基于FAHP-TOPSIS的岩溶隧道超前地质预报方案优化.pdf

第 卷第 期 年 月灾 害 学 王亮 郝海鹏 郑向向 等.基于 的岩溶隧道超前地质预报方案优化.灾害学 ():.():/基于 的岩溶隧道超前地质预报方案优化王 亮 郝海鹏 郑向向 吴昱芳 江 杰(中铁一局集团有限公司第三工程分公司 陕西 宝鸡 广西大学 土木建筑工程学院 广西 南宁)摘 要:为了预防岩溶隧道涌水突泥、塌方等地质灾害的发生 通常采用超前地质预报方法来探测掌子面前方的地质情况 该文研究地质调查分析法、超前水平钻探法、隧道地震勘探法和地质雷达探测法共 种超前地质预报方法 并针对探测能力、适用范围和探测精度分析每种方法的可行性 提出 种超前地质预报的组合方案 结合模糊层次分析法和逼近理想解法 计算组合方案影响因素的权重 对各方案与理想方案的接近程度进行排序 得到岩溶隧道超前地质预报方案最优解 实例应用结果表明 地质调查分析法 超前水平钻探法 地质雷达探测法的组合形式为大新隧道超前预报最佳组合方案 该法能消除单一物探方法的多解性 提高了超前地质预报的准确性关键词:岩溶隧道 超前地质预报 模糊层次分析法 逼近理想解中图分类号:文献标志码:文章编号:():/隧道修建过程中经常遇到地质不良现象 尤其是突涌水现象 溶洞的存在致使隧道建设工作变得十分困难 为减少施工过程中不良地质带来的财产损失 保障施工人员的人身安全 对溶洞隧道进行超前地质预报具有重要意义 目前对于超前地质预报方法的研究成果丰硕 李术才等指出了岩溶地区隧道不良地质超前预报中存在的问题以及预报不同地质体的有效方法 超前水平钻探、瞬变电磁法、隧道地震探测等方法被应用于隧道地质超前预报中 由于单一的超前地质预报方法可能带来预测精度不足 采用综合的物探技术可预测施工前方地质构造位置及含水情况 具有更高的预测速度和精度 然而面对实际复杂的岩溶隧道地质条件缺乏切实有效的物探选择方法物探方法的选择受到各种因素的制约 层次分析法作为一种广泛应用的决策分析方法 具有高逻辑性、简单适用等优点 模糊层次分析法可以在层次分析法的基础上 得到模糊量的变化规律 且能科学合理地分配各因素权重 在超前地质预报组合方案选择的问题上 逼近理想解法能够利用各方案提供的定量数据 给出科学的决策方案 地质预报方法的选择包含定性与定量因素 且因素之间存在不确定性关系 一般的数学模型难以合理解决 因此 本文将结合模糊层次分析法和逼近理想解法 解决岩溶隧道超前地质预报方案的选择优化问题 综合超前地质预报方法研究 超前地质预报方法常见的超前地质预报方法有地质调查分析、超前水平钻探、隧道地震勘探法以及地质雷达探测等等 地质调查分析()指的是由经验丰富的技术人员根据现有隧道调查信息、地表地质调查附加信息和隧道地质素描图 查明隧道断层、不利地质 判断掌子面的岩性、岩体结构和围岩含水量等信息 超前水平钻探()是根据钻井速度、岩心识别、钻孔冲洗液的颜色、气味、岩粉和其他条件的变化来进行的 可以从钻孔实际情况确定前方是否有地下水以及地下水的位置 由此可以得到开挖前方的地质情况隧道地震勘探法()根据回声探测原理 由小量炸药激发产生的地震波传播过程遇到波阻抗差界面时 部分地震信号被反射 部分信号被传输到前方介质中 反射的地震信号被检波器所接收 通过采集并处理所接收的数据 便可实现超前地质预报 地质雷达探测()装置由一个发射天线和接收天线组成 利用电磁波在隧道开挖面前方的岩体中的传播和反射推断介质的性质和形态 当电磁波遇到电性差异目标体时 电磁波就会反射并被接收天线接收 经过滤波、去噪等手段对接受的电磁波进行处理 便可得到连续的雷达剖面图收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目“南方膨胀岩地区地铁隧道围岩传热特性及热效应研究”()第一作者简介:王亮()男 汉族 山东新泰人 高级工程师 主要从事道路与桥梁工程方面研究.:通信作者:吴昱芳()女 仫佬族 广西罗城人 博士研究生 主要从事隧道工程方面研究.:灾 害 学 卷表 组合超前地质预报方法具体分析地质调查分析法()超前水平钻探法()隧道地震勘探法()地质雷达探测法()总结探测能力主要 针 对 掌 子面进行判断探测 深 度 约 为 有效 探 测 距 离可 达 探 测 深 度 约 为 结合 种超前地质预报方法 可实现不同距离的综合预报 采用不同探测方法 保证了掌子面前方的有效探测距离适用范围地质 素 描 图 是隧道 施 工 地 质超前 探 测 的 基础 资 料 适 用于隧 道 施 工 全过程适用 于 复 杂 地质条 件 隧 道 不良 地 质 探 测特别 是 在 富 水洞 段 对 水 的探测适 用 于 断 层、破 碎 带、弱 硬岩接 触 面 等 面状结构的探测对 断 层、破 碎带 等 探 测 效 果较 好 特 别 是溶 洞 或 含 水 区域探测效果良好 对于面状结构有较好的探测效果 而对于溶洞或含水区域则可考虑 或 隧道施工全程应对每个掌子面应进行地质调查分析探测精度低较高较低高 与 的探测精度相对较低 与 的探测精度相对较高 一定程度上能弥补 与 探测精度不足的问题 专业地质人员丰富的经验能够根据实际情况减少误报的可能性 组合预报方法可行性分析 主要针对掌子面进行判断 操作简单不需要大型设备 可以随着隧道施工的推进随时进行地质调查 该法能够直接描述隧道开挖掌子面的地质情况 直接简便 效果良好 然而 通常需要专业且经验丰富的技术人员的参与 当遇到隧道大交角和前倾的结构面 该法则不能直接预测 特别是遇到复杂的地质条件 对于超前地质的预报变得更加困难 探测深度约为 可以更直观地展现隧道地层的岩性、围岩完整性、溶洞大小以及地下水情况 该法排除了常见物探方法所具有的多解性 它更为客观 然而 只显示开挖面前方小部分范围的地质条件 并不能代表开挖面前方完整的地质情况 具有一定的偶然性 该法会遇到取芯困难的情况 且成本较高 能预报隧道施工前方 范围内地质条件和岩石特性的变化 预报距离长 适用范围广 岩性不同时地震波传播距离不同 分辨率较低 约为 对于断层、破碎带、弱硬岩接触面等面状结构反射信号较为明显 对于溶洞等点状地质体的预报能力较弱 且需要专业的地质工作人员进行围岩定性解释 是目前预测精度最高的物探方法 探测深度约为 对于断裂带 特别是含水带有较高的探测精度 在溶洞发育地区以及富水地层 地质雷达相对于其他方法具有良好的探测效果 其操作简单 适应性强 对施工干扰较小然而对于长距离的探测需要分段进行 或者需要结合其他超前地质预报方法表 分析并总结了 种超前地质预报方法的探测能力、适用范围和探测精度 预报方法组合形式确定围岩等级需要考虑围岩完整程度、地下水、地应力及隧道埋深等因素 电磁波、地震波速与围岩等级在一定程度上虽然间接相关 但仍未直接相关 因此 如果采用单一的物探方法还无法准确确定围岩等级 很难探测出岩溶隧道的不良地质体 为了提高地质探测的准确性 可采用多种探测方法相组合 遵循方案应满足探测距离长短结合、多解率低、技术可靠性好、探测准确性高的原则 本文提出的 种组合形式(表)表 超前地质预报方法组合形式编号组合形式 基于 的超前地质预报方案优化 引入了三角模糊数的概念以体现人判断的模糊性 使得方案的相对重要程度可以弹性调整 通过计算各方案与理想解的距离来评价决策优化方案 从而避免不同决策者因偏好不同对决策结果产生影响 和 的耦合模型结合了两种方法的优点 主要包括以下三个步骤:建立超前地质预报综合方案层次分析关系模型 采用 法确定评价方案的权重 采用 法对各备选方案进行排序并选出最优方案 层次分析关系的建立层次分析法()将决策问题按总目标、评价准则直至具体的方案的顺序分解为不同的层次结构 在超前地质预报方法组合的问题上 我们把超前地质预报综合方法视作要解决的问题 即目标层 以探测能力、适用范围及探测精度作为完成总目标要考虑的因素、决策的准则 即准则层 以 种超前地质预报方法组合形式(、)作为决策时的备选方案即方案层 构建层次分析关系模型如图 所示图 层次分析关系模型 期王 亮 等:基于 的岩溶隧道超前地质预报方案优化 法确定评价指标权重根据构建的层次分析关系模型 建立判断矩阵 由于三角模糊数可以通过中值体现指标间相互比较的最可能关系 因此引入三角模糊数的概念 构建模糊层次分析法()判断矩阵 将判断矩阵中的元素以三角模糊数 ()来表示 其中 分别为其下界值 中值和上界值 其隶属度定义为:()()部分定性评价指标难以用具体数值衡量 不便于参与比较过程 缺乏直观性 因此 有必要数值化这些指标 以此达到量化效果 对两两比较的指标均采用“同等重要”“稍微重要”“明显重要”“强烈重要”“极其重要”等定性语言字符反映重要程度评价情况 同时 把字符转换成数字形式即三角模糊数和三角模糊倒数 赋值原则如表 所示 判断矩阵的元素的确定由专家对各指标进行两两比较并打分 用 之间的整数来表示二者的相对重要程度 赋予的分值越高表明该指标越重要 将判断矩阵元素模糊化后 得到模糊判断矩阵 ()表示矩阵阶数 ()()()()()()()()()()()表 模糊标度及其含义比较等级语言描述三角模糊数三角模糊倒数同等重要()()稍微重要()(/)明显重要()(/)强烈重要()(/)极其重要()(/)重要程度处于二者之间()()()()(/)(/)(/)(/)为保证决策的科学性 需要随三角模糊判断矩阵 ()进行一致性检验 对于判断矩阵 当 满足一致性条件时 相应的模糊判断矩阵也满足一致性条件 假设 对应的最大特征根为 那么模糊判断矩阵对应的一致性比例 可表示为:()()式中:表示平均随机一致性指标 可通过查表得到 若 认为模糊判断矩阵的一致性满足要求 否则 需要专家对判断矩阵进行重新打分对于三角模糊数判断矩阵 ()可采用特征根法确定其指标权重向量 分别计算矩阵 的最大特征值对应的特征向量 并对其进行归一化处理 得到三角模糊数权重向量 ()根据式()对权重向量进行去模糊化 转为单值向量()()式中:为的取值由决策问题具体环境和决策者风险偏好等因素决定 例如当为风险爱好型决策者时 当为风险中立型时 当为风险规避型时 基于 判断最优方案为保证结果的准确可靠 本文采用逼近理想解排序法()对各备选方案与理想方案的接近程度进行排序 首先需要将定性指标定量化 定性指标评级术语与标度值之间的关系如表 所示 构建初始评判矩阵:()()式中:为评判指标 定义为第 个方案的第 个指标 表 定性指标评价标度语言变量标度值语言变量标度值语言变量标度值很差一般稍好差中等好稍差还行很好 为了消除各个属性量纲不同所带来的影响根据式()对数据进行归一化 得到归一化矩阵 ()()选取矩阵 中每个指标的最优值和最劣值分别组成最优方案 和最劣方案 利用式()分别计算每个备选方案与最优方案、最劣方案的距离()()()式中:分别为备选方案与最优方案、最劣方案距离 表示第 个指标对应的权重 分别为 与 相对应的元素第 个备选方案与最优方案的接近程度 可表示为:()可以看出()的值越大表示备选方案与最优方案越接近 方案选择时的优先级越高 工程应用 水文地质条件大新隧道属岩溶峰丛洼地谷地地貌区 分布地层主要为第四系全新统第四系冲洪积层红黏土及泥盆系中统东岗岭组石灰岩 受 断层影灾 害 学 卷响 隧 址 区 岩 体 相 对 较 破 碎 局 部 裂 隙 发 育(图)受地形地貌及地层岩性的影响 地下水类型主要为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩岩溶水 其中以碳酸盐岩岩溶水为主 岩溶水主要接受大气降水、覆盖层孔隙水、地表河水的越流补给 其动态变化幅度大 对降雨的反应明显 大新隧道右线地质纵断面如图 所示图 大新隧道入口危岩 指标权重的确定在图 构建的层次分析关系模型的基础上 邀请专家对指标进行重要度评价 构造目标层 和准则层 各因素的模糊判断矩阵 如表 所示表 模糊判断矩阵()(/)(/)()()()()()()首先对三角模糊判断矩阵一致性进行检验通过计算 对应的最大特征值 指标数 查表可知对应的 可得 故方案 为最佳选项 结果验证在隧道右洞 里程段同时采用、共 种超前地质预报备选方案进行探测 综合方案显示 围岩节理弱发育 岩体较完整 整体稳定性较好 施作钻孔前方岩体以中风化灰色石灰岩为主 为较硬岩钻孔深度 范围内 存有碎石回填物 通过对 成果图的分析 隧道掌子面前方无异常段(图)图 大新隧道右线地质纵断面图表 超前地质预报方案优化结果方案最优向量 最劣向量 接近程度 排序:期王 亮 等:基于 的岩溶隧道超前地质预报方案优化图 隧道地震预报成果图 综合方案显示 岩体为弱风化灰色石灰岩 岩质较硬 中厚层状结构 岩层倾角为接近水平层状 隧道掌子面前方无异常段(图)分析检测雷达波形图可知 隧道上台阶地面向下 范围内 电磁波反射信号较强 同相轴连续性较差 频率以中低频为主 振幅一般(图)图 地质雷达剖面图 综合方案显示 以中风化灰色石灰岩为主 掌子面中部左侧出现管状垂直落水岩溶 该岩溶从上向下延伸 上部存有多处溶隙管道 钻进速度较快 钻渣呈青(灰)黑色岩粉分析检测雷达波形图可知 测线下方 范围内 存有异常反射波组(图)表明该段地下水较发育 掌子面开挖揭示前方 围岩以中风化石灰岩为主 岩层倾角接近水平 中厚层状层间结合较差 岩体较破碎 整体稳定性一般隧道施工中右洞 段出现管状垂直落水溶洞(图)该溶洞位于掌子面左侧溶腔直径约 侵入隧道左侧 深度为隧道仰拱底向下约 顶部通地表 在仰拱底向下 处有地下水 实际开挖情况表明 方案预报的掌子面揭露围岩破碎情况以及溶洞出现情况与实际基本一致 因此 为超前预报最佳组合方案图 管状垂直落水溶洞 结语()不同的超前地质预报方法的探测能力、适用范围和探测精度不同 对断层、破碎带、弱硬岩接触面等面状结构的探测具有良好的效果但是探测精度较低 和 适用于复杂地质条件隧道不良地质探测 特别是对于溶洞和富水区域的探测 有更高的探测精度 适用于隧道施工全过程 应在每个阶段对掌子面应进行地质调查分析()综合了层次分析法和 的优点 提高了决策的准确性和可靠性 在构建超前地质综合预报法层次关系模型的基础上采用 进行指标权重的计算 使得方案的相对重要程度存在一定弹性调整因素 采用 对各备选方案与理想方案的接近程度进行排序 确定超前地质预报方法组合的最优方案 避免了不同决策者因偏好不同对决策结果产生影响()通过采用 种预报方法对大新隧道右洞 里程段进行超前地质探灾 害 学 卷测 得到 为超前预报最佳组合方案 实际开挖情况验证了本文方法的有效性为岩溶隧道超前地质预报方案优化提供参考参考文献:李术才 李树忱 张庆松 等.岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究.岩石力学与工程学报 ():冯春萌 邵羽 梁铭 等.水平钻探在山区隧道超前地质预报中的应用研究.公路 ():秦良 张庆朝.瞬变电磁法隧道超前地质预报物理模拟.现代隧道技术 ():王树栋.系统在隧道超前地质预报中的问题及其改善处理.现代隧道技术 ():吴超凡 邱占林 路拓 等.综合物探技术在大弯煤矿巷道超前地质预报中的应用.煤炭工程 ():陈素敏 王馨霆 袁真秀 等.基于层次分析法的综合超前地质预报及应用.都市快轨交通 ():王臣 李健 李德宏 等.岩溶隧道超前预报方案优化研究.中国安全生产科学技术 ():武明静.基于层次分析法的浅埋大跨城市隧道扁平率优化研究.施工技术 ():吴波 路明 雷领 等.基于改进 法研究隧道施工方案优化.铁道科学与工程学报 ():韦建昌 邵羽 梁铭 等.超前水平钻探在岩溶隧道地质预报中的应用研究.中外公路 ():陈剑 吴立 徐昌茂 等.在高速铁路隧道超前地质预报中的应用研究.铁道建筑 ():刘旭斌 申翔宇 闵新皓.基于超前地质预报的大型岩溶隧道处理技术.现代隧道技术 ():.().():王伟 李航帆 高振.组合物探方法在十八里堡隧道超前地质预报中的联合应用.现代隧道技术 ():杜义祥 朱宏伟 李明骏.基于 理想点法的隧道突泥涌水风险评价 .公路 交通 科技 ():(.):.:.:灾害学被授予“专业内容知识聚合服务平台创新服务示范单位”称号 年 月 灾害学荣获北京万方数据股份有限公司授予的“专业内容知识聚合服务平台创新服务示范单位”称号“专业内容知识聚合服务平台开发”重点课题是国家重点研发计划资助的专项子课题 该项目由北京万方数据股份有限公司牵头研发 针对线上线下结合的专业内容知识聚合门户服务模式与机制的研究该项目研究成果“专业内容知识聚合服务平台创新服务示范单位”是对期刊社会影响力和学术价值的综合肯定灾害学将继续在选稿策划、编辑加工、出版传播、期刊宣传等各环节强化创新意识和服务能力更好的为党和国家的防灾减灾事业作出贡献