舒文韜 周尚武 劉柯良 王驍男 唐春宇

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室 四川成都 610031；2.中鐵十二局集團有限公司 山西太原 030032)

1 引言

近年來，隨著我國鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，長大深埋單線鐵路隧道大量增加，穿越地層巖性也愈加復(fù)雜，相應(yīng)的Ⅳ級及以上級別的圍巖區(qū)段大幅增長，對于單線鐵路隧道的Ⅳ級圍巖段，通常采用臺階法施工，如南呂梁山隧道、新關(guān)角隧道等[1]，但隨著工程建設(shè)不斷創(chuàng)新，部分單線鐵路隧道的Ⅳ級圍巖段亦成功采用了全斷面法施工，如當金山隧道、平安隧道等[2-3]。截止目前，我國隧道設(shè)計施工中對于隧道施工工法的選擇主要是依據(jù)圍巖等級并結(jié)合隧道尺寸、型式等進行選取的，總體上建議Ⅲ級及其以下圍巖段采用全斷面法施工，Ⅳ級及其以上圍巖段采用分部開挖法施工。但從文獻[2]和[3]可以看出，在單線鐵路隧道的Ⅳ級圍巖段雖大多采用分部開挖，但部分隧道采用全斷面法亦取得了成功，表明全斷面法在Ⅳ級圍巖隧道中具有一定的適用性?？v觀已有在Ⅳ級圍巖段采用全斷面法進行施工的單線鐵路隧道成功案例，究竟在Ⅳ級圍巖隧道中何種情況下該選擇全斷面工法，現(xiàn)有研究成果并未給出量化的標準，導(dǎo)致設(shè)計施工往往面臨難以抉擇的窘境。有鑒于此，本文以大瑞鐵路老尖山隧道為依托，基于老尖山隧道不同巖性條件下Ⅳ級圍巖段全斷面法施工的成功應(yīng)用，采用模糊層次分析法對單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖段全斷面工法的適用性標準開展研究，提出一種適宜于單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖段全斷面工法的選擇方法，期望為類似隧道工程提供參考和依據(jù)。

2 全斷面法在老尖山隧道Ⅳ級圍巖段的應(yīng)用

2.1 工程概況

老尖山隧道是大瑞鐵路保瑞段的控制性工程之一，屬于單線鐵路隧道，全長7 993 m，最大埋深約775 m。隧址區(qū)處低中山剝蝕、溶蝕地貌，溝谷縱橫，地形起伏大，自然坡度一般25°～55°。穿越的巖性主要為侏羅系中統(tǒng)勐戛組下段(J2m1)泥巖夾砂巖，三疊系中統(tǒng)河灣街組(T2h)白云巖夾灰?guī)r、泥灰?guī)r。設(shè)計中對全線進行圍巖分級，其中Ⅳ級圍巖段占比最大，約占隧道全長45%左右(見圖1)，長度近3 590 m，涵蓋的巖性有泥巖、砂巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r等，且分布零散。

圖1 老尖山隧道縱斷面圖及Ⅳ級圍巖段

2.2 全斷面工法施工工序

為實現(xiàn)老尖山隧道快速施工目的，現(xiàn)場Ⅳ級圍巖段根據(jù)工程地質(zhì)狀況采用了全斷面法施工方案(見圖2)，具體施工步驟如下:

圖2 全斷面工法施工工序橫斷面圖

(1)開挖①部；施作①部臺階周邊的初期支護。

(2)在滯后于①部一段距離后，開挖②部(隧道底部開挖、撿底)。

(3)灌筑Ⅲ部底板(仰拱)與邊墻基礎(chǔ)。

(4)待仰拱混凝土初凝后灌筑仰拱填充Ⅳ部至設(shè)計高度。

(5)清理好初期支護基面，初期支護與二次襯砌之間設(shè)環(huán)、縱向透水盲溝，拱墻鋪設(shè)塑料防水板加無紡布。

(6)混凝土達到設(shè)計強度后，進行充填注漿。

2.3 全斷面法施工效果

為確保光爆效果，現(xiàn)場爆破采用光面爆破技術(shù)，開挖根據(jù)掌子面的實際狀況，確定鉆眼深度，避免開挖后掌子面形成掏槽開挖，影響掌子面穩(wěn)定。出碴完成后及時施作掌子面周邊的初期支護，即初噴4 cm厚混凝土，鋼筋網(wǎng)采用HPB300鋼筋，鋼架選用格柵鋼架，主筋直徑為22 mm，鋼筋保護層為40 mm，臨空一側(cè)的混凝土保護層厚度為30 mm。圖3為現(xiàn)場施工效果圖。

圖3 現(xiàn)場施工效果

為密切掌控全斷面法施工條件下老尖山隧道的穩(wěn)定性狀況，老尖山隧道在施工過程中進行了嚴格的監(jiān)控量測。圖4為Ⅳ級圍巖全斷面工法試驗段D2K181＋412、D2K181＋438和 D2K181＋494三個典型斷面處的位移變形監(jiān)測圖，其中水平收斂取正值，拱頂沉降取負值。從圖4可以看出三個監(jiān)測斷面的拱頂沉降量均未超過6 mm，在20 d左右趨于穩(wěn)定；水平收斂值在15～20 d達到最大值并逐漸趨于穩(wěn)定，三個監(jiān)測斷面的水平收斂值均未超過6 mm。綜合分析可知老尖山隧道Ⅳ級圍巖段在全斷面法施工條件下圍巖穩(wěn)定性良好。

圖4 典型斷面位移變形監(jiān)測

3 基于模糊層次分析法的單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖全斷面工法適用性標準研究

3.1 基本思路

鑒于老尖山隧道、當金山隧道等均在Ⅳ級圍巖段成功采用了全斷面法施工，下文對單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖全斷面工法的適用性評價標準進行初步探究。由于影響單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖全斷面工法適用性的影響因素許多具有較強的模糊性，因此，對于工法適用性的評價作為多因素影響的模糊決策問題較為合適。而工程中對于模糊決策問題一般采用綜合評估方法，所采用的理論涉及層次分析法、模糊理論、專家系統(tǒng)等[4-5]多個方面。其中層次分析法與模糊理論結(jié)合形成的模糊層次分析法[6]與傳統(tǒng)的層次分析法相比，克服了傳統(tǒng)方法中固定評分的方式的不足，減少了評估結(jié)果與實際情況之間的差異，適用于模糊決策問題?？紤]到模糊層次分析法已廣泛應(yīng)用于工程施工、隧道地質(zhì)災(zāi)害評估[7-9]等工程問題中，并取得了較好的效果，本文采用模糊層次分析法對單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖全斷面工法的適用性進行綜合評價，該方法的具體實現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 老尖山隧道Ⅳ級圍巖全斷面法適用性評價流程

3.2 明確評判目標

全斷面工法的適用性是一個抽象的概念，對于單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖全斷面法適用性進行評判歸根結(jié)底是對單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖采用全斷面法開挖后隧道圍巖的穩(wěn)定性進行判別?！豆こ處r體分級標準》中給出了各級圍巖的自穩(wěn)能力，由此可見，對于單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖全斷面法適用性等級的劃分也可通過圍巖自穩(wěn)能力來評定。因此，本文結(jié)合老尖山隧道現(xiàn)場施工中圍巖的穩(wěn)定性情況和《工程巖體分級標準》將單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖全斷面法的適用性等級劃分為5級:即E＝{e1，e2，e3，e4，e5} ＝{1，2，3，4，5}，其中e1為不適用，e2為部分適用，e3為基本適用，e4為適用，e5為完全適用，各等級的含義見表1。

表1 全斷面法適用性等級劃分

3.3 確立指標體系

單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖段隧道尺寸、型式基本相同，決定隧道可否進行全斷面法開挖的關(guān)鍵是圍巖的自身條件[10]，也即圍巖的等級。在現(xiàn)行的鐵路隧道設(shè)計規(guī)范中，圍巖級別的劃分主要依據(jù)兩個基本指標:巖石飽和單軸抗壓強度Rc、巖體完整性系數(shù)Kv，據(jù)此，指標體系建立時主要以上述兩參數(shù)為基礎(chǔ)，同時結(jié)合現(xiàn)場超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，將動態(tài)楊氏彈性模量Ed和泊松比ν，作為補充評價指標[11]。為建立各項指標參數(shù)與評價等級之間的對應(yīng)關(guān)系，依據(jù)《工程巖體分級標準》中的規(guī)定建立Rc和Kv評價基準，補充Ed和ν在圍巖分級中的應(yīng)用。最終建立各指標與單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖全斷面法適用性等級相對應(yīng)的評判基準如表2所示。

表2 指標評判基準

3.4 建立評判模型

綜合前述分析，建立單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖全斷面法適用性評價體系的模糊層次分析模型如圖6所示。從圖中可以看出，單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖全斷面法適用性評判模型分為兩層:第一層為目標層，即單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖全斷面法適用性評價系統(tǒng)；第二層為指標層，由影響單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖全斷面法適用性的4項指標組成。

圖6 模糊層次分析法評判模型

3.5 計算指標權(quán)重

為科學(xué)評價老尖山隧道Ⅳ級圍巖全斷面法的適用性，需建立模糊層次分析綜合評判模型中各指標與Ⅳ級圍巖全斷面法適用性之間的聯(lián)系，即權(quán)重關(guān)系。本文分析時對模型中各指標權(quán)重的確定采用1～9標度法進行，通過建立不同影響因素的判斷矩陣，同時依據(jù)Saaty的建議以相鄰的模糊數(shù)重疊原則建立對照的三角模糊數(shù)(x/y/z)，其中y為評價值，x和z為模糊數(shù)的兩端點。例如，原始尺度5模糊化后為(3.5/5/6.5)?？蓪⒛：蟮呐袛嗑仃囉肁～表示。對判斷矩陣進行一致性指標檢驗，以平均一致性指標CR＜0.1作為有效數(shù)據(jù)的標準[12]，對數(shù)據(jù)進行取舍，最終得到模糊正倒值矩陣見下式。

對矩陣X，Y和Z分別求各行數(shù)值的幾何平均數(shù)，如。計算特征權(quán)重值:

得到各因素的模糊權(quán)重:

最后利用幾何平均法將各模糊權(quán)重解模糊化，即先求得幾何平均數(shù)，然后再計算該因素在所有因素中的數(shù)學(xué)平均數(shù)，最終得到明確權(quán)重向量。

得到因素權(quán)重向量W＝(0.426，0.332，0.169，0.073)。

3.6 確定指標隸屬度

模糊綜合評判中另一關(guān)鍵性問題是關(guān)于隸屬函數(shù)的確定，考慮到評分的主觀性較強，故以數(shù)學(xué)函數(shù)的方式確定了隸屬函數(shù)。本文所取指標均為連續(xù)型指標(非離散型)，采用的構(gòu)造函數(shù)如下:

式中，Vj(j＝1，2，3，4，5)為分段函數(shù)界限值，與各指標的評判基準(見表2)有關(guān)，最終得到各Vj取值如表3所示。

表3 各指標(Ui)隸屬度構(gòu)造中選取的Vj

3.7 單線鐵路隧道中全斷面工法適用性標準研究

為實現(xiàn)研究目的，老尖山隧道現(xiàn)場施工中獲取了大量Ⅳ圍巖典型區(qū)段內(nèi)巖Rc、Kv、Ed和ν四項指標參數(shù)。其中Rc和Kv按《工程巖體分級標準》規(guī)定進行測試，Ed和ν可通過超前地質(zhì)預(yù)報TSP，由巖體在自然環(huán)境中彈性波場的縱、橫波速度測得。最終得到老尖山隧道各典型斷面的各項指標參數(shù)如表4所示。

表4 老尖山隧道典型斷面指標參數(shù)

因斷面眾多，計算過程相似，現(xiàn)僅以序號1為例進行說明。計算中首先將單一指標參數(shù)及其對應(yīng)的Vj代入隸屬函數(shù)，計算可得U11～U15，從而可以得到單因素向量(0，0，0.2，0.8，0)，向量的元素對應(yīng)表征對于評價指標不適用、部分適用、基本適用、適用和非常適用的隸屬關(guān)系。然后依次代入其余幾個因素值得到對應(yīng)單因素向量，將單因素向量組合可得隸屬度矩陣R。將因素權(quán)重向量與隸屬度矩陣相乘，得到評價矩陣B，再將評價矩陣與評價值向量相乘即可得到最終的評價值K。據(jù)此，計算序號1的評價值過程見下各式。

通過計算得到序號1全斷面法的適用性評價值為3.708，表明該巖樣所在區(qū)段采用全斷面工法時的適用性等級在三級與四級之間，即全斷面法的適用性在基本適用和適用之間，可以采用全斷面法。

與上述計算方法相同，對老尖山隧道全線范圍內(nèi)的Ⅳ級圍巖的全斷面法適用性進行評價，獲得了老尖山隧道Ⅳ級圍巖全斷面法適用性狀況(見圖7)，從圖中可以看出，老尖山隧道Ⅳ級圍巖段全斷面法適用性等級均在三級到四級之間，即在基本適用與適用之間。

圖7 老尖山隧道Ⅳ級圍巖全斷面法適用性狀況

4 結(jié)論及建議

本文依托老尖山隧道工程，利用模糊層次分析法原理建立了單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖全段面工法適用性評價體系，并對老尖山隧道Ⅳ級圍巖段全斷面法適用性進行判定，得到以下結(jié)論:

(1)老尖山隧道Ⅳ級圍巖段分布較廣，且?guī)r性復(fù)雜，現(xiàn)場采用全斷面法施工縮短了工期，減少了管理成本，極大地提高了現(xiàn)場施工效率。并且，從現(xiàn)場施工效果和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)可以看出Ⅳ級圍巖區(qū)段采用全斷面法圍巖位移變形很小，圍巖穩(wěn)定，施工效果良好。

(2)依據(jù)層次分析法建立了單線鐵路Ⅳ級圍巖全斷面工法適用性評價體系，將單線鐵路Ⅳ級圍巖段全斷面工法的適用性劃分為五個等級，以Rc和Kv為主要指標，以Ed和ν作為補充指標對單線鐵路Ⅳ級圍巖全斷面工法的適用性進行評價。利用模糊層次分析法確定了因素權(quán)重向量W＝(0.426，0.332，0.169，0.073)，由此可以看出Rc、Kv、Ed、ν對于單線鐵路Ⅳ級圍巖全斷面工法適用性的影響依次減小。

(3)運用模糊層次分析法對老尖山隧道全線Ⅳ級圍巖段進行計算分析得到的全斷面工法適用性評價值均大于3，即所有巖樣所在的區(qū)段采用全斷面法的適用性程度均大于3級，在基本適用以上。鑒于全斷面法在老尖山隧道Ⅳ級圍巖段的成功實施，說明在單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖段選用全斷面法時，依據(jù)評判模型得到的評價值需在3級及以上。

本文僅依據(jù)老尖山隧道的圍巖巖性參數(shù)對單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖段全斷面工法適宜性進行了分析，因樣本數(shù)據(jù)有限，其可靠性有待于在后續(xù)研究中結(jié)合其他類似工程進一步驗證修訂，使其能更好地為單線鐵路隧道Ⅳ級圍巖施工工法的選擇提供理論依據(jù)。