岩溶隧道突水突泥风险评估研究

［摘要］在岩溶区隧道建设的过程中，突水突泥灾害频繁发生，对工程建设造成巨大的安全隐患和经济损失。以马口排隧道为工程依托，采用理论分析与工程实际相结合的技术手段，分析了引发突水突泥灾害的关键性影响因子，并对各影响因子进行二级指标划分，提出层次分析法与加权平均法相结合的岩溶隧道突水突泥风险评估模型，得到相应结论。

［关键词］加权平均法；层次分析法；岩溶隧道；突水突泥；风险评估

随着高速公路网逐步建设，在岩溶区修建隧道的现象已屡见不鲜。但因岩溶区工程地质条件复杂，地质勘查难以准确无误，使突水突泥等地质灾害频繁发生。因此，有必要系统的研究浅埋偏压岩溶隧道突水突泥的影响因素，并制订针对性的风险评估模型，以实现灾害预测与化解的目的。因此，在数学理论的基础之上，结合层次分析法与加权平均法建立综合评价模型，并将模型与工程实际紧密结合。详细探讨马口排岩溶隧道突水突泥灾害的关键影响因素，采用加权平均法建立多因素–单一评价体系，通过开挖结果与评价结果相对比，验证该模型的可行性，能较好地指导施工，以避免突水突泥灾害发生，降低施工风险与经济损失。

1工程概况

1.1隧道线路概况。马口排隧道设计为小净距/分离式隧道，双线四车道，双洞单向行车。隧道内纵坡为人字坡，左洞纵坡2.4%和–1.00%，变坡点在进洞后约490m处；右洞纵坡2.55%和–0.95%，变坡点在进洞后约515m处。本隧道路面横坡±2%，无超高路面。1.2地形地貌概况。隧址区为构造溶蚀低山地貌单元区。隧道穿越山体呈南北向延伸，地表植被发育，山体两侧自然斜坡总体呈东陡西缓，山体中发育有槽谷，地形平缓，表层为残坡积红粘土覆盖，岩溶漏斗、岩溶塌陷及落水洞多有分布。隧道进口位于英红镇朱屋村，地形为向东倾斜山湾内，相对高差约为270.76m；隧道洞身段为岩溶槽谷，地形相对平缓，走向与山体延伸方向基本一致。隧道出口侧自然斜坡总体向西侧倾斜。1.3地质条件概况。据隧址区工程地质测绘及钻孔成果，隧道进、出口地形平缓地段为第四系全新统残坡积（Q4el+dl）层覆盖，出露基岩为石炭系下统大塘阶石磴子段（C1ds）地层。隧道区所处地层情况为马口排背斜，背斜轴呈北东南西向，隧道穿越背斜两翼及轴部，枢纽略有摆动。1.4水文概况隧址区地下水主要以两种类型存在。第四系土层分布于隧道进、出口自然斜坡及洞身段溶蚀槽谷中，其孔隙水雨季含量较高且变化较大，对表层覆盖土层稳定性影响较大；碳酸盐岩类分布广泛，岩溶水的富集状况与隧址区的岩溶发育程度关系密切。

2综合评价总体技术路线

岩溶隧道突水本质上是外部作用破坏了地下水原有的运移网络或存储状态，其影响因素复杂多样。本文通过加权平均法建立多因素–单一综合评价指标体系可有效避免上述不利影响，同时该体系比较全面地涵盖了对隧道突水产生影响的各个因素，又通过融合各因素得到一个定量的综合评价指标值。其技术路线为：确定突水突泥灾害影响因子→建立指标体系→运用层次分析法进行权值分析→关键指标分级→构件综合评价模型→对突水突泥风险进行评估。

3层次分析法指标体系

3.1构建指标体系。关于岩溶隧道突水突泥灾害的影响因子多而繁杂，对于评价体系并没有严格的规定与划分。结合马口排隧道施工现场遇到的突水突泥灾害分析与评价，总结出4类关键性影响因子，分别为岩溶发育、地质构造、水文条件以及施工影响。每个类别又下分有二级评价指标。3.2影响因素与权值分析。基于层次分析法对各影响因子进行风险评估权值分析。构造判断矩阵，计算因素权向量ω，最大特征值λmax，随机一致性比率CR。3.2.1岩溶发育。岩溶发育类影响因子主要包括围岩级别及可溶岩成分。对岩溶水的运移具有重要的影响，而围岩级别的不同也表征了岩溶水运移与存储条件的变化。通过理论分析与实例统计得：ω=[0.582,0.309,0.109],λmax=3.004,CI=0.002,CR=0.004<0.1，满足一致性条件。3.2.2地质构造。岩溶发育类影响因子主要包括断层构造、褶皱及岩层产状。针对岩石的性质进行分析，若存在原始裂隙，在地表径流、化学腐蚀的作用下，进一步过大形成溶蚀裂隙，甚至发育成岩溶管道，久而久之形成溶洞。通过理论分析与实例统计得：ω=[0.635,0.197,0.178],λmax=3.124,CI=0.002,CR=0.003<0.1，满足一致性条件。3.2.3水文地质。岩溶发育类影响因子主要包括汇水面积、地下水位及承压水压力。地下水是引发突水突泥灾害的主控性因素，而地下水头是预测突水突泥危害的可能性程度。若隧道底板与水头有相对距离，而水头又处于上部，若距离为60m时，风险最大；距离为30m<h<60m时，风险次之；距离为0<h<30m时，突水突泥可能性较低。通过理论分析与实例统计得：ω=[0.531,0.257,0.212],λmax=4.104,CI=0.003,CR=0.004<0.1，满足一致性条件。3.2.4施工影响施工影响因子主要包括隧道埋深、开挖支护及超前地质预报。隧道施工对岩体的应力平衡及受力状态影响较大，水力梯度是突水突泥发生的直接性因素。此外，当掌子面与溶洞的相对空间位置改变了水力梯度，极易引发突水突泥灾害。对于不同工程、不同情况下，若选取处治措施不当，极有可能造成突水突泥灾害。通过理论分析与实例统计得：ω=[0.526,0.198,0.276],λmax=4.021,CI=0.007,CR=0.007<0.1，满足一致性条件。3.3二级指标综合评价。针对更为详细的二级指标进行权值分析，找出关键影响指标，为后期评价模型的建立提供基础。通过理论分析与实例统计：ω=[0.027,0.103,0.114,0.094,0.173,0.027,0.021,0.133,0.034,0.131,0.143],CI=0.008,RI=0.908,CR=0.008<0.1，满足一致性条件。通过对马口排隧道影响因素的权值分析可知：岩溶发育所占总比例为13%，其中围岩等级比重较大；地质构造所占比例为38.1%，相比于其他指标岩层产状的权重较大达到17.3%，而其他两个二级指标在所有二级指标中所占的指标也较为突出；水文地质所占比例为18.1%，地下水位对岩溶隧道突水突泥的评估更为突出；工程影响所占比例为30.8%，其中超前地质预报和开挖支护分别占13.1%和14.3%。

4突水突泥关键性指标等级划分

按照工程情况和各评价指标所占的权重，对评价指标进行定性的分析后，建立定量的分级标准。结合各指标对突水突泥灾害的关联性情况，将定量评价数据按十分制划分成5个等级。结合突水突泥灾害危险性情况，将灾害等级分为安全、较安全、较危险、危险、极危险5个等级。

5岩溶隧道突水突泥评估模型

5.1评价指标相关系数确定。指标对评价对象的重要程度可以通过指标相关系数进行量化。指标相关系数越大，重要程度越高。通过简单关联函数确定指标相关系数，设：式中：rik为物元；vik为第i个影响因子的第k个二级指标xi对应的量值。当待评事物的影响程度越高时，该指标所占的权值也相应越大，取：（3）sj=c1jω1+c2jω2+…+ci–1jωi–1+cijωi（4）式中：sj为岩溶隧道突水危险性综合评价指标值；cij为评价分值，分别为2,4,6,8,10；ωi为影响因子权重值。将得到的综合评价指标值sj根据岩溶隧道突水灾害危险性评级标准确定该隧道的突水危险性。5.3评定结果及分析。从评价模型对马口排隧道的突水突泥风险评估结果中选取代表性施工段（左线ZK225+475~ZK225+510段）数据进行分析，根据该段隧道工程的水文地质与工程地质资料，并经专家评议，得到评价指标的分值，并将数据代入式（1）–（3），计算出综合评价指标值sj=5.49。由此可以判断马口排隧道左线ZK225+475~ZK225+510段处于较危险状态。实际开挖时，左线ZK225+475~ZK225+510段围岩主要为中等风化灰岩，存在较为明显的层理结构，裂隙较发育，其中裂隙中存在砂砾，多呈块状～裂隙块状结构，掌子面围岩地下水发育，渗水严重，多处出现白色析出物或黄泥印记，局部裂隙渗滴水，易发生掌子面掉块、局部小坍塌等地质灾害，有较大突水突泥的可能性。该评价结果与工程实际吻合较好，从而证明了该方法的正确性。

6结论

通过对马口排隧道的水文地质条件进行探讨，分析了引发突水突泥灾害的关键性影响因子，并对各影响因子进行二级指标划分，提出层次分析法与加权平均法相结合的岩溶隧道突水突泥风险评估模型，并成功运用于马口排隧道，其主要结论如下。（1）基于统计与层次分析法甄选出突水突泥灾害的4种关键性影响因素，并进行二级指标的划分，建立突水突泥风险评估指标体系，通过权重分析，确定地质构造与工程影响为主控性因素。（2）基于简单关联函数理论与加权平均法相结合的技术手段，构建多因素–单一综合评价模型，该模型解决了多因素评价方法不准确的问题，为突水突泥风险评估提供一种新方法。（3）将构建的评估模型成功运用于马口排岩溶隧道，评估结果与现场施工情况进行对比，验证了该风险评估模型的合理性与可行性，对类似工程的评估起到借鉴作用。

作者:李德臣 单位:中铁十四局集团第二工程有限公司

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