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第35卷 第2期 2018年6月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 2 Jun. 2018 doi10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 02. 028 隧道高压气体破岩有效性等级评价及工程应用 彭怀德 1, 褚夫蛟2, 杨 光 3, 陈 治 4, 彭益君4 (1.中南大学资源与安全工程学院, 长沙410083;2.山东理工大学资源与环境工程学院, 淄博255049; 3.湖南文理学院土木建筑工程学院, 常德415000;4.上海隧道工程有限公司, 上海200232) 摘 要 为了解决近年兴起的高压气体膨胀法应用于隧道工程时存在的破岩难易程度和孔网参数合理性 的问题, 引入破岩有效性的概念和一种基于云模型理论的评价方法。根据隧道围岩性质和高压气体破岩的 特点, 建立了隧道高压气体破岩有效性等级评价模型。通过正向正态云发生器生成对应的云模型参数, 再结 合各评价因子的权重, 获得云模型的综合确定度, 最后利用最大隶属度原则确定隧道高压气体破岩有效性等 级。将该模型应用于某一隧道工程, 成功评定出该隧道掌子面高压气体破岩有效性等级。研究结果表明 该 方法不仅能给出隧道高压气体破岩有效性等级, 而且对孔网参数的选择起到了指导作用, 为高压气体膨胀法 在隧道工程中的应用和推广提供了理论基础。 关键词 近接隧道施工;高压气体破岩;云模型;有效性等级评级 中图分类号 U455. 6 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X(2018)02 -0164 -07 Effective Level Evaluation of Rock Breaking of Tunnel High Pressure and Engineering Application PENG Huai-de1,CHU Fu-jiao2,YANG Guang3,CHEN Zhi4,PENG Yi-jun4 (1. School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,China; 2. School of Recourses and Environment Engineering,Shandong University of Technology, Zibo 255049,China;3. College of Architecture & Civil Engineering,Hunan University of Arts and Science,Changde 415000,China;4. Shanghai Tunnel Engineering Co Ltd,Shanghai 200232,China) Abstract In order to solve the problems of rock fragmentation and rationality of hole parameters for high pres- sure gas expansion method applied to tunnel engineering rock broken,a concept of effectiveness of rock breaking and evaluation method based on cloud model theory were discussed. An evaluation model based on cloud model theory was presented for evaluating the effective level of rock breaking with high pressure according to the nature of the sur- rounding rock and the characteristic of rock breaking of tunnel high pressure. Then corresponding cloud model param- eters were generated by the forward normal cloud generator. Combined with the weights of each factor,the comprehen- sive degree of certainty was obtained,and the effective level evaluation of rock breaking with high pressure finally was specified by maximum membership degree principle. A given tunnel was taken as an example,the comprehensive ef- fective level of rock breaking of tunnel high pressure was predicated successfully. The results provided theoretical ba- sis for application and promotion of high pressure gas expansion in tunnel engineering,which not only calculated the effectiveness grade of rock broken of tunnel with high pressure,but also guided to choose right hole parameters. Key words adjacent to the tunnel construction;rock broken with high pressure;cloud model;effectiveness level evaluation 万方数据 收稿日期2018 -01 -27 作者简介彭怀德(1986 -) , 男, 湖南省永州人, 博士研究生, 研究方向为 土木工程安全、 爆破工程, (E-mail)410536337@qq.com。 通讯作者褚夫蛟(1988 -) , 男, 山东省枣庄人, 讲师、 博士, 研究方 向为采矿工程、 爆破工程, (E-mail)zzchufj@ sina. com。 基金项目国家自然科学基金资助项目(51404303); 湖南省教育厅 科学研究项目(17C1086) 随着我国经济的持续快速发展和土地的集约开 发利用, 城市或周边关键区域的工程建设密度越来 越大, 邻近既有建( 构) 筑物兴建新的工程的难度越 来越高, 而传统钻爆法由于在扰动、 噪声和安全审批 等问题上较为突出, 加上常见的非传统钻爆法, 如机 械铣挖法[ 1,2]、 静态膨胀剂法[3]、 劈裂棒法、 二氧化 碳法[ 4,5]、 镐头机破岩法等[6,7], 具有单价昂贵, 破岩 效率低和适用性窄等缺点, 大大制约了它们的适用 性。近两年逐渐兴起的膨胀管高压气体膨胀破岩 法, 因其不仅具有扰动小、 噪声小、 安全可靠和无审 批等上述非传统钻爆法的优点, 而且破岩效果较好, 逐渐受到人们关注。但是高压气体膨胀法与传统炸 药在破岩原理和使用方式上有较大差异, 该方法在 具体的工程(如隧道工程)中的破岩能力和破岩效 果如何, 还未可知, 有必要对此进行研究。 针对上述问题引入破岩有效性概念来评价高压 气体膨胀法在隧道工程中的破岩效果。评价破岩的 有效性, 即评价破岩的难易程度, 在满足预期破岩方 量的同时获得合理的孔网参数。目前, 各学者对破 岩的难易程度主要是采用不同的评价方法评价岩石 的可爆性等级, 并取得了一系列成果, 如未确知均值 分级法[ 8]、 博弈论物元可拓预测模型[9-11]、 粗糙集 和非线性多元回归[ 12]、 模糊综合评判[13]、 PCA和改 进BP组合[ 14]、 未确知测度理论等[15]。但这些方法 都只是针对传统的炸药爆破, 对于膨胀管高压气体 膨胀破岩并不完全适用, 而且这些方法大多只关注 岩体本身的属性, 其得出的评价结果对于具体的孔 网参数的设置没有直接的指导作用。针对某隧道工 程的难点, 引入云模型理论[ 16-18], 建立结构面张开 度、 埋置深度等15个评价指标组成的破岩有效性评 价指标体系, 借助云模型理论研究这些指标对隧道 高压气体破岩结果的影响, 以得到其破岩有效性等 级。一方面, 将评价得到的破岩有效性等级结果与 实际破岩情况进行对比, 证明云模型方法在评价隧 道高压气体破岩有效性等级中的准确性和可行性; 另一方面, 可以根据评价的等级结果直接确定大致 合理的孔网参数范围, 为采用高压气体膨胀法破岩 的其他类似隧道工程提供理论指导。 1 研究背景 某公路隧道区属丘陵地貌, 地形起伏较大。隧 道范围内中线高程32 ~ 63. 4 m,最大高差约 31. 4 m。 山体自然坡度15 ~ 30, 植被较发育。进 出口均处于山前斜坡地带, 山坡处于基本稳定状态。 隧址区入口附近有地方道路通过, 出口处有高速铁 路通过, 下穿高速铁路桥梁桥跨之间, 如图1所示。 高铁桥梁距离左右线最小水平距离分别为25 m、 65 m。 该工程的难点在于①传统钻爆法对爆破设计 的要求和工人的现场操作技术要求都极高, 事故风 险较大;②设计围岩强度24 MPa, 实际围岩强度变 化很大, 最大达到110 MPa, 常见的非爆破方法都一 一尝试过但是效果非常不理想;③全程爆破施工的 方案审批及炸药审批难。 为解决上述问题, 现场试验了高压气体膨胀法。 试验结果表明, 该方法既能保证预期的破岩量, 又能 减小振动危害, 且无需任何审批手续, 是非传统钻爆 法中代替钻爆法破岩的较为理想的技术手段。由于 该方法首次应用在隧道工程, 目前关于围岩体、 孔网 参数等因素与最终破岩结果之间的关系还没有研 究, 而这种关系对于今后类似工程有重大影响, 因 此, 有必要对此进行研究, 遂引入一种基于云模型理 论的隧道高压气体破岩有效性等级的评价方法, 用 以评价高压气体膨胀法在具体隧道工程中应用时的 破岩有效性等级, 从而获得匹配围岩岩性的最佳破 岩结果的孔网参数。见图1。 图1 高铁线路与隧道水平相对位置示意图( 单位m) Fig. 1 Relation location of the rail line and the tunnel(unitm) 2 云模型理论介绍 2. 1 云模型的定义 设U是一个用精确数值表示的定量论域(一维 的, 二维的或多维的) , 其上的定性概念C, 若定量值 x∈U, 且x是定性概念C的一次随机实现,x对C的 561第35卷 第2期 彭怀德, 褚夫蛟, 杨 光, 等 隧道高压气体破岩有效性等级评价及工程应用 万方数据 确定度μ(x)∈[0,1]是具有稳定倾向的随机数。 即μU→[0,1] ,Ax∈U,x→μ(x) , 则x在论域U上 的分布称为云模型,简称为云,每一个x称为云 滴[ 16]。 云模型的数字特征为Ex、En、He, 记作U(Ex, En,He) 。其中, 期望Ex(Expected value)反映对某 一定性概念认知的稳定性和统一性; 熵En(Entro- py) 表示定性概念的模糊程度, 熵值越大, 概念越模 糊, 越难量化; 超熵He(Hyper entropy) , 即熵的熵, 揭示代表定性概念值样本出现的随机性。 2. 2 云模型的计算 云模型通过正向云发生器或逆向云发生器生成 具体算法。采用正向正态云发生器, 正向云发生器 FCG如图2所示, 实现定性语言到变量数据间的转 化, 将语言量化。 图2 正向云发生器 Fig. 2 Forward normal loud generator 正向云发生器算法步骤 ①生成以En为期望值,He为标准差的一个正 态随机数En′;②生成以Ex为期望值,En为标准差 的正态随机数x;③以x为定性概念A的一次具体 量化值, 称为云滴;④计算y = exp -(x - Ex′) 2 2(En′) 2 ;⑤令 ξ为x属于定性概念A的确定度;⑥{x,ξ}完整性反 映了这一次定性定量转换的全部内容;⑦重复① ~ ⑥直至产生N个云滴为止。 2. 3 评语云参数的确定 根据评语等级评价域的两个边界约束情况 [Imin,Imax] 来确定评语云参数(Ex,En,He)如式(1) 所示, 其中k是一个根据评语情况自行设定的一个 反映评语模糊程度的一个数值。出现仅有单边约束 或者可以看为单边约束的情况, 在确定其缺省参数 或期望值的基础上再进行计算,K取0. 02。 Ex =(Imin+ Imax)/2 En=(Imax+ Imin)/6 { He = k (1) 3 隧道高压气体破岩有效性等级云模 型评价 3. 1 建立评价指标体系 根据现场试验结果和高压气体破岩的特点, 并 参考相关文献及规范[ 19,20], 建立如图 3所示的隧道 高压气体破岩有效性评价指标体系。 图3 隧道高压气体破岩有效性等级评价指标体系 Fig. 3 Effectiveness level evaluation index system of rock broken with high pressure gas 3. 2 评价指标权重的确定 采用层次分析法对权重进行选取, 通过对专家 调查获取判断矩阵、 计算权重, 经过一致性检验和归 一化的权重结果见表1。 表1 各个指标的权重值 Table 1 The weight value of various indicators 因素权重二级指标代码权重 围岩体 因素 U1 0. 315 风化程度U11 岩石抗压强度U12 结构面张开度U13 结构面组数U14 结构面间距U15 岩体结构类型U16 0. 139 0. 152 0. 166 0. 147 0. 185 0. 211 孔网 参数 U2 0. 512 周边孔间距U21 底板孔间距U22 光爆层厚度U23 膨胀管埋置深度U24 钻孔利用率U25 0. 199 0. 227 0. 135 0. 268 0. 171 施工 因素 U3 0. 173 钻孔与地面夹角U31 钻孔直径U32 3 h内压浆料抗压强度U33 灌浆饱满度U34 0. 212 0. 121 0. 387 0. 280 661爆 破 2018年6月 万方数据 3. 3 建立评价模型 隧道高压气体破岩有效性评价指标体系中, 部 分指标根据规范进行定性的分析[ 20], 用模糊的定性 词语集表示, 然后通过专家打分法进行评定, 而另一 些因素则必须根据相关标准规范并结合现场施工实 际情况进行具体的量化, 得出定量的评价结果, 见表 2, 定量指标归一化后的等级结果见表3, 最后确立 统一的隧道高压气体破岩有效性Ⅰ(过高,0. 8 ~ 1) ,Ⅱ( 最佳,0. 6 ~ 0. 8) ,Ⅲ(一般,0. 4 ~ 0. 6) ,Ⅳ ( 差,0 ~0. 4)四个评语等级, 将评分语言转换为标 准评语云模型的数字特征为 (0. 9,0. 33,0. 02) 、 (0. 7,0. 33,0. 02) 、 (0. 5,0. 33,0. 02) 、 (0. 2,0. 67, 0. 02) 。 表2 单指标等级分类 Table 2 Single index classification 影响 因子 ⅠⅡⅢⅣ U11全风化、 强风化 中风化微风化未风化 U120 ~1515 ~3030 ~6060 ~100 U13>103 ~101 ~3<1 U143 ~52 ~31 ~20 ~1 U150 ~0. 20. 2 ~0. 40. 4 ~11 ~2 U16碎裂结构 中薄层 状结构 裂隙块状 或中厚层 结构 块状或 厚层状 结构 U210. 25 ~0. 35 0. 35 ~0. 45 0. 45 ~0. 550. 55 ~0. 7 U220. 5 ~0. 60. 6 ~0. 70. 7 ~0. 80. 8 ~1. 0 U230. 3 ~0. 40. 4 ~0. 50. 5 ~0. 60. 6 ~0. 7 U241. 1 ~1. 31. 3 ~1. 61. 6 ~1. 81. 8 ~2. 2 U250. 8 ~0. 90. 7 ~0. 80. 6 ~0. 70. 5 ~0. 6 U310 ~55 ~1010 ~1515 ~30 U3260 ~8055 ~6050 ~5545 ~50 U3330 ~4025 ~3020 ~2510 ~20 U340. 9 ~1. 00. 8 ~0. 90. 7 ~0. 80. 6 ~0. 7 用一维逆向正态云发生器对专家打分的结果进 行处理, 从而将定量数值的打分结果转变为定性概 念。设进行打分的有p位专家,XxK为第k(1,2, , p) 个专家对某个因素打分的数值, 可根据式(2)求 出该因素的云模型特征数字Ex,En及He; 在计算出 某个因素云模型特征数字的基础上, 通过式(3)可 将各二级因素评语云(子云)综合为3个一级因素 评语综合云( 父云) , 进而得到隧道高压气体破岩有 效性等级评价的综合云模型[ 21]。 Ex = 1 p ∑ p k =1 xk S2= 1 p - 1∑ p k =1 (xk- Ek) 2 En= π 、 2 1 p ∑ p k =1 xk- Ex He =S2- En、 L \ \ \ \ \ \ \ \ 2 (2) Ex = ∑ n i =1 ExiEnivi ∑ n i =1 Enivi En =∑ n i =1 Enivi He = ∑ n i =1 HeiEnivi ∑ n i =1 Eniv L \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ i (3) 式中Exi、Eni、Hei、vi分别表示各二级指标的期望、 熵、 超熵值及对应的权重。 表3 归一化后的单指标等级分类 Table 3 Single index classification after uniformization 影响 因子 ⅠⅡⅢⅣ U110. 7 ~10. 5 ~0. 70. 3 ~0. 50 ~0. 3 U120. 85 ~10. 7 ~0. 850. 4 ~0. 70 ~0. 4 U130. 8 ~10. 5 ~0. 80. 3 ~0. 50 ~0. 3 U140. 6 ~10. 4 ~0. 60. 2 ~0. 40 ~0. 2 U150. 9 ~10. 8 ~0. 90. 5 ~0. 80 ~0. 5 U160. 8 ~10. 5 ~0. 80. 2 ~0. 50 ~0. 2 U210. 78 ~10. 56 ~0. 780. 33 ~0. 560 ~0. 33 U220. 8 ~10. 6 ~0. 80. 4 ~0. 60 ~0. 4 U230. 75 ~10. 5 ~0. 750. 25 ~0. 50 ~0. 25 U240. 82 ~10. 55 ~0. 820. 36 ~0. 550 ~0. 36 U250. 75 ~10. 5 ~0. 750. 25 ~0. 50 ~0. 25 U310. 83 ~10. 67 ~0. 830. 5 ~0. 670 ~0. 5 U320. 57 ~10. 29 ~0. 570. 14 ~0. 290 ~0. 14 U330. 67 ~10. 5 ~0. 670. 33 ~0. 50 ~0. 33 U340. 75 ~10. 5 ~0. 750. 25 ~0. 50 ~0. 25 在确定隧道高压气体破岩有效性等级云模型特 征基础上, 根据式(3)确定综合评语云对各等级确 定度ξj(ξ1 ~ ξ 4分别表示属于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的确定 度) , 基于最大隶属度原则得出评价结果, 并将计算 结果与生成的综合云滴进行比较。 ξj= exp- (xi- Exj) 2 2(Enj) [] 2 (4) 761第35卷 第2期 彭怀德, 褚夫蛟, 杨 光, 等 隧道高压气体破岩有效性等级评价及工程应用 万方数据 4 工程实例分析 以研究背景中的隧道工程为例, 基于本文构建 的隧道高压气体膨胀破岩有效性等级评价指标体系 和前期试验结果, 结合某一里程的掌子面围岩情况 ( 微风化、79. 5 MPa、 结构面张开度2. 0 mm、 结构面 组数1. 6、 结构面间距0. 83 mm、 层状局部裂隙块状 结构) , 预先选择孔网参数( 周边孔间距0. 5 m、 底板 孔间距0. 6 m、 光爆层厚度0. 4 m、 膨胀管埋置深度 1.4 m、 钻孔利用率0. 65) , 加强施工监管( 由于施工 因素各指标对评价结果的指向性较为明确, 所以施 工因素可控性较好, 本次验证实例控制钻孔与地面 夹角10, 钻孔直径60 mm,3 h内压浆料抗压强度 28 MPa, 灌浆饱满度0. 65) , 取值详细情况见表4; 其 余因素的专家打分结果见表5。根据云模型计算的 结果, 对比现场实际试验结果, 在验证云模型评价方 法的正确性与可行性的同时, 逆向指导具体施工时 孔网参数的选择。 表4 指标因素取值 Table 4 Index factor value 因素U12U13U14U15U21U22U23U24U25U31U32U33U34 数值79. 52. 01. 60. 830. 50. 60. 41. 40. 6510. 060. 028. 00. 65 归一化0. 2150. 40. 320. 835 0. 4450. 80. 750. 730. 3750. 670. 570. 602 0. 625 表5 专家打分结果 Table 5 Expert scoring results 因素 ABC 专 家 DEFGH U110. 670. 550. 540. 590. 630. 600. 660. 60 U160. 360. 250. 330. 270. 360. 350. 260. 32 4. 1 云模型特征数字计算 根据对表4因素进行特征数字计算, 得到其评 价云模型数字特征, 见表6。其余各因素根据专家 打分结果, 使用逆向云发生器计算公式(2) , 求得各 评价因素的云模型数字特征, 见表6。 根据公式(3)的计算方法, 求得3个一级因素 的综合评语云数字特征为U1=(0. 460,0. 034, 0. 012) 、U2=(0. 665,0. 032,0. 011) 、U3=(0. 701, 0. 032,0. 014) 。 4. 2 隧道高压气体破岩有效性等级综合评价结果 通过综合3个一级因素的云数字特征, 可求得 隧道高压气体破岩有效性等级云数字特征U = (0. 604,0. 032,0. 012) , 并与标准评语云进行比较, 如图4所示。 由图4可知, 综合评价云滴位于“一般”与“最 佳” 之间, 且刚好进入“最佳”区间内, 与式(4)计算 综合云数字特征对各等级的隶属度相符, 根据最大 隶属度原则可知, 说明本次高压气体膨胀破岩试验 的破岩有效性等级处于“最佳”水平, 且与综合评价 云滴结果一致。因此, 本次高压气体膨胀破岩试验 的破岩有效性等级综合评价结果为“最佳且偏向一 般” 水平。 4. 3 隧道高压气体破岩现场试验结果 根据选用的孔网参数在该处掌子面进行现场试 验, 结果如图5所示。 表6 云模型数字特征 Table 6 Numerical characteristics of cloud model 指标云模型数字特征 U11(0. 605,0. 045,0. 012) U12(0. 215,0. 072,0. 513) U13(0. 5,0. 033,0. 02) U14(0. 52,0. 034,0. 02) U15(0. 67,0. 032,0. 737) U16(0. 313,0. 049,0. 018) U21(0. 5,0. 033,0. 02) U22(0. 8,0. 029,0. 02) U23(0. 8,0. 029,0. 02) U24(0. 73,0. 034,0. 02) U25(0. 5,0. 033,0. 02) U31(0. 6,0. 028,0. 02) U32(0. 8,0. 029,0. 02) U33(0. 72,0. 034,0. 02) U34(0. 7,0. 033,0. 02) 从图5和现场观测情形可知, 爆堆相对集中, 95%的岩渣分布在距掌子面25 m的范围内, 其中约 70%的岩渣分布在距掌子面4 m的范围内, 掌子面 50 m范围外无可见飞石; 未超挖和未见明显底坎, 掌子面轮廓线和平整度在可接受的范围内, 后期采 用机械开挖修剪轮廓线难度不大; 破岩方量与预期 较相符。现场试验结果与云模型评价的结果效果一 致, 说明通过云模型来预测和评价隧道高压气体破 861爆 破 2018年6月 万方数据 岩有效性等级是准确可行的。 图4 隧道高压气体破岩有效性等级评价云滴图 Fig. 4 Cloud droplets figure of effectiveness level evaluation of rock broken with high pressure gas 综上所述可知, 在高压气体膨胀法应用于具体 的隧道工程之前, 可根据隧道高压气体破岩有效性 等级指标体系, 结合隧道围岩实际情况, 选择相应的 孔网参数, 同时加强现场的施工管理, 即可获得较为 理想的破岩效果, 从而节省大量的人力物力, 为高压 气体膨胀法在隧道工程的应用提供指导。 5 结论 (1) 针对隧道高压气体膨胀破岩的特点, 提出 破岩有效性的概念和一种基于云模型理论的隧道高 压气体破岩有效性等级评价方法, 并建立了隧道高 压气体破岩有效性等级云模型。 (2) 根据高压气体在隧道破岩中试验的实际情 况和相关的文献规范, 建立相应的等级评价指标体 系, 并运用云模型对某次隧道实际开挖情况进行分 析, 客观地确定了各项影响因素的数值和权重, 结果 表明, 评价的结果与现场实际情况一致, 验证了云模 型评价方法的准确性与可行性。 图5 隧道高压气体破岩前后对比图 Fig. 5 Contrast figure of before and after rock broken with high pressure gas in tunnel (3) 可根据隧道高压气体破岩有效性等级指标 体系, 结合具体隧道工程的实际情况, 选择较为合理 的孔网参数, 从而达到满意的破岩效果, 为今后类似 隧道工程施工提供了便利和指导。 参考文献(References) [1] 孙伟刚, 王成武, 陈 建.两水隧道软岩铣挖法施工技 术[J].现代隧道技术,2011,48(2) 170-173. 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