第24卷第3期2009年9月
灾 害 学
JOURNAL OF CAT ASTROPHOLOGY Vol 124No 13
Sep 12009
基于范例推理的浏阳河隧道风化槽段坍方风险评估
3
安永林
1,2
,彭立敏2,张 峰
3
(11湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭 411201;21中南大学土木建筑学院,湖南长沙 410075;
31中国中铁四局集团有限公司,安徽合肥 230023)
摘 要:坍方是隧道常见的突发性风险事件。在对已有坍方隧道实例的原因进行了统计分析,并对主要原因进行了力学解释后,进一步应用范例推理方法评估了浏阳河隧道风化槽地段的坍方风险。结果表明:隧道坍方的主要诱因是围岩破碎和降雨,这与断层破碎带处的围岩力学性能差、降水弱化围岩力学性和降低围岩有效应力等有关。浏阳河隧道风化槽地段的范例推理的坍方和梁家山隧道相近,风险为很有可能发生坍方,建议该地段施工中应注重监测信息的反馈并做好超前地质预报。关键词:隧道坍方;范例推理;风险评估;浏阳河隧道
中图分类号:U45912;U458 文献标识码:A 文章编号:1000-811X (2009)03-0075-04
0 概述
坍方是最为常见的、比较典型的事故。造成
坍方的原因多种多样,有地质上突发的因素,也有人们认识上的因素,但归根到底,地质因素是决定性的,因此加强施工地质工作是避免和防止坍方事故发生的根本手段。必须改变“地质工作是设计人员的任务,而不是施工人员的事”的传统观念
[1-5]
。
目前主要针对坍方的个案进行如下方面的研
究并提出相应的整治措施[6]
:①结合隧道施工进行围岩收敛、沉降量测,开展位移反分析和围岩失稳预测研究;②隧道施工坍塌下围岩与支护结构的力学特性研究;③隧道开挖引起围岩松弛圈范围和新型支护结构的研究。
隧道坍方风险评价则主要有以下几方面[7-9]
:基于层次分析法评价钻钻爆法施工隧道塌方风险、建立事故树分析岩石公路隧道塌方风险、利用模糊理论评估山岭隧道坍方风险。
隧道坍方事故层出不穷,但已有的研究大多是对于具体隧道的坍方进行分析,如何利用已有隧道坍方的经验对在建隧道进行坍方分析是本文的主要考虑的问题。本文主要基于范例推理相关理论评估浏阳河隧道过风化槽地段的施工坍方
风险。
1 工程概况
浏阳河隧道位于湖南沙市东部,起于长沙市开福区捞刀河镇,止于雨花区黎托乡,进口里程D II K1560+550,出口里程D II K1570+670,全长10112km 。隧道场区工程地质和水文地质条件复杂多变,施工技术难度大,安全风险高,具有复杂环境条件下城市隧道工程的特点,是武广
客运专线的重点控制工程[2]
。
在竖井广州端D
II K1565+120～D II K1565+250段出现风化槽谷,强风化最大深度达5316m ,已深入至隧道开挖底部图,如图1所示。
图1 风化槽谷段地质纵断面
注:
1(1)围岩为填土;4(2)围岩为强风化泥质粉砂岩等;
4(3)围岩为弱风化泥质粉砂岩等。
3收稿日期:2009-03-04
基金项目:湖南省研究生创新基金项目(3340-74236000004);中铁四局科技研究开发计划课题(2006-19)
作者简介:安永林(1981-),男,安徽寿县人,博士,从事隧道与地下工程结构与防灾的研究1E 2mail:anyongling@yahoo 1con 1cn
灾 害 学24卷
2 坍方的统计及原因分析
相关文献总结了隧道塌方的原因有地质因素、
施工方法和自然因素等,如图2所示[4,9]
。
图2 塌方诱发因素所占的比例
对上述原因做进一步的分析可知:断层破碎带和降水占的比例最多,这是因为断层破碎带处的围岩力学性能差(弹性模量
、内摩擦角和粘聚力较小,围岩的自稳时间短,自稳能力差);降水一方面劣化围岩力学性能,另一方面是降低了围岩的有效应力,从而更易屈服失稳,如图3所示。
图3 降水下围岩屈服应力变化示意
3 隧道坍方风险的范例推理评估
311 范例推理理论
31111 范例推理的概念
范例推理(Case Based Reas oning,CBR )来源于
人类的认知心理活动,是由Shank 在1982年提出的
[10]
。
在范例推理中,把当前面临的问题或情况称
为目标范例(Target case ),而把记忆的问题称为源范例(Base Case )。简单地说,基于范例推理就是由目标范例的提示而获得记忆中的源范例,并由源范例来指导目标范例求解的一种策略。一般地,范例推理具有如下步骤[10]
:
(1)范例的提取或检索(Retrieve )根据输入待解决的问题的有关信息,从范例库中检索相似的范例集;
(2)范例的重用(Reuse )从检索到的一组范例
中获得求解方案,判别是否符合需求,若符合,
则重用这些方案(或多个方案的合并解),否则需耍修正;
(3)范例的修改(Re V ised )从相似范例中修正求解方案,使之适合于求解当前问题,得到当前问题的新求解方案;
(4)范例的保存(Retain )将新范例及其解根据一定的策略存入范例库中。31112 范例的表示方法和检索技术
对于给定目标范例,如何从范例库中检索和
选择最为相似的范例决定了范例推理系统的学习与推理性能。范例间的相似性度量是检索的关键。在范例间相似度的评估中,通常是建立一个相似性计算函数对当前范例与旧范例进行比较,常用的相似性度量函数有:距离度量法、局部相似性技术、基于模糊集相似性计算的方法等等[10]
。
坍方的范例检索中采用欧氏距离进行相似度
计算,如下所示:
d iT =∑n
h =1w h (v i (h )-v T (h ))
2
015
,(1)
式中:d iT 为目标范例T 与源范例库中第i 个范例之间的欧氏距离,d iT 越小,说明目标范例与该范例越相似;v i (h )为范例库中第i 个范例的第h 个属性的值;N 为属性总数;w h 为属性的权值;v T (h )为目标范例丁在第h 个属性下的值。312 隧道坍方案例统计
表1给出了我国部分隧道的坍方统计
[7]
。
表1
部分隧道坍方统计
隧道名称围岩级别开挖跨度/m 地下水情况埋深/m 偏压情况塌方量/m 3
青岭隧道Ⅴ13地下水不发育75-15000靠椅山隧道Ⅳ17104地下水不发育70-20000梁家山隧道Ⅴ1411较发育60-2500油房头隧道Ⅴ13一般15-1400柳川隧道Ⅴ1715地下水发育6313-20000乌坑坝隧道Ⅴ13地下水发育26-450旦架哨隧道Ⅴ1618地下水丰富40-900东皋岭隧道Ⅵ1418节理面充水,地
下水补给充分12-17000马鞍石隧道
Ⅳ
10148
地下水丰富
18
-320
67
续表1
某隧道Ⅵ12地下水丰富22-400
陈峪岭隧道Ⅳ9地下水发育11
存在
偏压
1400
坨家山隧道Ⅳ10183
连降暴雨,裂隙
水发育
70-1000
上村隧道Ⅳ12
掌子面有压力水
流出
33-860
葵岗隧道Ⅵ14岩溶水十分丰富,
地下水出漏
40-635
土家湾隧道Ⅴ1314
含水量大,且降
雨量很大
31～35-800
关口垭隧道Ⅳ1111
连降大雨,掌子
面有成股水流出
25～32
存在
偏压
8800
某隧道Ⅴ917-403500
二道垭隧道左线Ⅴ12
渗水严重,正值
雨季
50-900
某隧道Ⅴ9地下水发育11存在
偏压
1000
火车岭
隧道
Ⅴ11一般55-350萝卜顶
隧道
Ⅴ11地下水不发育40-1600上虎峪
隧道
Ⅴ1415不发育415-150铁营
隧道
Ⅴ917-16-2000范家岭
1号隧道
Ⅳ单洞1116地下水较发育50-3700
土地坳隧道Ⅴ单洞1216地下水不发育10-
地表塌
陷3m×
3m的坑
殿会坪隧道Ⅴ615地下水较发育6
严重
偏压
冒顶面
积3m
×3m
二庄科隧道Ⅴ1319地下水滞留18
严重
偏压
6000
石牙山隧道左线Ⅴ1216地下水不发育3717
存在
偏压
480
石牙山隧道Ⅳ1216有少许渗水43
存在
偏压
150
喇嘛梁
隧道
Ⅲ917地下水丰富20-100城岭
隧道
Ⅳ16175地下水发育45-1200云阳山
隧道
Ⅴ1213地下水发育20-8000
父子关隧道Ⅴ1113
渗水、滴水现象
严重
6
存在
偏压
小的掌
子面塌
方
后祠隧道Ⅳ12地下水丰富19-
10m的
塌方段
313 范例推理的浏阳河隧道坍方风险评估
为使不可量化的指标进行量化处理,规定:
地下水贫乏为1;地下水比较发育为2;地下水发
育为3;地下水丰富,有少量涌水为4;地下水相
当丰富,有大量涌水为5。无偏压为1,存在偏压
为2,较偏压为3,严重偏压为4,很严重偏压
为5。
同时,为了防止具有较大初始值域的属性与
具有较小初始值域的属性相比,权重过大,有效
地减少误差及不同量纲数据分析,需要对原始数
据进行归一化处理。对于隧道坍方范例推理采用
极值法将原数据归一化:
c′i=
c i-m in c
max c-m in c
,(2)
式中:m in和max表示属性c中最大值和最小值。
以武广客运专线浏阳河隧道DⅡK1565+120～
DⅡK1565+250的风化槽地段为例[2],该地段为
Ⅴ级围岩,埋深为约45m,不存在偏压情况,地
下水发育。应用公式(2)对该段浏阳河隧道和表1
进行归一化处理,并计算其欧式距离下的相似度
如表2所示。从表2中可以看出,风化槽地段和梁
家山隧道的相似度最小,所以,隧道发生坍方及
坍方量大的可能性很大
。
77灾 害 学24卷
续表2
上虎峪隧道016701730100010001000163
铁营隧道016701290100011601000162
范家岭1号隧道013301460125016501000140土地坳隧道016701550100010801000157殿会坪隧道016701000150010211001135二庄科隧道016701670125011911001107
石牙山隧道左线016701550100014701330145石牙山隧道013301550125015501330149喇嘛梁隧道010001290175012201000199
城岭隧道013301930150015701000149云阳山隧道016701530150012201000146父子关隧道016701440175010201330185
后祠隧道013301500175012101000173浏阳河隧道01670168012501570100
4 结论
(1)隧道坍方的主要原因为隧道地层为断层破碎带和降雨,进一步从力学上对上述原因做了阐述:断层破碎带处的围岩力学性能差(弹性模量、内摩擦角和粘聚力较小,围岩的自稳时间短,自稳能力差);降水一方面裂化围岩力学性能,另一方面是降低了围岩的有效应力,从而更易屈服失稳。
(2)隧道坍方是极其复杂的,但复杂现象中总存在一些相似性关系。基于范例推理理论评价了浏阳河隧道风化槽地段的坍方风险和梁家山隧道最接近,所以,隧道很有可能发生坍方,建议在该地段施工中应注重监测信息的反馈并做好超前地质预报。
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Case2based Reason i n g Assess ment on Tunnel Coll apse Risk of the W eathered Trough Secti on of L i uyang Ri ver Tunnel
An Yonglin1,2,Peng L i m in2and Zhang Feng3
(11School of C ivil Engineering,Hunan U n iversity of Science and Technology,X iangtan411201,China;
21College of C ivil Engineering and A rchitecture,Cen tral Sou th U niversity,Changsha410075,China;
31Ch ina R ail w ay N o.4Eng ineering Group Co.,L td.,Hefei230023,Ch ina)
Ab s trac t:Collap ses are common tunnel accidents1Causes of s ome tunnel collap se exa mp les are statistically analyzed and the i m portant ones of the m are mechanically exp lained1Collap se risk of the weathered tr ough secti on of L iuyang R iver Tunnel is evaluated after wards by case2based reas oning1It is shown that the main inducing fact ors of tunnel collap ses are weak r ock and rainfall,f or weak r ock has very poor mechanical p r operties and would weaken r ock mechanics and reduce the effective stress in surr ounding r ock1Collap se risk of L iuyang R iver Tunnel is likely t o occur1It is suggested that more attenti on should be paid t o monit oring inf or mati on feedback and geol ogical p redicti on.
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