后錢峰, 陳穎輝, 2, *, 歐明喜, 2, 曾艷銘, 鄒夢(mèng)超
(1. 昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院, 云南 昆明 650500; 2. 云南省土木工程防災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650500)
隨著國(guó)家隧道建設(shè)的大力發(fā)展,日益突出的運(yùn)營(yíng)隧道滲漏問(wèn)題嚴(yán)重影響了隧道的正常使用和安全運(yùn)營(yíng)。在眾多解決方法中(例如結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法、拆除重建法、注漿加固法等),注漿加固法是解決這類問(wèn)題的重要手段之一,已被廣泛應(yīng)用于礦井巷道、公路隧道、鐵路隧道等工程中。正如王曉蕾等[1]所提出的,注漿工程的隱蔽性使其注漿后的防滲效果難以得到保證。因此,需要對(duì)注漿效果進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)價(jià)以保證運(yùn)營(yíng)隧道的正常使用和安全運(yùn)營(yíng)。
評(píng)價(jià)注漿堵漏效果,常采用室內(nèi)外試驗(yàn)[2-3]、儀器檢測(cè)[4-6]、數(shù)值模擬[7]及綜合理論分析[8-9]等方法,例如: Butron等[2]通過(guò)壓水試驗(yàn)對(duì)隧道側(cè)墻及仰拱注漿堵漏效果進(jìn)行評(píng)價(jià),根據(jù)總滲透率大幅下降情況得出注漿堵漏效果良好的結(jié)論; Aggelis等[4]采用沖擊回波法對(duì)注漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià),并結(jié)合時(shí)間域特征和波譜變化規(guī)律反映了注漿堵漏的有效性; 張家奇[7]利用FLAC3D對(duì)15組工況的淺埋小凈距黃土隧道圍巖注漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià),探討了注漿效果與隧道圍巖穩(wěn)定性改善程度之間的關(guān)系; Zhu等[8]提出了一種基于云模型的模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)某水電站帷幕注漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià),得出該方法優(yōu)于其他方法的結(jié)論。然而,上述方法都具有一定的局限性,室內(nèi)試驗(yàn)因無(wú)法完全模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,評(píng)價(jià)稍顯片面; 儀器檢測(cè)受儀器自身及各種外因影響,評(píng)價(jià)結(jié)果將產(chǎn)生偏差; 數(shù)值模擬及綜合理論分析受制于理論層面,在樣本數(shù)據(jù)受限的情況下,適用性大大降低。
針對(duì)現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法的不足,并結(jié)合運(yùn)營(yíng)隧道注漿效果的模糊性,本文提出一種基于灰色關(guān)聯(lián)度分析(GRA, grey relation analysis)的模糊綜合評(píng)價(jià)法。該法結(jié)合實(shí)際工程案例從注漿過(guò)程控制、注漿結(jié)束控制條件、注漿檢測(cè)及注漿可靠度4個(gè)方面建立注漿堵漏效果評(píng)價(jià)體系,采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法分析實(shí)測(cè)值與期望值間的關(guān)聯(lián)系數(shù),采用層次分析法(AHP,analytic hierarchy process)確定權(quán)重,最后運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)原理得出4種注漿效果評(píng)價(jià)。該法相比于單一評(píng)價(jià)方法不僅提高了計(jì)算效率,還彌補(bǔ)了數(shù)據(jù)精度不高及人為主觀評(píng)判等缺點(diǎn),并為注漿堵漏效果評(píng)價(jià)提供了一種新途徑。
灰色關(guān)聯(lián)度分析(GRA)是鄧聚龍[10]1984年提出的一種針對(duì)對(duì)象間關(guān)系進(jìn)行分析的方法,尤其適用于信息缺乏、數(shù)據(jù)匱乏、經(jīng)驗(yàn)不足和固有內(nèi)涵不清楚的對(duì)象間關(guān)系的分析。該方法具有計(jì)算簡(jiǎn)便且實(shí)用性高的特點(diǎn)。其中,GRA中的關(guān)聯(lián)度與模糊綜合評(píng)價(jià)法中的隸屬度均表示事物因素間的影響程度,因此,本文將歸一化的關(guān)聯(lián)度取代模糊綜合評(píng)價(jià)中的隸屬度具有一定的可行性。其具體步驟如下。
子母序列反映多級(jí)模糊評(píng)價(jià)因素集之間的關(guān)系,令母序列為U={U1,U2,…,Um},其關(guān)聯(lián)子序列有U1={U11,U12,…,U1n},U2={U21,U22,…,U2n},…,Um={Um1,Um2,…,Umn},構(gòu)建評(píng)價(jià)集V={v1,v2,…,vn}。
在模糊評(píng)價(jià)中,隸屬度[11]是建立模糊集合論的關(guān)鍵,本文引入灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)作為隸屬度。其求解公式如下。
當(dāng)只有1個(gè)參考序列時(shí),xi=x0有
Δj(k)=|x0(k)-xj(k)|。
(1)
(2)
(3)
式(1)—(3)中j、k=1,2,3,…。
則xj對(duì)于x0在第k點(diǎn)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為
(4)
式中ξ為分辨系數(shù),ξ∈[0, 1],一般取ξ=0.5。
由此計(jì)算得到灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣R=(rij)m×n,即隸屬度矩陣。
在注漿活動(dòng)中,結(jié)合專家評(píng)定和數(shù)學(xué)模型,采用AHP法確定權(quán)重,該方法在一定程度上可減少主觀因素的影響。首先,根據(jù)9級(jí)比例標(biāo)度及專家評(píng)分意見,建立判別矩陣A,A=(aij)n×n; 然后,利用方根法[12]計(jì)算并將其歸一化,得到判別矩陣A的權(quán)向量W={ω1,ω2,…,ωn}。
為驗(yàn)證判別矩陣A在邏輯上的合理性,需對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。
CR=CI/RI。
(5)
式中: CR為一致性比例; CI為一致性指標(biāo); RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo),可根據(jù)矩陣A的不同階數(shù)查表1得到。
CI由式(6)計(jì)算:
(6)
式中:λmax為判別矩陣的最大特征根;n為矩陣A的階數(shù)。
表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI
當(dāng)CR<0.1時(shí),說(shuō)明判別矩陣A的一致性在可接受范圍內(nèi); 否則,需重新修正判別矩陣A。
基于子母序列及評(píng)價(jià)集,建立GRA的模糊綜合評(píng)價(jià)模型
B=R·W=[b1,b2,…,bn]。
(7)
式中:B為基于評(píng)價(jià)集的GRA模糊子集;bj(j=1, 2, …,n)為B的隸屬度,取bj中的最大值對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)因子作為評(píng)價(jià)結(jié)果。
以貴陽(yáng)地鐵某隧道區(qū)間注漿為例,建立注漿評(píng)價(jià)體系并進(jìn)行驗(yàn)證。隧道運(yùn)營(yíng)期間,隧道洞內(nèi)出現(xiàn)多處滲漏現(xiàn)象,滲漏部位主要集中在拱頂及側(cè)墻。該隧道區(qū)間為礦山法暗挖隧道,全長(zhǎng)1 867 m,平均埋深24 m,采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察可知,隧址區(qū)地層巖性種類復(fù)雜,主要以白云巖、砂巖為主,易遇水軟化、失水崩解。巖層處于強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài),節(jié)理裂隙發(fā)育、巖層破碎程度高,地下水主要以風(fēng)化裂隙、節(jié)理裂隙及溶孔為賦存空間和運(yùn)移通道,分布無(wú)明顯規(guī)律。巖層破碎區(qū)和溶孔的導(dǎo)水性致使隧道洞身附近存在多個(gè)匯水區(qū),加上結(jié)構(gòu)外包防水層缺陷,導(dǎo)致隧道多處滲漏。為徹底根治該段隧道滲漏問(wèn)題以保障隧道的后續(xù)運(yùn)營(yíng)安全,對(duì)隧道滲漏較大區(qū)域進(jìn)行壁后注漿治理。
對(duì)隧道滲漏區(qū)域較大處進(jìn)行注漿堵漏加固,注漿孔間距取40 cm,呈正方形布置,集中出水處則對(duì)準(zhǔn)出水點(diǎn)打孔,孔徑與注漿管匹配,為22~28 mm,孔深以襯砌厚度確定并深入巖層10 cm。注漿材料采用MC速凝型漿材,水灰比取0.6∶1~1∶1。
注漿自拱腳向拱頂依次壓入,在富水處按照先兩頭后中間的順序注漿。單孔注漿時(shí)先做壓水試驗(yàn)確定注漿量大小以便準(zhǔn)備漿液數(shù)量,通過(guò)壓水試驗(yàn)沖洗孔內(nèi)雜質(zhì),確保漿液能順利擴(kuò)散而填充縫隙和裂縫。初始注漿壓力為0.5 MPa,終壓為1.5 MPa。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)以不吸漿為原則,如實(shí)際注漿過(guò)程中難以達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn),則可在吸漿率小于0.01 L/min并穩(wěn)壓2 min后停止注漿。注漿施工結(jié)束后,采用外觀檢查、CT檢測(cè)及壓水試驗(yàn)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè),并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)有限條件及實(shí)際可操作性,采用一種基于GRA的模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)注漿堵漏效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。
影響運(yùn)營(yíng)隧道注漿堵漏效果的因素比較復(fù)雜,且各因素間存在不確定的模糊關(guān)系,本文結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)有限數(shù)據(jù)及各因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響,建立圖1所示的2級(jí)3層注漿效果評(píng)價(jià)模型。
圖1 注漿效果評(píng)價(jià)模型
另外,為減少后續(xù)對(duì)GRA數(shù)據(jù)分析處理的工作量,方便對(duì)注漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)體系采用統(tǒng)一的評(píng)價(jià)集(優(yōu)、良、合格、不合格),評(píng)價(jià)規(guī)則為每個(gè)符合條件的指標(biāo)個(gè)數(shù)占指標(biāo)總體的比例。結(jié)合運(yùn)營(yíng)隧道注漿堵漏工程特性,對(duì)各子指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行劃分,并結(jié)合工程資料,將收集到的數(shù)據(jù)按下述等級(jí)劃分進(jìn)行整理,結(jié)果如表2所示。
3.1.1 注漿過(guò)程控制參數(shù)
注漿過(guò)程質(zhì)量控制主要有鉆孔質(zhì)量、注漿材料與地層的匹配性、注漿壓力、注漿時(shí)間以及注漿速率等關(guān)鍵性參數(shù)。本文結(jié)合案例的工程特性,選擇上述5個(gè)關(guān)鍵參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)其進(jìn)行等級(jí)劃分。
鉆孔質(zhì)量是決定漿液能否順利注入圍巖的重要指標(biāo)之一,當(dāng)95%以上的單孔質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求并能正常注漿時(shí),則認(rèn)定為優(yōu); 90%以上認(rèn)定為良; 80%以上認(rèn)定為合格; 否則為不合格。同理,注漿材料與地層的匹配性評(píng)價(jià)等級(jí)根據(jù)所用漿材配合比是否合適并能順利注入所有注漿孔來(lái)劃分,完全符合時(shí)認(rèn)定為優(yōu); 95%以上認(rèn)定為良; 90%以上認(rèn)定為合格; 否則為不合格。
表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)量化
注: β為可靠指標(biāo)。
注漿壓力、注漿速率及注漿時(shí)間可通過(guò)p-Q-t曲線進(jìn)行總結(jié),某注漿孔p-Q-t曲線如圖2所示。p-t曲線一般有4種形式[13],Ⅰ型曲線為注漿壓力隨時(shí)間增大呈上升趨勢(shì),最終達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn); Ⅱ型曲線為注漿壓力隨時(shí)間反復(fù)升降,總體呈上升趨勢(shì)并最終達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn); Ⅲ型曲線為注漿壓力隨時(shí)間先上升后突然下降,持續(xù)一段時(shí)間后達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn); Ⅳ型曲線為注漿壓力隨時(shí)間逐漸減小,甚至低于初始?jí)毫χ?。根?jù)p-Q-t曲線可知,注漿壓力與注漿速率隨時(shí)間的變化一般呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?;诖?,對(duì)注漿壓力、注漿時(shí)間及注漿速率進(jìn)行等級(jí)劃分,當(dāng)90%以上的曲線呈Ⅰ型走勢(shì)、無(wú)Ⅳ型走勢(shì)時(shí),則認(rèn)定為優(yōu); 85%以上認(rèn)定為良; 80%以上認(rèn)定為合格; 否則為不合格。
圖2 某注漿孔p-Q-t曲線
3.1.2 注漿結(jié)束控制條件參數(shù)
注漿結(jié)束控制條件中,注漿結(jié)束控制流量和終孔平均壓力是反映注漿結(jié)束的重要指標(biāo)。根據(jù)實(shí)際治理方案,注漿結(jié)束控制流量以不吸漿或吸漿率小于0.01 L/min且注漿壓力達(dá)到終壓后穩(wěn)定2 min左右作為控制標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)90%以上符合則認(rèn)定為優(yōu); 85%以上符合認(rèn)定為良; 80%以上符合認(rèn)定為合格; 否則為不合格。注漿結(jié)束終孔平均壓力以1.5 MPa為界,平均壓力穩(wěn)定在1.5 MPa左右并能保持2 min左右不吸漿或少吸漿,滿足與終孔流量相同的比例,對(duì)應(yīng)相應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)。
3.1.3 注漿檢測(cè)參數(shù)
表觀質(zhì)量以外觀平滑無(wú)缺陷、無(wú)滲漏水現(xiàn)象作為評(píng)價(jià)依據(jù),當(dāng)90%以上注漿孔滿足時(shí)認(rèn)定為優(yōu); 80%以上認(rèn)定為良; 70%以上認(rèn)定為合格; 否則為不合格。
CT檢測(cè)是通過(guò)電磁波對(duì)注漿區(qū)域進(jìn)行輻射、傳播和接收并反演成像的一種注漿檢測(cè)方法,對(duì)比注漿前后波速的變化,即可反映注漿效果。本工程注漿后的波速設(shè)計(jì)值為1 800 m/s,以此為界對(duì)注漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)90%以上注漿區(qū)域波速均值不小于1 800 m/s時(shí),則認(rèn)定為優(yōu); 85%以上認(rèn)定為良; 80%以上認(rèn)定為合格; 否則為不合格。
壓水試驗(yàn)中以壓水滲透系數(shù)為關(guān)鍵指標(biāo),結(jié)合工程質(zhì)量要求,以10-2m/d為注漿后滲透系數(shù)的最低標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)80%以上的注漿孔滲透系數(shù)小于10-4m/d、其他注漿孔滲透系數(shù)小于10-3m/d時(shí)認(rèn)定為優(yōu); 當(dāng)75%以上的注漿孔滲透系數(shù)小于10-4m/d、其他注漿孔滲透系數(shù)小于10-2m/d時(shí)認(rèn)定為良; 當(dāng)70%以上的注漿孔滲透系數(shù)小于10-3m/d、其他注漿孔滲透系數(shù)小于10-2m/d時(shí)認(rèn)定為合格; 否則為不合格。
3.1.4 注漿可靠度
注漿質(zhì)量可靠度與上述因素不同,可靠度不完全依賴于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),需對(duì)整個(gè)注漿系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性分析。由于影響注漿失敗的因素錯(cuò)綜復(fù)雜,本文根據(jù)運(yùn)營(yíng)隧道注漿的特點(diǎn),引入注漿堵漏成功樹(如圖3所示),根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的方法,建立各因素的極限狀態(tài)方程,并借助MTLAB編程計(jì)算,得出注漿堵漏的可靠概率為95.26%,對(duì)應(yīng)的可靠指標(biāo)β為2.06。另外,為契合后續(xù)模糊評(píng)價(jià),依據(jù)文獻(xiàn)[15]中的經(jīng)驗(yàn)將可靠指標(biāo)范圍劃分為4個(gè)部分,并以此作為注漿可靠度的評(píng)價(jià)依據(jù)。
圖3 注漿堵漏成功樹
傳統(tǒng)GRA是將所有參數(shù)的理想值作為目標(biāo)矩陣,此處將其逆用,先將上述指標(biāo)的等級(jí)評(píng)價(jià)值合起來(lái)作為目標(biāo)矩陣,使實(shí)際值與目標(biāo)矩陣相關(guān)聯(lián),構(gòu)造各指標(biāo)的初始矩陣。各指標(biāo)的初始矩陣為
根據(jù)式(1)—(3)得出初始矩陣的最值:
由式(4)對(duì)最值矩陣進(jìn)行關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算,得出各指標(biāo)的隸屬度矩陣:
通過(guò)對(duì)注漿效果評(píng)價(jià)模型中準(zhǔn)則層及指標(biāo)層的分析,利用9級(jí)比例標(biāo)度表示各因素間的影響程度,同時(shí)參考專家意見,賦予相應(yīng)分值,構(gòu)造判別矩陣。
準(zhǔn)則層判別矩陣:
各指標(biāo)層判別矩陣:
針對(duì)上述判別矩陣,利用方根法計(jì)算各判別矩陣的權(quán)向量:
由于注漿可靠度僅有1個(gè)子指標(biāo),故無(wú)需建立判別矩陣,其權(quán)向量WA4視為[1]。根據(jù)式(5)—(6)得到各判別矩陣的最大特征值λmax、一致性指標(biāo)CI及一致性檢驗(yàn)結(jié)果CR,結(jié)果如表3所示。
表3 一致性檢驗(yàn)指標(biāo)
由表3可知,上述判別矩陣CR值均小于0.1,滿足一致性檢驗(yàn)要求。
3.4.1 注漿堵漏效果一級(jí)評(píng)判
根據(jù)運(yùn)營(yíng)隧道注漿堵漏效果評(píng)價(jià)模型,對(duì)注漿過(guò)程控制、注漿結(jié)束控制條件、注漿檢測(cè)及注漿可靠度4個(gè)一級(jí)指標(biāo)中的11個(gè)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行注漿效果一級(jí)綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)式(7),將各二級(jí)指標(biāo)的隸屬度矩陣Ri(i=1,2,3,4)與其相應(yīng)的權(quán)向量WAi(i=1,2,3,4)相乘,得到各一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集的灰色關(guān)聯(lián)隸屬度,結(jié)果如下:
3.4.2 注漿堵漏效果二級(jí)評(píng)判
矩陣B為基于GRA的模糊綜合評(píng)價(jià)的最終結(jié)果,其數(shù)值從上到下依次對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集中的優(yōu)、良、合格與不合格,等級(jí)說(shuō)明見表4。根據(jù)模糊評(píng)價(jià)中的最大隸屬度原則,取矩陣B中0.977 4為最終評(píng)價(jià)結(jié)果,故該運(yùn)營(yíng)隧道注漿堵漏工程注漿效果評(píng)價(jià)為優(yōu),注漿堵漏效果明顯。經(jīng)后續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè),隧道中亦未出現(xiàn)新的滲流路徑,滲水指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,原有滲漏問(wèn)題得到改善,這與評(píng)價(jià)結(jié)果基本吻合,滿足運(yùn)營(yíng)隧道的正常使用和安全運(yùn)營(yíng)。
表4 注漿效果等級(jí)評(píng)價(jià)說(shuō)明
1)本文根據(jù)運(yùn)營(yíng)隧道注漿堵漏效果的模糊性及有限的注漿數(shù)據(jù),從注漿過(guò)程控制、注漿結(jié)束控制條件、注漿檢測(cè)及注漿可靠度4個(gè)主指標(biāo)和11個(gè)子指標(biāo)出發(fā),構(gòu)建運(yùn)營(yíng)隧道注漿堵漏效果評(píng)價(jià)體系,并提出一種基于灰色關(guān)聯(lián)度的模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道注漿堵漏效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。
2)為方便各評(píng)價(jià)因素分析及量化,以注漿堵漏區(qū)間內(nèi)各指標(biāo)符合工程要求的注漿孔數(shù)占總注漿孔數(shù)的比例進(jìn)行等級(jí)劃分,并逆向運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度法,將實(shí)際值與對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)構(gòu)成的目標(biāo)矩陣相關(guān)聯(lián),構(gòu)造隸屬度矩陣。該方法提高了計(jì)算效率,克服了工程中數(shù)據(jù)精度不高、數(shù)據(jù)量少的缺陷; 同時(shí),采用層次分析法確定各指標(biāo)層的權(quán)向量也避免了人為主觀評(píng)判影響,利用模糊綜合評(píng)價(jià)原理得出指標(biāo)層及準(zhǔn)則層的灰色關(guān)聯(lián)隸屬矩陣,根據(jù)最大隸屬度原則得出運(yùn)營(yíng)隧道注漿堵漏效果的最終評(píng)價(jià)結(jié)果。
3)以貴陽(yáng)地鐵為例,建立注漿堵漏效果評(píng)價(jià)體系,通過(guò)分析得出與實(shí)際工程中注漿堵漏效果一致為優(yōu)的結(jié)論,滿足運(yùn)營(yíng)隧道的正常使用和安全運(yùn)營(yíng),同時(shí)也體現(xiàn)了基于GRA的模糊綜合評(píng)價(jià)法在運(yùn)營(yíng)隧道注漿堵漏效果評(píng)價(jià)方面的可行性。但本方法并未考慮后續(xù)地鐵列車振動(dòng)對(duì)漿液結(jié)石體的影響,這有待于進(jìn)一步研究。