可拓法評價危巖落石在山區鐵路勘察中的應用與創新

王 旭

（中鐵上海設計院集團有限公司 工勘院地質所,上海 200070）

0 引言

高速鐵路在通過山區時，往往需要興建大量的橋梁以及隧道。其中大量隧道進出口的邊、仰角高陡，地質條件惡劣，在雨水以及地震等自然災害的作用下產生危巖崩塌現象，對路基、橋梁、隧道等的建設與運營安全影響極大。針對危巖落石的評價，國內外尚無通行的評價方法。筆者通過查閱中外文獻，對比分析了幾種評價方法后發現使用可拓法評價危巖落石風險的優勢明顯，只要建立合理的評價體系，通過量化評價指標，使用簡單關聯函數法計算各指標所占權重，可以得出較為符合實際的風險評價結果，并通過工程實例驗證了該方法的合理性。

1 危巖落石風險可拓評估流程與理論模型

我國學者蔡文[1]研究員于1983年創立了一門原創性橫斷學科——可拓學，通過建立多指標的評估模型來完整評價事物。邊坡危巖體崩塌落石風險的可拓評估流程如圖1所示。

圖1 危巖落石風險可拓評估流程圖

1.1 建立經典域、節域與待評物元

物元是基元類別中的一種，屬于可拓學的邏輯細胞之一。物元是形式化描述事物的基本元，由事物特征的名稱及相應的量值構成的有序的三元組表示，即物元=（物，特征名，量值）。給定特征c，它的量值的取值范圍稱為c的量域，也叫節域。特征的量域的一部分稱為量值域，也叫經典域。

設物元：

式中，Rj——第j個同征物無；Nj——所劃分的第j個評價級別；Cj——第j個評價指標；Vij——Nj關于指標Cj所規定的取值范圍，Vij=〈aij，bij〉，即經典域。

以邊坡落石沖擊明洞結構為研究對象時可得到物元如下：

式中，P——待評價危巖落石的全體；Vip——Vip=〈aip，bip〉為P關于指標Ci的取值范圍，即P的節域，VijVip。

對待評的危巖P，把所收集到的統計數據或分析結果用物元R表示，則稱R為待評物元。

式中，p——某一具體風險危巖；vi——p關于評價指標ci的值，即危巖的具體指標數據。

1.2 計算評價指標權重

使用簡單關聯函數法確定各指標的權重，其考慮到各評價指標的權重并不是絕對的，而是相對的，隨相對具體的數據與標準而改變，因此更具有客觀性、合理性。

設

式中，i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

若vi∈Vip，則有：

若指標c1落入的級別越高，則該指標應賦予越大的權重，則有：

若c1指標落入的級別越高，則該指標應賦予越小的權重，則有：

則指標c1的權重為：

1.3 計算待評危巖落石物元的關聯函數值

關聯函數可以精確反映事物所處的狀態，為對象的量化帶來了方便。當關聯函數值處于臨界值時，其發展趨勢可能向大于零或小于零的方向，也可能繼續處于臨界狀態。

式中：

1.4 評估待評危巖落石的風險

隧道洞口段待評危巖落石風險等級的關聯函數如下：

若

則p評定屬于等級j0。

令

則j*稱為p的級別變量特征值。例如j0=3，j*=3.5則表明待評對象p的風險處于j0=3級，即為3級風險，嚴格評價應屬于3.5級，即j*代表p所屬等級偏向另一級的程度。

2 可拓法危巖落石風險體系的確定

基于以往研究[2]，危巖落石災害的發生可以總結為兩個過程：①危巖脫離基巖；②落石在邊坡上運動。綜合考慮各種影響因素，適用于可拓法研究的危巖落石影響因素有十二條[3]，分別為：巖石本身風化程度、溫差、濕度、巖石類型與特性、地震發生的概率、地震發生的烈度、降水量、落石高度、落石質量、落石形狀、邊坡坡度、植被覆蓋率。

2.1 建立基于指導地質工程選線與危巖落石防治措施的危巖落石雙風險評價體系

回顧以往研究，往往直接使用模型計算得出風險評價等級結論。該文提出了一種新型的雙風險評價體系，通過對指標的合理劃分，可顯著改善風險評價的效果。

雙風險評價體系的優點：通過劃分，將影響當下的風險指標與影響未來發生風險的指標區分開來，有利于分析危險源，更準確地揭示了風險源和人力可以改變的風險程度。

現將評價指標劃分為兩大類：①現時風險；②未來風險。

現時風險指目前待評區域發生災害的風險性，指標包括：巖石本身風化程度、落石形狀、落石質量、落石高度、巖石類型與特性、邊坡坡度、植被覆蓋率。現時風險可通過人工工程措施進行改善，從而降低當下發生風險的可能性。

未來風險指的是待評區域將來發生災害的風險性，屬于區域性，人力難以改變的因素。指標包括：地震發生的概率、地震發生的烈度、降水量、溫差、濕度、植被覆蓋率、巖石類型與特性。

2.2 確定危巖落石風險評價等級

目前針對落石沖擊隧道明洞的風險評價相對較少，因此風險評價等級劃分時，應根據對以往危巖崩塌落石風險評價的研究[4]，并結合工程實際聯合確定。將落石風險等級定為極低風險（Ⅰ）、低風險（Ⅱ）、中等風險（Ⅲ）、高風險（Ⅳ）與極高風險（Ⅴ）五類，其相應的評價標準根據以往的風險評價等級，結合現場地質條件與明洞情況綜合確定，如表1所示。

表1 危巖落石風險評價參數

2.3 評價指標無因次化

將評價標準進行無量綱化處理，確定其各指標所處的風險等級。

若計算后的數值越大，風險越低，對安全越有利，采用下式計算：

若計算后的數值越大，風險越高，對安全不利，采用下式計算：

3 危巖落石雙風險評價體系在山區鐵路勘察中的應用

根據野外調繪工作結果顯示該山區某隧道進口段處危巖落石情況突出，現選取該段危巖體作為研究對象，使用可拓法進行風險評估。

3.1 危巖體風險平均參數無量綱化處理

根據現場實際情況并結合當地自然條件因素，獲得現時風險評價體系具體信息，如表2所示。

表2 隧道進口段危巖體現時風險評價參數

根據收集到的水文地質資料，以及現場踏勘采集信息，得到以下該區域未來風險評價指標，如表3所示。

表3 隧道進口段危巖體未來風險評價參數

3.2 計算并求得危巖落石風險評估結果

根據式（2）~（16），求得巖塊現時風險等級與相應的變量特征值如表4所示。

表4 危巖體現時風險等級評定結果

求得該區域巖塊未來風險等級與相應的變量特征值如表5所示。

表5 危巖體未來風險風險等級評定結果

根據風險評價結果，該山區高鐵沿線地質情況較為復雜，歷史上發生過7級以上地震，存在大型斷裂，斷裂分布較密集；降雨量大，空氣較為濕潤，裸露巖石易風化。綜合各自然地理指標，擬建鐵路沿線危巖落石災害未來風險等級普遍較高，顯示該區域自然地理條件易發展危巖落石災害，在后續的建設及運營過程中，需持續觀測發展情況。

4 結論

（1）使用可拓法進行危巖落石風險等級的評估是合理的、可行的，其標準、量化了危巖落石風險等級的評價，對實現地質選線起到了積極的輔助指導意義。

（2）分析研究了構成危巖落石風險評價體系的各個指標，探討了指標相關性對可拓法使用的影響，建立了符合獨立性原則的風險評估體系，改善了模型結論的精度。

（3）提出、建立了危巖落石雙風險評價體系。通過劃分，將影響當下的風險指標與影響未來發生風險的指標區分開來，更有利于分析危險源，更準確地揭示了不可抗拒的自然風險程度和人力可以改變的風險程度。

（4）將建立的模型應用于山區高鐵的地質選線工作中，與現場吻合程度高，起到了良好的輔助指導作用。