巖溶隧道突水突泥風險評估研究

導語：巖溶隧道突水突泥風險評估研究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

［摘要］在巖溶區隧道建設的過程中，突水突泥災害頻繁發生，對工程建設造成巨大的安全隱患和經濟損失。以馬口排隧道為工程依托，采用理論分析與工程實際相結合的技術手段，分析了引發突水突泥災害的關鍵性影響因子，并對各影響因子進行二級指標劃分，提出層次分析法與加權平均法相結合的巖溶隧道突水突泥風險評估模型，得到相應結論。

［關鍵詞］加權平均法；層次分析法；巖溶隧道；突水突泥；風險評估

隨著高速公路網逐步建設，在巖溶區修建隧道的現象已屢見不鮮。但因巖溶區工程地質條件復雜，地質勘查難以準確無誤，使突水突泥等地質災害頻繁發生。因此，有必要系統的研究淺埋偏壓巖溶隧道突水突泥的影響因素，并制訂針對性的風險評估模型，以實現災害預測與化解的目的。因此，在數學理論的基礎之上，結合層次分析法與加權平均法建立綜合評價模型，并將模型與工程實際緊密結合。詳細探討馬口排巖溶隧道突水突泥災害的關鍵影響因素，采用加權平均法建立多因素–單一評價體系，通過開挖結果與評價結果相對比，驗證該模型的可行性，能較好地指導施工，以避免突水突泥災害發生，降低施工風險與經濟損失。

1工程概況

1.1隧道線路概況。馬口排隧道設計為小凈距/分離式隧道，雙線四車道，雙洞單向行車。隧道內縱坡為人字坡，左洞縱坡2.4%和–1.00%，變坡點在進洞后約490m處；右洞縱坡2.55%和–0.95%，變坡點在進洞后約515m處。本隧道路面橫坡±2%，無超高路面。1.2地形地貌概況。隧址區為構造溶蝕低山地貌單元區。隧道穿越山體呈南北向延伸，地表植被發育，山體兩側自然斜坡總體呈東陡西緩，山體中發育有槽谷，地形平緩，表層為殘坡積紅粘土覆蓋，巖溶漏斗、巖溶塌陷及落水洞多有分布。隧道進口位于英紅鎮朱屋村，地形為向東傾斜山灣內，相對高差約為270.76m；隧道洞身段為巖溶槽谷，地形相對平緩，走向與山體延伸方向基本一致。隧道出口側自然斜坡總體向西側傾斜。1.3地質條件概況。據隧址區工程地質測繪及鉆孔成果，隧道進、出口地形平緩地段為第四系全新統殘坡積（Q4el+dl）層覆蓋，出露基巖為石炭系下統大塘階石磴子段（C1ds）地層。隧道區所處地層情況為馬口排背斜，背斜軸呈北東南西向，隧道穿越背斜兩翼及軸部，樞紐略有擺動。1.4水文概況隧址區地下水主要以兩種類型存在。第四系土層分布于隧道進、出口自然斜坡及洞身段溶蝕槽谷中，其孔隙水雨季含量較高且變化較大，對表層覆蓋土層穩定性影響較大；碳酸鹽巖類分布廣泛，巖溶水的富集狀況與隧址區的巖溶發育程度關系密切。

2綜合評價總體技術路線

巖溶隧道突水本質上是外部作用破壞了地下水原有的運移網絡或存儲狀態，其影響因素復雜多樣。本文通過加權平均法建立多因素–單一綜合評價指標體系可有效避免上述不利影響，同時該體系比較全面地涵蓋了對隧道突水產生影響的各個因素，又通過融合各因素得到一個定量的綜合評價指標值。其技術路線為：確定突水突泥災害影響因子→建立指標體系→運用層次分析法進行權值分析→關鍵指標分級→構件綜合評價模型→對突水突泥風險進行評估。

3層次分析法指標體系

3.1構建指標體系。關于巖溶隧道突水突泥災害的影響因子多而繁雜，對于評價體系并沒有嚴格的規定與劃分。結合馬口排隧道施工現場遇到的突水突泥災害分析與評價，總結出4類關鍵性影響因子，分別為巖溶發育、地質構造、水文條件以及施工影響。每個類別又下分有二級評價指標。3.2影響因素與權值分析。基于層次分析法對各影響因子進行風險評估權值分析。構造判斷矩陣，計算因素權向量ω，最大特征值λmax，隨機一致性比率CR。3.2.1巖溶發育。巖溶發育類影響因子主要包括圍巖級別及可溶巖成分。對巖溶水的運移具有重要的影響，而圍巖級別的不同也表征了巖溶水運移與存儲條件的變化。通過理論分析與實例統計得：ω=[0.582,0.309,0.109],λmax=3.004,CI=0.002,CR=0.004<0.1，滿足一致性條件。3.2.2地質構造。巖溶發育類影響因子主要包括斷層構造、褶皺及巖層產狀。針對巖石的性質進行分析，若存在原始裂隙，在地表徑流、化學腐蝕的作用下，進一步過大形成溶蝕裂隙，甚至發育成巖溶管道，久而久之形成溶洞。通過理論分析與實例統計得：ω=[0.635,0.197,0.178],λmax=3.124,CI=0.002,CR=0.003<0.1，滿足一致性條件。3.2.3水文地質。巖溶發育類影響因子主要包括匯水面積、地下水位及承壓水壓力。地下水是引發突水突泥災害的主控性因素，而地下水頭是預測突水突泥危害的可能性程度。若隧道底板與水頭有相對距離，而水頭又處于上部，若距離為60m時，風險最大；距離為30m<h<60m時，風險次之；距離為0<h<30m時，突水突泥可能性較低。通過理論分析與實例統計得：ω=[0.531,0.257,0.212],λmax=4.104,CI=0.003,CR=0.004<0.1，滿足一致性條件。3.2.4施工影響施工影響因子主要包括隧道埋深、開挖支護及超前地質預報。隧道施工對巖體的應力平衡及受力狀態影響較大，水力梯度是突水突泥發生的直接性因素。此外，當掌子面與溶洞的相對空間位置改變了水力梯度，極易引發突水突泥災害。對于不同工程、不同情況下，若選取處治措施不當，極有可能造成突水突泥災害。通過理論分析與實例統計得：ω=[0.526,0.198,0.276],λmax=4.021,CI=0.007,CR=0.007<0.1，滿足一致性條件。3.3二級指標綜合評價。針對更為詳細的二級指標進行權值分析，找出關鍵影響指標，為后期評價模型的建立提供基礎。通過理論分析與實例統計：ω=[0.027,0.103,0.114,0.094,0.173,0.027,0.021,0.133,0.034,0.131,0.143],CI=0.008,RI=0.908,CR=0.008<0.1，滿足一致性條件。通過對馬口排隧道影響因素的權值分析可知：巖溶發育所占總比例為13%，其中圍巖等級比重較大；地質構造所占比例為38.1%，相比于其他指標巖層產狀的權重較大達到17.3%，而其他兩個二級指標在所有二級指標中所占的指標也較為突出；水文地質所占比例為18.1%，地下水位對巖溶隧道突水突泥的評估更為突出；工程影響所占比例為30.8%，其中超前地質預報和開挖支護分別占13.1%和14.3%。

4突水突泥關鍵性指標等級劃分

按照工程情況和各評價指標所占的權重，對評價指標進行定性的分析后，建立定量的分級標準。結合各指標對突水突泥災害的關聯性情況，將定量評價數據按十分制劃分成5個等級。結合突水突泥災害危險性情況，將災害等級分為安全、較安全、較危險、危險、極危險5個等級。

5巖溶隧道突水突泥評估模型

5.1評價指標相關系數確定。指標對評價對象的重要程度可以通過指標相關系數進行量化。指標相關系數越大，重要程度越高。通過簡單關聯函數確定指標相關系數，設：式中：rik為物元；vik為第i個影響因子的第k個二級指標xi對應的量值。當待評事物的影響程度越高時，該指標所占的權值也相應越大，取：（3）sj=c1jω1+c2jω2+…+ci–1jωi–1+cijωi（4）式中：sj為巖溶隧道突水危險性綜合評價指標值；cij為評價分值，分別為2,4,6,8,10；ωi為影響因子權重值。將得到的綜合評價指標值sj根據巖溶隧道突水災害危險性評級標準確定該隧道的突水危險性。5.3評定結果及分析。從評價模型對馬口排隧道的突水突泥風險評估結果中選取代表性施工段（左線ZK225+475~ZK225+510段）數據進行分析，根據該段隧道工程的水文地質與工程地質資料，并經專家評議，得到評價指標的分值，并將數據代入式（1）–（3），計算出綜合評價指標值sj=5.49。由此可以判斷馬口排隧道左線ZK225+475~ZK225+510段處于較危險狀態。實際開挖時，左線ZK225+475~ZK225+510段圍巖主要為中等風化灰巖，存在較為明顯的層理結構，裂隙較發育，其中裂隙中存在砂礫，多呈塊狀～裂隙塊狀結構，掌子面圍巖地下水發育，滲水嚴重，多處出現白色析出物或黃泥印記，局部裂隙滲滴水，易發生掌子面掉塊、局部小坍塌等地質災害，有較大突水突泥的可能性。該評價結果與工程實際吻合較好，從而證明了該方法的正確性。

6結論

通過對馬口排隧道的水文地質條件進行探討，分析了引發突水突泥災害的關鍵性影響因子，并對各影響因子進行二級指標劃分，提出層次分析法與加權平均法相結合的巖溶隧道突水突泥風險評估模型，并成功運用于馬口排隧道，其主要結論如下。（1）基于統計與層次分析法甄選出突水突泥災害的4種關鍵性影響因素，并進行二級指標的劃分，建立突水突泥風險評估指標體系，通過權重分析，確定地質構造與工程影響為主控性因素。（2）基于簡單關聯函數理論與加權平均法相結合的技術手段，構建多因素–單一綜合評價模型，該模型解決了多因素評價方法不準確的問題，為突水突泥風險評估提供一種新方法。（3）將構建的評估模型成功運用于馬口排巖溶隧道，評估結果與現場施工情況進行對比，驗證了該風險評估模型的合理性與可行性，對類似工程的評估起到借鑒作用。

作者:李德臣 單位:中鐵十四局集團第二工程有限公司

參考文獻

[1]王德明，張慶松，張霄，等.斷層破碎帶隧道突水突泥災變演化模型試驗研究[J].巖土力學，2016，37（10）：2851–2860.

[2]張會剛，張廣澤，毛邦燕.滬昆客專小高山隧道突水突泥及致災原因探析[J].鐵道工程學報，2016，33（8）：66–70.

[3]李術才，周宗青，李利平，等.巖溶隧道突水風險評價理論與方法及工程應用[J].巖石力學與工程學報，2013，32（9）：1858–1867.

[4]周宗青，李術才，李利平，等.巖溶隧道突涌水危險性評價的屬性識別模型及其工程應用[J].巖土力學，2013，34（3）：881–886.

[5]周毅.隧道充填型管道構造突涌水機理與預測預警及工程應用[D].濟南：山東大學，2015.

[6]原小帥，張慶松，許振浩，等.基于層次分析法的隧道綜合地質預報優化[J].工程地質學報，2011，19（3）：346–351.

[7]李利平，李術才，陳軍，等.基于巖溶突涌水風險評價的隧道施工許可機制及其應用研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30（7）：1345–1355.

[8]王成亮.鐵路隧道巖溶突水災害風險識別與預警方法研究[D].北京：北京交通大學，2015.

[9]鄧雪，李家銘，曾浩健，等.層次分析法權重計算方法分析及其應用研究[J].數學的實踐與認識，2012，42（7）：93–100.

[10]程強強.巖溶隧道涌水注漿加固關鍵技術研究[J].建筑技術，2017，48（3）：230–232.