基于超前地质预报的隧道开挖模糊综合评价

关林坤，雷 慧

（1.中南电力设计院 武汉市 430000；2.武汉理工大学 武汉市 430063）

基于超前地质预报的隧道开挖模糊综合评价

关林坤1，2，雷 慧2

（1.中南电力设计院 武汉市 430000；2.武汉理工大学 武汉市 430063）

以内蒙古地区某隧道项目为技术背景，提出在超前地质预报结果的基础上采用模糊综合评价方法对隧道施工方法进行综合评价的手段，对比得出适用于该地区特殊地质环境下的可靠施工手段。为今后该地区隧道施工建设提供参考。

超前预报；隧道开挖；模糊综合评价

目前，隧道地下施工仍面临着诸多困难。地下环境复杂多样和无法预知性都会对施工安全造成影响［1］。根据超前地质预报结果得出的初步结论，对专家进行实地调研，利用模糊综合评价方法对该隧道的开挖工法进行评价分析，从而得出特别适用于该地区且较为经济适用的开挖方案。

1 项目背景

该隧道施工方法为新奥法，左线起点K82+ 975.587，终点K86+930，全长3954.413m；右线起点桩号为K83+005.170，终点桩号为 K86+950，全长3944.83m。设计时速100km/h；行车道净宽10.75m；行车净高5.0m；紧急停车带净宽为13.25m。隧道埋深最大值为233m。

2 模糊综合评价简介

该评价方法依据已知条件，对总体进行评判，为每一个对象设置评判指标，再根据结果排序，选择最佳方案［2］。模糊综合评价的基本步骤如下：首先对评价对象的因素集和评价集进行整理归纳；根据各因素对系统影响的大小，建立因素权重集；根据评判对象可能得到的评判结果建立评价集；最后通过单因素评判，完成综合决策。

该方法简单易操作，尤其对多重因素的复杂模型评价效果较好，在土木工程领域具有较大的应用价值，尤其是在初步设计阶段，需要涉及到很多的问题，而又很难对所有的问题进行精确的把握，常通过模糊评价方法对其进行评价［3］。除此之外，该方法在多项领域中均有所应用，该模型的选取也带来了很好的社会和经济效益。

评价对象的模糊综合评判结果B是通过模糊关系矩阵R和模糊权向量A合成所得，在二者结果确定后，通过适合的模糊合成算子，得出结果，计算公式见式（1）：

式中，b表示被评价对象对评价模糊元素v的隶属程度大小［4］。

3 隧道施工指标体系的建立

为保证隧道施工安全，减小或消除安全隐患对施工的影响，坚持科学性、系统性、实用性和可靠性原则，该安全评价在原则上应选择尽可能多的评价指标，通过该评价体系的原则，分别建立施工方法、安全管理、工程地质条件、水文地质条件等影响因素的评价指标体系［5］。隧道开挖评价指标体系如图1所示。

3.1确定隧道开挖指标权重

首先完成判断矩阵的构造，可以通过判断矩阵值的大小，反应各因素的重要性［6］。判断矩阵最大特征根为λmax，对应特征向量值为W，通过W归一化处理，得出本层元素对上层对应元素的重要性权重。通过公式对判断矩阵进行一致性检验，检验指标CI计算公式见式（2）：

其中，n表示判断矩阵的阶数。一般规定当 CR =CI/RI＜0.1时，判断矩阵才满足一致性要求［7］。

根据目前隧道的发展趋势，判断出影响隧道开挖方案主要有施工安全、经济合理、施工难度、环境影响和未知因素等五项组成，通过专家实地调研和超前地质预报结果，并结合以往工程项目，完成判断矩阵的构造和指标权重的判定。隧道开挖影响因素的判断矩阵如表1所示。

表1　开挖影响因素判断矩阵

根据矩阵计算得λmax=5.4，CI=0.1，RI= 1.12，计算得最终CR=0.09＜0.1，所以第一层因素指标的矩阵结果符合要求。根据表1得出各指标的权重系数如下：施工安全为0.46，经济合理为0.26，施工难度为0.16，环境影响为0.07，未知因素为0.04。依次构建第二层指标的判断矩阵如表2。

表2　施工安全影响因素矩阵

根据矩阵计算得λmax=3.1，CI=0.04，RI= 0.58，计算得最终CR=0.06＜0.1，所以施工安全影响因素指标的矩阵结果符合要求。

表3　经济合理影响因素矩阵

根据矩阵计算得λmax=3.0，CI=0.005，RI= 0.58，计算得最终CR=0.01＜0.1，所以经济合理影响因素指标的矩阵结果符合要求。

表4　施工难度影响因素矩阵

根据矩阵计算得λmax=3.0，CI=0.01，RI= 0.58，计算得最终CR=0.02＜0.1，所以隧道便利影响因素指标的矩阵结果符合要求。

表5　环境影响因素矩阵

根据矩阵计算得λmax=2，CI=2，RI=2，计算得最终CR=1＞0.1，所以环境影响因素指标的矩阵结果不符合要求。

3.2隧道施工方法评价

通过对隧道施工的影响因素进行综合评价，对其进行归纳分析后最终得出适合该地区隧道地质条件的隧道开挖方法，建立评判集来代表各影响因素的重要性［8］，I1表示非常重要，I2表示重要，I3表示一般，I4表示不重要，I5表示非常不重要。

根据上文中各因素的影响矩阵可以确定隧道施工的二级模型及各自权重，针对该隧道的特殊复杂地质条件，针对五种方案进行评判，依次为Q全断面开挖，T台阶法开挖，F分部开挖法，Z为中隔壁法，S为双侧壁导坑法［9］。本人通过参考超前地质预报，并对多名专家的调研和实地考察，综合评价后对五种隧道开挖方法进行了评比，得出综合评判结果如表6所示。

根据上节中各因素权重和本表构成的单因素评判矩阵，可通过计算得出 S1、S2、S3、S4、S5的值如下：

表6　综合评判结果表

由此根据第一层权重施工安全为0.46，经济合理为0.26，隧道便利为0.16，环境影响为0.07，未知因素为0.04和得到的第二层评判矩阵值，可得：

由此根据五种施工方法的排序，优选方案依次为T台阶法开挖、Z中隔壁法、S双侧壁导坑法、F分部开挖法、Q全断面开挖，故选取台阶法开挖作为该隧道的最佳开挖方法。

4 结论

文章根据内蒙古某高速公路隧道的要求和该地区的特殊地理环境，考虑到隧道施工的经济性、工期要求、实用性等特点，通过对超前地质预报结论的分析研究，并对多名专家和相关工程技术人员访谈调研［10］，经过归纳总结，对比它们之间的优缺点和内在联系，辅助以模糊数学基本理论对该地区复杂地质环境下的隧道施工进行方案比选，建立隧道施工模糊综合评价体系，初步得出最优施工开挖方法。模糊分析法的应用，对该隧道的超前地质预报体系进行了完善和优化，从而为施工单位提供更加可靠的参考性意见。

［1］ 岳强.隧道工程［M］.机械工业出版社，2012.

［2］ 中华人民共和国交通部.JTG D70-2004公路隧道设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ Arthur C D.The determination of rock material properties to predict the performance of machine excavation in tunnels［J］.The quarterly journal of engineering geology，1996，29（1）：25-29.

［4］ 刘志刚，赵勇，李忠.隧道施工地质工作方法［J］.石家庄铁道学院学报，2002，13（4）：1-5.

［5］ Gerd Settle.Predicting ahead of the Face［J］.Tunnels& Tunneling，1996（4）：24-30.

［6］ 温树林，吴世林.TSP-203在云南元磨高速公路隧道超前地质预报中的应用［J］.地球物理学进展，2003，18（3）：465-471.

［7］ Sattel，G.Sander，B.Amberg，F.Kashiwa，T.Predicting a head of the faee.

［8］ 姚姚，詹正彬，钱绍湖.地震勘探新技术与新方法［M］.武汉：中国地质大学出版社，1991.

［9］ 张继武.地质力学的系统思想和系统方法［J］.科学技术与辩证法，1989（3）.

［10］ 徐海洋，复杂地质条件下长大隧道综合地质超前预报研究［D］.重庆：重庆大学，2011.The Fuzzy Comprehensive Evaluation of Tunnel Excavation Based on Advance Geological Forecast

GUAN Lin-kun1，2，LEI Hui2

（1.Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430000，China；2.Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China）

A tunnel project in Inner Mongolia region as the technical background，put forward based on the results of in advance geological forecast for tunnel construction method by using fuzzy comprehensive evaluation method of comprehensive evaluation method，contrast that is suitable for the reliable construction measures under the special geological environment in the region.Provide a reference for the future construction of the tunnel construction in the region.

Advanced prediction；The excavation of the tunnel；Fuzzy comprehensive evaluation

U455

A

1673-6052（2016）01-0070-03

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.01.018