隧道断层破碎带围岩大变形的模糊层次综合评价

杨 奎，毛金龙，刘永恒

(苏交科集团股份有限公司，南京 210000)

围岩大变形是隧道在复杂地质环境条件下的一种变形破坏现象，在施工中比较常见。围岩变形过大，不仅会引发侵限或二衬厚度不足等问题，极端情况下甚至可能导致塌方，严重危及现场施工人员的生命安全，同时对施工工期和工程费用产生较大的负面影响。因此，施工过程中有必要对隧道围岩的大变形情况进行综合评价。

针对隧道施工过程中存在的风险及其评估方法，已有众多专家学者进行了大量的研究。路美丽等[1]对隧道与地下工程的多种风险评估方法进行了研究总结；周建昆等[2]利用事故树理论对岩石公路隧道塌方风险进行定量分析，确定了各因素的发生概率及其影响权重；陈洁金等[3]利用模糊层次分析法对青山岗隧道等山岭隧道塌方事故的影响因素进行了分析，统计得到了各影响因素与塌方概率和塌方量之间的隶属关系；许振浩等[4]基于层次分析法，对岩溶隧道突水突泥风险的影响因素及其权值进行了分析；王峥峥等[5]利用层次分析法和隶属函数法对山岭隧道洞口的震害因素进行了模糊综合评价；臧万军等[6]在调研山岭隧道洞身震害规律的基础上，对地震风险的多个影响因素进行了模糊综合评价分析；王頠等[7]利用改进模糊评价方法对隧道的总体风险进行了分析；袁永才等[8]运用突变理论模型对红岩寺隧道的塌方风险进行了定量分析。影响隧道围岩大变形的因素较多，且各因素之间相互制约，难以定量描述，因此，上述研究虽然取得了一定的成果，却仍有其局限性。本文结合河南省三门峡市韶峰隧道断层破碎带围岩大变形综合评价实例，将模糊数学理论及层次分析法结合起来，建立了相应的指标体系，同时对评价结果的最大隶属度原则进行优化，有效地减小了人为因素的干扰，提高了评估的准确性。

1 工程概况

韶峰隧道为双向四车道高速公路标准，设计速度80 km/h，隧道长3 100 m，断面宽度为11.1～13.85 m。隧址区属山岭地貌，地形起伏较大，地貌单元属中低山区，隧道地面高程760～1 140 m，埋深150～340 m，山体自然坡度为30°～85°，地表植被良好。

隧址区内地层主要由上元古界青白口系崔庄组(Z3c)紫红色砂质页岩、北大尖组(Z2bd) 灰绿色石英砂岩、白草坪组(Z2b)灰白色砂质页岩和云梦山组(Z2y) 紫红色石英砂岩等岩层组成，岩层近水平状，岩石风化程度为强风化～中风化，岩体节理裂隙较发育，岩心单轴饱和抗压强度为20～60 MPa。地下水补给为大气降水，主要为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。隧址区坡头断层位于韶峰隧道进口北约300 m左右，走向与隧道近垂直。断层走向NE45°，倾向NW，倾角为70°，断距为500～800 m，地貌类型以断层崖出现。

隧道内轮廓采用三心圆曲边墙结构，拱部及边墙采用R=555 cm单心圆，仰拱采用R=1 300 cm圆弧，仰拱与侧墙间采用R=150 cm小半径圆弧连接，路面以上净空面积为65.60 m2。设计标高点至拱顶高度为7.1 m，内轮廓总宽11.1 m。具体如图1所示。

图1 韶峰隧道内轮廓设计(单位：cm)

2 隧道大变形的影响因素

隧道围岩大变形是因开挖引起了隧道围岩应力场的重新分布，围岩应力超过岩体的屈服强度进而达到塑性变形。此种情况下，围岩自成拱能力减弱，若变形得不到及时约束会形成塑性破坏，进一步发展可能对衬砌结构形成破坏甚至导致塌方。

(1) 地质因素

隧道施工过程中，往往会遇到软弱围岩，如变质砂岩、板岩、页岩、泥岩等。此类围岩含泥量较大，遇水易软化或发生膨胀，大大降低了岩体的抗压强度。同时，软弱岩石强度低，其围岩等级随工程条件和环境影响的变化较大，易发生较大变形。

(2) 水文因素

地下水对岩体强度的影响较大，其作用于岩体的裂隙面会影响其有效结合应力，降低岩体的稳定性，甚至引发剪切破坏。而且，当岩体含有蒙脱石、高岭石或水云母类矿物成分时，遇水会发生膨胀。因此，水文因素往往是隧道围岩大变形的重要影响因素。

(3) 勘察设计因素

地质勘察工作是隧道工程设计的前提和基础，主要是为了查明隧址区地层岩性、地质构造及有无不良地质等问题，地质勘察工作不到位将会影响到设计施工方案的可靠性。

(4) 施工因素

隧道围岩大变形的设计和控制方法已渐趋成熟，故施工操作不规范是引发隧道大变形的常见因素。施工单位为了赶进度、增效益，往往忽视技术和管理等方面的控制，造成施工操作不规范，如选择不合适的施工技术、支护不及时牢靠、无有效的超前支护等，都会引发隧道围岩大变形，若处置不及时甚至会导致塌方等严重事故。

3 风险源重要度分析

引发隧道围岩大变形的因素有很多，如工程地质条件、地下水、应力条件和设计施工等。此处基于韶峰隧道工程地质及水文地质特点，并结合风险源专家调查表及其他工程案例，建立韶峰隧道断层破碎带的大变形风险源层次结构，其中，该设计标准下断面微小变化造成的影响不作为风险源考虑。隧道断层破碎带围岩大变形风险源层次如图2所示，其中，B层各元素相对于目标A的判断矩阵如表1所示。

图2 隧道断层破碎带围岩大变形风险源层次

AB1B2B3B4B5B112556B21/21445B31/51/4122B41/51/41/211B51/61/51/211

经计算，可得判断矩阵λmax=5.089 8，B层各元素的权重为：

同时，一致性指标CI=(λmax-n)/(n-1)=(5.089 8-5)/(5-1)=0.022 5；一次性比率CR=CI/RI=0.093 4/1.42=0.015 8<0.1，满足一致性检验标准。

综上可知，隧道断层破碎带塌方风险源重要度排序为：软岩、破碎带>地表水下渗、断层裂隙水>监控量测超前地质预报>台阶分部法开挖>超前小导管支护。

4 模糊综合评价法

模糊综合评价法是对多种因素所影响的事物或现象进行总评价，是一种以模糊性推理为主，定性和定量相结合，精确和非精确相统一的分析评价方法[3]。其基本思路是根据影响因素对评价目标进行分解，形成不同层次的指标，然后对各指标的权重进行赋值，最后对总体构造的评价模型进行分析计算，得到评价值后进行排序和形成评价结论。

首先，建立评价对象和指标，即确定影响因素、评价标准及权重系数后建立评估矩阵，再运用模糊集合变化原理建立关系矩阵，基于模糊向量和计算因子进行矩阵关系运算，从而进一步确定评价对象的可靠性。具体步骤如下：

① 综合分析评估目标，建立评价对象及指标体系

P个评价指标，u={u1,u2,……,up}。

② 建立层评估矩阵

v={v1,v2,……,vp}，即层集合，每层可对应一个子集。

③ 建立关系矩阵

建立各层次模糊子集，对评价目标按各因素ui(i=1,2,……,p)进行量化，确定模糊子集对各因素的隶属关系(R|ui)，得到隶属关系矩阵如下：

(1)

式中，rij为被评目标从因子ui对vj层模糊子集的隶属关系。

④ 权重的确定

确定权向量A=(a1,a2,……,ap)，其中，各元素ai是因素ui对模糊子集的隶属关系。可采用层次分析法确定权重系数，然后按重要性分级，从而确定权重，同时进行归一化处理。

⑤ 合成模糊综合评价结果向量

将向量A与向量R通过合适的计算因子进行合成，得到被评价目标的模糊综合评价结果向量B。即：

(2)

⑥ 模糊综合评价结果分析

在结果分析中以往常采用取最大值、最小值及最大隶属度原则，但其适用条件有限，有时会出现自相矛盾的结果。本文对取值原则进行优化，引入加权平均法确定相互隶属关系，进一步确定评价结果，并对评价目标的重要性进行排序。

传统观念认为，矿业开发必然逾越“生态红线”，带来环境污染和生态破坏，二者之间的对立性大于统一性。要想开采矿产资源，不可避免的打破生态平衡；要想保持生态完整性，必须禁止矿业开发。随着生态文明建设的持续深入和绿色发展理念的逐渐推广，我国矿业发展理念和发展方式也在悄然改变。绿色矿业是现代化矿业的核心要义，是未来矿业转型升级的必由之路和建设矿业强国的有力支撑[2]。建设绿色矿山、发展绿色矿业可以带来生态效益和矿业开发“共赢”的局面。

5 风险等级模糊综合评价

根据对韶峰隧道围岩大变形风险的分段分析可知，隧道在断层破碎带发生大变形事故的危险性较大，以下利用模糊综合评价法对断层破碎带进行风险等级评估，并给出相应的评价等级。为保证围岩大变形影响因素分析层次和指标体系的完整性及合理性，在评估前邀请具有十年以上隧道设计施工经验的专家对其进行确认，然后利用层次分析法进一步确定各级指标的权重，如表2所示。

表2 模糊评价指标权重

5.1 一级评价

① 岩性因素

(3)

② 工程地质因素

(4)

③ 水文地质因素

(5)

④ 施工设计因素

(6)

5.2 二级评价

将一级评价结果组成二级评价判断矩阵R，该断层总体二级评价判断矩阵：

(7)

(8)

5.3 评价准则的建立

将断层破碎带总体评价结果模糊向量单值化，该段总体评价值F=1×0.033 1+2×0.169 7+3×0.381 8+4×0.415 4=3.179 5。隧道总体评价等级如表3所示。

表3 隧道总体评价等级

6 结语

关系矩阵中权重因子多由专家调查后根据经验确定，受人为因素的影响较大，严重时将导致评价结果出现偏差，且在对评价结果的分析中，最大隶属度原则的适用范围也存在较为明显的不足之处。本文首先对专家前期的调查结果进行分析，再结合层次综合评价法来确定判断矩阵的权重，以进一步降低人为干扰，提高准确性，同时，对评价结果的取值原则进行优化，引入加权平均法确定相互隶属关系，进一步确定评价结果，并对评价目标的重要性进行排序。

综上，复杂地质条件下，边界条件模糊性较强，影响隧道围岩大变形的因素较多，故模糊综合评价法须考虑的影响指标较多，以往常采用取大值、取小值的做法，但其对于指标相近的情况却难以区分，导致评价难以识别。本文采用模糊数学理论及层次分析法确定隧道断层破碎带围岩大变形评价中的权重系数，取得了不错的应用效果，其建立的模型与实际情况相吻合，可为类似隧道工程不良地质的综合评价提供参考依据。