深部地下工程大變形影響因素及權重分析

張書國ZHANG Shu-guo；戴嶺DAⅠLing；袁小虎YUAN Xiao-hu

（中建鐵路投資建設集團有限公司，北京 102600）

0 引言

近年來，隨著我國綜合國力的不斷強盛、經濟建設的持續發展和高新技術的廣泛應用，我國交通、水利、能源等領域地下工程建設實現了快速發展，涌現出大量深埋長大隧道，現階段，我國已經成為全球交通隧道工程數量最多、發展速度最快、地質及其孕育環境最復雜的國家。復雜的地質構造背景與特殊的圍巖力學性質致使這類隧道的圍巖大變形問題十分突出，產生襯砌斷裂、拱架扭曲、斷面縮小侵占隧道凈空等不良問題，致使隧道結構的安全性與長期服役的穩定性受到嚴重威脅[1-4]。自19 世紀辛普倫Ⅰ線隧道出現首例隧道嚴重大變形以來，隧道大變形災害引起了工程界和學術界的廣泛關注[5]。國內外許多隧道如烏鞘嶺隧道[6]、毛羽山隧道[7]、木寨嶺隧道[8-10]、關山隧道[11]、關角隧道[12]等在建設時期甚至是正常運營之后均出現了嚴重的圍巖大變形。不同形式、各種程度的圍巖大變形災害給工程建設造成極大的困難。

對于大變形的形成機理，專家學者們認為其離不開圍巖的擠出和膨脹作用，通常情況下圍巖的擠出作用和膨脹作用很難區分開，擠出性和膨脹性孰具有更重要的作用，或者說圍巖大變形的因素孰更重要，要根據隧道圍巖巖性和賦存環境等予以具體分析。李佳寶[13]、姚慶龍[14]考慮隧道圍巖級別、埋深、側壓力系數、開挖進尺、地下水等的影響開展了一系列的數值模擬研究。代聰[15]根據不同開挖工法對圍巖穩定性的影響規律，得到了開挖進尺和臺階長度的最優值。張輝[16]認為大變形災害的主要因素有巖石的物理力學性質、巖體結構與構造等。另外王宇[17]、李天斌[18]、陳衛忠[19]等均對影響因素進行了總結統計。基于專家學者們對于大變形機理和大變形預測預警的研究，本文對深部地下工程大變形災害的影響因素和權重進行一系列的分析。

1 影響因素及權重分析

在深部環境尤其是高地應力軟弱圍巖地層中開挖隧道，若圍巖礦物成分屬于云母狀礦物或者是低膨脹性的礦物，則易引發圍巖變形量大、變形時間長、變形收斂慢，導致支護結構變形破壞的擠出性大變形災害，其擠出性主要受巖體覆蓋層厚度、地應力大小和巖石強度的影響，若圍巖中存在膨脹性礦物，則圍巖會與水發生反應進而導致巖體體積膨脹，引發膨脹性大變形災害[20-22]。單純的擠出性或膨脹性的大變形很少，一般情況下應根據實際工程背景進行分析[23]。

軟弱圍巖大變形的機理千差萬別，通過文獻調研，分析總結大變形是由圍巖的物理力學（包括變形、強度、遇水表現出來的軟化、崩解等）性質、巖體賦存環境特征、地質構造、地應力場的作用以及采取的施工措施、施工工藝等綜合作用產生的，且均呈現出所處環境地質構造發育，圍巖節理裂隙發育，擠壓現象嚴重，隧道埋深大且地應力高，流變現象顯著等典型特征[24-26]。接下來就主要影響因素進行簡要概括。

1.1 影響因素分析

1.1.1 地層巖性因素

地層巖性主要受巖體礦物成分的影響，它不僅決定著巖體物理及水理性質，還決定著巖體的結構特征，關系著巖體的力學性質。圍巖的低強度、可塑性、崩解性、完整性、易擾動性和流變性等特征，是影響隧道發生大變形的因素之一。比如成蘭鐵路茂縣隧道發生軟巖大變形段落圍巖是絹云母千枚巖，此圍巖屬于極軟巖的范疇，在隧道開挖擾動后即會變成碎屑或者顆粒狀，加上其遇水軟化、崩解的特性和流變的特性，從而造成變形量大且持續時間長的擠壓性大變形災害。

1.1.2 地質構造因素

地質構造主要表現為巖石的褶皺、斷層、劈理等。比如成昆線老東山隧道地處擠壓破碎帶，小斷層、褶曲、不整合面、順層滑動面、巖脈等各種不利結構面交錯發育，巖體結構復雜，各部位巖性和完整性差異明顯，再加上擠壓性的構造運動，地處高地應力區，隧道開挖后，圍巖變形時效性明顯，同一斷面變形不對稱，圍巖松動區厚度不均，差應力有別，造成洞內偏壓或者側鼓現象。

1.1.3 巖體結構因素

結構體和結構面稱為巖體的結構要素，在結構體強度很高時，主要是結構面的性質決定巖體的力學性質，比如巖體的節理裂隙可以弱化巖石的強度，并使巖石呈現出方向上的差異性，導致應力重分布不均，不利于隧道的整體穩定性。

1.1.4 地應力因素

在高地應力賦存環境下，水平構造應力大于豎直應力，隧道圍巖受到擠壓作用，經過隧道的開挖卸載作用后，圍巖極易向洞內擠入，再加上卸載后圍巖節理裂隙張開，地下水發生滲流，對隧道的穩定性非常不利。

1.1.5 水的因素

水對巖體的影響主要體現在軟化和崩解作用，軟弱圍巖對水的敏感性很強，在水的作用下會發生崩解破壞，降低圍巖的力學性質。水還會對巖體的結構面產生影響，隧道開挖后，地下水通過滲流對結構面軟化、泥化或者崩解，降低結構面的抗剪強度，最后產生剪切破壞或沿結構面的剪切滑移破壞。

1.2 層次分析法原理

AHP（Analytical Hierarchy Process）是由美國運籌學家、匹茨堡大學的薩迪（T. L. Saaty）教授于20 世紀70 年代初期提出的，AHP 的基本思路是先分解后綜合的系統思想[27]。基于這種思想，我們將所要分析的問題層次化、步驟化，即將問題分解成不同層次的組成因素，按照層次間的隸屬關系以及因素間的優劣關系，形成一個多層分析結構模型，最終歸結為最低層（方案、措施、指標等）相對于最高層（總目標）的相對重要程度的權值或相對優劣次序的問題。現將該工作步驟簡要概括如下：

①收集信息，通過對系統的綜合認識，形成評價決策方案的指標體系和建立一個多層次的遞階層次結構模型。

②按照兩兩比較的原則，通過構造兩兩比較判斷矩陣及矩陣運算的數學方法進行重要度排序，該步驟通過matlab 進行計算。

③檢驗決策方案的評價指標體系和結構模型的科學性和合理性，對判斷矩陣進行一致性檢驗。

④計算各層元素對系統目標的合成重要度，進行總排序，即方案中各個元素對總目標的重要度。

⑤對所有結果進行檢查分析，并為管理者或決策者提供決策依據。

1.3 權重分析

深部地下工程大變形影響因素及權重的分析是一項繁瑣的工作，基于前節對影響因素的概括分析，進一步研究國內外發生大變形災害典型案例中的影響因素，并將這些影響因素分為巖體質量條件S1、工程地質條件S2 和施工條件S3 這3 個大類，其中巖體質量條件有強度條件F1、圍巖巖性條件F2 和完整性條件F3 三個亞類；工程地質條件有地下水條件F4 和應力條件F5 兩個亞類；施工條件有開挖施工影響F6 一個亞類。其層次分析模型如圖1所示。據此，根據層次分析法步驟確定各個影響因素權重，一級影響因素判斷矩陣如表1 所示；巖體質量條件判斷矩陣如表2 所示；工程質量條件判斷矩陣如表3 所示；施工條件因素較少，故而不需要判斷矩陣，權重確定結果如表4 所示。

表2 巖體質量條件判斷矩陣

表3 圍巖巖性條件判斷矩陣

圖1 大變形影響因素層次分析模型

表1 一級指標判斷矩陣

隨機一致性比率CR＜0.1 時，層次分析排序的結果具有一致性，即權重分配是合理的[28]。由表1 可得，CR=0.0158＜0.1，通過一致性檢驗，權重柱形圖如圖2 所示，為[0.614 0.268 0.117]。

圖2 一級影響因素權重

由表2 可得，CR=0.0462＜0.1，通過一致性檢驗，權重柱形圖如圖3 所示，為[0.26 0.413 0.328]。

圖3 巖體質量條件影響因素權重

由于圍巖巖性條件中只有兩個亞類，且兩因素判斷矩陣的比值均為1:1，故此處直接通過一致性檢驗，由表3 可得權重結果為[0.5 0.5]。計算出一級影響因素權重和各個二級影響因素權重后，計算二級影響因素的綜合權重，權重柱形圖如圖4 所示，計算結果如表4 所示。

圖4 二級影響因素權重

表4 圍巖巖性條件判斷矩陣

根據表4 的計算結果顯示該6 個二級影響因素的權重結果為[0.160 0.254 0.201 0.1342 0.1342 0.1172]。其中F2 圍巖巖性條件權重為0.254，占比最高，屬于影響較大的因素；F6 開挖施工影響權重為0.117，占比最低。

2 結論

本文基于深部地下工程大變形的災變機理，概括總結了主要影響因素，包括地層巖性、地質構造、巖體結構、地應力和水的影響5 個方面，并通過典型實例進行簡要說明。據此，根據權重分析工作借鑒層次分析法，通過文獻調研進一步將影響因素歸結為3 個一級因素和6 個二級因素，確定了各個因素的綜合權重，權重結果顯示影響大變形最嚴重的一級因素為巖體質量條件，最嚴重的二級因素為圍巖巖性條件。