基于层次分析法的综合超前地质预报及应用

陈素敏，王馨霆，袁真秀，左战旗，郁金龙

基于层次分析法的综合超前地质预报及应用

陈素敏，王馨霆，袁真秀，左战旗，郁金龙

（中铁第六勘察设计院集团有限公司隧道设计分公司，天津 300133）

综合超前地质预报是通过不同预报方法，在隧道施工中探明不良地质，降低工程风险的有效技术手段。不同预报手段的有效组合成为综合超前地质预报工作的关键，为了避免预报手段的随意组合、效率低下的问题，结合预报工程的实际情况，采用层次分析法及Yaahp软件进行多层次组合评价，定量化各种预报手段对预报最佳方案的权重，合理选择出以超前钻探为主，地质雷达、地质分析、TSP为辅的综合预报手段组合。经过城市地铁预报工作的实际应用，在应对地质环境复杂多变、环境影响因素较多的隧道预报中，显示了良好的效果。

层次分析法；综合超前地质预报；Yaahp软件；判断矩阵；地铁

我国已成为隧道修建规模和难度最大的国家[1]，随着城市的快速发展，地铁建设受到各届政府的重视。在地质环境复杂的城市里，对地铁建设要求更加规范严格。城市地下管线的密集分布、建筑基础多样、地质条件复杂给施工带来严峻挑战[2-4]。勘察工作往往不能准确查明地质灾害的具体位置、规模，为了减少施工的盲目性，避免无法预料的地质灾害的发生，施工的超前地质预报尤为重要。

超前地质预报主要通过地质分析、物探、超前钻探等手段，对隧道开挖工作面前方的围岩情况进行检测，以查明不良地质体的性质、位置、规模等，有效指导现场施工[5-7]。目前，超前地质预报比较成熟的手段主要为地质调查法、地质雷达、TSP、超前钻探、红外探水等手段，不同预报手段具有不同的特点，根据现场施工及环境条件选择最佳方法组合进行综合超前地质预报尤为关键，避免了预报的盲目性[8-10]。以往综合超前地质预报手段主要依赖人为感觉进行选择，往往不能有效地组合，给预报成本、效果带来影响。

根据隧道开挖工程地质情况，结合系统工程方法有针对性地制定隧道超前地质预报方案，并进行定量综合评价，具有重要意义。

层次分析法及模糊综合评价能够科学地进行决策与评价，以解决超前地质预报方法在结构复杂工程中的决策问题。

1 层次分析法

层次分析法（AHP）是由美国运筹学家L.T.Saaty等人在20世纪70年代提出的一种定性定量相结合的多属性决策分析方法[11]。通过比较相关因素对目标的影响，将主观判断用数据表达，以确定多种因素在目标中的权重，并利用构建模糊评判矩阵进行多层次模糊综合评判决策。本次主要通过Yaahp软件进行模型建立及计算。

1.1 层次结构模型的建立

层次模型中，将复杂问题分解为多个元素，元素根据不同性质又分为多组，层次模型中一般分为3类：目标层、准则层、指标层[12]，考虑贵阳地铁超前地质预报方案选择因素及重要性，将目标层设置为贵阳地铁超前地质预报最佳方案。预报过程评价准则层主要从探测准确性1、技术可靠性2及经济合理性3方面考虑。每一准则层又结合实际情况细化为不同的评价指标，层次结构模型见表1。

表1 层次结构模型

1.2 构造判断矩阵

层次结构模型反映了因素之间的关系，需要确定衡量目标层各准则层、指标层及方案层所占权重。层次分析法的核心是基于上层目标对下层因素之间的两两比较，决定下层元素对上层元素的重要程度，即构成多元素比较判断矩阵，如下式为-i判断矩阵形式公式（1）。

式中，-为下层元素和相对于之间的相对重要性；为第个目标和第个目标的相对重要程度；且>0，=1/，=1。

根据层次分析标度一般采用1～9标度法（见表2）。

表2 层次分析法判断标度

相对目标层，对准则层各因素进行两两比较，得到判断矩阵-；相对准则层，对指标层分组进行两两比较，得到判断矩阵1-、2-、3-；同理以指标层为准则，对方案层进行两两比较，得到-、-、-。因此，将得到15组判断矩阵。

1.3 判断矩阵计算方法

根据判断矩阵计算最大特征值与特征向量，一般采用求和法或求根法计算特征值的近似值。

1.4 一致性检验

一致性检验是衡量判断矩阵质量好坏的标准，可以有效避免判断过程中的逻辑错误。通过最大特征根l计算判断矩阵偏离的一致性指标CI：

CI=（l–）/（–1） （4）

式中，为判断矩阵的阶数。

一致性指标CI与同阶平均随机一致性指标RI之比为随机一致性比例CR：

CR=CI/RI （5）

当CR<0.10时，判断矩阵具有满意的一致性，否则需要判断矩阵的比较值，使之通过一致性要求。

2 基于Yaahp的层次分析法计算

Yaahp是一款层次分析法辅助软件，主要集成模型构造、计算及分析于一体，对整个决策过程进行监控，利用该软件绘制层次模型非常直观，结合本地区预报的实际情况，拟选择筛选的探测方法为地质分析法、地质雷达、TSP、红外探水及超前钻探，基于此建立评价模型，如图1所示。

图1 层次结构模型建立

根据已建立的模型，利用1～9标度法进行判断比较，分别建立-，1-、2-、3-，同理建立-（=1～6）、-（=1、2）、-（=1～3）共计15组判断矩阵，见表3～表6。判断矩阵-表示对于总目标1-33个因素的重要程度；1-、2-、3-表示各种分组指标对各准则层的相对重要性比较；-、-、-表示探测方案在相应各指标中的重要性比较。

表3 判断矩阵A-B

表4 判断矩阵B1-C

表5 判断矩阵B2-E

表6 判断矩阵B3-F

同理，比较可以得到-、-、-的判断矩阵。根据yaahp软件，自动计算各判断矩阵的特征向量及最大特征值，见表7。

由此可见，判断矩阵一致性比例CR值均小于0.1，符合一致性要求。

表7 Yaahp计算结果

得到每一层的各元素的权重，依据层次分析模型，自下而上进行对目标层的综合权重进行计算。由表7可得地质分析法1的综合评判结果：

探测准确性：

技术可靠性：

经济合理性：

目标层权重：

同理，可得到地质雷达2、TSP3、红外探水4、超前钻探5对目标层的权重，见表8。

由表8可知，本次预报综合重要性排序依次为超前钻探、地质雷达、地质分析、TSP、红外探测。由于地铁施工中地质条件的复杂性、地下水发育的实际情况，应综合考虑，采取超前钻探、地质雷达、地质分析、TSP等手段组合预报。地质分析有助于把握所测地区的地质背景，有针对性地进行预报；超前钻探对围岩级别及水的判断十分准确，但存在一孔之见的弊端；地质雷达的短距离探测和TSP长距离探测，通过相邻介质的物性差异，有助于宏观把握地质异常位置，但存在多解性的特点；因此在本次预报中，应采用组合预报手段，效果最佳。

表8 方案层对决策目标的排序权重

3 综合预报实例

贵阳地铁某线路区间属岩溶槽谷地貌，区间受褶曲及断裂构造影响。第四纪覆盖层较薄，下伏侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系等地层，岩性主要以灰岩、白云岩为主，次为泥质灰岩、泥质白云岩、砂岩、页岩等，节理裂隙较发育，围岩完整性较差。拟建区间地下水类型主要有：上层滞水、第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水，线路穿越市区河道，地下水补给充分。

地质分析法显示该段以灰岩为主，部分地段夹煤层，由于地下水较发育，初步判断存在岩溶及采空区的可能性，遂重点对该段进行超前地质预报。

采用瑞典MALA-X3M地质雷达对掌子面里程ZDK31+015进行扫描，经过对数据进行去直流漂移、找直达波、增益（energy decay）、去水平信号、带通滤波（bandpass butter worth）、滑动平均等步骤的处理[13]，得到地质雷达剖面图（见图2）。剖面图显示该段振幅较大，物性差别较大；同相轴不连续，且无明显的双曲线特征，说明该段围岩较破碎；频率主要为低频信号，受地下水影响较大，说明预报前方范围内地下水发育，综合分析得出该预报里程ZDK31+016～ZDK31+035围岩较破碎～破碎、节理裂隙发育、地下水发育，在ZDK31+030附近该段存在溶洞或采空区的可能。

图2 地质雷达剖面

TSP（tunnel seismic prediction）采用最新的TSP203Plus仪器，在隧道掌子面附近边墙一定范围内布置激发孔，通过在孔中人工激发地震波以球面波的形式在隧道围岩中传播，当围岩波阻抗发生变化时（例如遇岩溶、断层等），一部分地震波将会被反射回来，另一部分地震波将会继续向前传播[14，15]。通过对原始数据进行放大、能量均衡、滤波等流程的处理。从地震波形记录中拾取纵波波至和横波波至，根据爆炸点与检波器的距离可分别计算各段围岩的纵波速度p和横波速度s。p和s值的大小综合反映了围岩的物理力学性质，根据p和s值可直接计算动力学参数，即计算动弹性模量d、动剪切模量d和泊松比d（见图3）。

根据TSP地震波反射层及物理力学参数成果图可以得出，在里程ZDK31+020～ZDK31+030范围，p和s都有所降低，其中s降低的幅度更大，说明存在流体，这样反映到p/s、泊松比显示升高，表示该范围地下水影响较大；在该段密度降低，说明围岩破碎；杨氏模量的下降表示该段内岩性较软。综合分析，得到该段范围地下水发育，节理裂隙发育，存在夹层或岩溶、采空区的可能。

图3 TSP法反射层位及物理力学参数成果图

通过在掌子面ZDK31+016位置进行超前钻探，发现在ZDK31+026处存在空洞，且出水量较大（见图4）。因此在指导施工过程中，建议开挖后及时锚喷支护，防止岩体失稳坍塌，以确保隧道施工设备及人员的安全，同时做好防水降排工作。经开挖发现在ZDK31+028位置存在煤炭采空区，厚度约为0.7～1.5 m，采空区倾角约40°～50°，呈南北走向横穿整个隧道断面（见图5）。由于预报及时，加强支护，成功发挥了超前预报的功能，为施工顺利实施起到了保障作用。

图4 超前钻探

图5 采空区现场

4 结语

本文以贵阳地铁某线路隧道工程为研究对象，在分析该隧道相关工程地质情况及施工条件的基础上，引入层次分析法建立了多层次综合评价模型，给出了超前地质预报最佳方案，通过逐层次评价后再综合评判使得复杂方案决策得到量化。实际应用该超前地质预报组合，达到了较好的预报效果。

1）引入系统工程学中的层次分析法，利用Yaahp软件建立多层次综合评价模型，根据实际工程情况，建立各指标层的判断矩阵，得到了各层特征向量、最大特征根等数据，并通过了一致性检测。

2）层次分析法将影响决策方案的各影响因素进行多层次分组分析，并赋予各指标因素以权重，通过综合评判计算得到相对预报最佳组合的各方案权重，有效将预报方案进行数学化处理。

3）将层次分析法选择的超前钻探、地质雷达、地质分析及TSP探测组合应用到实际工程地质预报中，取得了良好的实际效果。

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（编辑：郝京红）

Comprehensive Advanced Geological Prediction and Application Based on the Analytic Hierarchy Process

CHEN Sumin, WANG Xinting, YUAN Zhenxiu, ZUO Zhanqi, YU Jinlong

(China Railway Liuyuan Group Co., Ltd., Tianjin300133)

Comprehensive advanced geological prediction is an effective technique to detect bad geological features and reduce engineering risks in tunnel construction through different forecasting methods. The effective combination of different forecasting methods is the key to comprehensive geological prediction. In order to avoid the random combination of forecasting methods and inefficient problems, combined with current developments in forecasting engineering, AHP and Yaahp software were used to evaluate the multi-level combination, quantify the weights of the various forecasting methods to predict the best solution. A comprehensive forecasting combination methods is proposed, which focuses on reasonable selection of advanced drilling, and is aided with geological radar, geological analysis, and TSP, etc. The practical applications of the urban metro forecast are shown in the tunnel forecast for complex and changeable geological environments and other factors.

analytic hierarchy process; comprehensive advanced geological prediction; yaahp software; judgment matrix; metro

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.017

U231

A

1672-6073(2018)05-0086-07

2017-10-29

陈素敏，男，硕士研究生，助理工程师，从事隧道超前地质预报及城市轨道交通勘察工作，610184710@ qq.com