一种基于地质超前预报的隧道围岩稳定性模糊综合评估方法

王继飞

（上海同济检测技术有限公司，上海市 200092）

0 引言

地下工程所处环境及地层赋存条件是十分复杂的，存在着随机性、模糊性、未知性等不定因素，因此对隧道施工过程中的围岩稳定性进行评估、围岩稳定性预警标准隧道变形预测一直是岩土工程中的研究难点。影响围岩稳定性的因素很多，在进行围岩稳定性综合评估时，主要考虑的因素有：岩石类别、地下水、结构面发育状况、工程形态及开挖因素等。因此隧道工程在施工前都会进行地质调查和超前地质预报，通过超前地质预报可以获取围岩级别、地下水赋存情况、结构面节理裂隙发育情况等地质信息，这些信息对围岩稳定性的影响至关重要，如何利用所获取的信息准确的推测围岩的稳定性，对后续的施工是十分必要的[1-6]。

1 围岩稳定性影响因素

由于岩土体的复杂性，对于某一具体工程，各因素影响程度只能是一种模糊的经验性判断，定量地揭示这些因素的影响程度是很困难的，各影响因素与围岩稳定性关系见表1。

表1 影响因素与稳定性状态模糊关系

1.1 围岩级别的影响

通过地质超前预报可以较为准确的获取隧道的围岩级别情况，根据经验，岩石分属不同级别时，对其相应的稳定状态影响很大，而对其他状态影响程度迅速下降，据此认为：岩石为某一特定基本时，其隶属于对应的稳定状态为1；隶属于其他状态迅速递减，具体情况见表2。

表2 围岩类别影响程度

1.2 结构面状况的影响

电磁波预报设备（地质雷达）或者地震波设备（TGP等）可以较为准确的预测围岩的结构面发育情况，如结构面类型、发育规律及结构面间的软弱夹层充填情况等，将这些因素数值化，见表3。

表3 结构面影响模糊关系

1.3 地下水的影响

目前，地质超前预报中的瞬变电磁仪对围岩中的地下水赋存情况可以做出较为准确的预报，对含水体的类型、位置、水量的大小等也可以做出较为准确的预报，本文从以下几个方面考虑地下水的影响：水的类型、对围岩作用的机理、围岩开挖后的出水状况等，具体处理见表4。

表4 地下水的影响分析

其中开挖后出水状况评价根据水量由多到少分为四级：A、B、C、D级，当实际情况为哪一级时，即为1，否则为0。

1.4 工程影响因素

工程因素主要指工程形态和开挖因素，工程形态包括开挖体的几何尺寸、工程用途及工程轴线与软弱结构面的方位等。为了考虑地下工程的几何尺寸对稳定性影响及工程用途不同对应不同的稳定安全程度，这里引入隧道开挖质量指标Q方法的一个参数即开挖体的“当量尺寸”De。De值是由开挖体的跨度、高度或直径最大值除以所谓的开挖体的“支护比”ESR。

其中ESR与开挖体的用途和它所允许的不稳定程度两者有关，地下电站主厂房，主要公路及铁路隧道，民防设施，隧道入口及交叉点取值为1.0。

De值是反映工程形态对围岩稳定性影响的参数，其物理意义为：ESR值越大（小），需要的支护程度越弱（强）。因此De与ESR成反比关系；工程尺寸越大（小），对稳定性影响程度越大（小），故De与工程尺寸成正比关系。

另外，不同的开挖手段对围岩稳定性的影响不同，如机械开挖与光面爆破较普通爆破能更有效地保护围岩强度和整体性。不同的开挖手段及开挖方法对围岩稳定性的影响见表5、表6。

表5 开挖手段的影响分析

表6 开挖方法的影响分析

2 围岩稳定性影响因素的权重确定

在围岩稳定性评价问题上，不但各影响因素存在程度不一，且对于不同的稳定状态，各因素影响也不相同，因此本文拟采用层次分析法（the Analytic Hierarchy Process,简称 AHP）来解决以上问题。AHP可以简单地描述为：

确定指标体系→建立递阶层次结构→确定权重→多指标综合。

权重的确定是AHP解决的核心问题，它是在专家调查的基础上运用数学方法，在一定程度上减少了专家主观因素的影响。

首先，建立递阶层次结构。

这是确定权重过程中最基本、最重要的一步。首先要把复杂的问题分解为各组成部分，称作元素，把这些元素按属性不同分为若干组，以形成不同层次。同一层次的元素作为准则，对下一层次的某些元素起支配作用，同时它又受上一层次元素的支配。这种从上至下的支配关系形成了递阶层次。因此，本文根据隧道围岩稳定性的实际情况建立如下层次分析模型，见图1。

图1 影响围岩稳定性因素层次分析模型

3 围岩稳定性的模糊综合评价

将模糊数学知识和经典综合评判理论相结合，建立模糊层次综合评估方法，其具体过程如下：

先根据实际情况计算各影响因素隶属于各稳定状态的模糊隶属度，即：

根据模糊数学理论：

设稳定性状态论域V为：

影响因素论域U为：

则影响因素对稳定性的模糊隶属矩阵为

rij即为 uij。

模糊综合评价数学模型为：

上式以不同模式计算，模型计算所得的结果不同。

因此在围岩稳定性综合评价时采用“加权平均型运算”是合理的。由上面所述的层次分析法可得影响因素的权重矩阵A为：

则“加权评价型”为：

可以得到隶属于各稳定状态的隶属度大小：

采用模糊数学则进，取c=max（bi），即可以得到围岩稳定性的类别。也可通过加权平均集化方法得到围岩稳定性状态的量化评估值来综合反映围岩的稳定情况。

4 总结和建议

通过建立本文所述的模糊综合评估模型，可以较为方便的对公路隧道围岩的稳定性进行一个定量的评估，对动态设计和施工方法的及时调整具有良好的指导意义，但在具体实施的过程中，还需要注意以下几点：

（1）超前预报人员需要较为丰富的地质知识和从业经验，这样所获取的超前地质预报结果才更准确，后续的评估结果也相应的更为精确。

（2）评估人员可根据某一工程现场的实际情况对部分指标的权重进行调整，使模型更接近实际情况。

（3）应将现场的实际情况和预测结果经常进行比对，如发现预测结果有偏离情况，则应对模型进行检查调整,以得到更加科学、准确的结论。

（4）积极运用新技术、新方法、新设备，提高超前预报的精度和效率，以此提高预测结果的准确性、可靠性。