地表积水对隧道安全影响及其发展趋势预测研究

郑建春，高冰月，何 健，孙世国

（1.北京城市系统工程研究中心，北京 100035；2.北方工业大学 土木工程学院，北京 100144）

地下轨道交通是城市交通运营的主要手段之一，但当城市遭遇突降暴雨且排水能力不足的极端天气灾害问题时，地下隧道的安全会受到影响。目前，降雨入渗的主要研究对象为路基、边坡、山岭隧道等[1-7]，针对地表积水问题导致的降雨入渗对隧道的影响研究甚少。在建立评价体系方面，由于层次分析法受主观影响较大[8-9]，而熵权理论在计算中偏客观[10]，故采用改进层次分析和熵权理论分别确定指标主观和客观权重，并采用博弈论计算指标综合权重，对隧道进行安全性评价[11-12]。以北京市丰台区14 号线地铁隧道工程为案例，针对极端天气降雨条件下地铁隧道的安全问题进行研究，探索隧道围岩在不同含水率及地表不同积水深度工况下其围岩应力场演化特点与规律，并基于博弈论对隧道安全进行评价预测，找出相应的应对措施。

1 不同工况下隧道安全数值模拟

1.1 工程地质概况

该区域按照地层沉积年代、成因类型、地层岩性及其物理力学性质对地层进行划分，具体各土层岩性及分布特征划分为：①人工堆积层，主要包含粉土填土层、细砂填土2 层，该地层土厚度1.90～6.80 m，土质不均，工程性质差；②新近沉积层，主要包含粉土层，属中高压缩性土，局部细砂、粉质黏土夹层，含云母、氧化铁；粉质黏土层属中高-高压缩性土；③第四纪沉积层，主要岩性特征包含卵石、圆砾层属低压缩性土，粉质黏土层属中压缩性土，主要以卵石层属低压缩性土为主。

1.2 数值模拟分析模型建立与参数选取

数值模拟模型尺寸为x 方向100 m、y 方向50 m、z 方向隧道埋深为13.8 m，隧道高7.7 m、隧道下方土体取25 m，模型累计划分277 127 个单元。按Mohr—Coulomb 破坏准则。边界设计 x 方向、y 方向和z 方向底部为约束边界。隧道衬砌结构简化设计为不透水结构，计算模型如图1。根据地勘报告中地层分布及参数，主要力学参数见表1。

图1 模型单元划分Fig.1 Model unit division

1.3 隧道竖向应力演化特点

1.3.1 降雨工况

考虑到城市排水能力不足的问题，雨水会存积在地表，导致地铁上覆土体积水。随着降雨时间的增加，土体含水率逐渐升高。土体在不同含水率的条件下强度值产生变化，当土样中含水率增加时，有效应力由于孔隙水压的影响而降低，土体抗剪强度减弱，土的黏聚力及内摩擦角随之减小。通过模拟降雨入渗土体含水率的增加，分析不同降雨情况下地铁隧道结构的安全稳定性。根据降雨持续时间的增长过程，设置了土体含水率从10%增加至30%的工况模拟真实降雨入渗的情况。城市强降雨带来的影响除了隧道上覆土的含水率增加，同时伴随着城市排水能力不足引起的土体表面积水，设计积水深度分别为 0.5、1.0、1.5、2 m 4 种工况下模拟研究隧道安全状态演化特点。

表1 各地层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of each layer

1.3.2 不同工况下的隧道竖向应力

在含水率由10%增加至30%的过程中，隧道拱顶处竖向应力呈现先稳定后增加的变化规律，竖向应力增加了0.006 MPa，增加了1%；隧道拱肩处竖向应力呈现先稳定后减小的变化规律，竖向应力减小了0.002 MPa，减小了0.3%；拱腰和拱底处竖向应力呈现先减小后增加的变化规律，竖向应力分别浮动了0.016 MPa 和0.001 MPa。隧道衬砌结构的应力变化在容许范围之内处于安全状态。

隧道关键位置的竖向应力变化值如图2 和图3。隧道拱顶、拱肩、拱腰和拱底处的竖向应力均随着积水深度的增加而增大。在积水深度由0.5 m 升高至2 m 的过程中，隧道拱顶、拱肩、拱腰、拱底处竖向应力分别增加了 0.047、0.026、0.27、0.027 MPa，分别增大了6.9%、6.1%、5.5%、4.8%。拱顶处的竖向应力增量最大，但没有超出结构容许值，说明隧道是安全的。

2 基于博弈论隧道安全预测及其防控技术

2.1 比较矩阵

采用 3 标度理论建立指标比较矩阵，相比于9标度理论具有操作性强、计算简单，易于主观评价者掌握和有效降低主观因素影响等优点。根据3 标度理论建立的比较矩阵A 为：

图2 不同含水率条件下隧道拱顶竖向压应力Fig.2 Vertical compressive stress of tunnel vault under different moisture contents

图3 不同积水深度条件下隧道拱顶竖向压应力Fig.3 Vertical compressive stress of tunnel vault under different water depth conditions

其中aij表示如下：

2.2 评价体系

建立全面的综合体系是评价结果可靠性的基础，隧道主要受到地质条件和环境条件的影响，这些因素都具有随机性和模糊性的特点，在分析了大量影响因素、咨询相关专家和参考大量文献的基础上,建立的隧道在极端降雨条件下的安全性评价体系如图4。

图4 隧道在极端降雨条件下安全性评价指标体系Fig.4 Safety evaluation index system of tunnel under extreme rainfall conditions

将安全性评价分为5 个等级，分别为极安全、安全、基本安全、不安全和极不安全，不同等级划分见表2。根据所生成的单指标云图可以获得不同隧道指标在不同等级下的单指标确定度，经过计算可得到综合确定度，综合确定度的计算结果见表3。

表2 隧道在极端降雨条件下各类指标等价划分标准Table 2 Equivalent classification criteria of various indexes under extreme rainfall conditions

表3 综合确定度计算结果Table 3 Calculation results of comprehensive determination

根据综合确定度的计算结果和最大隶属度原则，可知3 个隧道的安全性等级分别为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级，与现场实际调查结论完全一致。

3 结 论

1）随着上覆地层含水率的增大，隧道围岩的压应力和拉应力依次增大，但增大幅度不大，对隧道安全性影响不大。

2）一般随地面积水深度增加，隧道围岩应力递增较大，当积水深度达到2 m 时，最大压应力增量增加7%，对隧道薄弱环节的安全产生严重影响，易产生渗水等危害。

3）基于博弈论建立了隧道安全评价方法。传统的层次分析法和熵权理论在确定指标权重的影响较大，导致权值计算结果可靠性低；采用博弈论理论，计算指标综合权值提升了评价结果的可靠性。针对云模型在分析具有随机性与模糊性特点问题具有突出优势，并结合隧道受到多种因素影响的实际案例，从工程地质、环境和工程施工方法3 个方面选取了12 个指标，建立综合评价指标体系，并将该理论评价模型应用到隧道安全性分析，获得了满意的效果，为安全评价提供了一条量化分析新思路。