超前地质预报技术在大秦岭隧道岩爆预测中的应用

闫鑫雨，文江泉

（西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 610031）

1 引言

超前地质预报作为隧道施工过程中的一道重要工序，在地下结构设计和建设防灾减灾工作中起着非常重要的作用。通过超前地质预报工作，可以及时掌握和反馈隧道地质条件信息，调整和优化隧道设计参数、防护措施，为优化隧道施工组织、制定施工安全应急预案提供依据，可以直接或间接创造出巨大的经济效益［1]。超前地质预报通过TSP203系统可以得到地下硐室掌子面和工作面前方岩体P波Vp波速特征，通过地质雷达（GPR）法得到前方岩体的波形特征等，通过这些方法，可以对掌子面前方岩体做一个半定量的分析。

在高地应力区进行地下结构的设计和施工，岩爆的危害一直得到地质工程师们的极大重视。一般而言，岩爆的发生主要由地应力和岩性两个因素决定：一是要有坚硬较完整的脆性岩石，二是岩体中存在有高地应力，地应力一般与隧道埋深有比例关系［2]。如果细化来分，则影响地下硐室岩爆发生的因素更多，从岩性和地应力方面均存在影响岩爆的因素。比如其中主要有与岩性有关的岩石脆性指数K、脆性系数R、倾向性指数Wet、线弹性能We、能量储耗指数k等，与围岩应力状态条件有关的应力指数S、应力系数P、Turchaninov准则T等，以及与围岩条件有关的岩爆强度系数 W 、岩体质量RQD指标、围岩类别等［3]。由此可见，单纯的从一种因素来预测岩爆和评估岩爆危险等级是片面的。

模糊综合评判是对受多种因素影响的事物作出全面评价的的一种十分有效的多因素决策方法［4]。在地下结构设计和施工过程中，基于超前地质预报技术，利用糊综合评判进行岩爆预测评估的工作，借助于模糊数学方法，进行围岩岩爆危险等级的评估，既可以发挥专家经验法的优势，又可以做出定量化的科学结论。

2 大秦岭隧道岩爆超前预报模糊综合评判模型的建立

大秦岭隧道隧址区域地质构造极其发育，属于长大埋深隧道，秦岭隧道地区地应力包括地区的构造应力、残余构造应力、由于岩浆侵入而产生的挤压变力及岩体的自重应力等。根据同处秦岭山区的西康铁路秦岭特长隧道（最大埋深1 600 m）的地应力测试结果，实测最大水平主应力达20～30 MPa，显示本地区地应力值较高。大秦岭隧道大部分埋深超过500 m，最大埋深达1 150 m，属于深埋隧道。岩爆是大秦岭隧道施工过程中极其容易面临的一种地质灾害。根据在大秦岭隧道的应用经验并且为在工作中达到模糊判别模型更高的判别速度和效率，结合利用超前地质预报的物探方法，选择与隧道岩爆相关度最大的部分参数作为因子。

2.1 评价因子的取值和分级标准

在大秦岭隧道的超前地质预报工作中，本文主要选取五类因素作为岩爆的模糊评判因子：隧道埋深、地应力情况、GPR波形特征、TSP的P 波Vp波速特征和隧道水文地质条件。

根据预报段的围岩岩体岩爆程度的不同，将预报段的围岩发生岩爆的风险等级划分为四类：强烈危险岩爆、中等危险岩爆、微岩爆、无岩爆，分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等级符来表现。

2.2 确定评判因素集

评判因素集为：U＝｛U1，U2，U3，U4，U5｝；其中U1表示该预报段的隧道埋深；U2表示该预报段的隧道高地应力情况；U3表示该预报段的隧道GPR波形特征；U4表示该预报段的隧道TSP的P波Vp波速特征，U5表示该预报段的水文地质条件。

（1）确定评语集

根据实践经验及王兰生和李天斌等人［5－7]的描述，岩爆是实际工作中被划分为四类（表1）。

据此得到大秦岭隧道围岩发生岩爆评判因素等级（表2）。

表1 岩爆特征描述评语集Table 1 Characterization of rock－burst

表2 大秦岭隧道岩爆评判因素等级表Table 2 Evaluation factors for rock burst in Daqinling Tunnel

（2）确定隶属函数

根据评判因素的分布特征，确定隶属函数为k次抛物线型模糊分布如下：

①代表每个评判因素隶属于评语集集u1（x）的程度；

②代表每个评判因素隶属于评语集u2（x）的程度；

③代表每个评判因素隶属于评语集u3（x）的程度；

④代表每个评判因素隶属于评语集u4（x）的程度；

其中，ui（x）表示各评判因素的隶属函数，a、b、b表示评判因素对评判等级的分解值，取值为现场实测数据和室内解译得到的影响因素判据值。

（3）确定各因素权重

建立预测段围岩岩爆情况为总目标层（Y），U1表示该预报段的隧道埋深；U2表示该预报段的隧道高地应力情况；U3表示该预报段的隧道GPR波形特征；U4表示该预报段的隧道TSP的P波Vp波速特征，U5表示该预报段的水文地质条件；建立单层次结构模型，类似对其他因素进行评判，得到单因素评判矩阵R：

得到排序结果权向量w＝（0.089，0.098，0.310，0.171，0.307），得到λmax＝5.012，一致性指标CI＝0.003，随机一致性指标RI＝1.12（查表得），得一致性比率CR＝0.002 6＜0.1，通过一致性检验。

3 工程实例

大秦岭隧道的超前地质预报工作中，专业地质人员首先对隧道及辅助坑道的工程地质、水文地质特征进行详细的地质编录，以此为基础进行相应的物探工作。选取了Dg K98＋705～Dg K98＋605预报段来做围岩岩爆模糊综合预报。按照实际隧道地质勘察资料，结合TSP203、地质雷达（GPR）物探手段，得到隧道围岩岩爆可能发生的危险等级模糊综合评判因素值（表3、4）。

表3 Dg K98＋705～Dg K98＋675段模糊综合评判因素值Table 3 Fuzzy comprehensive evaluation of Section Dg K98＋705～Dg K98＋675

表4 Dg K98＋635～Dg K98＋605段模糊综合评判因素值Table 4 Fuzzy comprehensive evaluation of Section Dg K98＋635～Dg K98＋605

根据表3各评判因素值构建的围岩岩爆危险等级模糊矩阵：

将隧道围岩岩爆危险等级影响因素权重矩阵w＝（0.089，0.098，0.310，0.171，0.307）和模糊矩阵R（A）代入到综合评判公式，得：

B（U）＝w×R（A）＝（0，0.481，0.363，0.089），根据最大隶属度原则判别，预报段Dg K98＋705～Dg K98＋675段有可能存在轻微岩爆危险。从后来实际开挖反馈的情况来看，Dg K98＋700～Dg K98＋680段掌子面围岩在开挖过程中，偶尔发出轻微劈啪声，人工扰动之后容易掉块、爆块松脱，剥离或出现空鼓，无弹射情况出现。与综合模糊判别的预报结果能够较好的吻合。

根据表4各评判因素值构建的围岩岩爆危险等级模糊矩阵：

将隧道围岩岩爆危险等级影响因素权重矩阵w＝（0.089，0.098，0.310，0.171，0.307）和模糊矩阵R（A）代入到综合评判公式，得：

B（U）＝w×R（A）＝（0.171，0.617，0.187，0），根据最大隶属度原则判别，预报段Dg K98＋635～Dg K98＋605段有可能存在轻微岩爆危险。从后来实际开挖反馈的情况来看，Dg K98＋635～Dg K98＋605段掌子面围岩在开挖过程中仅出现拱顶偶有掉块的情况，并没有出现岩爆发生的灾害，究其原因，在Dg K98＋700～Dg K98＋680段掌子面围岩施工过程中，施工单位对岩爆发生危险有了清醒的认识，在接下里程循环施工中，加大了对岩爆的防治措施，比如爆破之后随即对掌子面和工作面喷水作业，以让围岩湿润；对掌子面围岩和工作面进行喷锚和挂钢筋网；对掌子面采用光面爆破以减少聚能角等防治措施，事实证明这些措施可以很有效的提前对岩爆发生进行预防。

4 结论

在大秦岭隧道工程实例中，本文在对隧道综合超前地质预报过程中做了初步的尝试，也取得了一定的成果，得到的一点经验如下：

（1）建立了隧道围岩岩爆综合模糊判别的隶属函数和判别矩阵，是定性预测与定量评判相结合的一种岩爆综评判方法，避免了利用单一因素判别造成的误判，为隧道围岩岩爆评判带来了一种行之有效的方法。

（2）考虑并重点突出了隧道岩爆可能发生的五个因素，一定程度上提高了预报的效率，并且经过在西成客专大秦岭隧道超前地质预报工作中的现场实践反馈，能够较好的符合现场的情况，有效的指导现场施工。

（3）在实践过程中，对可能发生岩爆的里程段，提前对掌子面和工作面进行防治作业，如掌子面喷水和喷锚，挂接钢筋网等方式，可以有效减少岩爆发生的危险，现场实践证明也是行之有效的措施。

［1]中华人民共和国铁道部.铁路隧道超前地质预报技术指南［S].2008.

［2]周维垣.高等岩石力学［M].北京：水利电力出版社，1990.

［3]杨健，武雄.岩爆综合预测评价方法［J].岩石力学与工程学报，2005，24（3）：411－416.

［4]谢季坚，刘承平.模糊数学方法及其应用 ［M].武汉：华中科技大学出版社，2005.

［5]王兰生，李天斌，徐进，等.二郎山公路隧道岩爆及岩爆烈度分级［J].西南公路，1998，（4）：22－26.

［6]杨凌云.括苍山深埋特长隧道岩爆预测及防治研究［D].西安：长安大学硕士论文.2007.

［7]王利，廖明成，杨建辉，等.隧洞岩爆应变能释放机理研究［J].铁道学报，2012，34（1）：109－114.