隧道穿越富水破碎带涌水突泥风险评估模型研究

毛 永 强，张 子 平，2，袁 青，2，熊 齐 欢，3，陈 世 豪，3

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040； 2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040； 3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430040)

0 引 言

在隧道、硐室施工过程中，穿过溶洞发育的地段，尤其遇到地下暗河系统、含水泥沙砾层、富水破碎带时，易发生突然大量涌水突泥现象，它对矿山、隧道等地下工程的施工危害极大。隧道穿越富水破碎带的涌水突泥灾害问题也是隧道工程地质灾害的重点问题。涌水突泥灾害发生突然、危害较大，易造成人员伤亡、经济损失。若隧道通过区域工程地质条件复杂，水源补给量充足，则呈现出巨大的破坏性。首先突水量大，施加了巨大压力；其次，涌水突泥过程中，由于夹带大量的泥沙砾石等，随着隧道的循进开挖，地下水排泄有了新通道，破坏了原有的补径，加速了地下水对岩体的改造作用。

国内外的专家学者对于隧道涌水突泥的风险评价与力学机制问题已取得一定突破。国外学者对隧道等地下工程中的涌水问题进行了大量的研究，并提出了一系列研究方法，如Goodman方法[1]、Heuer分析法[2]及IMS法[3]等。国内常采用模糊综合评价法、层次分析法、神经网络法、加权平均法、可拓理论等方法，对隧道涌水突泥危险性进行建模分析，提出评价体系与判断标准。毛邦燕[4]、许振浩[5]、翁其能等[6]均分析了隧道涌水突泥控制因素与因素权值，得到隧道涌水突泥风险评价模型。张伟杰[7]研究了断层破碎带注浆加固机理，建立了富水断层破碎带涌水突泥地质灾害复合控制注浆治理关键技术体系。杨卓等[8]综合分析了岩溶隧道水文地质条件，运用BP神经网络方法对岩溶隧道突涌水风险进行评估。谭英华[9]研制了大型三维富水断层破碎带隧道模型试验系统，建立了工程预警机制。徐钟等[10]等根据风险控制目标和形成条件划分风险影响因素，明确风险指标要素的分级标准，考虑了影响因素的动态属性。黄鑫[11]将诱发隧道涌水突泥灾害的致灾系统划分为3类11型，提出了一种隧道涌水突泥抗突评判方法RBAM法。张凯等[12]基于可拓理论建立了岩溶区隧道涌水风险的可拓评估模型，通过最大关联度原则确定隧道的涌水风险等级。周宗青等[13]提出了一种改进的属性区间识别方法，包括多指标属性测度计算方法及其对应的属性识别分析方法。

上述方法中模糊综合评价法和层次分析法[14-17]由于专家打分机制与定性定量的问题导致结果不够明确；神经网络法需要大量的参数，不能观察学习过程，输出结果难以解释，会影响到结果的可信度；学习时间过长，甚至可能达不到学习的目的；加权平均法结果偏差波动较大，不利于统计分析；可拓理论中的量值域在工程领域中不好确定。

本文在结合模糊综合评价法和层次分析法的基础上，基于已有研究成果和相关实例确定评价指标和权重信息，根据工程地质因素、水文地质因素、工程施工因素提出了隧道穿越富水破碎带的涌水突泥等级划分标准。结合工程规范和专家评判信息实现了各分项指标的隶属度分配，确定了涌水突泥的风险评价体系；将成果应用于西双版纳隧道玉溪至磨憨铁路工程的涌水突泥风险评估，较好地预测出风险等级情况，并针对具体工况提出安全度改善措施，提高了隧道监测水平和超前预报能力。

1 隧道穿越富水破碎带涌水突泥风险评价模型

1.1 模糊层次分析法原理

模糊层次分析法是一种结合模糊综合评价法和层次分析法的评价分析方法。明确分析问题的指标和评价等级分级后，通过定性定量的方法来对确定的评价指标进行权重分配，得到权重向量，基于专家评分和客观因素评判后计算各子级指标的隶属度评价体系。根据实际情况中的隶属度条件，配合权重分配，即可得出实际环境所属的评价等级情况。主要步骤如下：

(1)建立层次结构模型，确定评价指标、结果等级；

(2)构造判断矩阵计算各指标权重向量；

(3)层次排序及其一致性检验，证明划分指标的可行性与准确性；

(4)建立隶属度评价等级和结果所属隶属度等级；

(5)根据实际情况带入隶属度和权重分配确定结果。

1.2 层次结构模型

根据相关规范和专家学者的结果分析，在研究大量隧道穿越富水破碎带涌水突泥现场案例的基础上，提出图1所示的层次结构模型。即将评价体系划分为三大主要指标和16个次级指标。

图1 涌水突泥层次结构模型

考虑模型整体指标建立结果和相关规范指南的要求，将隧道穿越富水破碎带涌水突泥的风险等级划分为4个级别(见表1)。

表1 涌水突泥风险等级划分

1.3 权重确定及其一致性检验

作为该风险评估模型的3项主要指标，工程地质、水文地质和隧道施工对于隧道穿越富水破碎带发生涌水突泥灾害均有重要影响，但工程地质与水文地质对于工程的影响更为深远，复杂多变的不良地质条件是引发隧道涌水突泥风险的决定因素。

在总结诸多类似工程经验，参考相关规范并借鉴行业内专家建议的基础上，提出了各级指标的判断矩阵以得到权重占比。

(1)一级判断矩阵A-B：

(2)二级判断矩阵。首先构建B1-C判断矩阵：

计算可以得到CI=0.027 9，CR=0.019 8<0.1，该判断矩阵通过一致性检验。最大特征值λ=8.195 1，最大特征向量W1即为权重，W1=[0.325 6 0.162 6 0.122 9 0.042 1 0.182 6 0.041 0 0.070 0 0.053 2]。

再构建B2-C判断矩阵：

计算可以得到CI=0.015 3，CR=0.017 0<0.1，该判断矩阵通过一致性检验。最大特征值λ=4.045 8，最大特征向量W2即为权重，W2=[0.459 8 0.200 9 0.119 4 0.219 8]。

最后构建B3-C判断矩阵，通过对各规范进行总结分析提出判断矩阵

计算可以得到CI=0.083 0，CR=0.092 2<0.1，该判断矩阵通过一致性检验。最大特征值λ=4.248 9，最大特征向量W3即为权重，W3=[0.507 5 0.249 8 0.085 8 0.156 9]

1.4 隶属度等级确定

根据现有的规范标准中对于各项指标的范围划分以及模糊隶属函数确定方法中的梯形分布方法来对各项指标进行隶属度的界定。梯形分布计算主要为

式中：a，b，c，d分别为评价因素相对应级别上、中、下限值。

1.4.1工程地质隶属度等级确定

(1)不良地质情况隶属度。作为富水破碎带涌水突泥风险的决定性因素，不良地质的存在与数量问题对隧道施工的安全管控具有重大影响，也是工程地质因素中权重最大的指标。由于不良地质情况常常没有具体的数值界定体系，可通过标准规范[18-20]等规定的分类情况予以确定隶属度。根据4个风险等级，将不良地质分为4种情况并确定其对应的隶属度(见表2)。

表2 不良地质情况分级

在不良地质多发区域，富水断层、岩溶、储水断裂带、高山峡谷、洼地等汇水构造往往是大气降水和地表径流的汇集区域，大量地表水转入地下，补给地下水，提高了地下水位，是引起隧道涌水突泥灾害的重要因素之一。隧道施工中所遭遇的大中型涌水突泥现象都与暗河、水泥充填溶洞、储水导水构造、岩溶管道等不良地质有关。

(2)地层岩性隶属度。不同的地层岩性，引发隧道涌水突泥灾害的类型有所不同，岩层的透水性、可溶性和风化程度对是否发生涌水突泥影响巨大。在石灰岩、白云岩等碳酸盐岩岩层中，如果伴有构造裂隙，风化程度较高，充填介质往往以碎石角砾为主，具有较强的透水导水性，容易形成富水断层，开挖施工揭露后会引起突涌水灾害。而在泥质软岩等亲水岩层中，充填介质以黏土类矿物的断层泥为主，风化程度越高的断层泥强度越低，遇水发生软化，在地下水压力作用下发生流动，对隧道施工安全威胁极大，是造成涌水突泥的重要来源。

根据岩层的透水性、岩溶性和风化程度将地层岩性分级并确定其对应的隶属度(见表3)。

表3 地层岩性情况分级

(3)地形地貌隶属度。地形地貌特征与隧道涌水突泥灾害发生有密切联系。岩溶地区、落水洞、洼地等集水构造往往是大气降水和地表径流的汇集区域，大量地表水转入地下，补给地下水。地表不同集水构造、岩溶地貌发育程度使得储水汇流有极大的差别，影响着地下水向隧道储集与运移的水量。集水量与各处地表汇水面积有关，也即地表出露封闭负地形面积，汇水面积很大程度上决定了地下系统的补给水量，反映出地下富水带不良地质和岩溶水的赋存特征。

地形地貌情况可采取定性定量相结合的方式进行分级，通过地表出路封闭负地形面积占比进行量级划分，结合集水能力强弱，将地形地貌情况分级并确定其对应的隶属度(见表4)。

表4 地形地貌情况分级

(4)岩体质量与完整性隶属度。围岩质量及其完整性特征对隧道涌水突泥是否发生也有一定影响。围岩的自稳性对不良地质的发生有反向促进作用，围岩完整无填充、质量高、体积节理数少，裂隙不发育，则抗变形能力强，施工扰动变形小，一般不易发生涌水突泥等灾害。围岩强度低、结构破碎、节理裂隙发育则易失稳发生变形，施工扰动影响大，特别是断层破碎带、夹泥层等软弱地质体在地下水作用下，易发生失稳破坏，施工不加注意即造成突水突泥等灾害。

依据相关规范，以岩石质量指标BQ和围岩级别进行等级划分(见表5)。

表5 岩体质量与完整性情况分级

(5)断裂破碎带宽度隶属度。断裂破碎带是岩体中具有一定宽度和延伸长度的破碎条带地段，会使岩体丧失连续性和完整性，对涌水突泥灾害的发生有较大影响。作为一个强度低、透水性大、抗水性差的存在，断裂破碎带通常导致两侧岩体在物理力学特性上具有显著的差异，并且由于勘察设计和地质预报的不准确，其引发的地质灾害往往具有突发性。规模较大的断裂带常为多期活动，地下工程在这种地段通过时，常发生严重坍方、冒顶、涌水。断层破碎带厚度越大，越容易产生不利影响。

根据隧道围岩中主要断裂破碎带的最大宽度对此进行分级并确定对应的隶属度(见表6)。

表6 断裂破碎带宽度情况分级

(6)层间裂隙隶属度。层间裂隙发育程度影响地下水活动与径流情况，从而造成岩溶发育形态与程度差异，进而引发涌水灾害。裂隙发育带渗透性强，地下水较活跃，促使裂隙不断扩张，加速水循环，从而导致岩溶发育程度较强；层间裂隙弱发育或不发育地层内，多数地段岩溶发育程度低。

故以层间裂隙的长度、对于岩溶地层的影响为依据进行等级划分并确定隶属度(见表7)。

表7 层间裂隙情况分级

(7)褶皱构造隶属度。岩层产状是岩溶发育和地下水流动性的重要影响因素之一，岩层具有各向异渗透性。水平岩层渗透条件差，岩溶发育较弱；直立岩层地表汇水面积小，水循环较弱，岩溶发育亦较弱。最有利于岩溶发育的岩层产状是倾角25°～65°的褶皱翼部。可溶岩中褶皱形成时所受的构造作用力越强，核部地层相对翼部地层裂隙也愈发育，富水性愈好，隧道穿越时发生涌水灾害的几率和危险性级别越高。

根据倾角大小和所处区域将褶皱构造情况分为4个等级并确定其对应的隶属度(见表8)。

表8 褶皱构造情况分级

(8)岩石结构隶属度。岩石的结构差异是岩溶发育的物质基础，造成了地下水的富集各异。岩石结构控制了岩石中原始孔隙的分布类型及孔隙度大小，从而对岩石溶蚀性有显著影响。碳酸盐岩不等粒结构比等粒结构的相对溶解度大，溶蚀指标大小的依次关系为泥晶>亮晶>粉晶>微晶。

根据晶粒大小情况进行分级并确定对应的隶属度(见表9)。

表9 岩石结构情况分级

1.4.2水文地质隶属度等级确定

(1)地下水含量隶属度。地下水含量是隧道穿越富水破碎带发生涌水突泥风险最重要的因素之一，地下水含量越大，围岩软化作用越剧烈，稳定性越差。地下水以孔隙水、裂隙水、岩溶水3种形式存在，具有较强的致灾能力，能够分割岩层中的节理裂隙，减小岩体的抗剪强度，进而制造更多的破碎岩体。

根据地下水赋存程度和每10 m洞长出水量进行分级并确定对应的隶属度(见表10)。

表10 地下水含量情况分级

(2)水压力隶属度。地下水对围岩的作用力主要包括静水压力和动水压力。地下水处于不同水位分带时，具有不同的致灾特性，通常水位较高的区域水压力也随之增大，易造成涌水灾害。高位水压力，是造成围岩破坏，引起隧道涌水突泥的重要作用力。当断层富水但水压力较低时，隧道开挖后，虽有少量涌水，但难以造成重大的涌水突泥灾害。

以水压力和地下水位情况进行分级并确定对应的隶属度(见表11)。

表11 水压力情况分级

(3)环境温度隶属度。环境温度会改变富水破碎地层的水量补给，从而给隧道施工带来较大影响。常年气温低于0 ℃的高寒隧道，会由于冰冻水体的融化产生大量积水，导致进洞易发生滑塌、涌水现象。而气温高于40 ℃的高地温隧道在恶化施工作业环境，威胁人员健康安全的同时会增加围岩的渗透性，降低稳定性，当开挖至富水断层时，在地应力和水压力的综合作用下，易造成破碎带渗透失稳，引发涌水突泥风险。

由此参考大气温度分级标准和大多数工程环境温度信息，给出表12所示的分级。

表12 环境温度情况分级

(4)降水量影响隶属度。降水量多少也是引起隧道涌水突泥的重要因素。雨季降水量较大，提升了隧道围岩压力，加强了地下水的运移和储藏作用。降水量大的持续降水，会通过裂隙、断层等渗入地下，补充地下水，提高地下水位线。丰富的地下水和较高的地下水压力会降低围岩的稳定性，为隧道安全施工带来巨大威胁。

根据日均降水量对此进行分级并确定隶属度(见表13)。

表13 降水量情况分级

1.4.3工程施工隶属度等级确定

(1)超前地质预报隶属度。基于超前地质预报的地质详勘是预防涌水突泥灾害的重要步骤。如果因为未施作超前地质预报或监测方案不合理、数据解译准确度低而未能对地层进行详细勘查，未提前探明断层、溶洞等灾害源，继而未能正确指导设计和施工，会导致原设计的支护体系不足以维持围岩的稳定性，发生失稳破坏，为后续地质灾害埋下隐患。

以超前水平钻孔数值界定体系，包含地质雷达、TSP等方法的分级情况予以确定隶属度，分级结果如表14所示。

表14 超前地质预报情况分级

(2)监控量测隶属度。监控量测是对隧道施工中地质结构变形、稳定状态和环境动态的周期观测工作，可为涌水突泥灾害防治提供重要的前兆信息。通过对灾变前兆的揭露，反映富水岩溶体或断层破碎带发生涌水突泥时的特征信息。如果施工过程未进行监控量测或监测方案不合理，会导致灾变发生时无法实时记录，继而使涌水突泥灾害持续恶化，引发工程事故。

对观察量测工作进行分级评价，分级结果如表15所示。

表15 监控量测情况分级

(3)开挖支护隶属度。开挖和支护是隧道施工的关键工序，合理的施工方案一定程度上可以减少涌水突泥灾害风险。当隧道开挖至富水断层破碎带时，如果循尺过大或未设置合理的支护结构会导致预留的安全厚度不足，诱发围岩发生变形与裂隙扩展，形成涌水突泥通道。

根据现场实际的开挖循进情况和支护手段进行分级和隶属度分配，分级结果如表16所示。

表16 开挖支护情况分级

(4)地下水处理隶属度。地下水是隧道涌水突泥灾害的重要诱因，处理好地下排水有助于从源头减少灾变的发生。地下水的流动性和渗透性较强，能够深入隧道结构内，对其安全和稳定性造成损害，严重时引发突涌水灾变。合理的疏导排水措施可以帮助减少灾变发生的可能性，每日疏水流量则是衡量排水处理的有效指标。

通过标准规范及相关实际案例中的地下水处理、排水控制分类情况确定隶属度，分级结果如表17所示。

表17 地下水处理情况分级

1.5 单一隶属度评价分析

经过大量案例实际分析，以及上述各评价指标权重和隶属度的分配分级，以单一隶属度分级作为实际案例中某个因素代表的评价等级情况，将每一个因素的评价等级确定，与其所对应的权重相乘，即得到最后的案例实际评价向量，确定最终实际案例的风险等级，做出相对应的调整措施。

单一隶属度表示根据某一因素的具体情况划分对应的风险等级隶属度因子，如表18所示。

表18 单一隶属度风险等级评价

基于实际地质勘查和隶属度等级评价可以得到所有C级指标因子的评价矩阵。对应C级评价矩阵乘各二级权重再乘一级权重即得到最后的总体评价矩阵：

记C级指标的评价矩阵分别为C1-C16，则最后结果为

(2)

得到R为四维向量，根据数值大小比较此工况下的评价风险等级情况。

2 工程实例应用

2.1 工程概况

西双版纳隧道玉溪至磨憨铁路工程测区长度6 000多米，Ⅳ级围岩占总长的53.2%，Ⅴ级围岩占隧道总长的25.7%。不良地质信息为断裂带、滑坡、高地应力、高地温等，区内构造复杂、地层变动、岩浆活动、断裂发育。受区域构造影响，发育3条断层、1个背斜，地层岩性以第四系粉质黏土和泥灰岩为主，岩溶有一定发育。属低中山地貌，地面高程580～1 325 m，相对高差20～750 m，自然横坡5°～40°，局部较陡。丘坡上覆土层较薄，基岩部分裸露，沟槽等低洼地带覆土较厚。断层破碎带宽度5 m左右，层间裂隙发育为中等裂隙。岩石结构为泥晶结构。

水文地质方面，流量受季节控制明显，雨季水量较大，地下较含水，洞身地表季节性沟水对隧道区基岩裂隙水及断层水的补给作用明显，易引发隧道涌水突泥，水压力约0.3 MPa，受高地温影响工作环境温度较高，洞内年平均气温在31 ℃左右，湿润多雨，雨季一般持续6个月且降雨量较大。

超前地质预报采取TSP、HSP、红外探水仪器、地质雷达、水平钻机同步实施；监控量测采用全站仪、应力应变监测传感器等装置；建立了超前支护、初期支护及二衬结构，循进速度较慢；排水采取有效控制。

2.2 评价结果

将工程概况中的具体情况，对应上述隶属度模型中的具体分级得到16个C级权重因子的隶属度情况，如表19所示。

表19 C级权重因子隶属度

由此得到C级权重因子的评价矩阵：

据此得到C级指标评价矩阵与二级权重的加乘结果为

(3)

故根据公式(2)，最后的评价结果为R=[0.1760 0.179 4 0.275 4 0.369 1]，即此隧道标段的涌水突泥风险等级为Ⅳ级，风险很大，需要加强固结和排水处理。实际情况中由于隧道区基岩裂隙水，断层水的补给情况较大，地质条件较差，涌水突泥常常突发且剧烈，符合风险评价结果。

3 结 论

(1)基于模糊综合评价法和层次分析法建立了隧道穿越富水破碎带的涌水突泥评价模型，提出了以不良地质条件、地层岩性、地下水含量等16个指标的评价体系，根据相关规范案例设定定量参照，专家打分等为定性参照确定各评价指标权重和隶属度，以此计算分析风险评价等级。

(2)权重结果表明，工程地质和水文地质的天然条件对隧道涌水突泥风险影响最大，而不良地质体、断裂带的富水性等因素更是作用显著。施工过程中可针对这些问题进行重点处理。经过测试，该模型能较全面地预测涌水突泥风险等级，为施工的提前防护和风险处理提供参考，针对具体工况提出安全措施，提高隧道监测水平和超前预报能力。