高溫隧道熱害現象典型特點及影響因素權重分析

袁 可

(中鐵二十局集團第一工程有限公司 江蘇蘇州 215151)

1 引言

隧道熱害問題是深埋隧道施工面臨的主要不良地質問題之一，高溫隧道不僅會對施工人員造成影響和危害，同時也會對圍巖及隧道本身結構產生影響。隧道工程埋深逐漸變大，隧道長度也逐漸變長，隧道選線無法躲避不良地質區，造成高地溫區隧道熱害現象逐漸增多[1]，隧道熱害問題也越來越被學者們所重視，諸多學者基于不同地域隧道工程對隧道熱害問題特征及成因進行了探討及分析。侯新偉等[2]基于專家打分法和層次分析法確定隧道熱害影響因素及等級標準。范磊[3]以高黎貢山隧道為依托，分析了高地溫隧道熱害特征，并提出相應的隧道降溫設計方法。劉珣[4]以某鐵路超高溫隧道為依托，得出高地溫隧道的超高地溫成因是地層的高地熱值以及地層裂縫帶出高水溫地下水及水汽的活動所導致。趙國斌等[5]分析某地下工程高地溫表現形式，并從區域內地質構造、地熱資源賦存特征、地下水活動的不良條件及熱源導熱體四個方面分析了該區域地下工程高地溫現象成因。王生仁等[6]依托某隧道開展地質調查及勘測研究，分析了研究區內地溫分布特征。雷俊峰[7]基于某鐵路隧道工程，分析了通過區地熱特征及產生原因，為工程施工提供了相應對策。

雖然已有不少學者對不同地區高溫隧道熱害影響因素進行了歸納分析，但未對隧道熱害成因的共同特點分析總結，缺少對各影響因素之間重要性次序的分析。本文總結描述高溫隧道熱害的特點，并對隧道熱害影響因素進行定量分析，揭示不同影響因素對隧道熱害的影響機理。依托某鐵路工程，建立隧道熱害影響因素分析指標體系，采用熵值賦權法，進行熱害影響因素權重分析得出不同影響因素重要性排序，從而為隧道線路選線設計提供重要科學依據。

2 高溫隧道熱害特點及影響因素

2.1 高溫隧道熱害特點

高溫隧道熱害主要是指高巖溫及高水溫對隧道施工造成的危害。在高地溫地區修建隧道時，當洞身圍巖溫度達到35℃左右、隧道內相對濕度達到80%以上時，高地溫問題將變得尤為突出[8]，我國部分高溫隧道熱害問題類型及概況見表1[9]。高溫隧道熱害對隧道的影響有如下特點:

表1 我國部分隧道熱害類型

(1)在熱源作用下，高溫隧道熱害持續時間長，從隧道施工修建到隧道建成運營各個時段均受到高溫熱害影響，需要持續對隧道進行保養維護。

(2)由于熱傳導作用的特點，致使隧道熱害作用范圍較廣。隧道熱害區較大范圍內均會受到其造成的溫度影響。

(3)因為隧道內空氣流通較差，且隧道內外溫差較大，所以隨著隧道掌子面距洞口的距離越遠，熱害影響效應越明顯。

(4)高溫會造成巖石熱應力效應，圍巖溫度每增加1℃，在巖石內產生0.4～0.5 MPa的熱應力變化，當溫度達到臨界值時，可能誘發巖爆發生。并且，因溫度引起的熱應力改變將會持續作用在支護結構上，影響支護結構的正常使用和耐久性能。

2.2 高溫隧道熱害影響因素

影響隧道熱害因素有很多，歸納為圍巖性質、環境和地質條件及隧道施工設計三個方面。圍巖性質因素包含巖石孔隙率、圍巖導熱系數、圍巖溫度及節理裂隙是否發育等圍巖巖體自身性質因素；環境和地質條件因素包含地下水溫度及流速、氣溫、海拔、大氣壓力、地下水流速、近期巖漿活動及斷層數量等環境、氣候及地質構造條件因素；施工設計因素包含隧道埋深、隧道長度、進出口海拔高差及隧道斷面大小等隧道設計施工因素。這都為地下熱源的產生和傳導提供了條件。

與隧道凍害多發生于洞口段不同，隧道熱害多發生于洞身段。當圍巖導熱系數較大時，熱量通過熱傳導作用于圍巖，并且當圍巖溫度升高，熱量通過熱輻射傳遞給隧道內部，對隧道內溫度造成一定的影響；地下水活動是影響隧道熱害的一個重要因素，地下深循環熱水水源主要來自于大陸環境的大氣降水、淺表水入滲匯合而成[10]，地下水流經地下熱源加熱，同時雨水或地表水經斷層構造下滲深部，經過深部熱源加熱后，裂隙水帶出熱，通過斷層、巖體孔隙及節理裂隙使得圍巖溫度急劇上升，由于水熱活動嚴格受斷裂、褶皺構造控制，分布于多個局部水熱系統內[11]。在地震作用下斷層摩擦會提供熱源，同樣近期巖漿活動也會為隧道熱害提供熱源，地下賦存的巖漿通過斷層向上移動，其對隧道局部溫度影響較大，這兩種不同熱源對隧道熱害產生不同程度的影響。隨著隧道埋深增加，若按正常的地溫梯度計算，隧道中的地溫逐漸增高，以至于出現高地溫問題[12]。

綜上所述，隧道的高溫熱害問題并不是某一因素單獨作用而成，是多種因素耦合所致。其最主要的原因為地下水活動、巖漿及斷層活動與隧道埋深共同作用而導致的不良地質問題。所以定量探究各因素對隧道熱害問題影響權重對預測及針對性解決隧道熱害問題意義重大。

3 基于熵值法的高溫隧道熱害發生影響因素權重分析

3.1 熵值法

熵值法又名熵值賦權法，是德國著名物理學家T.Clausuis提出的一種客觀賦權法，其原理是通過給出的定量數據，計算出各影響因素的熵值，若熵值越小，則表明該因素信息量越大，不確定性越小，離散程度越大，對綜合評價的影響也就越大，所占權重越大。其分析步驟如下:

(1)數據收集整理

利用實際數據構造一個有m行、n列的初始數據矩陣K，其中m代表有m個樣本對象，n代表有n個影響因素指標。

式中:kij為第i樣本對象、第j個影響因素的數據(1≤i≤m，1≤j≤n)。

(2)指標無量綱化處理

本文采用極值化方法對數據進行無量綱化處理。

式中:max(kj)和min(kj)分別為影響因素j中各樣本對象中的最大值和最小值。

(3)建立數據概率矩陣

式中:0≤pij≤1。

結合式(3)、式(4)可得到指標數據的概率矩陣。

(4)計算指標信息熵式中:ej為第j個指標的信息熵，且0≤ej≤1；K為調節系數，。

(5)計算指標權重

式中:hj為指標的差異性系數。

由式(5)得到指標的信息熵后通過式(6)計算出指標的差異性系數。差異性系數越大，則該指標信息載量越大，權重也就越大。

式中:wj為指標j所占權重，且0≤wj≤1。

經過一系列分析計算，最終可得到各影響因素指標所占權重。

3.2 高溫隧道熱害的層次分析體系及指標分析

依據高溫隧道熱害問題影響因素，并結合隧道實際數據，選取指標分析體系建立見表2。

表2 高溫隧道熱害問題影響因素指標體系

經過上文分析，將影響隧道熱害圍巖物理力學性質、環境及地質條件和隧道施工設計三個概括性因素設置為一級指標。根據實際數據可得性，依據?鐵路隧道設計規范?由于Ⅳ、Ⅴ級圍巖完整性較差且節理較發育，所以選取Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比作為圍巖物理力學性質一級指標下的二級指標。選取具有典型代表性的定量指標中的平均海拔、斷層數量及涌水量作為環境及地質條件下的二級指標，隧道長度、進出口海拔差及埋深作為隧道施工設計下的二級指標。由此建立高溫隧道熱害問題影響因素指標體系。

3.3 隧道熱害指標權重確定

對某線10座隧道8個影響因素指標進行權重分析，通過m＝10、n＝8構造出一個10×8的初始數據矩陣，利用式(2)計算出的數據無量綱化結果見表3，利用計算式(4)～式(7)計算出各指標的信息熵、差異性系數及指標權重見表4、表5。

表3 無量綱化數據

表4 隧道熱害影響因素一級指標權重計算結果

表5 隧道熱害影響因素二級指標權重計算結果

由熵值賦權法計算分析結果可知，圍巖物理力學性質因素、環境和地質條件因素及施工設計因素3個一級指標三者權重分別為8.16%、64.98%及26.86%。其下選取的影響高溫隧道熱害8個因素所占權重中，斷層數量占比最大為44.53%，其次為涌水量及進出口海拔高差，分別占比19.92%和19.57%，經圍巖分級后Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比權重合計為8.16%，埋深、隧道長度及平均海拔相對占比較少，依次為4.12%、3.16%和0.54%。可見，環境和地質條件因素對高溫隧道熱害問題影響最大，施工設計因素次之，圍巖物理力學性質因素最小，這進一步說明，隧址區是否有熱源是隧道熱害問題發生的主要條件，而圍巖物理力學性質為熱量傳遞的途徑。

4 結束語

(1)通過對高溫隧道熱害影響因素進行分析，得出各影響因素對隧道熱害問題影響程度大小排序，直觀反映隧道熱害各影響因素的影響程度，為預測高溫隧道熱害問題發生的可能性提供了一定的數據支持及理論依據。

(2)環境及地質條件為影響隧道熱害問題的主要一級指標，斷層數量、涌水量及進出口海拔差為影響隧道熱害問題的主要二級指標。

(3)根據本文計算分析結果，環境及地質條件因素對隧道影響最大，所占權重為64.98%，并且在此一級指標下的二級指標中，斷層數量所占權重為44.53%，對隧道熱害問題影響程度最大。在隧道施工前應做好超前地質預報，探明隧址區地質情況，針對高溫隧道熱害問題及時采取相應降溫及施工措施，見圖1。

圖1 隧道主動降溫措施