加權關聯度的案例推演模型，可以有效地為隧道工程巖爆現象提供輔助決策的意見，可以更為高效地解決實際工程中的突發事件，有助于隧道工程施工工藝的進一步完善。