长江科学院院报

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2026 , Vol. 43 >Issue 1: 218 - 226

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20241274

重大引调水工程基础理论与关键技术研究专栏

砂化白云岩隧洞突水涌砂处置方案适宜性评价及应用

  • 成曦 , 1, 2 ,
  • 李建国 3 ,
  • 杨吉 1 ,
  • 代佩玄 1 ,
  • 张晟玮 4 ,
  • 张雷 2 ,
  • 董家兴 , 1
展开
  • 1 昆明理工大学 电力工程学院,昆明 650500
  • 2 云南省水利水电科学研究院 水土流失防治与绿色发展重点实验室,昆明 650228
  • 3 云南省水利水电勘测设计研究院,昆明 650021
  • 4 长安大学 地质工程与测绘学院,西安 710054
董家兴(1986-),男,云南宣威人,副教授,博士,主要从事隧道(洞)及边坡工程地质和地质灾害等研究。E-mail:

成 曦(1995-),女,云南玉溪人,工程师,硕士,主要从事水文地质等方面的研究。E-mail:

Copy editor: 罗玉兰

收稿日期: 2024-12-13

  修回日期: 2025-02-12

  录用日期: 2025-04-03

  网络出版日期: 2025-03-31

基金资助

国家自然科学基金项目(42162026)

云南省应用基础研究计划项目(202401AT070328)

云南省科技人才与平台计划项目(202105AM070009)

收起

Evaluation Methods and Engineering Applications of Suitability for Water and Sand Inrush Treatment Schemes in Disintegrated Dolomite Tunnels

  • CHENG Xi , 1, 2 ,
  • LI Jian-guo 3 ,
  • YANG Ji 1 ,
  • DAI Pei-xuan 1 ,
  • ZHANG Sheng-wei 4 ,
  • ZHANG Lei 2 ,
  • DONG Jia-xing , 1
Expand
  • 1 Faculty of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500,China
  • 2 Key Laboratory of Soil Erosion Prevention and Green Development, Yunnan Institute of Water Resources and Hydropower Research, Kunming 650228, China
  • 3 Yunnan Institute of Water & Hydropower Engineering Investigation, Design and Research, Kunming 650021, China
  • 4 School of Geological Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an 710054, China

Received date: 2024-12-13

  Revised date: 2025-02-12

  Accepted date: 2025-04-03

  Online published: 2025-03-31

Fold

摘要

富水砂化白云岩隧洞施工过程中,突水涌砂灾害易发频发,严重影响工程进度与安全。基于此,以滇中引水工程扯那苴隧洞为研究对象,考虑影响突水涌砂处置方案适宜性的主要因素,结合砂化白云岩地层特性及其突水涌砂形成机理,从岩层特性、地下水条件、隧洞长度及埋深、突水涌砂的环境影响4个方面选取10个评价指标,将白云岩砂化等级、不良地质构造、外水压力、富水性等关键因素纳入评价体系,弥补现有评价体系对砂化白云岩特性关注的不足,构建了一种适用于砂化白云岩地层的突水涌砂处置方案适宜性评价体系。采用博弈论组合赋权法耦合AHP法与CRITIC法计算所得权重,提升评价指标权重分配的科学性。运用TOPSIS法对处置方案进行适宜性排序,将适宜性分为Ⅰ级(优)、Ⅱ级(中)、Ⅲ级(低)、Ⅳ级(差)共4个等级。结合障碍因子诊断,量化并识别制约适宜性的关键因素。研究结果表明,所建评价体系能够准确反映砂化白云岩地层的特殊性,评价结果与实际工程情况吻合。在特殊不良地质条件下,改线避让高风险区域的办法适宜性更优。

关键词： 砂化白云岩; 突水涌砂处置; 适宜性评价; 博弈论组合赋权; TOPSIS法; 障碍因子诊断

本文引用格式

成曦 , 李建国 , 杨吉 , 代佩玄 , 张晟玮 , 张雷 , 董家兴 . 砂化白云岩隧洞突水涌砂处置方案适宜性评价及应用[J]. 长江科学院院报, 2026 , 43(1) : 218 -226 . DOI: 10.11988/ckyyb.20241274

Abstract

[Objective] During the construction of water-rich disintegrated dolomite tunnels, water and sand inrush disasters are prone to occur frequently, seriously affecting construction progress and project safety. [Methods] The Chenaju Tunnel of the Central Yunnan Water Diversion Project was taken as the research object. Considering the main factors affecting the suitability of water and sand inrush treatment schemes, and in combination with the characteristics of disintegrated dolomite strata and the formation mechanism of water and sand inrush, ten evaluation indicators were selected from four aspects: rock mass characteristics, groundwater conditions, tunnel length and burial depth, and the environmental impact of water and sand inrush. Key factors such as the disintegration degree of dolomite, unfavorable geological structures, external water pressure, and water richness were incorporated into the evaluation system, compensating for the insufficient consideration of disintegrated dolomite characteristics in existing evaluation systems. A suitability evaluation system for water and sand inrush treatment schemes applicable to disintegrated dolomite strata was established. A game theory-based combined weighting method was adopted to balance the weights calculated by the Analytic Hierarchy Process (AHP) and the CRITIC method, thereby improving the scientific rationality of weight allocation for evaluation indicators. The TOPSIS method was applied to rank the suitability of treatment schemes, and the suitability was classified into four levels: Grade Ⅰ (excellent), Grade Ⅱ (moderate), Grade Ⅲ (low), and Grade Ⅳ (poor). Combined with obstacle factor diagnosis, the key factors restricting suitability were quantified and identified. [Results] The results showed that, by comprehensively considering the main disaster-causing factors of water and sand inrush in disintegrated dolomite tunnels—such as the deterioration of rock mass characteristics, groundwater seepage and external water pressure driving effects, and the hydraulic channel effect of unfavorable geological structures—as well as engineering constraints including technical feasibility, economic efficiency, and treatment difficulty, the established evaluation system was able to accurately reflect the particularity of disintegrated dolomite strata, identify the main factors restricting the suitability of water and sand inrush treatment schemes in disintegrated dolomite tunnels, and produce evaluation results that were consistent with actual engineering conditions. [Conclusion] The key factors included in the evaluation system, such as the disintegration degree of dolomite, unfavorable geological structures, external water pressure, and water richness, fully reflect the characteristics of disintegrated dolomite rock masses, including low strength, poor self-stability, and high sensitivity to external disturbances, highlighting the complexity of water and sand inrush formation in disintegrated dolomite strata and its constraining effect on treatment schemes. When disintegrated dolomite tunnels pass through water-rich tunnel sections, the risk of water and sand inrush increases significantly. Under special unfavorable geological conditions, when disintegrated dolomite tunnels encounter high-frequency and large-scale water and sand inrush events, rerouting to avoid high-risk areas shows superior suitability.

Key words： disintegrated dolomite; suitability evaluation; game theory-based combined weighting method; TOPSIS method; water and sand inrush treatment; obstacle factor diagnosis

0 引言

西南地区砂化白云岩分布广泛[1],因其具有岩体强度低、结构破碎、水稳定性差等特点,在该地层富水洞段施工,突水涌砂灾害易发频发,且灾害处置难度大、时间长,处置的理论依据仍不充分[2]。目前,常见的隧洞突水涌砂处置方法主要包括:超前加固法、排水减压法、封堵隔离法、帷幕注浆法、反压回填法,遵循“防、排、堵、截、固”的原则进行治理[3-4]。极端情况下,须改线绕避,以确保工程施工安全[5]。因施工风险极高,滇中引水工程扯那苴隧洞出口段综合采用超前预固结灌浆处理、局部改线等方法处置突水涌砂,最终以局部改线方式绕避不良地质地段,顺利通过突水涌砂段。砂化白云岩洞段中,多种地层组合都有发生突水涌砂的可能,不同处置方法的适宜性有所差异,存在处置方法与工程需求不匹配情况的可能,进行适宜性评价对于提高施工效率及安全性至关重要。
适宜性评价已在工程决策和地质灾害治理中得到应用[6],常见方法包括层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)、客观赋权法(Criteria Importance Through Intercriteria Correlation,CRITIC)及优劣解距离法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,TOPSIS)等。吴文博等[7]采用AHP法将定性与定量信息量纲一化处理,评价苏州地下空间不同区域开发适宜性,为工程实施合理规划打下基础。该法操作简便,但评估主观性较强,准确度不稳定。Hu等[8]选取围岩等级、地质复杂性和地下水状况等指标,采用CRITIC法构建了标准化评估矩阵,计算某公路隧道施工关键风险因素权重,对工程安全风险等级进行评价。该法充分考虑指标统计特性,但对数据质量和完整性要求高,且无法应用于定性指标。张社荣等[9]基于改进AHP法和TOPSIS法,建立了引水隧洞实时安全风险识别模型,在某大型引水工程隧段中得到运用。该法逻辑依据明确,配合合理的权重分配能提升评价体系可靠性。对已有适宜性评价体系分析可知,在不同地区地质及水文特征下,突水涌砂机制差别大,选取针对性强的处置方法尤为重要。然而,目前针对砂化白云岩分布地区隧洞突水涌砂处置方案的适宜性评价研究尚且空白,现有体系缺乏可反映砂化白云岩地层特征及其突水涌砂诱发因素的关键指标,评价结果对施工潜在困难及危险揭示不足。砂化白云岩地层的突水涌砂形成与岩体砂化程度、地质构造条件、水动力驱动及含水层出水能力密切相关,考虑在适宜性评价体系中加入白云岩砂化等级、不良地质构造、外水压力、富水性,以体现该地层水文地质特征和灾害形成机理,补充现阶段研究不足。
本文结合扯那苴隧洞工程资料,以工程突水涌砂洞段处置方案为研究对象。在选取通用指标基础上,将白云岩砂化等级、不良地质构造、外水压力、地下水活动状态纳入评价体系,利用博弈论组合赋权法耦合AHP法和CRITIC法计算组合权重,应用TOPSIS法验证评价体系实用性,构建了砂化白云岩隧洞突水涌砂处置方案适宜性评价的体系,结合TOPSIS法和障碍因子诊断,进一步验证所建评价体系有效性,并通过实际工程案例分析证实其应用价值。

1 扯那苴隧洞工程概况

1.1 工程地质环境及施工地质灾害

扯那苴隧洞位于云南省玉溪市江川区,全长6 089.587 m,隧洞出露地层为弱风化泥岩、弱风化砂岩夹泥岩、砂化白云岩,穿越区域性断裂(FVI-88),沿线次级断裂发育。区域地下水丰富、外水压力高,洞身多位于地下水位以下,隧洞工程地质剖面如图1所示。
图1 扯那苴隧洞工程地质剖面

Fig.1 Engineering geological profile of Chenaju Tunnel project

隧洞未开挖洞段地层均为强-剧烈砂化白云岩,透水性强、稳定性差,加之洞段与富水区重叠,受地下水活动影响,岩体结构及力学性能产生劣化,在施工过程中,隧洞发生多次大规模突水涌砂及塌方失稳破坏,开挖成洞困难。2020年12月22日隧洞出口段施工至YX51+702.8位置处发生突水,最大涌水量达48 000 m3/d,如图2(a)所示。2021年3月15日支洞下游工作面施工至YX49+061位置处揭露FVI-88断层,发生突水涌砂,涌砂量约2 400 m3,如图2(b)所示。11月12日施工至YX49+064位置处,掌子面失稳,发生较大突水涌砂,造成YX49+086位置右侧地表塌陷,如图2(c)所示。
图2 隧洞施工遭遇地质灾害情况

Fig.2 Geological disasters encountered during tunnel construction

1.2 突水涌砂处置方案

由于突水涌砂严重,隧洞施工难度大、风险高。为保障施工安全,针对高风险洞段,设计提出2个原洞线加固方案和2种改线方案。隧洞工程原线及改线布置方案如图3所示。
图3 扯那苴隧洞工程原线及改线布置方案

Fig.3 Original alignment and rerouting layout of Chenaju Tunnel project

1.2.1 原洞线加固方案

按工程已实施的各洞段灌浆效果来看,超前预固结灌浆对处置原洞线的突水涌砂问题是有效的,基于此,工程提出原洞线高风险洞段加固方案。受灌浆条件、地质构造、岩层特性等因素影响,固结灌浆圈存在薄弱点或缺陷,在高外水压力作用下,极易发生突水涌砂,有较大施工安全风险。为此根据各洞段富水性不同,提出2种处置方案。
(1)洞内灌浆处理方案。对一般的强-剧烈砂化白云岩砂化及涌水量相对较小的洞段,采用洞内超前灌浆方案,记为Y1。
(2)洞内+洞外灌浆处理方案。对强-剧烈砂化白云岩砂化及富水洞段,先在地面进行超前预固结灌浆,并在洞内做补强灌浆,记为Y2。

1.2.2 改线方案

原洞线加固方案在一定程度上可降低施工风险,但隧洞后段地下水丰富,仍易发生大规模突水涌砂。因此,工程提出改线方案,尽可能避让断层、强-剧烈砂化白云岩砂化洞段及强富水区,沿隧洞轴线西侧布置,设计了从 F Ⅵ - 88断层下游或上游绕行2条线路。
(1)改线方案一。起点在FⅥ-88断层下游,施工线路可完全避免再次穿过该断层,但不能避开强-剧烈砂化白云岩砂化及富水洞段,仍存在不良地质条件、外水压力高、地下水丰富等不利因素,记为G1。
(2)改线方案二。起点在FⅥ-88断层上游,可避开强-剧烈砂化白云岩砂化及富水洞段,避免超前预固结灌浆的潜在风险。但需再次穿越FⅥ-88断层,且施工线路较长,记为G2。

2 砂化白云岩隧洞突水涌砂处置方案适宜性评价指标及评价体系构建

适宜性评价地域性差异显著,其评价结果的可靠性有赖于评价指标同实际施工条件的契合度。根据已有研究成果[10],砂化白云岩隧洞突水涌砂致灾机制主要是岩层特性劣化、地下水渗流及外水压力驱动、不良地质构造的水力通道效应。考虑影响突水涌砂处置方案适宜性的关键因素,兼顾可间接反应技术可行性、经济性、处置难度的影响因素,选取岩层特性、地下水条件、长度及埋深、环境影响作为一级指标,建立砂化白云岩隧洞突水涌砂处置方案适宜性评价体系。基于所建评价体系,对砂化白云岩突水涌砂高风险洞段加固与改线方案适宜性进行研究。

2.1 评价指标体系构建

为量化各因素对处置方案适宜性贡献度,对4个一级指标进行细化。遵照可操作性、科学性、重要性原则,参考前人研究[11-12],提出10个指标作为二级指标。

2.1.1 岩体地质特性

砂化白云岩地层岩体强度低、孔隙度大、透水性强,对外界扰动表现出高敏感性,其特点可反映处治难度,预计施工成本、施工效率。
(1)岩性。不可溶岩稳定性好,地质灾害少见,处置方案仅需考虑常规排水和围岩支护,较为简单;当岩性向可溶岩过渡,在地下水溶蚀作用下,易顺断层发育岩溶管道,突水涌砂规模和处置难度逐渐增大。
(2)白云岩砂化等级。剧烈砂化白云岩岩体松散破碎、强度低,稳定性极差,突水涌砂频发且规模大,会增加施工的复杂度和难度,需要综合采用加固、防渗、排水等措施保障施工安全[13],施工成本将上升;强烈砂化白云岩岩体结构松散,局部坍塌、渗水多发;弱砂化白云岩岩体局部出现砂化现象,岩体强度出现劣化,局部可能出现渗漏;微砂化白云岩岩体致密,不易受外力影响。
(3)不良地质构造。规模较大的断层及破碎带常与富水区相连,为突水涌砂提供了通道,灾害影响范围广、强度大,施工过程中不确定性增加,处置难度增大,需实施全断面注浆封堵并加强支护,以更多的技术干预来确保施工安全。小型断层通常在局部发生渗漏或小规模突水涌砂,可采用局部封堵与排水结合的方案进行处置。当断层宽度<0.3 m时,灾害发生概率显著降低,处置难度随之减小。
(4)透水性。高透水性地层导水能力强,需超前排水、注浆封堵降低水头压力;中等透水性地层多为局部渗漏,可局部排水、加固;弱透水及弱微透水性地层渗水量小,常规支护即可满足安全要求。

2.1.2 地下水条件

富水洞段的砂化白云岩地层因结构软化和地下水侵蚀作用,自稳性降低,隧洞开挖易引发突水涌砂和塌方灾害,增加了隧洞建设的技术要求及复杂度,提升了潜在的处置成本。对地下水因素的评价有助于识别其赋存状态和流动特征,揭示突水涌砂的驱动机制,预测突水涌砂规模,评估施工安全性。
(1)富水性。强富水性地层地下水丰富,易在外界扰动下形成突水涌水,需采取高效排水和注浆加固措施。随着富水性变弱,突水涌水风险降低,对施工干扰减小,处置方案可逐渐简化。
(2)外水压力。外水压力高的区域,地下水对隧洞围岩施加较大压力,容易引发突水涌砂和围岩失稳,对隧洞处置方案防水技术要求较高。外水压力低的区域,水压力影响较小,处置方案以基本防排水措施为主。
(3)涌水量预测风险等级。易发生大型突涌水的洞段,处置方案需提前制定应急预案,采用全断面注浆封堵、强化支护和高效排水等综合措施;易发生中型突涌水的洞段,突水涌砂集中在局部发生;易发生小型突涌水的地段,涌水量较小,处置方案以常规防护为主。突涌水风险低的洞段,影响可忽略。

2.1.3 长度及埋深

隧洞长度及埋深决定具体施工方法,可间接反映突水涌砂风险及施工成本。
(1)长度。长距离隧洞穿越复杂地质条件区域概率高,突水涌砂风险增加,灾害可能在多洞段发生,工程量相对较大。参考《公路工程技术标准》(JTGB 01—2014)[14]对指标进行分级。
(2)埋深。深埋隧洞围岩承受高地应力,高外水压力,施工及防控成本较高。

2.1.4 环境影响

在隧洞施工对周边环境产生的影响中,对地下水环境的影响最为常见,砂化白云岩分布地区,影响范围和强度也会显著加剧。出于可持续发展的角度考虑,将地下水环境负效应纳入评价体系。综上,适宜性评价指标及其分级见表1。
表1 砂化白云岩隧洞突水涌砂处置方案适用性评价指标体系

Table 1 Suitability evaluation index system for water and sand inrush mitigation measures in disintegrated dolomite tunnel sections

目标层 准则层 指标层 Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅲ级 Ⅳ级
砂化白
云岩隧
洞突涌
水处置
方案适
宜性
(O)		 岩体地质
特性(B1)		 岩性(C1) 不可溶 弱可溶 中等可溶 强可溶
白云岩砂化等级(C2) 微砂化 弱砂化 强烈砂化 剧烈砂化
不良地质构造(C3) 无断层 距断层近 穿越小断层 穿越大断层
透水性(C4)/Lu 弱微透水性(<1) 弱透水[1,10) 中透水[10,100) 强透水(≥100)
地下水
条件(B2)		 富水性(C5)/(L·s-1·m) 贫水性(<0.1) 弱富水性[0.1,1) 中等富水性[1,5) 强富水性(≥5)
外水压力(C6)/MPa <0.3 [0.3,0.8) [0.8,1) ≥1
涌水量预测
风险等级(C7)		 突涌水风险低
(渗滴水)		 小型突涌水
(点状(线状)渗水)		 中型突涌水(股状、
密集线面状流水)		 大型突涌水(大股
水流喷涌而出)
长度及
埋深(B3)		 长度(C8)/m 短(<500) 中长[500,3 000) 长[3 000,10 000) 特长(≥10 000)
埋深(C9)/m 露天区域(≤0) 浅埋(0,30) 深埋[30,100) 超深(≥100)
环境影响
(B4)		 地下水环
境负效应
(C10)		 隧洞周边井水位短期波动 隧洞周边井水位下降,泉水流量减小 隧洞周边井水位显著下降,泉水流量大幅减小,水塘水位下降 隧洞周边井、泉有疏干风险,水塘难以蓄水
分值 [0,2) [2,4) [4,6) [6,8]

2.2 计算组合权重

采用上述评价体系对评价对象进行赋分后,利用AHP法计算客观权重,运用CRITIC法计算主观权重。由于前者可能过于依赖专家的主观性,后者则可能忽略实践经验,可以通过博弈论组合赋权法进行优化,克服单一赋权方法的偏差,确定组合权重。

2.2.1 AHP法

AHP法是一种多准则决策方法,该法能将复杂问题分解为不同层次指标,以成对比较方式赋予各指标相对权重,合理量化专业经验判断。综合考量岩层特性、地下水条件、长度及埋深、环境影响在砂化白云岩隧洞突水涌砂致灾机制中的重要性,并将复杂地质条件处置难度纳入考察指标,参考九标度法,确定评价指标优先次序,构造判断矩阵Aij=(aij)n×n,而后按以下步骤进行计算:
(1)将矩阵归一化处理,得主观权重向量集ω1
ω 1 = ∑ j = 1 n a i j ∑ i = 1 n a i j 　 。
式中:n为阶数;aij为判断矩阵A第i行第j列的数据。
(2)计算判断矩阵最大特征根,检验矩阵一致性。一致性指标CI和一致性比率CR的表达式分别为
C I = λ m a x - 1 n - 1   ; 　 C R = C I R I 　 。
式中:λmax为最大特征根;RI为随机一致性指标。
当CR<0.1时,一致性检验合格;当CR≥0.1时,一致性检验不合格,需调整判断矩阵。

2.2.2 CRITIC法

CRITIC法通过计算指标间相关性、指标的标准差,评估各指标对决策影响程度。冲突性由指标间相关性体现,指标对比强度由标准差衡量。将采用AHP法确定的判断矩阵作为原始决策矩阵,按以下步骤进行计算。
(1)对原始决策矩阵进行标准化处理,计算指标标准差σj。
(2)计算指标间相关系数为
r j = ∑ k = 1 n ( 1 - ρ j k ) 　 。
式中:rj为相关系数;ρjk为第j、k个数据间的皮尔逊相关系数。
(3)计算综合信息量,进行归一化处理,得到客观权重向量集ω2为
ω 2 = σ j r j ∑ j = 1 n σ j r j 　 。

2.2.3 博弈论组合赋权

博弈论组合赋权法将主观赋权与客观赋权视作存在利益博弈的双方,构建出二者间的博弈模型,寻求双方利益的均衡点,从而确定各指标的组合权重。结合运用AHP法与CRITIC法计算所得权重向量集ω1、ω2,利用下式对权重组合系数进行优化。
(1)建立主客观权重线性组合,
W = α 1 ω 1 T + α 2 ω 2 T 　 。
式中α1、α2为线性组合系数。
(2)确定最优组合系数。最小化主客观权重与组合权重的离差。
m i n ‖ ∑ k = 1 t α k ω T k - ω k T ‖ 2 　 。
式中:t为参与线性组合优化的成分总数;k为索引变量,从1到t,历遍所有成分。
(3)计算最优组合系数。根据矩阵微分性质,构建式(5)的最优一阶导数条件线性微分方程组为
ω 1 ω 1 T ω 1 ω 2 T ω 2 ω 1 T ω 2 ω 2 T α 1 α 2 = ω 1 ω 1 T ω 2 ω 2 T 　 。
(4)将得到的最优线性组合系数α1、α2归一化处理后,得到最优线性组合系数 α k *,进而得到组合权重向量W*为
W * = ∑ k = 1 2 α k * ω k T 　 。

2.3 TOPSIS法

将综合得出的组合权重应用于TOPSIS法中,分别计算各方案同正、负理想解的欧氏距离,评价方案相对优劣,具体步骤如下。
(1)设方案共m个,评价指标共n个,构建加权标准化决策矩阵Cij=(cij)m×n,计算正、负理想解:
C j + = ( c 1 + , c 2 + , … , c n + ) = m a x c i j j = 1,2 , … , n ; C j - = ( c 1 - , c 2 - , … , c n - ) = m i n   c i j j = 1,2 , … , n 。
式中: C j +和 C j -分别为评价对象j的正理想解和负理想解;cij为第i个评价对象对应的第j个评价指标的标准化值。
(2)计算各方案同正、负理想解的距离分别为:
D i + = ∑ j = 1 n c i j - c j + 2 　 ; D i - = ∑ j = 1 n c i j - c j - 2 　 。
式中 D i +和 D i -分别为评价对象i的正理想解的欧氏距离和负理想解的欧氏距离。
(3)计算各方案的相对贴近度Si,即
S i = D i - D i + - D i - 　 。
依据计算结果为方案排序,Si为评价对象与正理想解的贴近度,其值越小则方案适宜性越差。

2.4 障碍因子诊断

障碍因子诊断是一种用于识别影响目标实现因素的方法,可通过定量分析各因素对系统整体的负面贡献,找出影响适宜性的关键因素,为改进和优化提供依据。计算式为
P j = F j ( 1 - b i j ) ∑ j = 1 n F j ( 1 - b i j )   　 。
式中:Fj为因子贡献度;bij为各指标标准化值;Pj为二级指标中第j项指标障碍度,其值越大说明阻碍作用越明显,需优先改善处理。

3 工程验证

3.1 组合权重计算结果

通过应用上述方法,选取扯那苴隧洞原洞线强-剧烈砂化白云岩砂化及涌水量相对较小的洞段、原洞线强-剧烈砂化白云岩砂化及富水洞段、改线线路的强-剧烈砂化白云岩砂化及富水洞段、改线线路的强-剧烈砂化白云岩砂化洞段、改线线路非可溶岩洞段共5个典型洞段指标数据,详见表2。将各评价指标转化为量纲一纯数值,分别采用AHP法、CRITIC法计算主客观权重。随后,用博弈论法组合赋权,得到组合权重系数α1=0.756、α2=0.244,得出组合权重见表3,各项评价指标权重见图4。
表2 典型洞段指标数据

Table 2 Indicator data of typical tunnel sections

洞段位置 C1 C2 C3 C4/Lu C5/
(L·s-1)		 C6/
MPa		 C7 C8 C9/m C10
YX49+061—
YX49+103		 中等
可溶		 剧烈-
强烈砂化		 穿越
大断层		 21 0.27 0.9 中型
突涌水		 短 165~183 隧洞周边井水位显著下降,泉水流量大幅减小,水塘水位下降
YX49+636.7—
YX51+703.7		 弱可溶 剧烈-
强烈砂化		 穿越
小断层		 10 0.42 0.9 大型
突涌水		 短 175~180 隧洞周边井、泉水有疏干风险,水塘难以蓄水
G0+201.7—
G0+450		 中等
可溶		 强烈-
剧烈砂化		 距断
层近		 10~20 0.22 0.6~
0.7		 小型
突涌水		 短 75~108 隧洞周边井水位下降,泉水流量减小
G1+308—
G2+266		 不可溶 无砂化
白云岩		 穿越
小断层		 15~26 0.34 0.3 小型
突涌水		 中长 21~135 隧洞周边井水位下降,泉水流量减小
G2+690—
G3+500		 中等
可溶		 强烈-
剧烈砂化		 距断
层近		 15~26 0.08 0.3 小型
突涌水		 中长 60~86 隧洞周边井、泉水有疏干风险,水塘难以蓄水
表3 评价指标组合权重

Table 3 Combined weights of evaluation indicators

目标层 准则层 合计
权重		 指标层 组合
权重
隧洞突水涌砂处置措施适用性评价(O) 岩性
(B1)		 0.41 岩性(C1) 0.070
白云岩砂化等级(C2) 0.131
不良地质构造(C3) 0.144
透水性(C4) 0.066
富水性(C5) 0.106
地下水条件
(B2)		 0.36
外水压力(C6) 0.140
涌水量预测风险等级(C7) 0.113
长度(C8) 0.074
长度及埋深
(B3)		 0.16
埋深(C9) 0.086
地下水环境负效应(C10) 0.070
环境影响(B4) 0.07
图4 评价指权重趋势

Fig.4 Trend of evaluation indicator weights

可见,评价指标主客观赋权间存在一定差异,但整体趋势一致。而组合权重介于二者之间,更准确地反映出各个指标的实际重要性。具体地,富水性(C5)主观权重为0.133,客观权重为0.076,差值为0.056。基于工程实践经验,富水性直接影响突水涌砂规模,若在强富水性区域发生突水涌砂,往往突水量大、持续时间长,对处置方案要求高,主观赋予较高权重。客观权重偏低,原因在于要准确确定突水涌砂处置方案需综合考虑多种因素,在统计分析中,单一富水性解释能力有限,权重被稀释。可见,通过博弈论方法对指标综合赋权,可有效平衡主观和客观赋权的差异性,获得最优权重。

3.2 TOSIS法评价结果分析

检验评价体系可信度。结合各评价指标量化评分标准,利用TOPSIS法计算可得Si在(0,0.377]、(0.377,0.900]、(0.900,0.996]、(0.996,1]范围内的处置方案适宜性等级分别为Ⅳ级、Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅰ级。其中,Ⅳ级表示适宜性差,突水涌砂风险不可控,处置难度大,方案不宜选取;Ⅲ级表示适宜性一般,突水涌砂风险大,处置有一定难度,可作备选方案;Ⅱ级表示适宜性良好,有一定突水涌砂风险,处置难度小,为可选方案;Ⅰ级表示适宜性最优,突水涌砂风险极低,为最优方案。
结合扯那苴隧洞的4个方案,指标评分数据见表4。计算得出各方案Si的适宜性评价结果,见表5。结果表明,方案G2相对贴近度最高,即适宜性最优。与扯那苴隧洞工程实际处置方案一致,证实评价体系基本可行。
表4 扯那苴隧洞方案指标评分

Table 4 Scoring of design scheme indicators for Chenaju Tunnel

方案 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9
Y1 6 7 8 5 6 6 8 4 7
Y2 6 7 8 8 8 6 8 4 7
G1 4 4 5 4 6 4 3 5 6
G2 2 2 7 2 4 2 3 6 6
表5 扯那苴隧洞方案适宜性评价结果

Table 5 Suitability evaluation results of design schemes for Chenaju Tunnel

方案 正理想距离
D i +		 负理想距离
D i -		 相对贴近度
Si		 处置方案
适宜性等级
Y1 0.008 4 0.001 6 0.157 8 Ⅳ
Y2 0.010 9 0.000 3 0.022 4 Ⅳ
G1 0.001 0 0.006 5 0.863 0 Ⅲ
G2 0.000 5 0.010 3 0.949 7 Ⅱ

3.3 障碍因子诊断分析

通过对障碍因子进行诊断,计算各方案评价指标障碍度,结果如图5所示,统计障碍度位列前3位的评价指标,结果见表6。
图5 扯那苴隧洞方案适宜性各指标因素障碍度

Fig.5 Obstacle degree of each indicator factor in suitability evaluation of design schemes for Chenaju Tunnel

表6 扯那苴隧洞方案适宜性主要障碍因子及障碍度

Table 6 Main obstacle factors and obstacle degrees in suitability evaluation of design schemes for Chenaju Tunnel

方案 障碍因子 障碍度/% 排序 方案 障碍因子 障碍度/% 排序
C3 0.186 9 1 C6 0.221 1 1
Y1 C6 0.181 1 2 G1 C5 0.167 4 2
C2 0.169 9 3 C2 0.165 9 3
C3 0.155 5 1 C3 0.566 1 1
Y2 C2 0.150 6 2 G2 C8 0.433 9 2
C6 0.141 3 3 — — 3
可见,方案Y1、Y2的障碍因子均为白云岩砂化等级(C2)、不良地质构造(C3)、外水压力(C6),以上3个因素均为诱发砂化白云岩隧洞突水涌砂的关键因素,表明制约原洞线加固方案适宜性的因素是特殊不良地质条件。
方案G1的障碍因子从高到低依次为外水压力(C6)、富水性(C5)、白云岩砂化等级(C2),可以看出,制约该方案的主要原因为区域地下水丰富、白云岩砂化导致的围岩质量降低。
方案G2的障碍因子从高到低依次为不良地质构造(C3)、长度(C8),制约方案的不可控因素显著减少,方案有可能受断层、破碎带等导水构造影响,局部突水涌砂风险增加。加强不良地质构造段精细化探测与处理研究,合理规划隧洞分段施工,是可参考的优化方向。

4 结论

(1)结合砂化白云岩地层特性及其突水涌砂灾害形成机制,并考虑影响突水涌砂处置方案适宜性的主要因素,将白云岩砂化等级、不良地质构造、外水压力、地下水活动状态等重要因素纳入评价体系,共选取4个一级评价指标、10个二级评价指标,构建了适用于砂化白云岩隧洞突水涌砂处置方案的适宜性评价体系。该评价体系突出了砂化白云岩地层突水涌砂形成的复杂性及其对处置方案的制约作用,弥补了现有适宜性评价体系对砂化白云岩地层特殊性关注的不足。
(2)运用博弈论组合赋权法结合AHP法和CRITIC法,平衡主观经验判断和客观数据特性,提高指标权重分配的科学性。同时,配合TOPSIS法对处置方案进行适宜性排序,验证评价体系的实用性,将砂化白云岩隧洞突水涌砂处置方案适宜性等级分为Ⅳ级(差)、III级(低)、Ⅱ级(中)、I级(优)共4个等级。通过障碍因子诊断,量化分析制约适宜性的障碍因子,识别各方案优化方向。实现构建定性与定量相结合的评价体系,为处置方案优化提供参考。
(3)评价结果表明,方案G2更具适宜性,与实际工程情况吻合,采取方案G2后扯那苴隧洞工程顺利贯通。同时,通过障碍因子诊断明确了Y1、Y2、G1方案的主要制约因素基本在于洞段受砂化白云岩影响围岩稳定性降低,与富水区域叠加导致突水涌砂风险增加,处置难度加大。因此,在特殊不良地质条件下,遭遇高频次、大规模突水涌砂时,采取改线方式避让高风险区域的方式,可更好保障工程进度与安全。

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