山东引黄调水工程输水隧洞开挖稳定性评价

常玉会

（聊城市东昌府区水利局，山东 聊城 252000）

1 引言

水利工程建设过程中往往需要建设大型输水工程，输水工程建设往往需要穿越山体，在这些区域修建引水工程就需要对山体进行开挖形成引水隧洞[1-2]。隧洞的稳定性是引水工程顺利建设及正常使用的关键，因此，准确分析引水隧洞稳定性是十分必要的。目前，有较多的学者对隧洞稳定性评价进行了研究。数值模拟在隧洞稳定性分析中较为常用，宋中涛[3]采用数值模拟分析铁路隧洞衬砌结构的力学特性；董辉等[4]采用数值模拟方法分析岩溶地区隧洞变形特征。未确知测度是一种常用的评价方法，在水利[5]、地质[6]、电力[7]等行业均有较为广泛的使用。

2 工程概况

山东引黄调水工程位于胶东半岛北部，输水线全长超过300 km，工程建设主要是为了缓解威海、烟台水资源短缺问题，对于改善当地生态环境、促进经济发展具有十分重要的作用。桂山隧洞是输水线路的重要的工程，输水隧洞洞径2.6 m，设计流量为5.8 m3/s，属于圆形有压隧洞。

3 基于未确知测度隧洞开挖稳定性评价

3.1 评价指标体系建立

影响隧洞稳定性的因素主要包括地质、水文、施工3 个方面。其中地质、水文因素是影响隧洞稳定性基本因素，施工因素是影响隧洞稳定性的人为因素，在隧洞建设过程中，也是唯一可控的因素。地质因素主要包括：围岩质量等级、岩层粘聚力、岩体重度3 个因素；水文因素主要包括：地下水腐蚀性(用SO42-含量表示)、地下水位、渗透系数3 个因素；施工因素主要包括轴线偏差、水平偏差、环直偏差、注浆压力4 个因素。评价指标体系见表1。其中，地质、水文因素可通过现场调查和室内试验获取，施工因素主要依据设计方案和施工单位的施工作业水平。

表1 引水隧洞稳定性评价指标体系

3.2 未确知测度方法

3.2.1 未确知测度理论

假设有n 个待评价稳定性的引水隧洞，使用空间向量集R表示，R={R1，R2，R3…，Rn}。有 m 个评价指标影响引水隧洞稳定性：X={X1，X2，X3…，Xm}。Xij代表引水隧洞 Ri的第 j 个评价指标的实测值。则引水隧洞Ri的稳定性等级为：Ri= {Ri1，Ri2，Ri3…，Rim}。Xij的稳定性等级评价向量为：U={C1，C2，C3…，Cp}，设 Ck为第 k 级评价指标且 Ck>Ck+1。若 C1>C2>C3…，>Cp，则{C1，C2，C3…，Cp}为一个有序分割类[8]。

3.2.2 单指标测度评价矩阵

设 μ 为未确知测度，满足 μijk=μ（Xij∈Ck）表示指标 Xij隶属于第k 个评价指标Ck的程度。单指标评价矩阵见下式：

影响引水隧洞各指标的单指标等级划分见表2。

表2 单指标等级划分

3.2.3 多指标测度评价矩阵

设 μijk=μ（Ri∈Ck）表示 Ri属于第 k 级评价指标 Ck的程度。

式中：ωj为指标Xj的权重。

多指标综合评价矩阵为：

3.2.4 置信度识别准则

为了准确评价引水隧洞开挖稳定性等级。假设λ 为置信度，且则可以保证引水隧洞Ri的稳定性等级属于第k0个评价等级Ck0。

3.3 组合赋权

（1）Roughset 理论优化层次分析法

层次分析法在20 世纪70 年代由Satty[9]首次提出，在权重确定的使用中极为常见。使用层次法分析指标权重十分简便，但是在使用过程中受人为因素的影响较大，存在较大的误差。因此，提出使用Roughset 理论[10]改进层次分析法，从而获取更为客观的权重结果。

（2）熵值法

使用熵值法，构建矩阵，减小了赋权过程中人为主观影响。

权重为每个指标的重要程度，表示为wj。

式中：yji为各指标值，p 为指标个数。

（3）评价方法

采用组合赋权的方法，对选取的定性定量指标赋予权重。设层次分析法权重为wi′，熵值法权重为wi″满足距离函数为d（wi′，wi″)，其表达式为：

组合权重为wz：

式中：α，β 为分配系数，满足以下条件：

各指标权重见表3。

表3 引水隧洞稳定性评价指标体系

4 工程应用

4.1 隧洞概况

引黄调水工程桂山隧洞位于烟台贾家，地震基本烈度为Ⅶ度。桂山隧洞入口段整体地形为东南高西北低，基岩为片麻花岗岩，在长期的侵蚀、风化、地质构造活动影响下，入口段基岩风化等级为强风化，岩体裂隙极为发育，强度低。根据现场勘探调查，基岩包括全风化、强风化、中风化3 种风化程度，围岩等级主要为Ⅲ类，局部受构造活动影响较为强烈的区域围岩等级为Ⅴ类，出口段基岩仍为强风化，围岩强度极低，围岩等级为Ⅴ类。洞身段岩性主要为中风化花岗岩，岩体完整性较差，节理、裂隙较发育，在施工过程中存在用水风险。

根据设计结果，隧洞开挖直径为2.6 m，为圆形，隧洞总钻进长度为1.6 km，采用钻爆施工，在断层破碎带和岩体结构面极发育的区域，施工过程中严格遵照新奥法的技术要求。为了保证隧洞施工时间，选择两端同时开始作业，在施工过程中，对围岩破碎区域采取超前支护，以保证施工顺利。为了确保工程施工精度，建立三级导线测量、复核系统，采用光电测量设备进行量测。

4.2 评价结果

根据室内试验和现场调查结果，桂山隧洞各评价指标取值见表4。

表4 参数取值

经过分析，山东引黄调水工程桂山引水隧洞的稳定性等级为Ⅱ级，属于基本稳定状态。

5 结论

通过收集资料，选取地质、水文、施工等3 个方面共10个因素作为引水隧洞稳定性评价的指标，利用组合赋权的方法获取各个评价指标的客观权重，围岩质量等级、岩层粘聚力以及注浆压力是影响引水隧洞稳定性的主要因素，结合未确知测度方法对桂山引水隧洞稳定性进行分析，该隧洞稳定性等级为Ⅱ级。在施工过程中应当严格遵守设计和规范要求，安全施工。