常玉會

（聊城市東昌府區(qū)水利局，山東 聊城 252000）

1 引言

水利工程建設(shè)過程中往往需要建設(shè)大型輸水工程，輸水工程建設(shè)往往需要穿越山體，在這些區(qū)域修建引水工程就需要對山體進(jìn)行開挖形成引水隧洞[1-2]。隧洞的穩(wěn)定性是引水工程順利建設(shè)及正常使用的關(guān)鍵，因此，準(zhǔn)確分析引水隧洞穩(wěn)定性是十分必要的。目前，有較多的學(xué)者對隧洞穩(wěn)定性評價進(jìn)行了研究。數(shù)值模擬在隧洞穩(wěn)定性分析中較為常用，宋中濤[3]采用數(shù)值模擬分析鐵路隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性；董輝等[4]采用數(shù)值模擬方法分析巖溶地區(qū)隧洞變形特征。未確知測度是一種常用的評價方法，在水利[5]、地質(zhì)[6]、電力[7]等行業(yè)均有較為廣泛的使用。

2 工程概況

山東引黃調(diào)水工程位于膠東半島北部，輸水線全長超過300 km，工程建設(shè)主要是為了緩解威海、煙臺水資源短缺問題，對于改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的作用。桂山隧洞是輸水線路的重要的工程，輸水隧洞洞徑2.6 m，設(shè)計流量為5.8 m3/s，屬于圓形有壓隧洞。

3 基于未確知測度隧洞開挖穩(wěn)定性評價

3.1 評價指標(biāo)體系建立

影響隧洞穩(wěn)定性的因素主要包括地質(zhì)、水文、施工3 個方面。其中地質(zhì)、水文因素是影響隧洞穩(wěn)定性基本因素，施工因素是影響隧洞穩(wěn)定性的人為因素，在隧洞建設(shè)過程中，也是唯一可控的因素。地質(zhì)因素主要包括：圍巖質(zhì)量等級、巖層粘聚力、巖體重度3 個因素；水文因素主要包括：地下水腐蝕性(用SO42-含量表示)、地下水位、滲透系數(shù)3 個因素；施工因素主要包括軸線偏差、水平偏差、環(huán)直偏差、注漿壓力4 個因素。評價指標(biāo)體系見表1。其中，地質(zhì)、水文因素可通過現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)獲取，施工因素主要依據(jù)設(shè)計方案和施工單位的施工作業(yè)水平。

表1 引水隧洞穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系

3.2 未確知測度方法

3.2.1 未確知測度理論

假設(shè)有n 個待評價穩(wěn)定性的引水隧洞，使用空間向量集R表示，R={R1，R2，R3…，Rn}。有 m 個評價指標(biāo)影響引水隧洞穩(wěn)定性：X={X1，X2，X3…，Xm}。Xij代表引水隧洞 Ri的第 j 個評價指標(biāo)的實(shí)測值。則引水隧洞Ri的穩(wěn)定性等級為：Ri= {Ri1，Ri2，Ri3…，Rim}。Xij的穩(wěn)定性等級評價向量為：U={C1，C2，C3…，Cp}，設(shè) Ck為第 k 級評價指標(biāo)且 Ck>Ck+1。若 C1>C2>C3…，>Cp，則{C1，C2，C3…，Cp}為一個有序分割類[8]。

3.2.2 單指標(biāo)測度評價矩陣

設(shè) μ 為未確知測度，滿足 μijk=μ（Xij∈Ck）表示指標(biāo) Xij隸屬于第k 個評價指標(biāo)Ck的程度。單指標(biāo)評價矩陣見下式：

影響引水隧洞各指標(biāo)的單指標(biāo)等級劃分見表2。

表2 單指標(biāo)等級劃分

3.2.3 多指標(biāo)測度評價矩陣

設(shè) μijk=μ（Ri∈Ck）表示 Ri屬于第 k 級評價指標(biāo) Ck的程度。

式中：ωj為指標(biāo)Xj的權(quán)重。

多指標(biāo)綜合評價矩陣為：

3.2.4 置信度識別準(zhǔn)則

為了準(zhǔn)確評價引水隧洞開挖穩(wěn)定性等級。假設(shè)λ 為置信度，且則可以保證引水隧洞Ri的穩(wěn)定性等級屬于第k0個評價等級Ck0。

3.3 組合賦權(quán)

（1）Roughset 理論優(yōu)化層次分析法

層次分析法在20 世紀(jì)70 年代由Satty[9]首次提出，在權(quán)重確定的使用中極為常見。使用層次法分析指標(biāo)權(quán)重十分簡便，但是在使用過程中受人為因素的影響較大，存在較大的誤差。因此，提出使用Roughset 理論[10]改進(jìn)層次分析法，從而獲取更為客觀的權(quán)重結(jié)果。

（2）熵值法

使用熵值法，構(gòu)建矩陣，減小了賦權(quán)過程中人為主觀影響。

權(quán)重為每個指標(biāo)的重要程度，表示為wj。

式中：yji為各指標(biāo)值，p 為指標(biāo)個數(shù)。

（3）評價方法

采用組合賦權(quán)的方法，對選取的定性定量指標(biāo)賦予權(quán)重。設(shè)層次分析法權(quán)重為wi′，熵值法權(quán)重為wi″滿足距離函數(shù)為d（wi′，wi″)，其表達(dá)式為：

組合權(quán)重為wz：

式中：α，β 為分配系數(shù)，滿足以下條件：

各指標(biāo)權(quán)重見表3。

表3 引水隧洞穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系

4 工程應(yīng)用

4.1 隧洞概況

引黃調(diào)水工程桂山隧洞位于煙臺賈家，地震基本烈度為Ⅶ度。桂山隧洞入口段整體地形為東南高西北低，基巖為片麻花崗巖，在長期的侵蝕、風(fēng)化、地質(zhì)構(gòu)造活動影響下，入口段基巖風(fēng)化等級為強(qiáng)風(fēng)化，巖體裂隙極為發(fā)育，強(qiáng)度低。根據(jù)現(xiàn)場勘探調(diào)查，基巖包括全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化3 種風(fēng)化程度，圍巖等級主要為Ⅲ類，局部受構(gòu)造活動影響較為強(qiáng)烈的區(qū)域圍巖等級為Ⅴ類，出口段基巖仍為強(qiáng)風(fēng)化，圍巖強(qiáng)度極低，圍巖等級為Ⅴ類。洞身段巖性主要為中風(fēng)化花崗巖，巖體完整性較差，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，在施工過程中存在用水風(fēng)險。

根據(jù)設(shè)計結(jié)果，隧洞開挖直徑為2.6 m，為圓形，隧洞總鉆進(jìn)長度為1.6 km，采用鉆爆施工，在斷層破碎帶和巖體結(jié)構(gòu)面極發(fā)育的區(qū)域，施工過程中嚴(yán)格遵照新奧法的技術(shù)要求。為了保證隧洞施工時間，選擇兩端同時開始作業(yè)，在施工過程中，對圍巖破碎區(qū)域采取超前支護(hù)，以保證施工順利。為了確保工程施工精度，建立三級導(dǎo)線測量、復(fù)核系統(tǒng)，采用光電測量設(shè)備進(jìn)行量測。

4.2 評價結(jié)果

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，桂山隧洞各評價指標(biāo)取值見表4。

表4 參數(shù)取值

經(jīng)過分析，山東引黃調(diào)水工程桂山引水隧洞的穩(wěn)定性等級為Ⅱ級，屬于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

通過收集資料，選取地質(zhì)、水文、施工等3 個方面共10個因素作為引水隧洞穩(wěn)定性評價的指標(biāo)，利用組合賦權(quán)的方法獲取各個評價指標(biāo)的客觀權(quán)重，圍巖質(zhì)量等級、巖層粘聚力以及注漿壓力是影響引水隧洞穩(wěn)定性的主要因素，結(jié)合未確知測度方法對桂山引水隧洞穩(wěn)定性進(jìn)行分析，該隧洞穩(wěn)定性等級為Ⅱ級。在施工過程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守設(shè)計和規(guī)范要求，安全施工。