地下廠房整體失穩風險模糊綜合評價方法

0  引  言

地下廠房施工期整體穩定性分析和評價是巖體力學和巖石工程中的一項重要工作，由于復雜的洞群結構特征、工程地質條件及施工過程的諸多不確定性，使這一工作的開展困難很大。目前地下洞室整體穩定性分析方法有解析法、工程類比、模型試驗、經驗公式和數值計算方法等。對于復雜的工程，前幾種方法都有較大的局限性而無法勝任，基于各種力學和計算理論的數值仿真手段成為目前洞室整體穩定性評價的主流方法。幾乎所有的大型地下工程都離不開借助數值計算的巖體和洞室穩定性分析評價工作；結合數值計算或經驗總結通過一定的評價指標(應力判據、位移判據、能量判據等)及計算安全系數等對洞室整體穩定性進行評價是常用手段，近些年一些學者采用系統科學的方法進行工程穩定性突變分析和穩定性分級也成為一種趨勢。

目前的多數分析方法沒有考慮地下工程施工過程的復雜性、動態性和不確定定性，也沒有充分利用施工期的各種動態信息。在信息化施工的今天，充分利用施工期的各種信息進行洞室穩定性動態評估是一條科學、實用的途徑。風險分析作為一種定性和定量相結合的不確定性分析方法在國內外已經獲得一定的應用，一些學者在隧道、地鐵、地下廠房等地下工程中使用各種風險分析方法對工程風險或穩定性進行分析評估及控制。這種方法的優點在于考慮了過程與因素的復雜性和不確定性，但對于施工期洞室的整體穩定性問題來說，目前的風險分析方法忽視了巖體的變形破壞機制，且無法體現施工過程的動態性，不能充分利用施工期各種地質信息、監測信息和開挖支護工程信息對圍巖和洞室的整體穩定性進行動態評估。

因此，本文在充分考慮洞室失穩機理、施工期各種信息的復雜性、動態性和不確定性的基礎上，提出一套基于等效巖體力學參數劣化機理的地下廠房施工期整體失穩風險動態估計方法。該方法通過等效巖體力學參數動態反演和多級模糊綜合評價，對地下廠房的整體穩定性進行動態的評估。

1基本理論與方法

1.1  等效巖體力學參數劣化原理

地下廠房開挖過程中，圍巖在應力反復調整過程中會產生劣化，從宏觀角度可以認為是圍巖力學參數發生變化。根據大量室內試驗結果，影響巖石變形和強度特征的主要參數都隨著塑性程度的發展而不斷變化（圖1）。這是通過參數劣化來評價巖體劣化及洞室穩定程度的力學依據。

    圍巖參數的劣化可以結合施工期的各種監測數據通過反演來實現。利用監測信息反演獲得的巖體力學參數是等效參數，即并非真實的力學參數，而是綜合考慮了巖性條件、地質條件和開挖、支護過程等工程信息及各種不確定因素影響的等效參數，蘊含了實際開挖狀態的綜合力學特征。圖2表達了等效參數的劣化機理：施工過程中因為開挖擾動、支護強度不足或支護滯后及新揭露不利地質條件等因素，洞室表現出變形過大、松動深度過大及圍巖破壞嚴重等現象，說明圍巖力學性質產生劣化，這時候根據新的地質模型和監測數據反演獲得的參數也將產生劣化。因此，圍巖劣化程度的評價就可以通過對等效力學參數的動態反演和參數劣化程度的評價來體現。

1.2  多級模糊綜合評價方法

綜合評價是指綜合考慮多種因素影響而對事物或系統進行總的評價, 當評價因素具有模糊性時被稱為模糊綜合評價，是風險分析的常用方法。如果要考慮的因素多且多帶模糊性, 同時各種因素又具有不同的層次，這時就要采用多級模糊綜合評價。施工期地下廠房的穩定性即屬于此類風險問題，影響因素復雜且具有明顯的不確定性，確定性的評價必然是不符合實際的，本文擬通過單級和二級模糊綜合評價完成典型斷面和整個廠房的穩定性評價。

單級模糊綜合評價的過程為：

(1) 建立評價因素模糊集合X={x₁,x₂,x₃,…x_m}和評價評語模糊集合V={V₁,V₂,V₃,…V_n}。對本文問題來說，反演獲得的等效參數隱含了影響圍巖穩定的各種信息，故x_i為各個待反演參數，并取V={很穩定,基本穩定,不穩定,很不穩定}。

(2) 根據建立的隸屬度函數，計算評價因素x_i(i=1, 2, …, m)對評語模糊集合V的隸屬度向量r_i={r_i1, r_i2, r_i3, …,r_in}，把m個單因素評價集作為行向量得到一個總的評價矩陣（對于本文，n=4）:

(3) 確定因素重要程度模糊集：在論域X上給出一個模糊集A={a₁, a₂, a₃,…,a_m}, a_i為因素x_i(i=1, 2, …, m) 在總評價中的影響程度的大小(權重)。

(4) 求出模糊綜合評價集：根據上述因素重要程度模糊集A和綜合評判矩陣R, 選擇適當的廣義模糊合成運算得到模糊綜合評價集，比如按照M(∧, ∨)模型計算得：B=A·R={b₁,b₂,b₃,…,b_n}。

對多因素多層次系統的綜合評價方法是, 首先按最低層次的各個因素進行綜合評價, 然后再按上一層次的各因素進行綜合評價；依次向更上一層評價, 一直評到最高層次以得出總的綜合評價結果，廠房的整體穩定性即可根據各斷面穩定性評價結果進行二級模糊綜合評價得到，其評價矩陣為：

3  地下廠房整體失穩風險動態估計思路

圖3給出了施工期結合開挖工期進行廠房整體失穩風險動態評價的流程，下面以第i期為例說明具體分析步驟：

（1）風險識別和待反演參數選擇

首先，綜合第i-1期所作的預測分析、當前監測信息、開挖揭示地質條件和圍巖破壞情況，辨識圍巖力學行為是否與預測一致，初步判斷圍巖力學性質有無劣化，整體穩定性是否受到影響。然后詳細對比分析預測計算結果和各類實測資料（變形監測、松動圈測試、彈性波測試、鉆孔攝像、錨桿（索）測力計等等）及圍巖破壞記錄，確定圍巖劣化特征，進而選擇待反演參數，具體確定方法參照前文。

（2）參數權值向量確定和劣化模糊評語集劃分

主要是求出待反演參數對所在斷面圍巖穩定性的貢獻，即一定程度的參數劣化對圍巖穩定性造成的影響。采用敏感性分析方法，通過建立合理的系統響應函數，以前期反演結果為基準值，確定各個參數的敏感度因子，再進行歸一化處理，得到各待反演參數權值向量λ_j ={λ_j,E, λ_j,C, …}（j表示第j個監測斷面），這種方法避免了經驗確定的主觀性。系統響應函數應該能夠反映出圍巖力學行為，可以選取關鍵部位的變形和塑性區計算值及其他指標作為因子綜合建立。比如令其中d_t是在參數某取值下第t個關鍵部位變形或松動圈計算值，d_t^*是在參數基準值下的計算值，當d_t=d_t^*時P=1。

由于敏感性分析結果反映了參數變化過程中圍巖穩定狀態的變化，因此可以方便直觀地進行各因素穩定性模糊評語集合閾值的劃分，同樣克服了經驗確定閾值的主觀性太強的缺點。實際操作中可以利用高等數學求導等方法進行閾值劃分，對于變化梯度較為緩和的曲線可以借鑒統計診斷等方法來細致確定閾值點。劃分結果如表1所示，其中參數劣化度表示參數x_i相對其基準值x_i^*的劣化程度：D_xi=(x_i^*-x_i)/x_i^*。

（3）等效巖體力學參數反演

根據實際開挖揭示的地質條件，建立各監測斷面區域的三維地質模型，結合數值計算，利用神經網絡反演方法獲得待反演參數向量{E, C,…}。

（4）各監測斷面失穩風險模糊綜合評價

運用模糊綜合評價方法，建立各等效力學參數對所在斷面圍巖穩定性的隸屬度。此時參數劣化度的計算D_x=(x_p-x_n)/x_p，其中x_p和x_n分別為前一期和當前期反演獲得的等效力學參數值。

采用k次拋物線型函數，計算參數劣化評語隸屬度：

對每個行向量進行歸一化處理，得到R_j^’，按照M(∧,∨)模型計算模糊綜合評價集：B_j=λ_j·R_j^’={b_j1,b_j2,b_j3,b_j4}，假設共有m個系統監測斷面，則總的模糊綜合評價矩陣為：

（5）廠房整體失穩風險估計

不同監測斷面的等效參數反演和劣化度計算結果包含了廠房沿軸線一定長度的巖性和地質結構條件、監測信息、圍巖破壞特征及各種不確定因素，體現了一定長度范圍內圍巖的失穩風險，再對各斷面進行加權平均就得到廠房整體失穩風險估計，因此二級模糊綜合評估的權值向量可以根據地質模型范圍確定。假設各系統監測斷面三維地質模型長度為L_j，廠房總長度為L，則二級模糊綜合評價的因素權重為k_j=L_j/L，二級權值向量為K={k₁,k₂,k₃,…,k_m}，那么經二級綜合評價得到最終的廠房整體失穩風險模糊綜合評價集為：Ω=K·B={ω₁, ω₂,ω₃, ω₄}，根據最大隸屬度原則即可對廠房整體穩定性進行判別。

4  結論與討論

(1)  該方法考慮洞室圍巖在施工期的劣化機理，以等效巖體力學參數動態反演和多級模糊綜合評價為基本方法，綜合施工期的地質信息、監測信息和各種工程信息及不確定因素，進行圍巖和廠房洞室整體穩定性動態評估；

(2)  該方法結合廠房實際建設過程，動態地計算各期開挖后系統監測斷面和整個廠房的穩定性隸屬度向量，評價結果可以方便地指導現場動態設計優化；

(3)  本文對地下廠房施工期整體穩定性動態評價方法的探討，有待進一步驗證和完善，比如建立更為合理的系統響應函數（含評價指標等）和隸屬度函數。

本文僅對理論、方法進行了介紹，具體工程應用詳見作者畢業論文。