应用层次分析法评价铁路岩溶隧道选线水文地质条件

汪继锋

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉 430063)

正处于可研阶段的十宜铁路,全线位于湖北省境内,线路北起十堰市,自北向南依次经过房县、神农架林区、兴山县、秭归县、三峡库区,向东南引入宜昌东站。线路整体处于大巴山山脉东端,呈中山间夹深切河谷的地貌格局(见图1)。

图1 十宜铁路位置

线路在房县与神农架林区之间主要以长大岩溶隧道穿越,其主要山峰为黑山(主峰海拔高程为1 740 m),属大巴山山脉东端的连续延伸段,与大巴山山体相衔接,构成了汉水支流苦水河与马栏河的地表分水岭。黑山山脊平行构造线发育,呈东西向带状山脊,为明显的线性展布,属褶皱山。山体主要由碳酸盐岩组成,受构造影响,岩溶和地下水发育。

房县与神农架林区之间主要发育有五台山向斜翼部—紧密线状复式向斜蓄水系统及义渡—黑山复式向斜蓄水系统,水文地质条件复杂,铁路隧道穿越存在突水突泥的风险[1，2，5]。为降低岩溶隧道的施工风险,需对该段线路进行多方案水文地质条件比选,尽量选择条件相对较好的方案,为此需要进行岩溶隧道水文地质条件综合评价,为线路方案比选提供依据。本文探讨的就是岩溶隧道水文地质条件综合评价的有效方法之一——层次分析法(AHP法)[3]。

1 研究线路方案及地质特征

十宜铁路房县至神农架林区一带属扬子准地台青峰台褶束,构造形态主要表现为东西向褶皱带,该段线路方案经研究有经保康马桥东线方案、房县至神农架中线方案、穿野人谷西线方案,即东线、中线和西线方案(如图2)。

三方案均垂直通过青峰断裂、五台山向斜、黑山复式向斜、孙家湾背斜构造,地层与大地构造差别不大,且无控制性的不良地质体,区域水文地质条件类似,但受局部地质构造、地形地貌、岩性组合、岩溶发育程度、地下水的补径排条件的不同,各线路方案的水文地质条件又存在一定的差异。三方案主要控制性工程为三大岩溶隧道,即东线五台山隧道、中线阳日隧道及西线阳日隧道,突水突泥的风险程度不一样。各隧道工程地质纵断面见图3。

图2 十宜铁路房县至神农架段线路方案及地质概况

图3 各线路方案控制性隧道工程地质纵断面

如何评价这些差异,并选出水文地质条件相对较优的线路方案,一般采用定性的地质分析方法,但该方法存在的问题是,由于水文地质条件因子较多,而其重要程度又大小不一,由此易产生因人而异、人为主观性带来的评价偏差。如果将水文地质条件因子定量化,通过数学运算计算出各因子相对于评价总目标的排序权重,并比较各因子之间权重大小,来评价各方案水文地质条件的优劣,可以一定程度上克服人为主观性带来的评价偏差。

2 层次分析法(AHP法)应用

层次分析法(The analytic hierarchy process)简称AHP法,20世纪70年代中期由美国运筹学家托马斯·塞蒂(T.L.Saaty)正式提出。它是一种定性和定量相结合，系统化、层次化的分析方法,主要有四个步骤：①建立层次结构模型；②构造判断矩阵；③计算权向量并做一致性检验；④计算组合权向量并做组合一致性检验。

水文地质评价实际是一个系统分析问题,而且是一个由相互关联、众多水文地质因素构成的复杂系统。将系统分析定量化,将思维过程数学化,这就是层次分析法需要解决的问题。

2.1 建立层次结构模型

进行水文地质评价,首先确定线路各方案岩溶隧道水文地质条件评价因子,建立层次分析法(AHP法)的层次结构模型。

一般情况下,岩溶隧道水文地质条件评价因子有：地质构造发育程度，岩溶发育程度，富水岩组长度，含水介质类型，地下水补给、径流、排泄条件，隧道处于地下水动力分带位置(垂直和水平水动力分带)，预测的隧道局部最大涌水量及隧道涌水对周围环境影响的程度等。具体到十宜铁路房县至神农架林区段东、中、西线三方案岩溶隧道而言,线路方案比选其水文地质条件评价因子主要为以下9个方面。

(1)隧道围岩含水岩层(岩溶层占隧道长度的百分比)及富水性；

(2)隧址区地质构造(富水背斜、贮水向斜、断层破碎带)发育状况；

(3) 隧道埋藏条件(隧道处于岩溶垂直、水平水动力分带的空间位置)；

(4)隧道岩溶地段存在涌突水(泥)风险；

(5)隧道与大型岩溶水系统的密切程度(岩溶水系统个数)；

(6)隧道岩溶发育情况(强岩溶层长度占隧道长度百分比)；

(7)隧道强岩溶发育地段可能最大涌水量；

(8)隧道岩溶含水层渗透结构、径流、排泄类型；

(9)隧道涌水引起的环境水文地质问题(疏干)。

根据以上评价因子建立的层次结构模型如图4。

图4 岩溶隧道水文地质条件评价层次结构模型

2.2 计算水文地质评价因子权重值

采用张健华.Yaahp Version 0.5.1(Analytic Hierarchy Process)层次分析法[4]计算程序进行权重值计算,确定线路各方案岩溶隧道水文地质条件评价因子相对重要性的权重值和其相对优劣次序的排序问题。

首先,对9个水文地质条件评价因子逐个进行比较,判断相互间的重要性,并进行一致性检验,得出其权重值,进行重要性排序。房县至神农架林区段水文地质条件评价因子权重列于表1。

通过排序,隧址区地质构造(富水背斜、贮水向斜、断层破碎带)发育状况(权重0.2507)、隧道岩溶地段涌突水(泥)风险(权重0.2507)及隧道埋藏条件(隧道处于岩溶垂直、水平水动力分带的空间位置)(权重0.1265)等因子权重值较高,说明它们是评价岩溶隧道水文地质条件优劣的主要因素。

表1 岩溶隧道水文地质条件评价因子权重

其次,计算东、中、西线三方案水文地质条件的层次总排序,并进行一致性检验,得出总权重,进行水文地质条件综合评价,选出最优方案。

通过加深地质工作阶段及初测阶段的水文地质调查和测绘,将初步掌握的各方案岩溶隧道水文地质条件情况进行汇总、相互比较,并利用层次分析法计算总权重值,使得各线路方案岩溶隧道水文地质条件相对优劣程度一目了然。表2为房县至神农架林区段东、中、西线三方案岩溶隧道水文地质条件评价因子及权重。

2.3 水文地质条件评价

评价线路方案水文地质条件的优劣,应采取定性和定量的综合评价方法,通过定性比较、定量分析,使评价结果更合理。层次分析法得出的结果建立在水文地质条件分析的基础上,根据地质工作者对岩溶隧道地质风险因素大小的普遍性认识和判断思维,通过数学逻辑计算形成,具有代表性和可行性。

表2 房县至神农架林区段东、中、西线三方案岩溶隧道水文地质条件评价因子及权重

十宜铁路房县至神农架林区东、中、西线三方案岩溶隧道水文地质条件的优劣,通过层次分析法(AHP法)进行排序和比较,得出该段中线水文地质条件最好,突水突泥的风险程度最低，其次为西线，最差为东线,为铁路线路方案的比选提供了可靠的依据,成功地解决了地质选线难决策的问题。

3 结论

基于层次分析法的铁路岩溶隧道水文地质条件评价,从定性的地质分析转向定量的数学模型计算,即将岩溶隧道水文地质评价因子数量化,确定因子权重,并比较各因子之间权重大小,可用于评价岩溶隧道水文地质条件的优劣,为线路方案的比选提供较准确的依据。

从各因子的权重大小来看,隧址区地质构造(富水背斜、贮水向斜、断层破碎带)发育状况(权重0.250 7)、隧道岩溶地段涌突水(泥)风险(权重0.250 7)及隧道埋藏条件(隧道处于岩溶垂直、水平水动力分带的空间位置)(权重0.126 5)等是评价岩溶隧道水文地质条件优劣的主要因素。

层次分析法解决了地质定性分析因人而异、人的主观性带来的偏差。虽然对水文地质条件评价因子的选择、级别的划分、重要性的比较也具有人的主观性,但以长期从事铁路水文地质工程地质工作、熟悉岩溶隧道地质风险因素的专家征询(即专家调查法,又称为“简单的德尔菲法”)为基础,得到普遍性的风险因素认识,在一定的程度上,可以减少人的主观性偏差[6-10]。

层次分析法评价岩溶隧道水文地质条件,可用于铁路勘察加深地质工作、可研阶段岩溶隧道的方案比选及线路方案水文地质条件总体评价。

[1]中铁第四勘察设计院集团有限公司.新建十堰至宜昌铁路房县至宜昌段加深地质工作阶段水文地质报告[R].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2010

[2]中铁第四勘察设计院集团有限公司.新建十堰至宜昌铁路可行性研究地质总报告[R].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2011

[3]赵焕臣，许树柏，和金生.层次分析法[M].北京：科学出版社,1986

[4]张健华.Yaahp Version 0.5.1[Analytic Hierarchy Process]层次分析法. http//www.jeffzhang.cn

[5]沈祥明，刘坡拉，汪继锋.基于层次分析法的铁路岩溶隧道突水风险评价[J].铁道工程学报,2010(12).

[6]韩行瑞.岩溶隧道涌水及其专家评判系统[J].中国岩溶,2004,23(3)：214-217

[7]何发亮,等.岩溶地区长大隧道涌水灾害预测预报技术[J].水文地质工程地质,2001(5)：21-23

[8]干昆蓉,等.某岩溶隧道涌水预报技术探索[J].铁道工程学报,2007(5)：89-94

[9]铁建设[2007]200号 铁路隧道风险评估与管理暂行规定[S]

[10] 王石春,陈光宗.隧道水文地质环境变化及其对生态环境影响的评估[J].现代隧道技术,1998(5)