隧道突水突泥灾害的模糊预测和控制措施*

贾 磊，李 源，章 岩

（1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070；2.石家庄经济学院勘查技术与工程学院，河北石家庄050031）

隧道突水突泥灾害的模糊预测和控制措施*

贾 磊1，2，李 源2，章 岩1

（1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070；2.石家庄经济学院勘查技术与工程学院，河北石家庄050031）

为了预测突水突泥灾害发生的可能性和规模，针对隧道施工中突水突泥灾害的影响因素较多，且各因素相互关联，具有很强的模糊性，提出了利用模糊综合评判方法来评判隧道的突水突泥风险，实例证明其结果与实际情况具有较好的一致性。并针对隧道的突水突泥灾害提出了有针对性的控制措施。这对于制定合理的超前地质预报措施、拟定有效的防灾方案、保障隧道安全施工，均有非常重要的意义。

隧道工程；突水突泥；模糊综合评价；控制措施

众所周知，隧道掘进必然改变围岩的原始应力场，而应力释放会引起围岩中裂隙的发展，从而使得地下水或其他与之有联系的水体突然进入隧道，发生隧道的突水突泥灾害。隧道突水突泥是否发生，需要满足一定的条件，即含水围岩的能力贮备性能、释放性能、水动力性能和围岩稳定性等，达到了临界值，地下水就会以极大的动力释放能量，造成隧道施工和运营过程中发生安全事故［1－4］。

目前国内外主要通过水文地质比拟、地下水动力学法、水均衡法和数值模拟等方法来间接评判突水突泥的发生风险，但影响隧道突水突泥的因素众多且相互影响，具有很强的模糊不确定性，而上述研究方法往往忽略不确定性问题［5－6］。本文结合影响突水突泥的主要因素，依托工程实例，建立了隧道突水突泥的模糊评价模型，通过多层次评价来预先了解隧道施工中突水突泥发生的可能性和范围，以期为隧道的施工提供参考建议。

1 建立隧道突水突泥模糊评价模型

1.1 模糊综合评模型

隧道突水突泥不但与施工条件和隧道特征有关，更主要的是和断层破碎带、水文地质条件有关，而水文地质条件又受控于地形地貌条件、地层岩性和地质构造等地质条件等。因此，结合以往隧道突水突泥案例，选择灾害的主要影响因素，并考虑隶属关系，建立表1所示的多层模糊评价模型。

1.2 模糊指标隶属度的确定

某隧道采用短台阶7步开挖。隧道位于背斜翼部，岩层呈单斜构造，围岩为灰岩，弱风化。隧道穿过断层及其破碎带地层，破碎带软弱、破碎，结构松散，缝隙大，节理裂隙发育。这些不良地质条件造成地下水发育，勘察资料显示地下水类型为孔隙潜水及岩溶裂隙水，补给方式为大气降水补给，且随季节性变化。在影响因素中，对于定性指标采用专家调查法确定；对于定量指标采用三角形法来确定隶属函数［7－9］，构建隶属度指标如式（1）～（4）所示。

1.3 影响因素的权重确定

隧道的突水突泥灾害是众多因素之间相互关联、相互制约构成的复杂问题，这些因素的影响程度不一，且具有很大的模糊性，在许多情况下无法明确肯定哪一个更重要［10－11］。对于难于明确重要性程度的这类模糊不确定问题，本文采用层次分析法来定量化处理这些因素。

表1 隧道突水突泥的多层次模糊评价模型

1.3.1 确定判断矩阵

使用1～9的比例标度aij来反映相对的重要性，标度的含义参见表2。若Ai比较Aj的重要性为aij，则Aj相对Ai的重要性可判断为aji＝1／aij，从而可以得到一个n×n的判断矩阵A＝（aij）n×n。

表2 层次分析法标度的含义

最终得到地质结构因素的判断矩阵为：

地表因素的判断矩阵为：

水文条件的判断矩阵为：

其他因素的判断矩阵为：

二级模糊综合判断矩阵为：

1.3.2 计算矩阵A的最大特征值和对应的特征向量

（1）计算矩阵特征值和特征向量的方法很多，在精度要求不高的情况下，往往采用简单的近似方法，本文采用平方根法，计算结果如下。

（2）矩阵的一致性检验

因为判断矩阵A采用两两比较得到，未必满足等式aijajk＝aik。为了衡量A矩阵两两不相容所造成的ymax和W的误差，则需构建一个一致性指标CI［12］。

2 模糊综合评判

根据Bi＝Wi·Ri可求得一级模糊综合评判：

二级模糊综合评判：

采用加权平均法对二级评判结果进行归一化处理，得到评判集为：

上述计算结果为该隧道发生突水突泥灾害的最终评价结果，根据最大隶属度原则，该隧道穿越断层破碎带，突水突泥灾害发生的可能性是极高度的。这与工程施工中的实际情况一致。

3 突水突泥风险控制措施

本隧道主要穿越岩层为灰岩，属可溶性岩，且围岩较破碎，地下水发育，隧道发生突水突泥风险极高。鉴于上述分析结果，针对突水突泥风险概率等级相对较高的地段，上述地段的突水突泥风险可采取如下措施：

（1）降低含水地层的富水性。对动水补给条件较差的工程，可采用降水疏干方法，把水位降低，使水头压力的安全得到保障。

（2）封堵裂隙通道。用混凝土对裂隙发育等关键部位进行注浆封堵，隔断导水通道，使得导水通道失去导水作用，达到防范目的。

（3）改进施工方法，加强水源封堵。对通过断层破碎带的地段，在隧道超前预注浆的基础上，提高注浆液的强度、浆液中添加掺加剂、减小注浆孔间距、扩大注浆区段的长度，从而加强堵水效果。

（4）结合多种物探手段，加强超前地质预报，加强地下水环境的探测，尤其是查明导水构造、隔水层等薄弱位置；加强对隐伏小构造的探查，尤其是一些小的隐伏岩溶区段。

（5）对地下水发育段采用“释能降压”原则，保证安全的岩壁厚度，设超前排水孔和加深炮眼。

4 结论与探讨

（1）隧道工程施工中，突水突泥灾害的发生受到诸多复杂且相互关联的因素共同作用，相互影响具有模糊性，本文根据既有的研究成果、工程实践和国家规范，提出了影响突水突泥发生的判断指标，建立了模糊评判模型，并通过实例证明了模糊评估模型的适用性和有效性。

（2）针对本隧道的工程实际，提出了减弱突水突泥灾害发生的控制措施，以减小灾害发生的风险。

（3）模糊综合评价方法，对于像隧道突水突泥这种无法直接建立影响因素与结果之间关系的情况，具有很大的适用性，且作为现场监测工作的一个有益的补充，可以帮助现场工程人员更好控制施工风险。但该方法还有待进一步完善，例如各级评判指标的进一步优化，隶属度和权重的分配优化等问题的研究。

［1］ 刘长祥.山区软弱砂岩地区大跨度隧道稳定性研究［D］.上海：同济大学，2007：55－78.

［2］ 张民庆，曾强运，杨兵.岩溶隧道溶洞泄水机理及工程实例分析［J］.岩土工程学报，2010，32（10）：32－36.

［3］ 王遇国，梅志荣.岩溶隧道突水风险与保险机制探讨［J］.现代隧道技术，2009（4）：30－35.

［4］ 郭旭晶，黄涛，肖再亮，等.石太客运专线特长隧道涌水灾害预测研究［J］.工程地质学报，2008，16（2）：255－257.

［5］ 刘学增，马小君.隧道穿越断层破碎带突水涌泥模糊安全评价［J］.地下空间与工程学报，2009，12（5）：1786－1790.

［6］ 莫阳春.高水压充填型岩溶隧道稳定性研究［D］.成都：西南交通大学，2009.

［7］ 杨伦标，高英仪.模糊数学原理及应用［M］.广州：华南理工大学出版社，2001：67－90.

［8］ 谢季坚，刘承平.模糊数学方法应用［M］.武汉：华中科技大学出版社，2000：15－40.

［9］ 孙杰，牟在根，张晓.基于隶属函数选取的岩土工程模糊可靠度分析［J］.岩土工程技术，2006，20（4）：200－203.

［10］曹文贵，颜艳芬，张永杰.基桩桩端岩溶顶板稳定性模糊可靠性分析方法［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（1）：88－94.

［11］梁波，吴连波.模糊综合评判法在隧道施工灾害中的应用［C］／／2008年全国隧道监控量测与反分析专题研讨会论文集.重庆：中国公路学会隧道工程分会，中国土木工程学会隧道及地下工程分会，中国岩力学与工程学会地下工程分会，2008：14－21.

［12］王莲芬，许树伯.层次分析法引论［M］.北京：中国人民大学出版社，1990.

Fuzzy-prediction and Control M easures for Water Bursting and M ud Surging of Tunnel

Jia Lei1，2，Li Yuan2and Zhang Yan1
（1．College of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China；2．School of Exploration Technology and Engineering，Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang 050031，China）

In order to predict the possibility and scale ofwater bursting andmud surging，in view of the influencing factors that are interconnected and with great fuzziness，fuzzy comprehensive evaluation method is proposed to judge the risk of disaster.Example shows that results of the approach above have a good consistency with the actual situation，and pertinence controlmeasures are put forward.What have done in the paper are of great significance tomake reasonablemeasures of advance geological forecast，develop an effective disaster prevention plan and protect the safety of the tunnel construction.

tunnelengineering；water bursting andmud surging；fuzzy comprehensive evaluation；controlmeasure

X43；U25

A

1000－811X（2014）02－0069－03

10.3969／j.issn.1000－811X.2014.02.015

贾磊，李源，章岩.隧道突水突泥灾害的模糊预测和控制措施［J］.灾害学，2014，29（2）：69－71.［Lei Jia，Li Yuan，Yan Zhang.Fuzzy-prediction and Control Measures for Water Bursting and Mud Surging of Tunnel［J］.Journal of Catastrophology，2014，29（2）：69－71.］

2013－10－01 修改日期：2013－12－01

河北省教育厅高等学校科学技术研究项目（Z2011224）；河北省科学技术研究与发展计划项目（11237174）

贾磊（1978－），男，河北邢台人，博士生，副教授，从事地质工程的教学与研究工作.E-mail：jialei1978＠126.com