基于层次分析法的综合超前地质预报及应用

基于层次分析法的综合超前地质预报及应用

李西

重庆市市政设计研究院重庆市400020

摘要：综合超前地质预报是隧道施工中不同预测方法证明不良地质、降低工程风险的有效技术手段，不同预测方法的有效组合是综合超前地质预报的关键。为了避免预测手段的随机组合和效率低下的问题，结合预测项目的实际情况，采用层次分析法和Yaahp软件进行多级组合评价，对各种预测手段在最佳预测方案上的权重进行量化，并合理地进行预测。合理选择出以超前钻探为主，地质雷达、地质分析、TSP为辅的综合预报手段组合。通过城市地铁预测的实际应用，表明该方法在处理复杂多变的地质环境和多种环境影响因素的隧道预测中取得了良好的效果。

关键词：层次分析法；综合超前地质预报；Yaahp软件；判断矩阵；地铁

超前地质预测主要通过地质分析、物探、超前钻探等手段，对隧道开挖前的围岩条件进行检测，以识别不良地质体的性质、位置、规模，有效地指导现场施工。目前，地质勘查、地质雷达、TSP、超前钻井和红外水体勘探是超前地质预报最成熟的手段。不同的预测方法有不同的特点，要根据场地建设和环境条件，选择最佳的综合超前地质预测方法组合，从而避免预测的盲目性。

1层次分析法

层次分析法是L.T.Saaty等人提出的一种定性与定量相结合的多属性决策分析方法。通过比较各相关因素对目标的影响，用数据表示主观判断，确定目标中各因素的权重，通过构造模糊判断矩阵进行多级模糊综合评判决策。

1.1层次结构模型的建立

在层次化模型中，将复杂问题分解为多个元素，并根据元素的不同性质将其分成若干组。层次模型一般分为三类：目标层A、准则层B和指标层。考虑到某地铁超前地质预报方案的选择因素和重要性，确定目标层A为某地铁超前地质预报的最佳方案。预测过程的评价标准层主要考虑检测精度B1、技术可靠性B2和经济合理性B3。根据实际情况，将各指标层次细化为不同的评价指标。

1.2构造判断矩阵

层次结构模型反映了各因素之间的关系，需要确定准则层、指标层和方案层的权重。层次分析法的核心是根据上层目标与下层因素的比较，确定下层要素对上层要素的重要性，即形成多元比较判断矩阵，具体如下：A-Bi判断矩阵形式公式（1）。

当CR＜0.10时，判断矩阵具有满意的一致性，否则需要判断矩阵的比较值，使之通过一致性要求。

2基于Yaahp的层次分析法计算

Yaahp是一款层次分析法辅助软件，主要集成模型构造、计算及分析于一体，对整个决策过程进行监控，利用该软件绘制层次模型非常直观，结合本地区预报的实际情况，拟选择筛选的探测方法为地质分析法、地质雷达、TSP、红外探水及超前钻探，基于此建立评价模型。

根据已建立的模型，利用1-9标度法进行判断比较，分别建立A-B，B1-C、B2-E、B3-F，同理建立Ci-D（i=1-6）、Ei-D（i=1、2）、Fi-D（i=1-3）共计15组判断矩阵。判断矩阵A-B表示对于总目标B1-B33个因素的重要程度；B1-C、B2-E、B3-F。

同理，比较可以得到Ci-D、Ei-D、Fi-D的判断矩阵。根据yaahp软件，自动计算各判断矩阵的特征向量及最大特征值。由此可见，判断矩阵一致性比例CR值均小于01，符合一致性要求。

依据层次分析模型，自下而上对目标层的综合权重进行计算：

探测准确性：WB1=WC·WD1=0.1644

技术可靠性：WB2=WE·WD1=0.1210

经济合理性：WB3=WF·WD1=0.1813

目标权重WA-D1=WA·WB=0.1812

同理，可得到地质雷达D2、TSPD3、红外探水D4、超前钻探D5对目标层的权重。

3综合预报实例

该地铁某线路区间属岩溶槽谷地貌，区间受褶曲及断裂构造影响。第四纪覆盖层较薄，下伏侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系等地层，岩性主要以灰岩、白云岩为主，次为泥质灰岩、泥质白云岩、砂岩、页岩等，节理裂隙较发育，围岩完整性较差。拟建区间地下水类型主要有：上层滞水、第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水，线路穿越市区河道，地下水补给充分。

地质分析法显示该段以灰岩为主，部分地段夹煤层，由于地下水较发育，初步判断存在岩溶及采空区的可能性，遂重点对该段进行超前地质预报。采用瑞典MALA-X3M地质雷达对掌子面里程ZDK31+015进行扫描，经过对数据进行去直流漂移、找直达波、增益（energydecay）、去水平信号、带通滤波（bandpassbutterworth）、滑动平均等步骤的处理，得到地质雷达剖面图。该段振幅较大，物性差别较大；同相轴不连续，且无明显的双曲线特征，说明该段围岩较破碎；频率主要为低频信号，受地下水影响较大，说明预报前方范围内地下水发育，综合分析得出该预报里程ZDK31+016～ZDK31+035围岩较破碎、节理裂隙发育、地下水发育，在ZDK31+030附近该段存在溶洞或采空区的可能。

TSP采用最新TSP203Plus仪器，在隧道掌子面附近边墙一定范围内布置激发孔，通过在孔中人工激发地震波以球面波的形式在隧道围岩中传播，当围岩波阻抗发生变化时，一部分地震波将会被发射回来，另一部分地震波将会继续向前传播。

4结语

本文以某地铁某线路隧道工程为研究对象，在分析该隧道相关工程地质情况及施工条件的基础上，引入层次分析法建立了多层次综合评价模型，给出了超前地质预报最佳方案，通过逐层次评价后再综合评判使得复杂方案决策得到量化。实际应用该超前地质预报组合，达到了较好的预报效果。

（1）引入系统工程学中的层次分析法，利用Yaahp软件建立多层次综合评价模型，根据实际工程情况，建立各指标层的判断矩阵，得到了各层特征向量、最大特征根等数据，并通过了一致性检测。（2）层次分析法将影响决策方案的各影响因素进行多层次分组分析，并赋予各指标因素以权重，通过综合评判计算得到相对预报最佳组合的各方案权重，有效将预报方案进行数学化处理。（3）将层次分析法选择的超前钻探、地质雷达、地质分析及TSP探测组合应用到实际工程地质预报中，取得了良好的实际效果。

参考文献

[1]刘志刚,赵勇.隧道隧洞施工地质技术[M].北京:中国铁道出版社,2001.

[2]李术才,刘斌,孙怀凤,等.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].岩石力学与工程学报,2014(6):1090-1113.