基于超前地質(zhì)預報的隧道開挖模糊綜合評價

關林坤，雷 慧

（1.中南電力設計院 武漢市 430000；2.武漢理工大學 武漢市 430063）

基于超前地質(zhì)預報的隧道開挖模糊綜合評價

關林坤1，2，雷 慧2

（1.中南電力設計院 武漢市 430000；2.武漢理工大學 武漢市 430063）

以內(nèi)蒙古地區(qū)某隧道項目為技術背景，提出在超前地質(zhì)預報結果的基礎上采用模糊綜合評價方法對隧道施工方法進行綜合評價的手段，對比得出適用于該地區(qū)特殊地質(zhì)環(huán)境下的可靠施工手段。為今后該地區(qū)隧道施工建設提供參考。

超前預報；隧道開挖；模糊綜合評價

目前，隧道地下施工仍面臨著諸多困難。地下環(huán)境復雜多樣和無法預知性都會對施工安全造成影響［1］。根據(jù)超前地質(zhì)預報結果得出的初步結論，對專家進行實地調(diào)研，利用模糊綜合評價方法對該隧道的開挖工法進行評價分析，從而得出特別適用于該地區(qū)且較為經(jīng)濟適用的開挖方案。

1 項目背景

該隧道施工方法為新奧法，左線起點K82+ 975.587，終點K86+930，全長3954.413m；右線起點樁號為K83+005.170，終點樁號為 K86+950，全長3944.83m。設計時速100km/h；行車道凈寬10.75m；行車凈高5.0m；緊急停車帶凈寬為13.25m。隧道埋深最大值為233m。

2 模糊綜合評價簡介

該評價方法依據(jù)已知條件，對總體進行評判，為每一個對象設置評判指標，再根據(jù)結果排序，選擇最佳方案［2］。模糊綜合評價的基本步驟如下：首先對評價對象的因素集和評價集進行整理歸納；根據(jù)各因素對系統(tǒng)影響的大小，建立因素權重集；根據(jù)評判對象可能得到的評判結果建立評價集；最后通過單因素評判，完成綜合決策。

該方法簡單易操作，尤其對多重因素的復雜模型評價效果較好，在土木工程領域具有較大的應用價值，尤其是在初步設計階段，需要涉及到很多的問題，而又很難對所有的問題進行精確的把握，常通過模糊評價方法對其進行評價［3］。除此之外，該方法在多項領域中均有所應用，該模型的選取也帶來了很好的社會和經(jīng)濟效益。

評價對象的模糊綜合評判結果B是通過模糊關系矩陣R和模糊權向量A合成所得，在二者結果確定后，通過適合的模糊合成算子，得出結果，計算公式見式（1）：

式中，b表示被評價對象對評價模糊元素v的隸屬程度大小［4］。

3 隧道施工指標體系的建立

為保證隧道施工安全，減小或消除安全隱患對施工的影響，堅持科學性、系統(tǒng)性、實用性和可靠性原則，該安全評價在原則上應選擇盡可能多的評價指標，通過該評價體系的原則，分別建立施工方法、安全管理、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件等影響因素的評價指標體系［5］。隧道開挖評價指標體系如圖1所示。

3.1確定隧道開挖指標權重

首先完成判斷矩陣的構造，可以通過判斷矩陣值的大小，反應各因素的重要性［6］。判斷矩陣最大特征根為λmax，對應特征向量值為W，通過W歸一化處理，得出本層元素對上層對應元素的重要性權重。通過公式對判斷矩陣進行一致性檢驗，檢驗指標CI計算公式見式（2）：

其中，n表示判斷矩陣的階數(shù)。一般規(guī)定當 CR =CI/RI＜0.1時，判斷矩陣才滿足一致性要求［7］。

根據(jù)目前隧道的發(fā)展趨勢，判斷出影響隧道開挖方案主要有施工安全、經(jīng)濟合理、施工難度、環(huán)境影響和未知因素等五項組成，通過專家實地調(diào)研和超前地質(zhì)預報結果，并結合以往工程項目，完成判斷矩陣的構造和指標權重的判定。隧道開挖影響因素的判斷矩陣如表1所示。

表1　開挖影響因素判斷矩陣

根據(jù)矩陣計算得λmax=5.4，CI=0.1，RI= 1.12，計算得最終CR=0.09＜0.1，所以第一層因素指標的矩陣結果符合要求。根據(jù)表1得出各指標的權重系數(shù)如下：施工安全為0.46，經(jīng)濟合理為0.26，施工難度為0.16，環(huán)境影響為0.07，未知因素為0.04。依次構建第二層指標的判斷矩陣如表2。

表2　施工安全影響因素矩陣

根據(jù)矩陣計算得λmax=3.1，CI=0.04，RI= 0.58，計算得最終CR=0.06＜0.1，所以施工安全影響因素指標的矩陣結果符合要求。

表3　經(jīng)濟合理影響因素矩陣

根據(jù)矩陣計算得λmax=3.0，CI=0.005，RI= 0.58，計算得最終CR=0.01＜0.1，所以經(jīng)濟合理影響因素指標的矩陣結果符合要求。

表4　施工難度影響因素矩陣

根據(jù)矩陣計算得λmax=3.0，CI=0.01，RI= 0.58，計算得最終CR=0.02＜0.1，所以隧道便利影響因素指標的矩陣結果符合要求。

表5　環(huán)境影響因素矩陣

根據(jù)矩陣計算得λmax=2，CI=2，RI=2，計算得最終CR=1＞0.1，所以環(huán)境影響因素指標的矩陣結果不符合要求。

3.2隧道施工方法評價

通過對隧道施工的影響因素進行綜合評價，對其進行歸納分析后最終得出適合該地區(qū)隧道地質(zhì)條件的隧道開挖方法，建立評判集來代表各影響因素的重要性［8］，I1表示非常重要，I2表示重要，I3表示一般，I4表示不重要，I5表示非常不重要。

根據(jù)上文中各因素的影響矩陣可以確定隧道施工的二級模型及各自權重，針對該隧道的特殊復雜地質(zhì)條件，針對五種方案進行評判，依次為Q全斷面開挖，T臺階法開挖，F(xiàn)分部開挖法，Z為中隔壁法，S為雙側(cè)壁導坑法［9］。本人通過參考超前地質(zhì)預報，并對多名專家的調(diào)研和實地考察，綜合評價后對五種隧道開挖方法進行了評比，得出綜合評判結果如表6所示。

根據(jù)上節(jié)中各因素權重和本表構成的單因素評判矩陣，可通過計算得出 S1、S2、S3、S4、S5的值如下：

表6　綜合評判結果表

由此根據(jù)第一層權重施工安全為0.46，經(jīng)濟合理為0.26，隧道便利為0.16，環(huán)境影響為0.07，未知因素為0.04和得到的第二層評判矩陣值，可得：

由此根據(jù)五種施工方法的排序，優(yōu)選方案依次為T臺階法開挖、Z中隔壁法、S雙側(cè)壁導坑法、F分部開挖法、Q全斷面開挖，故選取臺階法開挖作為該隧道的最佳開挖方法。

4 結論

文章根據(jù)內(nèi)蒙古某高速公路隧道的要求和該地區(qū)的特殊地理環(huán)境，考慮到隧道施工的經(jīng)濟性、工期要求、實用性等特點，通過對超前地質(zhì)預報結論的分析研究，并對多名專家和相關工程技術人員訪談調(diào)研［10］，經(jīng)過歸納總結，對比它們之間的優(yōu)缺點和內(nèi)在聯(lián)系，輔助以模糊數(shù)學基本理論對該地區(qū)復雜地質(zhì)環(huán)境下的隧道施工進行方案比選，建立隧道施工模糊綜合評價體系，初步得出最優(yōu)施工開挖方法。模糊分析法的應用，對該隧道的超前地質(zhì)預報體系進行了完善和優(yōu)化，從而為施工單位提供更加可靠的參考性意見。

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GUAN Lin-kun1，2，LEI Hui2

（1.Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430000，China；2.Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China）

A tunnel project in Inner Mongolia region as the technical background，put forward based on the results of in advance geological forecast for tunnel construction method by using fuzzy comprehensive evaluation method of comprehensive evaluation method，contrast that is suitable for the reliable construction measures under the special geological environment in the region.Provide a reference for the future construction of the tunnel construction in the region.

Advanced prediction；The excavation of the tunnel；Fuzzy comprehensive evaluation

U455

A

1673-6052（2016）01-0070-03

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.01.018