基于AHP-理想點法的隧道突泥涌水風險評價

杜義祥，朱宏偉，李明駿

(1. 四川振通檢測股份有限公司，四川 綿陽 621010； 2. 西南科技大學 環境與資源學院，四川 綿陽 621010)

0 引言

折多山隧道隧址區工程地質和水文地質條件極其復雜，加之圍巖節理裂隙發育，地下水豐富，發生大變形、涌突水、塌方等地質災害的風險極高，給施工作業帶來了極大挑戰。2019年6月18日，折多山隧道進口主洞K1+035處在噴射混凝土時，掌子面左上角突然出現股狀涌水，施工單位立即采取措施封堵，但無濟于事，遂撤離了現場施工人員及設備。6月21日早上隧道突發突泥涌水災害，整個過程持續約20 min，突泥量達13 500 m3，導致隧道主洞洞身150 m被掩埋，地表形成直徑約30 m的塌坑，深約15 m。可以看出，突泥涌水作為致災危險性最高的隧道施工地質災害，除了靠超前地質預報探明不良含導水地質構造的特征信息外，還需對有可能發生突泥涌水的施工區段進行風險識別，確保不遺漏任何一個重大的突泥涌水災害源，從根本上杜絕此類施工安全事故的發生[1-3]。

對此，韓行瑞[4]提出了“巖溶隧道突泥涌水及其專家評判系統”，并將其用于在建隧道的突泥涌水地質預報，取得了良好的效果。楊艷娜等[5]在考慮隧址區自然環境和地質條件等因素的基礎上，建立了山嶺隧道地下水環境負面影響的評價指標體系。匡星等[6]建立了山嶺隧道巖溶災害評估體系，并開發了突泥涌水災害預警系統。許振浩等[7]基于層次分析法，建立了山嶺隧道突泥涌水風險評價體系。毛邦燕和李集等[8-9]運用模糊綜合評判法建立了巖溶隧道突泥涌水風險評估模型。張志成等[10]選取圍巖巖性、地形地貌、地質構造、地下水作為一級指標，基于AHP法建立了隧道涌水災害危險性評價模型。侯東賽[11]運用模糊綜合評判理論得出深埋山嶺隧道突泥涌水風險等級，并根據風險等級提出了相應的防控建議。游波等[12]利用集對分析與信息熵對公路隧道水害傾向性進行了綜合評判分析。可以看出，現有工作的研究重點主要集中于隧道突泥涌水致災因子的遴選、評價指標體系的構建以及評價方法的選擇上。由于隧道所處的地質環境不同，發生突泥涌水災害的影響因素也會各異，另外，指標權重的賦值受人為主觀因素的影響也較大。

折多山隧道隧址區經歷了多次地質構造運動，其特點為高水壓、地形地貌復雜、斷層、褶皺裂隙等不良地質發育、地表水系錯綜復雜。鑒于此，本研究通過對折多山隧道突泥涌水孕災環境的廣泛調研，構建了隧道突泥涌水風險的評價指標體系，提出了一種基于AHP-理想點法的隧道突泥涌水風險辨識方法，以期為隧道的安全施工提供技術支持。

1 評價指標體系的構建

(1)圍巖巖性：圍巖巖性為隧道發生突泥涌水災害提供了物質基礎，其可溶性直接決定著隧道發生突泥涌水的概率[13]。可溶性巖層主要包括石灰巖、白云巖和大理巖，由于巖溶類型、厚度和發育環境不同，導致地層巖性表現出不同的溶解度和特征各異的導水構造。

(2)含導水構造：隧道常見的含導水構造包括斷層、褶皺和節理裂隙等。斷層處破碎的巖石為地下水的儲存和移運創造了條件，當隧道開挖至斷層附近時，極易發生大規模的突泥涌水。背斜軸部發育的大量張性裂隙也會成為地下水的遷移通道，而向斜核部地下水富集，隧道在此處穿越易發生突泥涌水。節理裂隙，尤其是寬大型裂隙，是引發突泥涌水的重要災害源。

(3)地表匯水條件：地表水可通過圍巖節理裂隙等運移通道匯集至地下水潛水層。如地表負地形面積占比較大，地表水的補給作用會更加明顯，隧道發生突泥涌水的概率也更大。

(4)巖層產狀：一般來說，地下水的滲透性具有各向異性的特征。根據有關統計，巖層傾角為25°～65°時隧道發生突泥涌水的概率達36%；巖層傾角為10°～25°時隧道發生突泥涌水的概率為27%；巖層傾角為0°～10°時發生突泥涌水的概率僅為10%[14]。

(5)水頭壓力：對于深埋隧道，地下水位與隧道底板間的高差越大，形成的水頭壓力也就越大。在較大的水頭壓力下，富集于圍巖中的地下水會因隧道的開挖而瞬間釋放，進而形成突泥涌水災害。另外，水頭壓力的大小也反映了圍巖的富水程度，水頭壓力越大，地下水越發育。

(6) 人為因素：隧道突泥涌水不僅與圍巖的地質情況相關，也與施工方法和超前地質預報方法等主觀因素有關。如不合理的施工方法會降低圍巖的自承能力，進而增加隧道發生突泥涌水的風險。另外，準確的超前地質預報可為隧道發生突泥涌水提供早期預警，在施工方采取相關處治措施的前提下，可以極大降低隧道發生突泥涌水的概率。

綜合以上分析，選取不良地質(A1)、地層巖性(A2)、水力條件(A3)、人為因素(A4)作為1級指標，斷層(B1)、褶皺(B2)、層間裂隙(B3)、圍巖級別(B4)、巖層產狀(B5)、巖層組合(B6)、降雨強度(B7)、地形地貌(B8)、水頭壓力(B9)、施工方法(B10)、超前預報(B11)、超前支護(B12)等作為2級指標，構建了如圖1所示的折多山隧道突泥涌水風險評價指標體系。

圖1 折多山隧道突泥涌水風險評價指標體系

依據折多山隧道孕災環境特點和各指標對隧道突泥涌水災害發生的影響程度，結合隧址區地質災害的發育狀況及相關統計分析結果，可將涌突水風險等級劃分為低風險(I)、中等風險(II)、高風險(III)和極高風險(IV)4級，編制了如表1所示的隧道突泥涌水風險定性評價的分級標準。

表1 隧道突泥涌水風險評價的分級標準

2 隧道突泥涌水風險評價模型

2.1 指標權重的確定

隧道突泥涌水地質災害是各種復雜因素共同作用的結果，這些因素的影響程度不一，且具有模糊性。對于這類不確定問題，可采用層次分析法來確定各指標的權重[15]。

(1)確定判斷矩陣：采用1～9 級標度法進行兩兩成對比較，用aij表示評價指標Ci與Cj對目標的影響程度之比，aij賦值與含義如表2所列。

表2 1～9 標度的定義

在得到判斷矩陣A的基礎上，按照式(1)計算評價系統中各指標的權重：

(1)

對于判斷矩陣A要計算滿足Aω=λmaxω的特征根和特征向量，ω為對應于λmax的正規化特征向量，也即權重值。

(2)

CI=(λmax-n)/(n-1)，

(3)

(4)

當隨機一致性比率CR<0.1時，認為層次單排序的結果有滿意的一致性，即計算得到的權重ωk為各指標的權重值，否則需要調整判斷矩陣內指標的取值，再依據上述步驟重新計算，直至滿足一致性驗證。

2.2 正反理想點的確定

根據圖1所示的折多山隧道突泥涌水風險評價指標體系，可將理想點的評價指標分為“正向增長型”和“逆向減小型”兩類[16]。

當評價指標為“正向增長型”時：

(5)

(6)

當評價指標為“逆向減小型”時：

(7)

(8)

2.3 理想點評價函數

理想點法評價問題的核心是通過計算各點與理想點間的距離來判斷解的優劣性，離正理想點越近或離反理想點越遠，解越優[17]。最優解需滿足以下兩個條件：

(9)

距離可用Minkowski函數計算[18]，到正反理想點的距離可分別用式(10)和式(11)計算：

(10)

(11)

式中，wi為各指標的權重。

2.4 貼近度的計算

貼近度可用式(12)計算：

(12)

顯然M∈[0, 1]，M越大，即代表距離正理想點越近，距離反理想點越遠。

3 工程實例

3.1 工程背景

折多山位于四川省甘孜州境內，最高峰海拔4 962 m，埡口海拔4 298 m，與康定市的海拔落差達1 800 m，是川藏線上第1個需要翻越的高山埡口，因此有“康巴第一關”之稱。擬建的雅葉高速公路康定折多山隧道進口位于康定折多河右岸二臺子附近，距康定縣城直線距離約10～13 km，出口位于距新都橋鎮東約 22 km的貢布卡。該隧道的建設對緩解318國道的交通擁堵及保障冬季行車安全，促進地區經濟發展有特殊意義。

3.2 工程地質和水文地質

隧址區地層區劃屬巴顏喀拉秦嶺地層區馬爾康分區金川雅江小區，屬揚子地層區康定地層分區，除第四系外，地層中的巖石受構造影響，遭受不同程度的變質。工程區區域構造上屬于鮮水河NW向構造帶，以東屬于龍門山NE 向構造帶，以南為川滇SN向構造帶，構成“三岔裂谷系”，隧址區的大地構造背景正處在這三岔口交接地帶。區域地層主要包括：第四系全新統崩積層(Q4c)、崩坡積層(Q4c+dl)、坡洪積層(Q4dl+pl)、沖洪積層(Q4al+pl)、泥石流堆積層(Q4sef)和第四系更新統冰水堆積層(Q3fgl)；中生界三疊系上統如年各組(T3r1)、中統雜谷腦組(T2z)、燕山晚期黑云母花崗巖(γβ5)及斷層構造巖。

隧址區地下水主要由松散堆積體孔隙水、構造裂隙水、風化帶網狀裂隙水組成，大多數沿著圍巖節理裂隙進行移動，補給主要以大氣降水和地表徑流為主。隧址區沖溝發育，沖溝多呈“V”字形，縱坡較大，常年有水。隧道穿越折多山近山頂部位，斜坡呈上緩下陡的渾圓狀，溝谷縱坡較大，且徑流較長，不利于地下水向下排泄。隧道淺層地下水排泄基準面分別為沖溝，更深層地下水則以折多河及蘭泥巴為基準面排泄，溝床高程以上覆蓋層中的淺層地下水部分在斜坡腳以泉的形式排泄。折多山隧道地質縱剖面圖如圖2所示。

圖2 折多山隧道地質剖面

3.3 風險等級評價

(1)各指標數據量化：以折多山隧道K0+613～K1+050、K7+940～K8+160和K8+740～K8+880共3個典型施工段落為例，介紹本研究提出的隧道涌突水風險評價方法的具體應用。上述3個區段均3臺階預留核心土的施工方法，并采用超前錨桿和超前小導管支護以控制圍巖的變形，超前預報以掌子面地質素描，TSP探測、地質雷達和超前水平鉆為主。相關工程數據如表3所示。

表3 工程數據表

(2)權重的確定：根據1～9 級標度法，得到一級判別矩陣U-A和二級判別矩陣A-B，如表4和表5所示。

分別計算上述判別矩陣的特征值和特征向量，結果如表6所列。

分別對判別矩陣U-A和A-B進行一致性檢驗，結果均滿足要求。對表4和表5進行層次組合總排序，各指標的權重如表7所列。

表4 一級判別矩陣

表5 二級判別矩陣

表6 各判別矩陣特征向量和特征值

表7 各指標的權重

(3)正反理想點矩陣的確定：根據表1所示，在所選擇的評價指標中，斷層、褶皺、巖性組合、巖層產狀、大氣降水、負地形面積、水頭壓力、開挖方法、超前預報方法、超前支護方法屬于“正向增長型”指標，指標值越大，隧道發生突泥涌水的風險越高；節理間距和圍巖級別為“逆向減小型”指標，指標值越小，隧道發生突泥涌水的風險越高。

根據式(5)～(8)，可得到折多山隧道突泥涌水風險評價標準的理想點矩陣F*(+)和反理想點矩陣F*(-)分別為：

F*(+)=

(4)貼近度的計算：根據所建立的評價模型進行計算，得到了折多山隧道3個典型段落突泥涌水風險等級的理想點貼近度，結果如表8所示。

表8 判別結果對比

根據理想點貼近度最大即與對應風險等級最為貼近的原則，可以判定折多山隧道K0+613～K1+050段涌突水風險級別為IV級 (極高風險)，K7+940～K8+160段和K8+740～K8+880段涌突水風險級別均為III級(高風險)。同時，本研究還將集對分析方法(SPA)和模糊綜合評判法得到的結果和本文的評價結果進行了對比，得出3種方法的評價結果完全一致，從而驗證了該模型用于隧道涌突水風險等級辨識的合理性和可行性。

3.4 實際開挖驗證

折多山隧道K0+613～K1+050區段圍巖以粉砂巖和糜棱巖為主，極松散且含水，洞壁穩定性極差，綜合推測該段圍巖等級為Ⅴ級；K7+940～K8+160和K8+740～K8+880區段圍巖以三疊系中統雜谷腦砂質板巖和炭質絹云板巖為主，呈薄～中厚層狀，節理裂隙發育，掌子面中部發育有層間破碎帶，厚約 0.8～1.5 m，破碎帶巖體呈小碎塊散體結構，地下水呈股狀從破碎帶內流出，穩定性差，有巖體不時發生塌落。

圖3所示的是2019年6月21日折多山隧道發生突泥涌水災害后路面被淤泥掩埋后的情景(掌子面里程樁號K1+035)。由于預報及時，施工方事先撤離了相關人員和設備，進而避免了重大人員傷亡和財產損失。在對K7+940～K8+160和K8+740～K8+880區段施工時，施工方采取了沙袋反壓掌子面圍巖以及導管排水降低地下水位的方法，降低了隧道發生突泥涌水的概率，并沒有出現大規模的突泥涌水。從開挖結果來看，本研究將K0+613～K1+050區段判定為IV級(極高風險)，將K7+940～K8+160和K8+740～K8+880的突泥涌水風險等級判定為III級(高風險)是合理準確的。

圖3 隧道發生突泥涌水后的情形

4 結論

(1)基于層次分析法構建了折多山隧道突泥涌水風險評價的指標體系，并采用AHP 法確定了各評價指標的權重。在此基礎上，引入理想點法，提出了基于AHP-理想點法的隧道突泥涌水風險等級辨識方法。

(2)將AHP-理想點法用于折多山隧道3個典型區段的突泥涌水風險評價，并將本研究得到的結果與采用集對分析方法和模糊綜合評判法得到的結果進行了對比，對比顯示3種方法的預測結果一致，并與實際開挖情況吻合。

(3)由于隧道圍巖地質條件復雜多變，在施工前可根據地勘資料，采用本研究提出的方法對隧道突泥涌水風險等級進行初步辨識，并結合隧道超前地質預報進行全面準確評價，方便施工人員采取有效的處治措施。