秦擁軍，譚順利，謝良甫，劉學軍，3，高玉峰

(1.新疆大學建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆土木工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830047；3.新疆建筑科學研究院(有限責任公司)，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引 言

隧道在交通運輸工程中起著至關重要的作用，但由于地質條件大不相同，隧道開挖及修建難度極大，在施工過程中經常發(fā)生安全事故，給施工人員的人身安全構成重大威脅[1]。為減少意外事故的發(fā)生，對隧道圍巖穩(wěn)定性進行超前預報是必不可少的環(huán)節(jié)，準確的超前預報能提前做好準備，避免不必要的損失。國內外學者在隧道圍巖超前預報和穩(wěn)定性分析方面做了大量的研究。許傳華等[2]采用模糊數學綜合評判法對圍巖穩(wěn)定用模糊語言進行不同程度的評價；陳浩等[3]建立了模型試驗進行分析，并采用與模型試驗相同的邊界條件進行了數值模擬分析，對圍巖的應力場和應變場變化進行了研究，分析了圍巖的穩(wěn)定性；李健等[4]基于云模型理論，探討了圍巖穩(wěn)定性分類模型；文輝輝等[5]通過正交試驗，采用ANSYS對隧道開挖過程進行仿真模擬，建立了不同圍巖力學參數下的圍巖最終變形量灰色關聯(lián)分析模型，以確定影響圍巖穩(wěn)定性的主次因素；張紅綱等[6]將TSP用于隧洞掌子面大方量涌水時的含水破碎帶探測研究，得出TSP物理力學參數及縱波偏移剖面異常區(qū)域，精確預報了含水破碎帶的分布；王佳信等[7]提出一種基于Alpha穩(wěn)定分析(SαS)-概率神經網絡(PNN)模型，綜合考慮各影響因素對圍巖穩(wěn)定性進行了預測；Mark等[8]采用有限元方法，以劉平水電站引水隧洞為研究對象，建立了完整的三維模型，模擬了復雜地質條件下導流洞開挖、地震條件下的圍巖穩(wěn)定性；Lu等[9]提出一種基于DTM和數值模型的地下洞室穩(wěn)定性綜合評估方法；Jalalifar等[10]提出將加權技術應用于現有評價系統(tǒng)，然后利用模糊推理系統(tǒng)和多變量回歸分析預測RMR，從而對圍巖質量進行分級預測；Kumar等[11]介紹了基于小波變換的巖體分類方法的巖石結構等級(RSR)、巖體等級(RMR)、巖體質量(Q)和巖體指數(RMI)系統(tǒng)。

許多學者從圍巖力學參數、水文地質情況、施工參數等方面對圍巖進行了穩(wěn)定性分析和超前預測，很少采用物探指標對圍巖進行研究。為此，本文基于灰色關聯(lián)理論，以圍巖加權修正BQ值作為參考序列，以9個TSP物探指標作為比較序列，分析了各物探指標對新疆東天山地區(qū)的隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。

1 灰色關聯(lián)理論

灰色關聯(lián)分析是指對一個系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢的定量描述和比較的方法，其基本思想是通過確定參考數據列和若干個比較數據列的幾何形狀相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密，反映了參考數據列與比較數據列間的關聯(lián)程度[12]，也可以說是其因變量指標隨自變量指標變化的一種度量，若2個因素變化的趨勢具有一致性，同步變化程度較高，即可謂兩者關聯(lián)程度較高，反之則低?；疑P聯(lián)分析的計算步驟如下：

(1)根據評價目的確定評價指標體系，收集評價數據。設n個數據序列形成如下矩陣

(1)

(2)

式中，m為指標的個數；n為被評價對象的個數。

(2)確定參考數據列。參考數據列應該是一個理想的比較標準，記作

(3)

(4)

(4)逐個計算每個被評價對象比較序列與參考序列對應元素的絕對差值，即

|x0(k)-xi(k)|

(k=1，2，…，m;i=1，2，…，n)

(5)

(5)計算關聯(lián)系數。計算每個比較序列與參考序列對應元素的關聯(lián)系數，即

k=1，2，…，m

(6)

(6)計算關聯(lián)度。分別計算各比較序列各指標與參考序列對應元素的關聯(lián)系數的均值，以反映各比較序列與參考序列的關聯(lián)關系，并稱其為關聯(lián)度，記為

(7)

2 工程實例

2.1 工程概況

東天山特長隧道位于新疆維吾爾族自治區(qū)哈密市，隧道左洞全長11 764 m，右洞全長11 775 m。隧道區(qū)總體屬于高中山地貌區(qū)，氣候屬溫帶大陸性干旱氣候，地表徑流主要為季節(jié)性冰雪融水、暴雨及坡面徑流形成。隧址區(qū)上覆地層為第四系全新統(tǒng)～上更新統(tǒng)，隧道橫跨北天山山地向斜褶皺帶的哈爾里克復背斜和哈密—吐魯番山間坳陷2個三級構造單元，項目區(qū)斷裂比較發(fā)育，主要為北西西向區(qū)域性逆斷裂，沿線裸露基巖主要為凝灰質砂巖和花崗巖，受多期構造運動影響，節(jié)理普遍發(fā)育[13]。工程概況見圖1。

圖1 工程概況

2.2 TSP物探技術

TSP物探技術是利用在不均勻地質情況下，由人工激發(fā)的地震波所產生的反射波特性對隧道開挖工作面前方地質情況進行預報，主要用于地層界線劃分、查找地質構造、探測不良地質體的厚度和范圍。TSP的測量原理和其他地震反射波方法并無區(qū)別，也采用了回聲測量原理(見圖2)。地震波以球面波的形式在巖石中傳播，當地震波在傳播中遇到巖石物性界面(波阻抗差異界面)，如巖石破碎帶、巖性變化和斷層等)時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質。一個或2個高靈敏度的地震檢波器將會接收反射回來的地震信號，根據反射信號的傳播時間和反射界面的距離成正比的原理，通過專用軟件分析，能獲取前方不良地層的數據，從而判讀出前方的地質狀況。TSP法反射層位見圖3。物理力學參數成果見圖4。

圖2 TSP隧道地質超前預報原理

圖3 TSP法反射層位

圖4 物理力學參數成果

3 TSP物探指標關聯(lián)度分析

3.1 加權修正BQ值

根據巖石的堅硬程度和巖體完整程度2個基本因素的定性特征和定量的巖體質量指標BQ進行初步分級[14]，再考慮修正因素的影響得出基本的質量指標修正值。巖體基本質量指標BQ計算公式為

BQ=100+3Rc+250Kr

(8)

式中，RC為單軸飽和抗壓強度；Kr為巖體完整性系數。當RC>90Kr+30時，應以RC=90Kr+30和Kr代入計算BQ值；當Kr>0.04Rc+0.4時，應以Kr=0.04Rc+0.4和Rc代入計算BQ值。

利用式(8)計算出巖體基本質量指標BQ值后，再根據JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》給出的地下水影響修正系數K1、主要軟弱結構面產狀影響修正系數K2、初始應力狀態(tài)影響修正系數K3進行修正，得到巖體質量指標加權修正值[BQ]，計算公式為

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

(9)

表1 東天山隧道TSP物探指標及[BQ]值

東天山隧道的工程條件較為復雜，在一段較長巷道中，干燥和涌水的狀態(tài)交替存在，結構面產狀也有多種不同情況，無法同時滿足3種修正影響條件，因此修正系數的取值就會受到影響，導致最終計算出的[BQ]偏離真實情況。為了使結果更趨近于實際，本文對地下水修正系數K1進行加權平均法計算[15]，公式為

(10)

式中，ki為第i個因子的地下水修正系數；wi為第i個因子的隧道長度；n為因子個數。

根據東天山隧道工程資料，采用加權修正法計算出圍巖[BQ]，并列出相應的[BQ]對應的TSP物探指標。由于數據量過大，只列出部分數據，見表1。

3.2 基于MATLAB軟件的關聯(lián)度計算

采用MATLAB軟件對灰色關聯(lián)理論進行編程，然后將表2中的數據通過程序進行關聯(lián)度計算，采用初值法對指標進行無量綱化，經過計算對比，選取學習率為0.65時的關聯(lián)度區(qū)分性較好。得到的灰色關聯(lián)結果見表2。

3.3 結果分析

從表2可以看出，在TSP物探指標中，波速、縱橫波速比、泊松比、密度關聯(lián)度最大，是影響圍巖穩(wěn)定性的最主要因素，在工程中要作為重點考慮因素。剪切模量、拉梅系數、體積模量、動態(tài)楊氏模量、靜態(tài)楊氏模量的關聯(lián)度偏低，這5個因素對圍巖的穩(wěn)定性影響較小。

表2 TSP物探指標與圍巖穩(wěn)定性關聯(lián)系數

4 圍巖質量預測

根據表2結果，選取波速、縱橫波速比、泊松比、密度這4個高關聯(lián)度的物探指標作為圍巖質量預測依據。從表1的工程實況數據中隨機選取6組數據作為預測樣本(見表3)，剩余的517組數據作為參考樣本(比較序列)。采用灰色關聯(lián)算法分別計算參考樣本與6組預測樣本的關聯(lián)度，并在517個關聯(lián)度中取最大關聯(lián)度所對應參考樣本的圍巖質量作為該組預測樣本的圍巖質量[16]。預測樣本的灰色關聯(lián)度預測結果見表4。

表3 預測樣本(參考序列)

從表4可以看出，除了預測樣本2以外的其他5組預測樣本都能被準確預測，而預測樣本2的預測結果雖存在偏差，但偏差也在合理的范圍之內，偏差存在的原因可能是工程數據不夠全面，圍巖質量加權修正[BQ]值為298.78的數據量偏少，導致偏差的出現。隨著工程數據的積累，該方法的預測精度還會有所提高。因此，采用高關聯(lián)度的物探指標進行圍巖質量預測是切實可行的。

表4 預測樣本的灰色關聯(lián)度預測結果

5 結 語

本文以東天山隧道TSP物探指標和巖體質量指標加權修正值[BQ]為基礎，采用MATLAB軟件，基于灰色關聯(lián)分析理論，對影響隧道圍巖穩(wěn)定性的因素進行了關聯(lián)度分析，并采用高關聯(lián)度的物探指標對圍巖質量進行了預測，結論如下：

(1)在TSP物探指標中，對隧道圍巖穩(wěn)定性影響程度由大到小依次為縱橫波速比、泊松比、密度、波速、剪切模量、動態(tài)楊氏模量、體積模量、拉梅系數、靜態(tài)楊氏模量。

(2)采用波速、縱橫波速比、泊松比、密度這4個高關聯(lián)度物探指標能基本準確預測圍巖質量，并隨著工程數據的積累，其預測精度還會有所提高。

(3)根據圍巖穩(wěn)定性的主控因素，在使用TSP物探技術進行超前預報時，要更著重于縱橫波速比和泊松比的預報精度，這能更有效地提高整體預報精度，使超前預報與工程實際更接近。