，　，,1b，，

(1.廣西大學(xué) a.土木建筑工程學(xué)院； b.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，南寧　530004； 2.桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，廣西 桂林　541004；3.中交第四公路工程局有限公司，北京　100022)

1　工程背景

我國可溶巖區(qū)分布范圍較為廣泛，特別是在貴州、廣西、云南3個省份，巖溶區(qū)占地總面積比高達(dá)將近50%[1]。巖溶地區(qū)，巖土體易受到水的影響，加之溶洞分布的存在及其不規(guī)律性[2-3]，在該地區(qū)興建公路隧道工程將會面臨巨大的挑戰(zhàn)。隧道建設(shè)過程中，圍巖分級作為設(shè)計與施工的前期基礎(chǔ)，其作用非常重要，關(guān)系到隧道建設(shè)的成敗?？紤]到巖溶區(qū)的特殊性，圍巖的分級指標(biāo)以及指標(biāo)參數(shù)評估方法需要進(jìn)行進(jìn)一步研究和探索。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對隧道圍巖分級的研究較多，圍巖分級常用指標(biāo)如巖石堅硬程度、巖體完整程度、地下水狀態(tài)和結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等被廣泛地應(yīng)用[4]。巖溶區(qū)圍巖分級方面，我國學(xué)者研究巖溶發(fā)育對隧道穩(wěn)定性的影響，李蒼松等[5]、管洪良[6]、張凱[7]提出了在規(guī)范BQ分級模型的基礎(chǔ)上增加一個巖溶發(fā)育程度修正系數(shù)，以巖溶發(fā)育程度修正系數(shù)為核心的巖溶圍巖分級模型。在分級專家系統(tǒng)軟件方面，王明年等[8]基于數(shù)量化理論分析，在Visual C++6.0開發(fā)平臺上研制圍巖亞級分級軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了圍巖分級的自動化；陳安凡[9]在總結(jié)分析常用圍巖分級方法的基礎(chǔ)上，基于規(guī)則推理，利用Visual Studio開發(fā)平臺，設(shè)計并實現(xiàn)了多種圍巖分級方法組成的公路隧道圍巖分級專家系統(tǒng)。綜上，現(xiàn)階段巖溶區(qū)的圍巖分級研究成果相對較少，相關(guān)的文獻(xiàn)即使分析了巖溶地質(zhì)條件的影響，但考慮因素較單一，不能充分反映巖溶因素對圍巖分級的影響。

本文以廣西巖溶區(qū)在建實際工程為背景，圍巖分級除了采用常用指標(biāo)外，考慮到巖溶區(qū)隧道的特殊性，加入了巖溶發(fā)育等級、巖溶充填介質(zhì)、溶洞大小、溶洞分布位置4個因素的巖溶狀態(tài)指標(biāo)，并提出巖溶狀態(tài)指標(biāo)的分析方法及各指標(biāo)評價系數(shù)評分值轉(zhuǎn)換方法，建立巖溶區(qū)圍巖分級模型，并根據(jù)分級模型，采用MatLab和C++的平臺設(shè)計分級專家系統(tǒng)軟件，結(jié)合廣西瑤寨等3條隧道工程，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家知識庫，最后對軟件進(jìn)行實際檢驗。

2　巖溶區(qū)圍巖分級模型建立

本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)理論對圍巖進(jìn)行分級。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，將圍巖分級的各項指標(biāo)作為模型變量，輸入各參數(shù)后可獲得輸出結(jié)果，此輸出結(jié)果即為圍巖分級的結(jié)果。由于各項指標(biāo)代表意義有所差別，在數(shù)據(jù)模型中輸入變量在進(jìn)行數(shù)據(jù)變換時，不同的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行不同的數(shù)據(jù)變換方法。其中，漸進(jìn)式語言變量用0～1之間的數(shù)值表示，實際變量根據(jù)其意義的差異，數(shù)值體現(xiàn)在0～1之間從小到大保持漸進(jìn)；對于數(shù)值變量，則根據(jù)式(1)進(jìn)行變換。

(1)

為將不同的分級指標(biāo)變換為指標(biāo)之間可以橫向?qū)Ρ鹊慕y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立和計算，以及后期的分級數(shù)據(jù)結(jié)果收集，需進(jìn)行數(shù)值變換。

2.1　巖石堅硬強(qiáng)度

通過定性劃分方法對巖石堅硬程度分為5個等級，定性指標(biāo)參數(shù)可直接進(jìn)行數(shù)值變換。在我國巖體分級標(biāo)準(zhǔn)[10]中，對巖石堅硬強(qiáng)度有定性和定量2種指標(biāo)劃分，定量指標(biāo)采用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc來表示,即

Rc=22.82I0.75s(50)。

(2)

式中Is(50)是巖石點荷載強(qiáng)度指數(shù)。

定量指標(biāo)可通過標(biāo)準(zhǔn)[10]轉(zhuǎn)化為定性指標(biāo)，再由定性指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值變換。模型中巖石堅硬強(qiáng)度指標(biāo)用字母H表示，其評價系數(shù)評分轉(zhuǎn)換值見表1。

表1　巖石堅硬強(qiáng)度H的評價系數(shù)評分值轉(zhuǎn)換

2.2　巖體完整程度

巖體完整程度分為定性指標(biāo)和定量指標(biāo)。完整程度的定量指標(biāo)由3個分項系數(shù)構(gòu)成，分別是巖體完整性系數(shù)Kv、巖體體積節(jié)理數(shù)Jv和巖石質(zhì)量系數(shù)RQD。在分級模型中，3個分項系數(shù)以指標(biāo)Kv為主，如果實際中無法測取時，可采取Jv或者RQD，通過式(3)轉(zhuǎn)化求出Kv,即

Kv=0.089 1RQD-0.045 6。

(3)

式中:Kv為巖體完整性系數(shù)；RQD為巖石質(zhì)量系數(shù)。

當(dāng)選取定性指標(biāo)時，定性指標(biāo)可直接數(shù)值變換；當(dāng)選取定量指標(biāo)時，定量指標(biāo)的3個系數(shù)可轉(zhuǎn)化為Kv值，其不需要進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換。巖體完整程度的評價系數(shù)評分值轉(zhuǎn)換如表2所示。

2.3　地下水狀態(tài)

可定性分為5個等級，通過現(xiàn)場實際觀測和勘察獲?。欢恐笜?biāo)采用水壓力或涌水量判定。根據(jù)文獻(xiàn)[11]給出了定性指標(biāo)和定量指標(biāo)(涌水量)對應(yīng)關(guān)系，本文對地下水狀態(tài)的數(shù)值模型計算，采取對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行計算的方法。地下水狀態(tài)采用字母W表示，評價系數(shù)評分值轉(zhuǎn)換如表3所示。

表2　巖體完整程度Kv的評價系數(shù)評分值轉(zhuǎn)換

表3　地下水狀態(tài)W的歸一化處理

2.4　結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀

根據(jù)RMR分級法和RMQ分級法，其包含的各系數(shù)評價描述中，將結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀定性劃分為5個等級，評價系數(shù)主要是對工程影響的評價，詳細(xì)評分見表4所示。

表4　結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀評價系數(shù)評分

注:*為順向開挖；**逆向開挖

為建立定性指標(biāo)等級與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀評分?jǐn)?shù)值計算通道，定性劃分內(nèi)容從最有利到最不利等5個區(qū)域，對應(yīng)區(qū)域評分詳見表5，用S表示。

表5　結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀S的歸一化變換

2.5　巖溶狀態(tài)

巖溶區(qū)圍巖分級須考慮溶洞、碳酸鹽巖系等因素，因此本文選取巖溶狀態(tài)作為指標(biāo)，其包含著4個子分項，分別為巖溶發(fā)育等級、巖溶充填介質(zhì)、溶洞大小和溶洞分布位置。為分析各子分項所含權(quán)重，本文采用層次分析法分析巖溶影響因素建立3階層因素，綜合考慮巖溶已有研究成果[4]和工程經(jīng)驗，求出對各項因素求取影響巖溶狀態(tài)的權(quán)重系數(shù)。巖溶發(fā)育等級、巖溶充填介質(zhì)、溶洞大小、溶洞分布位置分別為0.45，0.10，0.30，0.15。計算公式為

C=0.45Sv+0.10Kc+0.30Kw+0.15Kp。(4)

式中:C為巖溶狀態(tài)參數(shù)值；Sv為巖溶發(fā)育等級系數(shù)值；Kc為巖溶充填介質(zhì)系數(shù)值；Kw為溶洞大小系數(shù)值；Kp為溶洞分布位置系數(shù)值。

子分項中對巖溶發(fā)育的評價系數(shù)的分析，分為2個步驟：①通過層次分析法計算巖性、地質(zhì)構(gòu)造和水系分布權(quán)重，進(jìn)而確定巖溶發(fā)育等級，見表6所示；②據(jù)文獻(xiàn)[7，12]提出的巖溶發(fā)育等級與隧道安全的對應(yīng)關(guān)系，由此確定巖溶發(fā)育評價系數(shù)值，如表7所示。

表6　巖溶發(fā)育等級定性評價

表7　巖溶發(fā)育等級評價系數(shù)

子分項中對巖溶充填介質(zhì)的評價系數(shù)的分析，是根據(jù)充填種類如(礫)石、黏土、砂土、沉積物等以及其不同的組合進(jìn)行判別，詳細(xì)評價系數(shù)見表8所示。

表8　巖溶充填介質(zhì)Kc評價系數(shù)

子分項中對溶洞大小的評價系數(shù)的分析，根據(jù)文獻(xiàn)[13]對規(guī)模大小的評定規(guī)則，將類別分為小、中、大3個規(guī)模，不同規(guī)模對安全影響程度不一，為此判定評價系數(shù)，詳見表9所示。

表9　溶洞大小Kw評價系數(shù)

子分項中對溶洞分布位置的影響評價分析，通過綜合考慮工程經(jīng)驗及學(xué)者研究[4]，溶洞分布在圍巖頂部會較大地影響穩(wěn)定性，其次為側(cè)部和底部，影響最小的是中部的溶洞。據(jù)此，擬出評價系數(shù)劃分表，見表10所示。

表10　溶洞分布位置Kp評價系數(shù)

獲取4個影響巖溶狀態(tài)因素的評價系數(shù)值后，代入式(4)，可獲取巖溶狀態(tài)指標(biāo)值。

2.6　圍巖級別

同理，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，圍巖級別也將通過數(shù)值轉(zhuǎn)換的方式與以上分級指標(biāo)建立通道，本文采用0和1的向量方式進(jìn)行。規(guī)范中將公路隧道的圍巖分為6個級別，則向量表示方式為6個數(shù)字，各圍巖級別按順序排列，數(shù)字1以及其順位表示當(dāng)前圍巖的級別。如當(dāng)?shù)燃墳镮級時，向量表示為(1，0，0，0，0，0)；當(dāng)?shù)燃墳棰驎r，向量表示為(0，1，0，0，0，0)，以此類推。

3　圍巖分級專家系統(tǒng)軟件開發(fā)與應(yīng)用

3.1　建立專家知識庫

專家知識庫依托工程為廣西區(qū)內(nèi)六宜(六寨—宜州)高速在建的3條隧道。該高速公路長度為179 km，處于巖溶地區(qū)，其所在地區(qū)碳酸鹽巖系分布非常廣，多數(shù)地區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，程度表現(xiàn)不一，溶洞分布廣泛，并且表現(xiàn)出不規(guī)律性，加之周圍為廣西典型的山地丘陵性盆地地貌，四季降雨豐富，地下水系豐富，徑流量大，其地理環(huán)境復(fù)雜程度為廣西區(qū)內(nèi)較為罕見。

選擇處于典型巖溶區(qū)62個掌子面的圍巖勘察數(shù)據(jù)對分級模型進(jìn)行訓(xùn)練，以建立知識庫樣本集。通過樣本訓(xùn)練后，方可保障應(yīng)用階段的適用性和準(zhǔn)確性。

3.2　專家系統(tǒng)軟件開發(fā)流程

專家系統(tǒng)開發(fā)流程見圖1。經(jīng)過需求、概念、結(jié)構(gòu)及規(guī)則的引導(dǎo)下，對軟件系統(tǒng)進(jìn)行描述、設(shè)計和完善，完成從認(rèn)識到測試的5個主要流程，詳見圖1。

圖1　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)開發(fā)流程

3.3　專家系統(tǒng)軟件的功能

專家系統(tǒng)軟件的界面如圖2所示，界面分布格局簡潔，用戶使用時可根據(jù)界面提示一步一步操作。

圖2　系統(tǒng)輸入?yún)?shù)界面

用戶對軟件的操作中，主要使用以下3個功能。

(1)信息交互功能。如圖2所示，在界面上，交互信息可由主界面、菜單欄以及工具欄組成，顯示頁上可引導(dǎo)用戶將實際隧道工程的圍巖分級指標(biāo)輸入至軟件，包括定性和定量指標(biāo)，通過用戶輸入?yún)?shù)，最后軟件會返還輸出值，即圍巖等級。

(2)圍巖級別判定功能。圍巖級別判定功能，由已通過MatLab和C++軟件結(jié)合編碼的內(nèi)置數(shù)值轉(zhuǎn)換，用戶可通過輸入相關(guān)的分級指標(biāo)信息，由界面引導(dǎo)即可進(jìn)行圍巖級別判定。

(3)圍巖分級模型功能。圍巖的分級模型基于神經(jīng)遺傳算法，此功能可由用戶自定軟件內(nèi)置信息，包括神經(jīng)遺傳數(shù)值轉(zhuǎn)換、數(shù)值模型訓(xùn)練算法、調(diào)整種群規(guī)模等，由此可根據(jù)不同工程情況，“自定義”該軟件分級模型，提高軟件對工程的適用程度。

3.4　工程應(yīng)用實例

專家系統(tǒng)軟件通過訓(xùn)練將內(nèi)置參數(shù)調(diào)整完畢后，可進(jìn)行工程應(yīng)用。本文依托廣西靖那高速公路，該公路隧道位于廣西典型巖溶地區(qū)，通過7條不同隧道，隧道大部分區(qū)域受到巖溶影響嚴(yán)重，其地下水分布范圍廣，風(fēng)化裂隙發(fā)育。圍巖狀況表現(xiàn)不一，專家判定等級在Ⅲ—Ⅴ級區(qū)間，其中判定Ⅲ級占多數(shù)。

現(xiàn)以該公路的泗梨隧道掌子面K6+280圍巖分級指標(biāo)數(shù)據(jù)為例，介紹專家系統(tǒng)軟件的使用過程。

首先現(xiàn)場采集掌子面的圍巖數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸入至軟件并得到專家系統(tǒng)判定得圍巖級別，最后與專家現(xiàn)場判定的結(jié)果進(jìn)行對比。K6+280斷面的詳細(xì)資料采集如下所示。

巖層判斷：石灰?guī)r；堅硬程度判斷：較堅硬；風(fēng)化程度判斷：中強(qiáng)風(fēng)化；完整程度判斷：較破碎；地下水狀態(tài)：掌子面潮濕；結(jié)構(gòu)面判斷：間距0.45 m、結(jié)構(gòu)面組數(shù)2組、傾角為65°；巖溶狀態(tài)判斷：右側(cè)斷面發(fā)育小溶洞。

由專家系統(tǒng)軟件計算出K6+280斷面各分級指標(biāo)系數(shù)，如表11所示，最后軟件計算判別圍巖為IV級，結(jié)果與勘察單位判定圍巖等級一致。

表11　K6+280斷面指標(biāo)評分系數(shù)

同理，對該公路隧道的89個掌子面進(jìn)行圍巖等級驗證，結(jié)果見表12所示。軟件判別與專家實際勘察判別一致性達(dá)到80.89%，其工程應(yīng)用效果良好。由于專家系統(tǒng)訓(xùn)練模型與靖那高速公路隧道圍巖的數(shù)據(jù)資料存在一定差異性，圍巖判別存在誤差，可通過對軟件訓(xùn)練模型進(jìn)行內(nèi)置調(diào)整，完善專家系統(tǒng)軟件的源數(shù)據(jù)資料，以提升判別準(zhǔn)確度。

表12　圍巖樣本驗證結(jié)果

續(xù)表12

編號隧道斷面標(biāo)號圍巖等級專家判定軟件判定是否一致27伏內(nèi)2號K16+207Ⅲ偏弱Ⅲ是28伏內(nèi)2號K16+241ⅢⅢ是29伏內(nèi)2號K16+270ⅢⅢ是30伏內(nèi)2號K16+295Ⅲ偏弱Ⅲ是31伏內(nèi)2號K16+320ⅣⅣ是32伏內(nèi)2號K16+344ⅤⅤ是33伏內(nèi)2號K16+364ⅤⅤ是34伏內(nèi)2號K16+388ⅣⅣ是35峒邦KAK25+501ⅢⅣ否36峒邦KAK25+556ⅢⅢ是37峒邦KAK25+591ⅢⅢ是38峒邦KAK25+621ⅢⅣ否39峒邦KAK25+677ⅣⅣ是40峒邦KBK25+555ⅢⅢ是41峒邦KBK25+617ⅢⅢ是42峒邦KBK25+648ⅢⅢ是43峒邦KBK25+697ⅣⅣ是44平愛KAK26+013ⅣⅣ是45平愛KAK26+043Ⅲ偏弱Ⅳ否46平愛KAK26+103ⅢⅢ是47平愛KAK26+125Ⅲ偏弱Ⅲ是48平愛KAK26+166Ⅲ偏弱Ⅲ是49平愛KAK26+186Ⅳ偏弱Ⅴ否50平愛KBK26+036ⅣⅣ是51平愛KBK26+058Ⅲ偏弱Ⅳ否52平愛KBK26+083Ⅲ偏弱Ⅲ是53平愛KBK26+162ⅢⅢ是54院外KCK31+030ⅣⅣ是55院外KCK31+083Ⅲ偏弱Ⅳ否56院外KCK31+109ⅢⅢ是57院外KCK31+167Ⅲ偏弱Ⅲ是58院外KCK31+212ⅣⅣ是59院外KCK31+260Ⅲ偏弱Ⅲ是60院外KCK31+285Ⅲ偏弱Ⅲ是61院外KDK31+045ⅣⅢ否62院外KDK31+097ⅢⅢ是63院外KDK31+149ⅣⅣ是64院外KDK31+220Ⅲ偏弱Ⅲ是65院外KDK31+245Ⅲ偏弱Ⅲ是66院外KDK31+272Ⅲ偏弱Ⅳ否67龍國TK0+164ⅤⅤ是68龍國TK0+193Ⅳ偏弱Ⅴ否69龍國TK0+218Ⅳ偏弱Ⅳ是70龍國TK0+238ⅣⅢ否71龍國TK0+257ⅣⅢ否72龍國TK0+287Ⅲ偏弱Ⅲ是73龍國TK0+307ⅢⅢ是74龍國TK0+326ⅢⅢ是75龍國TK0+351Ⅲ偏弱Ⅲ是76龍國TK0+374Ⅲ偏弱Ⅳ否77龍國TK0+395ⅣⅣ是78龍國TK0+425ⅤⅤ是79龍國TK2+599ⅣⅢ否80下古龍TK2+626ⅣⅣ是81下古龍TK2+651ⅣⅢ否82下古龍TK2+668ⅢⅢ是83下古龍TK2+693ⅢⅢ是84下古龍TK2+720ⅢⅢ是85下古龍TK2+742ⅢⅢ是86下古龍TK2+762Ⅲ偏弱Ⅲ是87下古龍TK2+787ⅣⅣ是88下古龍TK2+811ⅤⅤ是89下古龍TK2+827ⅤⅤ是

4　結(jié)　論

本文對南方巖溶區(qū)公路隧道圍巖分級專家系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和應(yīng)用，主要結(jié)論有：

(1)巖溶區(qū)圍巖分級中，巖溶狀態(tài)影響不容忽視，因此分析巖溶狀態(tài)時考慮4個影響較大的因素，并用層次分析法分析了各因素權(quán)重值，據(jù)此得出巖溶狀態(tài)指標(biāo)的分析方法和評價系數(shù)評分值轉(zhuǎn)換計算公式。巖溶發(fā)育等級、充填介質(zhì)、溶洞大小、溶洞分布權(quán)重值分別為0.45，0.10，0.30，0.15。

(2)巖溶區(qū)圍巖分級采用常規(guī)的指標(biāo)如巖石堅硬強(qiáng)度、巖體完整程度、地下水狀態(tài)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀之外，還加入了考慮多因素的巖溶狀態(tài)指標(biāo)，以此提出巖溶區(qū)的圍巖分級模型。

(3)本文使用MatLab與C++軟件設(shè)計出巖溶區(qū)圍巖分級專家系統(tǒng)，其可通過分級指標(biāo)參數(shù)判定圍巖等級。該系統(tǒng)依托實際工程建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家知識庫，植入巖溶區(qū)5個圍巖分級指標(biāo)的數(shù)值轉(zhuǎn)換分析理論。最后對專家系統(tǒng)軟件進(jìn)行工程應(yīng)用，軟件判別與實際勘察判別一致性達(dá)到80.89%，工程應(yīng)用效果良好。