超深埋特长隧道穿越断层破碎带施工风险研究

钟威，高剑锋，陈建平

(1.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000;2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074)

超深埋特长隧道穿越断层破碎带施工风险研究

钟威1，高剑锋1，陈建平2

(1.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000;2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074)

在详细分析断层破碎带隧道围岩稳定性影响因素的基础上，综合断层特征信息，采用层次分析法建立断层破碎带的施工风险评价指标体系。计算各指标的相对权重，同时制定各指标的分级标准，进行模糊综合评价。引入工程实例对评价方法进行验证，结果与实际情况较为吻合，说明模糊综合评判指标体系是有效的。

超深埋特长隧道 断层破碎带 地质灾害 风险评价

断层破碎带是隧道施工中常见的不良地质现象，易引起塌方、大变形、涌水突泥等。据统计，断层破碎带引起的隧道塌方占塌方总数的27%以上［1］。原因可归结为两类:①断层破碎带为强度低、易变形、透水性大的软弱带，围岩的失稳破坏正是沿着岩体的这种软弱带产生;②断层破碎带是岩溶发育地区溶洞水、地下暗河等岩溶水的最主要发育场所，易发生大规模涌水突泥。

国内外文献已对断层破碎带问题进行了大量研究。杜炜平等［2］从断层力学机制着手，分析了不同断层区域对隧道开挖的影响机制;李忠等［3-4］研究了引起塌方的断层破碎带的地质特征、力学性质;黄俊等［5］研究了断层破碎带与隧道的关系;朱小明等［6］运用FLAC3D分析了断层角度对隧道纵向稳定性的影响;罗利锐等［7］分析了各种力学性质断层的特点，以及断层对隧道围岩稳定性的影响。但是，目前主要从断层带的某一方面研究其对隧道稳定性的影响，而未基于全面的断层信息建立一套完整的评价体系。为此，本文在详细分析断层破碎带对隧道稳定性影响的基础上，建立隧道穿越断层破碎带的施工风险评价体系，提出一套易于操作、切实可行的评价方法，以期指导施工期间的灾害风险评价。

1 断层破碎带围岩稳定性影响因素

地质灾害风险的概念包含两层含义:灾害发生的频率或可能性(即易发性)、灾害造成的后果(易损性)。本文的重点为地质灾害发生的可能性，不考虑对社会经济的影响，因此，仅对灾害的易发性进行评价。

影响断层破碎带段隧道围岩稳定的因素很多，可以归结为两类:①客观因素，即地质因素及水文因素;②人为因素，包括勘察设计因素和施工因素。

1.1 地质因素

1)断层性质。从力学性质来看，张性、张扭性断层破碎带由大小不等、棱角尖锐、胶结差的断层角砾岩组成，角砾和碎裂岩块间胶结程度差，其稳定性最差;扭性或以扭性为主的断层破碎带主要由节理密集带或片石状岩石组成，相对来说，其碎裂程度最低，碎裂岩块之间的胶结程度较好，其稳定性相对要好;压性、压扭性断层带内由强烈挤压的压扁岩、压碎岩、糜棱岩和断层泥等构成，在挤压作用下，破碎岩块呈密实状，所以其稳定性介于张性、张扭性断层破碎带和扭性、以扭性为主的断层破碎带之间［7］。

2)断层破碎带厚度。一般来说，断层破碎带厚度越大，越容易塌方。

3)断层破碎带破碎程度及其充填物。断层角砾的破碎程度及其间的胶结情况直接影响隧道的稳定，断层破碎带破碎越严重，胶结程度越差，隧道稳定性越差。同时，泥质和铁质胶结物含量越高，断层破碎带稳定性越差［8］。

4)断层两侧岩性。若两侧均为硬脆岩或可溶岩，断层带破碎严重且胶结差，空隙发育，导水、富水性强，稳定性差［9］;若两侧均为软塑岩，断层带破碎程度低，胶结好，导水性弱，稳定性相对较好。若一侧是硬脆岩，一侧是软塑岩，围岩稳定性介于上述两者之间［10］。

5)含水性与导水性。含水性与导水性好的岩层，能够储存大量地下水，开挖时易发生涌水突泥，危害性极大。

6)断层倾角。断层破碎带倾向隧道，且倾角＞10°时，容易产生侧压力［11］。

7)岩石强度。围岩强度越高，自承能力越强，围岩变形破坏的程度越小，隧道就越容易支护;围岩强度低，其本身稳定性和承载能力就比较低。

8)岩体结构。岩体结构有整体状、块状、层状、碎裂状和散体状5种类型。在围岩岩性相同的情况下，岩体越破碎，隧道越容易失稳破坏，碎裂状和散体状围岩稳定性最差。

9)地应力(原岩应力和偏压)。隧道开挖引起应力重分布及应力集中，如果重分布的应力超过围岩强度，围岩就可能发生失稳破坏。洞口及浅埋段由于横断面荷载不平衡容易引起支护结构剪切破坏，最终导致塌方。

10)隧道埋深。浅埋隧道围岩级别一定时，埋深越浅，越容易发生塌穿型塌方(通天)。深埋隧道恰恰相反，埋深越大，围岩应力水平越高，越容易出现拱形塌方或者岩爆。

1.2 水文因素

地下水是仅次于不良地质之后影响围岩稳定的第二大主要因素，它不仅影响应力状态，还可因软化作用使围岩强度降低。同时，结构面中地下水的存在，还会降低围岩的抗剪强度。

1.3 勘察设计因素

①地质勘察不准确;②隧道断面形状、跨度设计不合理;③开挖方式不当;④设计的支护形式、支护参数欠妥;⑤针对不良地质段未专门设计;⑥断层破碎带走向与隧道轴线小角度相交或平行。

1.4 施工因素

①施工技术水平，主要包括爆破震动、循环进尺、支护时机、支护质量及强度;②施工管理水平，包括施工工序安排、监控量测及信息反馈、超前地质预报等。

2 评价方法

进行风险评价时，首先辨识出影响风险事件的各个因素，并建立风险评价指标体系，确定各因素的相对权重，然后将各因素对风险事件的影响程度分级，确定分级标准，最后根据各因素的权重和隶属度，进行模糊综合评价，按一定的风险接受准则作出风险决策。

2.1 建立指标体系

在评估过程中，不可能将所有影响因素全部反映到评估中，必须选取起控制作用的主要因素，并忽略次要因素。在分析影响因素的基础上，运用层次分析法的基本原理，建立风险评价指标体系。

2.2 计算指标权重

目前国内外关于评价指标权重系数的确定方法有数十种之多，其中层次分析法(AHP法)是实际应用中使用得最多的方法，它将复杂问题层次化，将定性问题定量化。该方法简述如下:

对同一层指标相对于上一层指标的重要程度进行两两比较。两两比较时，采用saaty提出的“1～9标度法”［12］(具体含义见表1)，得到判断矩阵A;计算出判断矩阵A的最大特征根λmax，λmax对应的特征向量为W，将W归一化后即为同一层次相应指标对于上一层次某一指标相对重要性的权重wi。塌方风险(A)和涌水突泥风险(B)评价指标体系各指标权重计算结果见表2、表3。

表1 “1～9标度法”各标度值的含义

塌方风险评价指标体系各指标权重表2

表3 涌水突泥风险评价指标体系各指标权重

一般而言，对地质灾害易发性进行评价时，地质因素是诱发因素，是主因。其重要程度相对于施工设计因素要高。进行两两比较后，得到判断矩阵RA。

在此以塌方风险指标体系中地质类8个基本风险因素权重的确定为例，给出比较判断矩阵

2.3 确定各指标分级标准

根据隧道灾害特征和《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》，将风险分为4级，建立评价集V=(v1，v2，v3，v4)=(Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级，Ⅳ级)。

结合大量已有研究成果，将各评价指标进行详细分级，分级标准见表4、表5。

表4 塌方风险评价指标分级标准

2.4 确定各指标隶属度

在计算隶属度时，采用单值隶属函数，其隶属度取值如下:当某一评价指标的特征对应于Ⅰ级时，(rⅠ，rⅡ，rⅢ，rⅣ)=(1，0，0，0);对应于Ⅱ级时，(rⅠ，rⅡ，rⅢ，rⅣ)=(0，1，0，0)。相应地，对应于Ⅳ级时，(rⅠ，rⅡ，rⅢ，rⅣ)=(0，0，0，1)。

2.5 模糊综合评判

由n个指标的隶属度组成模糊评判矩阵R。

把模糊评判矩阵R乘以相应的权重wi(i=1，2，…，n)，就能合理反映所有指标的综合影响，可以表示为B=W×R

表5 涌水突泥风险评价指标分级标准

式中:bj(j=1，2，3，4)为模糊综合评价指标。

求出模糊综合评价指标bj后，可根据最大隶属度原则取最大的指标bjmax相对应的评价集元素vj为评判的结果。

2.6 风险接受准则

对风险评估结果进行处理前，需要评价工程的风险水平是否处于决策各方及公众可以容忍的风险水平范围内，以及是否需要采取风险控制措施进一步降低其风险水平，这都需要预先制定风险接受准则，见表6。

表6 风险接受准则［13］

3 工程实例应用

3.1 工程概况

大坪山隧道为分离式超深埋特长隧道，位于湖北省襄阳市谷城县紫金镇与寺坪镇境内，左洞全长为8 263 m，最大埋深约896 m，右洞全长为8 242 m，最大埋深约892 m。隧址区大地构造位于扬子准地台(扬子克拉通)北缘的青峰台褶束，走向近东西向。青峰断裂带与隧道轴线小角度相交，在隧址区形成数条逆冲断层、破碎带及韧性剪切带。经调查，有规模不等的10条断层以不同角度穿越隧道洞身，破碎带宽度较大，岩体破碎，且可能发育有微型～小型岩溶管道，对隧道影响较大［14］。其中，F6断层为近直立断层，两盘岩层主要呈水平向移动，走向约325°，延伸长度＞2 km，断层两盘无明显的挤压痕迹，为平移断层。断层穿越隧道约70 m，断层破碎带的洞内起始桩号为ZK43 +120—ZK43+180，YK43+080—YK43+140。围岩主要为寒武系中风化灰岩，薄层状，灰黑色，炭质成分含量较高，部分岩层夹有少量页岩或泥化页岩，土黄色，产状82°～112°∠12°～20°。

3.2 评价指标的取值

以大坪山隧道穿越F6断层破碎带为例，分别对塌方、涌水突泥的风险进行评价，F6断层破碎带的实际参数见表7。

3.3 风险评价

3.3.1 塌方风险评价

1)确定指标隶属度及模糊评判矩阵

采用2.4节单值隶属函数，确定各指标的隶属度，断层性质A11=(0100)，按上述方法计算出全部指标的隶属度，组成一级指标模糊评判矩阵

表7 F6断层破碎带评价参数取值

2)一级模糊综合评价

用加权平均型运算规则进行复合运算，得出地质因素的综合评价结果为

施工设计因素的综合评价结果为

3)二级模糊综合评价

将一级评价结果组成二级评判矩阵RA。

断层破碎带段塌方总体二级评判矩阵

综合评价结果为

根据最大隶属度原则，F6断层破碎带的塌方风险等级为Ⅱ级，属于中度风险，此类风险可以接受，但需予以监测。

3.3.2 涌水突泥风险评价

参照塌方风险评价方法，涌水突泥风险的综合评价结果为

根据最大隶属度原则，F6断层破碎带的涌水突泥风险等级为Ⅱ级，属于中度风险，此类风险可以接受，但需予以监测。

4 结论

1)在详细分析断层破碎带不同特征对围岩稳定性影响的基础上，全面综合断层特征信息，建立一套完整的隧道穿越断层破碎带的施工风险评价体系。

2)风险评价的关键是评价指标隶属度的确定。从实用、易于操作的角度出发，将各评价指标进行了详细分级，可为施工方在施工过程中实时评价灾害风险提供参考。

3)基于建立的风险评价体系及方法，对大坪山隧道穿越的F6断层破碎带的施工风险进行了评估，得出施工中塌方和涌水突泥的风险等级均为Ⅱ级，属于中度风险，此类风险可以接受，但需予以监测。

［1］周峰.山岭隧道塌方风险模糊层次评估研究［D］.长沙:中南大学，2008.

［2］杜炜平，古德生.隧道通过断层区的力学特性与技术对策研究［J］.西部探矿工程，2000，66(5):1-2，79.

［3］李忠，陈伟.公伯峡水电站导流隧道压扭性断裂带特征研究与隧道塌方防治［J］.地质与勘探，2002，38(4):87-89，93.

［4］李忠，杨杰.河北省滦平县张家湾隧道断裂破碎带特征与围岩失稳研究［J］.中国地质灾害与防治学报，2006，17 (2):15-18.

［5］黄俊，罗永忠.断层破碎带对宽体公路隧道设计的影响分析［C］//第九届全国岩石力学与工程学术大会论文集.沈阳:中国岩石力学与工程学会东北分会，2006.

［6］朱小明，刘明.断层角度对隧道纵向稳定性影响的数值模拟［J］.徐州建筑职业技术学院学报，2007，7(4):17-19.

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［8］周书明，潘国栋，罗小平.海底隧道过断层破碎带施工风险分析与应对措施［J］.隧道建设，2010(增1):360-364.

［9］李晓昭，罗国煜.地下工程突水的富水优势断裂［J］.中国地质灾害与防治学报，2003，14(1):36-41.

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［11］弭坤.大断面公路隧道塌方治理技术研究［D］.西安:长安大学，2008.

［12］许树柏.实用决策方法——层次分析法原理［M］.天津:天津大学出版社，1988.

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Research on construction risk of ultralong super-deep buried tunnel passing through fault fracture zone

ZHONG Wei1，GAO Jianfeng1，CHEN Jianping2
(1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang Hebei 065000，China; 2.Faculty of Engineering，China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan Hubei 430074，China)

T his paper studied the influence factor of the tunnel surrounding rock stability in the fault fracture zone in detail，integrated the characteristic information of fault zone，established construction risk evaluation index system of the fault fracture zone by the AHP method，calculated the relative weight of each index，formulated grading standards of each index，and made a fuzzy comprehensive evaluation.T he evaluation method was verified by an engineering example and the results are consistent with the actual situation，which shows that the proposed fuzzy comprehensive evaluation index system is effective.

Ultralong super-deep buried tunnel;Fault fracture zone;Geological disaster;Risk evaluation

U455

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.19

1003-1995(2015)05-0072-06

(责任审编葛全红)

2014-05-10;

2015-03-20

国家自然科学基金项目(41202201);中央高校科研基金资助项目(CUGL110215)

钟威(1987—)，男，山东潍坊人，工程师，硕士。