山東引黃調水工程輸水隧洞開挖穩定性評價

常玉會

（聊城市東昌府區水利局，山東 聊城 252000）

1 引言

水利工程建設過程中往往需要建設大型輸水工程，輸水工程建設往往需要穿越山體，在這些區域修建引水工程就需要對山體進行開挖形成引水隧洞[1-2]。隧洞的穩定性是引水工程順利建設及正常使用的關鍵，因此，準確分析引水隧洞穩定性是十分必要的。目前，有較多的學者對隧洞穩定性評價進行了研究。數值模擬在隧洞穩定性分析中較為常用，宋中濤[3]采用數值模擬分析鐵路隧洞襯砌結構的力學特性；董輝等[4]采用數值模擬方法分析巖溶地區隧洞變形特征。未確知測度是一種常用的評價方法，在水利[5]、地質[6]、電力[7]等行業均有較為廣泛的使用。

2 工程概況

山東引黃調水工程位于膠東半島北部，輸水線全長超過300 km，工程建設主要是為了緩解威海、煙臺水資源短缺問題，對于改善當地生態環境、促進經濟發展具有十分重要的作用。桂山隧洞是輸水線路的重要的工程，輸水隧洞洞徑2.6 m，設計流量為5.8 m3/s，屬于圓形有壓隧洞。

3 基于未確知測度隧洞開挖穩定性評價

3.1 評價指標體系建立

影響隧洞穩定性的因素主要包括地質、水文、施工3 個方面。其中地質、水文因素是影響隧洞穩定性基本因素，施工因素是影響隧洞穩定性的人為因素，在隧洞建設過程中，也是唯一可控的因素。地質因素主要包括：圍巖質量等級、巖層粘聚力、巖體重度3 個因素；水文因素主要包括：地下水腐蝕性(用SO42-含量表示)、地下水位、滲透系數3 個因素；施工因素主要包括軸線偏差、水平偏差、環直偏差、注漿壓力4 個因素。評價指標體系見表1。其中，地質、水文因素可通過現場調查和室內試驗獲取，施工因素主要依據設計方案和施工單位的施工作業水平。

表1 引水隧洞穩定性評價指標體系

3.2 未確知測度方法

3.2.1 未確知測度理論

假設有n 個待評價穩定性的引水隧洞，使用空間向量集R表示，R={R1，R2，R3…，Rn}。有 m 個評價指標影響引水隧洞穩定性：X={X1，X2，X3…，Xm}。Xij代表引水隧洞 Ri的第 j 個評價指標的實測值。則引水隧洞Ri的穩定性等級為：Ri= {Ri1，Ri2，Ri3…，Rim}。Xij的穩定性等級評價向量為：U={C1，C2，C3…，Cp}，設 Ck為第 k 級評價指標且 Ck>Ck+1。若 C1>C2>C3…，>Cp，則{C1，C2，C3…，Cp}為一個有序分割類[8]。

3.2.2 單指標測度評價矩陣

設 μ 為未確知測度，滿足 μijk=μ（Xij∈Ck）表示指標 Xij隸屬于第k 個評價指標Ck的程度。單指標評價矩陣見下式：

影響引水隧洞各指標的單指標等級劃分見表2。

表2 單指標等級劃分

3.2.3 多指標測度評價矩陣

設 μijk=μ（Ri∈Ck）表示 Ri屬于第 k 級評價指標 Ck的程度。

式中：ωj為指標Xj的權重。

多指標綜合評價矩陣為：

3.2.4 置信度識別準則

為了準確評價引水隧洞開挖穩定性等級。假設λ 為置信度，且則可以保證引水隧洞Ri的穩定性等級屬于第k0個評價等級Ck0。

3.3 組合賦權

（1）Roughset 理論優化層次分析法

層次分析法在20 世紀70 年代由Satty[9]首次提出，在權重確定的使用中極為常見。使用層次法分析指標權重十分簡便，但是在使用過程中受人為因素的影響較大，存在較大的誤差。因此，提出使用Roughset 理論[10]改進層次分析法，從而獲取更為客觀的權重結果。

（2）熵值法

使用熵值法，構建矩陣，減小了賦權過程中人為主觀影響。

權重為每個指標的重要程度，表示為wj。

式中：yji為各指標值，p 為指標個數。

（3）評價方法

采用組合賦權的方法，對選取的定性定量指標賦予權重。設層次分析法權重為wi′，熵值法權重為wi″滿足距離函數為d（wi′，wi″)，其表達式為：

組合權重為wz：

式中：α，β 為分配系數，滿足以下條件：

各指標權重見表3。

表3 引水隧洞穩定性評價指標體系

4 工程應用

4.1 隧洞概況

引黃調水工程桂山隧洞位于煙臺賈家，地震基本烈度為Ⅶ度。桂山隧洞入口段整體地形為東南高西北低，基巖為片麻花崗巖，在長期的侵蝕、風化、地質構造活動影響下，入口段基巖風化等級為強風化，巖體裂隙極為發育，強度低。根據現場勘探調查，基巖包括全風化、強風化、中風化3 種風化程度，圍巖等級主要為Ⅲ類，局部受構造活動影響較為強烈的區域圍巖等級為Ⅴ類，出口段基巖仍為強風化，圍巖強度極低，圍巖等級為Ⅴ類。洞身段巖性主要為中風化花崗巖，巖體完整性較差，節理、裂隙較發育，在施工過程中存在用水風險。

根據設計結果，隧洞開挖直徑為2.6 m，為圓形，隧洞總鉆進長度為1.6 km，采用鉆爆施工，在斷層破碎帶和巖體結構面極發育的區域，施工過程中嚴格遵照新奧法的技術要求。為了保證隧洞施工時間，選擇兩端同時開始作業，在施工過程中，對圍巖破碎區域采取超前支護，以保證施工順利。為了確保工程施工精度，建立三級導線測量、復核系統，采用光電測量設備進行量測。

4.2 評價結果

根據室內試驗和現場調查結果，桂山隧洞各評價指標取值見表4。

表4 參數取值

經過分析，山東引黃調水工程桂山引水隧洞的穩定性等級為Ⅱ級，屬于基本穩定狀態。

5 結論

通過收集資料，選取地質、水文、施工等3 個方面共10個因素作為引水隧洞穩定性評價的指標，利用組合賦權的方法獲取各個評價指標的客觀權重，圍巖質量等級、巖層粘聚力以及注漿壓力是影響引水隧洞穩定性的主要因素，結合未確知測度方法對桂山引水隧洞穩定性進行分析，該隧洞穩定性等級為Ⅱ級。在施工過程中應當嚴格遵守設計和規范要求，安全施工。