基于模糊理論的引水隧洞圍巖快速分類研究

潘 朝,張 乾,鄒 勇

(湖北省水利水電規劃勘測設計院有限公司,湖北 武漢 430064)

0 引 言

近年來,一批全局性、戰略性172項節水供水重大水利工程有序推進,隧洞工程建設規模越來越大,地質條件愈加復雜多變,工程風險及安全問題日益突出,對隧洞圍巖穩定性評價分析提出了更高的要求。目前國際上應用比較廣泛的是巴頓的Q系統分類法和比尼威斯基的RMR法[1]。中國根據工程實踐和巖石力學實驗研究經驗,提出并大量應用《工程巖體分級標準》BQ法,在此基礎上還提出了適用于各個不同行業的分類方法。基于可變模糊集合[2]、人工神經網絡[3]、可拓方法[4]、圖像識別技術[5]、深度學習[6]和人工智能等新興理論的評價方法也被應用于實際工程圍巖分類,并取得了一定成果。然而,這些評價方法存在著一些不足之處,如人為主觀影響大、隨機性大、存在邊界約束、過程復雜等,不能在真正意義上實現圍巖快速分類。

為此,本文基于模糊理論,對圍巖快速分類提出了一種新思路:在地質觀察和地質素描的基礎上,結合室內和現場試驗數據,采用HC法進行圍巖分類,確定影響圍巖穩定性的關鍵因素,研究其與圍巖類別間的相關性規律,采用層次分析法確定影響因素權重,制定單個影響因素分類標準,構建隸屬函數或賦值隸屬度,從而建立圍巖快速分類模糊綜合評價模型。根據實際圍巖類別反復修正構建的模糊綜合評價模型,得到適用的模糊綜合評價模型以進行圍巖穩定性評價,實現圍巖快速分類,從而指導施工。具體技術路線如圖1所示。

1 工程地質概況

鄂北地區水資源配置工程(以下簡稱“鄂北工程”)從丹江口水庫引水,向唐東地區、隨州府澴河北區以及大悟澴水區供水,全長269.672 km,是湖北省重大戰略民生“一號工程”,是國家重點推進、優先實施的172項全局性、戰略性節水供水重大水利工程之一[7]。

隧洞工程總長119.43 km,共計55座,占線路總長44.3%。巖性以元古界、震旦系至青白口系片巖類為主,其次為白堊-第三系砂礫巖、泥質粉砂巖等。其中,片巖類隧洞46座,占隧洞座數83.6%,短洞居多,合計長度為62.96 km,占隧洞總長52.7%。區內水文地質條件比較復雜,地下水類型主要為碎屑巖孔隙裂隙水及基巖裂隙水等。

2 圍巖特征研究

隧洞工程主要分布于線路中下段,多以片巖類變質巖為主,故主要對工程區元古界、震旦-青白口系主要片巖類進行相關圍巖快速分類研究。

2.1 巖石(體)特征研究

本次研究取20組片巖樣進行了薄片鑒定。結合巖石野外鑒定,研究表明:工程區巖石類型主要為石英片巖、鈉長片巖、綠泥片巖等片巖類,多呈灰色、灰黑色、灰綠色,顯微細粒鱗片粒狀變晶結構,片狀構造,主要礦物成分為石英、斜長石,富含云母、綠泥石、滑石、陽起石等次要礦物,水理性質差,其在巖石中連續定向排列構造片理特征,造成了片巖類巖體強度、完整性程度等差異大、巖體遇水軟化及受力后呈各向異性等特點。同時在隧洞開挖中,片巖類巖體結構面往往對圍巖穩定性影響較大。

結合現場開挖情況,綜合分析表明影響巖石硬度、完整性及水敏性的主要因素為變質程度及礦物成分,淺變質巖類重結晶程度低,暗色礦物尚未聚集定向排列,一般完整性較千枚巖及片巖好;千枚巖類暗色礦物聚集排列,淺色礦物重結晶程度低,整體物理性質差,水敏性強,絹云母片巖與其物理性質類似;以絹云母、綠泥石為次要礦物的片巖類,其絹云母、綠泥石多聚集于片理面,完整性差,水敏性強;以綠泥石為主要礦物的片巖類,整體性質近似淺變質巖類,完整性及強度均較高,水敏性一般。

2.2 巖石(體)強度研究

巖石強度是圍巖分類最重要的指標之一。針對實際施工建設過程中,受試驗條件及時間的制約,無法通過室內荷載實驗及時獲取巖石強度參數的情況,采用具有成本低、工序簡單、實驗快速等優點的點荷載試驗測定,并進行關系換算獲取參數。

本次研究總計取樣12組,每組巖樣30～50塊,試驗結果(表1)表明研究區內鈉長綠泥片巖強度最高,干燥狀態下為堅硬巖,軟化系數較高,飽和狀態下硬度降至中硬巖;其新鮮狀態下各向異性較不明顯,各向異性系數1.8;其余片巖微風化-新鮮狀態下為中硬巖,千枚巖在弱風化狀態下為較軟巖。整體上,新鮮且片理發育較弱巖體的巖塊強度與現場圍巖級別有較好的相關性,但不同的巖性于不同的構造背景下體現出的相關性有較大差異,尤其石英片巖及鈉長片巖類,其巖塊強度一般較高,但部分段片理極其發育,因而其巖體整體強度極低,遇裂隙發育并伴有地下水活躍地段,極易失穩。

表1 點荷載試驗結果統計

2.3 圍巖穩定性主要影響因素

鄂北工程片巖隧洞圍巖變形破壞類型主要有掉塊、塑性變形、側壁滑塌和洞頂坍塌等4種。根據地質環境以及片巖特點,結合破壞類型及巖性、巖體強度研究,得出影響圍巖穩定性的主控因素如下。

(1) 巖體強度。主要受巖性及風化程度影響。整體而言,根據圍巖穩定性從好到差,相應的地層巖性依次為鈉長綠泥片巖、綠泥石片巖、變質粉砂質泥巖(Z2c),變余長石石英砂巖((Qn-Z1)y),絹云石英片巖、綠泥綠簾鈉長片巖、絹云母鈉長片巖等(Z2b 、 Z2c 、(Qn-Z1)y),絹云母千枚巖、絹云石英千枚巖(Z2b、Z2c)。受原巖及成巖環境影響,工程區出露的巖性較為復雜,風化程度越高,巖體強度越低,圍巖越不穩定。

(2) 主要結構面密度、產狀及狀態。變質巖區尤其是片巖類變質巖,其原生結構面較發育,并往往伴生多組次生結構面,對圍巖穩定性影響較大,同時各種結構面產狀對洞室圍巖穩定性也有較大影響。隧洞軸線與結構面傾角越小,洞室頂部圍巖越不穩定;隧洞軸線與結構面走向夾角越小、傾角越大,洞壁圍巖越不穩定。結構面的狀態對于片巖類圍巖穩定的影響相對較小。

(3) 地下水。工程區地下水主要以裂隙水的形式賦存于巖體中,總體來說,地下水貧乏,因此地下水相對較多分布的地帶往往是節理、裂隙等結構面相對發育的部位。片巖含有大量絹云母、白云母、綠泥石等易軟化的礦物成分,地下水對這類片巖軟化影響顯著,故若圍巖中地下水越多,地下水分布越均勻,巖體軟化越嚴重,穩定性越差。

3 圍巖快速判別模糊綜合評價模型

3.1 模糊綜合評價法原理

本研究所提出的圍巖快速分類方法是一種基于模糊數學的綜合評價方法,即根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價,用模糊數學對受到多種因素制約的事物或對象進行總體評價,其基本思想:首先確定評價指標體系,充分考慮各評價指標的分級標準,根據各評價指標之間的層次性,確定各評價指標在評價對象中的模糊權重,然后運用模糊集合的相關計算原理,確定各評價指標的模糊界限,建立出各評價指標的隸屬度函數,構建出模糊評判矩陣,經過多種邏輯運算,最終通過相關準則確定評價結果。

3.2 評價集與影響因素集的確定

不同行業的圍巖分類方法略有不同。考慮到水利工程特點,根據GB 50487-2008《水利水電工程地質勘察規范》《工程地質手冊》等,將本工程圍巖類別評價集定義為V={Ⅴ,Ⅳ,Ⅲ,Ⅱ,Ⅰ},其對應的圍巖穩定性評價分別為極不穩定、不穩定、局部穩定性差、基本穩定、穩定。

結合工程現場圍巖特征研究,參考GB 50487-2008《水利水電工程勘察規范》,確定本工程模糊綜合評價模型影響因素集U={點荷載,巖體完整程度,主要結構面狀態,地下水,主要結構面產狀}。鑒于巖石強度無法快速獲得,因而采用點荷載換算;圍巖完整程度采用結構面組數及間距確定,有條件時可根據現場所測巖體、巖塊縱波波速計算確定。

3.3 權重的確定

目前,在模糊理論中,權重確定的方法很多,有經驗法(專家意見法)、數理統計法、層次分析法等[8-9]。為充分體現影響因素權重的客觀性、盡量減少人為主觀影響,本文采用層次分析法確定影響因素的權重,主要步驟:① 構建判斷矩陣,采用一致矩陣法按1～9標度方法構造;② 權重計算,并進行一致性檢驗。

根據前期工程實踐總結,并參考國內外常用的圍巖分類方法,對圍巖分類的5個主要影響因素按兩兩進行比較,經現場實踐分析總結,本工程的影響因素重要度排序為:點荷載、巖體完整程度、主要結構面產狀、地下水、主要結構面狀態。采用1～9標度法(表2)將上述5個主要影響因素構建判斷矩陣P。

表2 指標間重要性比較結果

經特征根計算及一致性檢驗,5個主要影響因素權重系數為A=(0.320,0.320,0.068,0.109,0.184)T。

3.4 隸屬度的確定

針對巖體強度定量影響因素,參考HC分類法,結合現場點荷載實測數據,制定了對應的巖體強度分類標準(表3)。

表3 點荷載分類標準

已有研究成果表明:根據隸屬函數的特點和隸屬度總和為1的原理,在不同的原函數條件下構造隸屬函數,不同模糊隸屬度值間存在差異,但最后分類結果一致[10]。本模型將定量影響因素點荷載按上述原理構造了符合工程實際的線性邊半梯形-中三角形隸屬函數,具體如式(1)～(5)所示:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

定性影響因素隸屬度往往難以確定。本文結合現場地質素描成果,在工程實踐中對定性影響因素對圍巖穩定性的影響情況進行統計分析,同時結合已有方法分類取值及專家意見,采用階梯概率數組,對引水隧洞工程主要定性影響因素隸屬度取值總結如表4～7所示。

表4 巖體完整程度隸屬度取值

3.5 圍巖快速分類建模

圍巖快速分類模糊綜合評價模型的具體計算步驟如下。

(1) 確定評價圍巖穩定性的等級論域V={Ⅴ,Ⅳ,Ⅲ,Ⅱ,Ⅰ}。

(2) 選取影響圍巖穩定性的合理關鍵評價因素組成因素論域,確定其分級標準。因素論域U={點荷載,圍巖完整程度,主要結構面狀態,地下水,主要結構面產狀},分級標準見表4～7。

表5 主要結構面狀態隸屬度取值

表6 地下水狀況隸屬度取值

表7 主要結構面產狀隸屬度取值

(3) 確定因素論域U中各因素對于圍巖類別的權重。采用層次分析法確定的權重向量A=(a1,a2,…,ai),其中ai表示第i個影響因素對于圍巖類別的權重。

(4) 確定隸屬度。本模型采用邊半梯形-中三角形隸屬函數構建定量影響因素對于等級論域V的隸屬度函數;根據前人總結及工程實際制定定性影響因素的隸屬取值表,實現定性影響因素向定量轉換。將現場采集的影響因素代入隸屬度函數或查表得出相應的隸屬度R：

隸屬度矩陣中rij表示第i個影響因素對等級論域V中相對應的第j個等級的隸屬度。

(5) 編程構建片巖類圍巖快速判別APP,輸入現場便于測得的地質元素,即可得到最大隸屬度及相應圍巖類別。模糊綜合評價計算過程為B=AR=(bⅤ,bⅣ,bⅢ,bⅡ,bⅠ),平臺自動按最大隸屬度原則,在V矩陣中取最大值,即單元最大隸屬度bk=max{bⅤ,bⅣ,bⅢ,bⅡ,bⅠ},確定圍巖類別k。

4 圍巖快速分類應用

鄂北工程杏仁山隧洞樁號為234+410～236+910,全長2.5 km。洞址區為崗波狀山丘地形,埋深12.8～55.1 m,巖性主要為絹云鈉長片巖、變輝長輝綠巖。隧洞斷面為城門洞型,開挖洞徑4.3～4.9 m,洞底板高程101.95～101.69 m,設計引水流量7.4 m3/s。

杏仁山隧洞現場實測或記錄的部分基礎地質資料如表8所示,然后采用本文建立的圍巖快速分類模糊綜合評價模型對杏仁山隧洞已開挖洞段進行圍巖分類評價。圖2～3為本工程基于模糊理論開發的片巖類隧洞圍巖快速分類系統電腦版和手機版(1.0版)應用效果,其與設計、現場實際以及HC法確定的圍巖類別對比結果如表9所示。該圍巖快速分類系統已于2021年9月取得了軟件著作權[11],手機版和電腦版可以實現版本文件轉換使用。

圖2 隧洞圍巖快速分類系統電腦版應用界面

圖3 隧洞圍巖快速分類手機版APP應用界面

表8 杏仁山隧洞圍巖地質條件實測數據統計

由表9可以看出,采用圍巖快速分類模糊綜合評價方法對杏仁山隧洞已開挖洞段分類的結果與實際圍巖類別、HC法判別類別基本一致,而且最大隸屬度基本大于0.4。該成果已經在鄂北工程實現推廣使用,全線119.43 km引水隧洞已于2021年1月順利貫通。目前,該成果正在清江水系連通及生態修復工程應用。

表9 杏仁山隧洞圍巖分類結果對比

續表

5 結 論

(1) 影響圍巖分類的影響因素十分復雜,選取合理的影響因素對圍巖準確分類至關重要,其影響因素是否易測易得又決定了圍巖分類是否及時有效、能否快速指導施工。通過室內外試驗,并結合現場地質素描,對鄂北地區片巖類隧洞進行圍巖特征研究,得出影響圍巖穩定的5個主要影響因素,其按重要影響程度依次為巖體強度、圍巖完整程度、結構面產狀、地下水、結構面狀態。

(2) 圍巖分類的依據難以用準確的關系式表達,其評價因素對圍巖分類的影響及分類界限標準具有模糊性。采用模糊綜合評價方法,構建多因素影響模型,確定影響因素的權重,制定單個影響因素分類標準,構造隸屬函數或賦值隸屬度,通過模糊合成對圍巖進行分類,可以得到比較符合實際的結果。

(3) 相比傳統圍巖判別方法,本文構建的模糊綜合評價方法采用現場能快速且便捷測得的地質資料,輸入軟件平臺便可立即圍巖判別,減少了人為主觀影響,大大縮短了圍巖初期支護決策時間,實現了圍巖快速分類,能及時確定合理的開挖方式與支護措施,加快工程的進展,縮短工期,同時保證了工程施工安全,可為類似工程參考。