文章编号：1000－7598 (2011) 06－1757－10
基于层次分析法的岩溶隧道突水突泥风险评估
许振浩1，李术才1，李利平1，侯建刚2，隋 斌1，石少帅1
(1. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，济南 250061；2. 中交一公局 桥隧工程有限公司，河北 高碑店 074000)
摘 要：为控制岩溶隧道突水突泥风险，通过统计与理论分析相结合的方法，研究了相关工程实例，并基于层次分析法研究了岩溶隧道突水突泥控制因素与因素权值，提出了岩溶隧道突水突泥风险3阶段评估与控制方法。权值分析结果表明，不良地质、超前地质预报、地层岩性、地下水位是突水突泥风险的主控因素；其次为宏观前兆、监控量测、可溶岩与非可溶岩接触带、地形地貌、开挖支护；最后为微观前兆、岩层产状、层面与层间裂隙、围岩级别。3阶段评估包括初步评估、二次评估与动态评估，其中，初步评估是在施工方案制定前，为估计风险，对孕险环境(岩溶水文地质与工程地质条件)的评估；二次评估是在施工前，为评估施工组织设计合理性，综合考虑孕险环境与致险因子(施工因素)而进行的评估；动态评估是在施工期，为了动态评估与控制风险，综合考虑孕险环境、致险因子与风险控制反馈信息的评估。3阶段评估与控制方法可实时、有效、准确地控制岩溶隧道施工风险，实现风险的动态修正与管理。研究成果在翻坝高速鸡公岭隧道取得了成功应用，对类似工程具有一定的借鉴意义。
关 键 词：层次分析法；岩溶隧道；突水突泥风险；因素权值；三阶段评估 中图分类号：U45；P64 文献标识码：A
Risk assessment of water or mud inrush of karst tunnels
based on analytic hierarchy process
XU Zhen-hao, LI Shu-cai, LI Li-ping, HOU Jian-gang2, SUI Bin1, SHI Shao-shuai1
1
1
1
（1. Research Center of Geotechnical and Structural Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China; 2. Bridge & Tunnel Co., Ltd., China First Highway Engineering Co., Ltd., Gaobeidian, Hebei 074000, China）
Abstract: In order to control the construction risk of karst tunnels, through statistical and theoretical analyses of relevant engineering projects, controlling factors and factors’ weight of water or mud inrush risks of karst tunnels are studied based on analytic hierarchy process; and a three-stage risk assessment and management method is proposed for the evaluation and controlling of construction risk of karst tunnels. Factors’ weight analysis results show that unfavorable geology, geological prediction, formation lithology and groundwater level are the main control ingredients of water or mud inrush risk. Macroscopic geological precursory information, monitoring measurement, contact zones of dissolvable and insoluble rock, geographic and geomorphic conditions, tunnel excavation and supporting are the minor significant factors; microcosmic precursory information, attitude of rock formation, layer and interlayer fissures, surrounding rock mass classification are the least important elements. The three-stage risk assessment method includes preliminary, secondary and dynamic assessment of water or mud inrush risk. Preliminary assessment is the evaluation of risk surroundings (karst hydrogeological and engineering geological conditions), and it is carried out for the estimation of risk before the enactment of the construction program. Secondary assessment is the evaluation of risk surroundings and risk factors (construction factors), and it is actualized for the appraisal of construction organization plan pre construction. Dynamic assessment is the evaluation of risk surroundings, risk factors and feedback information of risk management; and it is brought into operation for dynamic risk assessment and management. The three-stage risk evaluation and controlling process can be instantly, effectively, and accurately used for the management of construction risk of karst tunnels, and to realize dynamically amending and governing of risk. The research results are successfully applied to Jigongling Tunnel on the line of Fanba Expressway; and it is of consultant significance for similar engineerings. Key words: analytic hierarchy process; karst tunnel; risk of water or mud inrush; factors’ weight; three-stage assessment
收稿日期：2010-06-08
基金项目：交通部西部交通建设科技项目资助（No. 2009318000008）；中国博士后科学基金面上资助项目（No. 20090461235）；山东大学研究生自主创新基金资助项目（No. 31410070613049）。 第一作者简介：许振浩，男，1985年生，博士研究生，主要从事岩溶地质、隧道工程灾害预测与控制研究方面的工作。E-mail：issacxuzhenhao@163.com
1758 岩 土 力 学 2011年 1 引 言
我国已建、在建、拟建岩溶隧道(巷道)数量多，分布广，施工过程中极易发生突水突泥灾害，造成重大的经济损失、人员伤亡与工期延误[1–2]。衡广复线大瑶山隧道、广邻高速华蓥山隧道、渝怀铁路圆梁山、武隆隧道、城黔公路通渝隧道、宜万铁路野三关、大支坪、云雾山、马鹿箐、齐岳山隧道，沪蓉西高速龙潭、齐岳山隧道等隧道施工过程中，均多次发生突水突泥事故，损失惨重，突水突泥风险评估与控制已逐渐成为岩溶隧道施工的关键技术问题之一。基于断裂、损伤、固流耦合等理论研究与数值模拟，煤矿与隧道突水研究成果丰富[3–7]，但实际应用到施工风险控制中还有一定距离。在工程风险管理与控制研究方面，国外起步较早[8]，已在塌方等施工风险控制中取得了成功应用，国际隧道与地下空间协会发布了隧道风险管理指南[9]，对于施工风险控制具有重要的指导意义。国内也开展了大量风险理论引进和研究[10–14]，在隧道塌方[15–16]、过江隧道突涌水与塌方[17]、海底隧道突水[18]、煤矿突水[19–20]等方面取得了应用，编写了地铁及地下工程建设风险管理指南[21]。山东大学较早开展了高风险岩溶隧道的突水突泥机制与风险评估研究，并建立了突水突泥风险定量评估方法和灾害四色预警机 制[22]，但未对突水突泥风险影响因素权值进行深入分析，也未考虑到施工因素对突水突泥风险的影响，未能建立施工风险动态评估与控制机制。本文基于层次分析法，深入研究了突水突泥风险因素权值，并提出了突水突泥风险3阶段动态评估与控制方 法[23–24]。3阶段评估方法是一种易于现场开展，切实有效的岩溶隧道突水突泥灾害控制方法，有利于减少施工中突水、突泥（涌砂）等灾害造成的人身伤亡与经济损失。
ωi=ωi∑ωj
j=1
n
(i=1,2,⋅⋅⋅,n) （2）
λmax
⎛n⎞
=⎜∑((Aω)i/ωi)⎟n （3） ⎝i=1⎠
n1
CR={(λmax−n)/(n−1)}/RI （4）
ω=∑ωiKψ (j=1,2,L,n2) （5） ji
i=1
Lj
⎛nKL⎞⎛nKL⎞
CR=⎜∑ωiCIK⎟⎜∑ωiRIK⎟ （6）
⎝i=1⎠⎝i=1⎠
L
1
1
i
i
式中：ωiK为上层（K层）的n1个因素Ki的因素总排序权向量；ψji为下层（L层）的n2个因素Lj对应于Ki的权值（当Lj与Ki无关时，ψji= 0）；ωLj为
LL
下层（L层）因素总排序权向量；CIK、RIK分别
i
i
为L层与Ki对应的判断矩阵的一般一致性指标和随机一致性指标；CRL为L层因素总排序随机一致性比率。
为反映判断矩阵客观性，通过统计与理论分析相结合的方法，研究了相关工程实例，分析了突水突泥的孕险环境与致险因子，遴选出突水突泥的主要影响因素，层次结构模型见图1。通过因素权值分析，研究了因素间的相互关系及对突水突泥的影响程度。
2 因素权值分析原理
岩溶隧道突水突泥风险因素权值分析与风险评估分级基于层次分析法，分3个阶段进行，采用Saaty教授等建议的1～9标度方法构造判断矩阵Pn×n，通过式(1)～(4)分别计算因素权向量ω、最大特征值λmax、随机一致性比率CR。采用式(5)、(6)计算因素总排序权值与对应的随机一致性比率，其中，n为3～10时随机一致性比率RI取值分别为0.58，0.90，1.12，1.24，1.32，1.41，1.45，1.49。
⎛n⎞ωi=⎜∏pij⎟
⎝j=1⎠
1n
图1 岩溶隧道突水突泥风险因素权值分析层次结构模型 Fig.1 Hierarchical model of factors’ weight analysis of
water or mud inrush risk of karst tunnels
(i=1,2,⋅⋅⋅,n) （1）
第6期 许振浩等：基于层次分析法的溶岩隧道突水突泥风险评估 1759
初步评估是在施工方案制定前，为估计突水突泥风险，对孕险环境(岩溶水文地质与工程地质条件)的评估，主要影响因素为不良地质、地层岩性、地下水位、可溶岩与非可溶岩接触带、地形地貌、岩层产状、层面与层间裂隙、围岩级别。
二次评估是在施工前，为评估施工组织设计合理性，综合考虑孕险环境与致险因子(施工因素)而进行的评估，主要影响因素为岩溶水位地质与工程地质条件、施工因素两方面，其中，施工因素又包括超前地质预报、监控量测、开挖支护3方面因素，且分别从方案、人员、设备、管理4方面进行细化评估。
动态评估是在施工期，为了动态评估与控制突水突泥风险，综合考虑孕险环境、致险因子与风险反馈信息的评估，主要影响因素为岩溶水文地质与工程地质条件、施工因素、监控量测动态反馈信息；其中，监控量测动态反馈信息包括宏观前兆、微观前兆两方面因素，且从应力、位移及其他微观前兆三方面评估微观前兆信息。
与管理的动态反馈，是风险动态修正的重要因素。岩溶水文地质与工程地质条件在二次评估中权值为
66.7%，其次为施工因素33.3%。动态评估中，由于信息动态反馈的作用，孕险环境权值降低8.5%，施工因素权重降低2.4%，其中超前地质预报动态反馈信息权重反映到孕险环境权值修正值中，监控量测动态反馈信息权重为11.0%。
3.1 岩溶水文地质与工程地质条件(B1)
3.1.1 不良地质(C1)
隧道施工中所遭遇的大中型突水突泥都与暗河、充水充泥溶腔、含导水断层、岩溶管道等不良地质有关。如表1所列，按致灾性强弱，不良地质可分为4个水平分级。
表1 不良地质水平分级表
Table 1 Grade division of unfavorable geology
水平分级强致灾性
定义
隧道附近底板上方有大型含导水构造，或隧道附近底板下方有大型承压含导水构造
隧道附近底板上方有中型含导水构造，或隧道附近底板下方有中型承压含导水构造
隧道附近底板上方有小型含导水构造，或隧道附近底板下方有小型承压含导水构造
隧道附近不存在可致突水的不良地质现象
中等致灾性
3 影响因素与权值分析
突水突泥风险3阶段评估中，初步评估是对孕险环境内潜在风险概率与损失的评估，可为制定有针对性的施工方案提供依据。二次评估综合了地质与力学、施工两方面的因素，是判断施工组织设计合理性的理论依据。动态评估反映了孕险环境、致险因子、风险控制反馈信息在风险分级中的作用，是信息化施工与风险控制的重要措施。
二次与动态评估B层因素判断矩阵为
弱致灾性无
3.1.2 地层岩性（C2）
不同的可溶岩与非可溶岩岩石一般是在不同的地质历史时期，不同的地质环境下形成的，具有不同的矿物成分、结构特征等，可溶性、透水性等亦不相同，可通过岩溶发育“4项基本条件”组合以及构造等地质作用改造产生岩溶介质分异，形成不同的岩溶个体形态与含水介质结构，如表2所 列，按岩溶发育程度地层岩性可分为4个水平分级。
表2 地层岩性水平分级表
Table 2 Grade division of formation lithology
水平分级
定义
①厚层-中厚层质纯灰岩或古老的硅质胶结白云岩具有稀疏而宽大的原生裂隙，透水性强，是地下水运动的主要通道，易形成规模巨大的洞穴系统；②炭质和沥青质灰岩常含有较多黄铁矿、H2S等还原物质，易氧化产生硫酸等，具有“双倍侵蚀性”，岩溶分异正反馈启动阈值低
⎡12⎤
PA2nd-B=⎢⎥ （7） 121/⎣⎦
ωA2nd-B = [0.667，0.333]，满足一致性条件；
⎡125⎤
PA3rd-B=⎢1/213⎥ （8）
⎢⎥⎢⎣1/51/31⎥⎦单因素权向量ωA3rd-B = [0.582，0.309，0.110]，
λmax = 3.004，CI = 0.002，CR = 0.004<0.1，满足一
致性条件。
岩溶水文地质与工程地质条件是突水突泥风险的物质基础与孕险条件，是突水突泥风险的决定性因素。施工因素是风险的诱导因子，对于超前地质预报、监控量测、开挖支护而言，若方案、人员、设备、管理等因素组织合理，则可明显减低风险水平，若组织不合理，则会直接导致风险事故的发生。超前地质预报与监控量测反馈信息是工程风险控制
强岩溶层
①大理岩一般具有镶嵌结构特征，岩性及岩溶发育特征
常介于灰岩与白云岩之间，内部发育各种构造裂隙与溶
中等岩溶层蚀裂隙网络，但岩溶发育正反馈作用强烈时，也可发育
或 成大型岩溶管道系统；②薄层灰岩、泥质灰岩裂隙网络弱岩溶层 常被泥质充填，不易形成大型岩溶洞穴系统；③白云岩
在溶蚀过程中裂隙网络易被白云岩粉及次生方解石脉充填，但孔隙率较高 非可溶岩
非可溶岩在碳酸岩地区一般可认为是可靠的相对隔水层与非岩溶层
1760 岩 土 力 学 2011年
3.1.3 地下水位(C3)
地下水是岩溶突水的物质基础，也是决定性因素之一。岩溶地区地下水处于不同水动力分带时，具有不同的致灾特性；季节变化带与浅饱水带岩溶发育，地下水活跃，地下水以孔隙水、裂隙水、岩溶水3种形式存在，具有较强的致灾能力；深饱水带一般也是深部缓循环带，由于地下水活动强度降低，存在形式以孔隙水和裂隙水形式为主，但地下水位较高，若揭露含水裂隙或小型充水充泥溶洞也会造成突水突泥。
综合考虑，如表3所列，以地下水位与隧道底板间的高差h作为决定突水危害程度的因素。
表3 地下水位水平分级表
Table 3 Grade division of groundwater table
水平分级 h ≥ 60 m
定义
若揭露岩溶水，则瞬时突水量大且速度快，常造成重大的人员伤亡与财产损失
状影响地下水补、径、排、入渗条件，及地下水动力学与岩溶发生学条件。水平产出岩层入渗条件 差，岩溶发育受到抑制；直立产出岩层，地表汇水面积小，岩溶分异反馈环中，水循环较弱，岩溶发育程度亦较弱。最有利于岩溶发育的岩层产状是倾角为25°～65°的向斜或背斜翼部。
表4 地形地貌水平分级表
Table 4 Grade division of topography and landform
水平分级 大型负地形
定义
汇水能力强，地下岩溶系统中地下水常具有大水量、 高压力的特点、且岩溶发育正反馈强烈，岩溶强发育
中等负地形汇水能力次之，岩溶发育程度一般也次之 小型负地形汇水能力差，地下岩溶发育程度一般也较差 无负地形
地下水活跃强度低，一般而言，突水突泥致灾能力很弱
3.1.7 层面与层间裂隙（C7）
层面与层间裂隙发育程度影响地下水活跃程度与径流条件，也会从地下水动力学与溶蚀动力学方面造成岩溶发育形态与程度分异。
一般而言，层面与层间裂隙十分发育部位地下水活跃，岩溶发育；在裂隙发育的中厚层、厚层与巨厚层灰岩内，常发育各种不同大小溶洞，岩溶发育程度高；隧道穿过此类地层易于产生塌方、突水突泥等事故。然而，在裂隙发育的薄层灰岩内部，由于岩体自承能力偏低，不易形成大型洞穴系统，仅易形成强富水带，且岩体内常发育零星分布的充填型溶洞，两侧常发育大型洞穴系统。
层面与层间裂隙弱发育或不发育地层内，除局部发育大型洞穴系统以外，多数地段岩溶发育程度低。
30 m ≤ h < 60 m 中等致灾性
岩溶充填物渗透失稳或整体挤出过程时间长，致灾
0 m ≤ h < 30 m
能力弱
h < 0 m
无突水突泥风险
由于地下水位并非固定不变，实际评估过程中，还应综合考虑降雨强度，地下水补、径、排与入渗条件、源汇关系等因素。
3.1.4 可溶岩与非可溶岩接触带（C4）
赋存于地质环境中的可溶岩是一个孔隙、裂隙与管道的3重介质系统，空隙率大，地下水活跃，岩溶发育；非可溶岩则是一个孔隙与裂隙的双重介质系统，地下水活跃程度远不如可溶岩内。特别是页岩等非可溶岩，隔水性强，若与可溶岩接触，常可视为可靠的隔水岩层。接触带内存在来自非可溶岩地层的外源水补给可溶岩内地下水时，还会对可溶岩造成混合侵蚀作用。因此，沿可溶岩与非可溶岩接触带，常在可溶岩内形成巨大的洞穴系统。 3.1.5 地形地貌（C5）
地形地貌等地表岩溶形态是地下岩溶形态的重要反映，洼地、漏斗、落水洞、槽谷等都是地下岩溶系统的输入点，输入水量与各输入点的地表汇水面积有关，大型地下水输入点，如洼地、地下河入口的地下延伸一般是地下河支流的河道。根据地表岩溶形态，可以推测地下各级支流河道的位置，地形地貌水平分级如表4所列。 3.1.6 岩层产状（C6）
地下岩层渗透性质具有各项异性特征，地下水沿层面渗透系数大，垂直层面渗透系数小。岩层产
3.1.8 围岩级别（C8）
围岩力学性质是突水突泥是否发生的一个重要因素。围岩完整性好、强度高、无不利结构面则抗变形能力强，施工扰动变形量小，在施作超前地质预报与监控量测等措施情况下，一般不易发生突水突泥等灾害。围岩完整性差、强度低、不利结构面发育则抗变形能力弱，施工扰动变形量大，特别是断层破碎带、充填型溶腔等软弱带（体）在地下水作用下，常产生渗透失稳或整体挤出破坏，施工稍有不当，即可造成突水突泥等灾害。
基于工程实例统计与理论分析，构造岩溶水文地质与工程地质条件各因素判断矩阵为
第6期 许振浩等：基于层次分析法的溶岩隧道突水突泥风险评估 1761
PB1-C
⎡1⎢1/2⎢⎢1/2⎢1/4=⎢⎢1/4⎢⎢1/6⎢1/7⎢⎢1/7⎣
2
111/21/21/31/41/42446122312231/21121/21121/31/21/211/41/31/31/21/41/31/31/274433211
7⎤4⎥⎥4⎥⎥3⎥
（9） 3⎥⎥2⎥1⎥⎥1⎦⎥
权向量ωC9-D = [0.587，0.218，0.123，0.072]，λmax =
4.020，CI = 0.007，CR = 0.007<0.1，满足一致性条件。
PC10-D
24⎡1
⎢1/212= ⎢
⎢1/41/21⎢
⎣1/61/31/26⎤3⎥⎥ （12） 2⎥⎥1⎦
权向量ωB1-C = [0.330，0.171，0.171，0.098，
权向量ωC10-D = [0.520，0.260，0.140，0.081]，λmax =
0.098，0.059，0.037，0.037]，λmax = 8.076，CI = 0.011，
4.010，CI = 0.003，CR = 0.004<0.1，满足一致性条件。
⎡1572⎤
⎢1/5121/3⎥
⎥ （13） =⎢
⎢1/71/211/5⎥⎢⎥⎣1/2351⎦
CR = 0.008<0.1，满足一致性条件。
不良地质、地层岩性、地下水位对突水的影响最大，权重之和占全部因素的67.1%，其次为可溶岩与非可溶岩接触带，及地形地貌，权重之和占全部因素的19.6%，最后为岩层产状、层面与层间裂隙、及围岩级别，权重之和占全部因素的13.3%。 3.2 施工因素（B2）
施工因素是突水突泥风险的致险因子，是导致工程风险发生的直接因素，主要包括超前地质预报、监控量测、开挖支护3方面，涵盖预报、监测与开挖支护方案、人员、设备、管理等。
未施作超前地质预报与监控量测，或预报与监测方案不合理、数据解译人水平低、数据分析结论准确度低、设备不能满足施工要求，管理混乱，未能充分发挥预报与监测作用等导致施工人员对地质认识不清，采用了错误的施工方案而造成工程事故；或由于开挖支护方案与工法不适于隧道施工地质情况，人员技术熟练程度低，设备陈旧，欠缺有效的施工组织管理，支护不及时、强度不够等而产生塌方、掉快、涌泥等风险事故；这些均是风险事故的致险因子。
施工风险评估中，超前地质预报、监控量测、开挖支护均从方案、人员、设备与管理四方面建立层次结构模型，并建立“极不合理、不合理、基本合理、合理”4个水平分级进行分析，通过理论分析与 实例统计研究，得到了如式(10)～(13)判断矩阵：
PC11-D
权向量ωC11-D = [0.526，0.110，0.063，0.301]，λmax =
4.020，CI = 0.007，CR = 0.007<0.1，满足一致性条件。
超前地质预报在施工因素中所占权重最大，为
64.8%，其次为监控量测，所占权重为23.0%，最后为开挖支护，所占权重为12.2%。权值分析与工程实例统计研究均表明，合理的方案是防突水突泥的关键，所占权重均在50%以上。人员技术水平高低与熟练程度也直接影响防突水突泥效果，所占权重均在20%以上。设备优劣程度的防突水突泥作用有限，分别占总权重的12.3%，14.0%，6.3%。相对于超前地质预报与监控量测而言，项目管理在开挖支护方面的作用更大，管理水平高低所占权重高达
30.1%，是管理在超前地质预报与监控量测中所占权重的3倍以上。
3.3 监控量测动态反馈信息(B3)
监控量测是隧道施工中对围岩、地表、支护结构的变形、稳定状态和对工程与水文地质条件等周边环境动态进行的经常性观察与量测工作[23]，是施工工艺流程中的一道重要工序，能够动态反映隧道围岩与支护的变形、应力等动态信息，可为施工方案优化、变更设计等提供指导，也可为突水突泥灾害防治提供重要的前兆信息，是隧道信息化施工与灾害控制的重要信息。监控量测动态反馈信息包括宏观前兆与微观前兆。
宏观前兆包括不良地质临近前兆与突水突泥灾变前兆，不良地质临近前兆还同时从属于不良地质动态修正。临近大型溶洞与暗河时，常小溶洞、铁锈染裂隙与夹泥裂隙频频出现，隧道内空气潮 湿、阴冷刺骨，雾气严重，岩面潮湿、有水滴附着，
PB2-C
⎡135⎤
=⎢1/312⎥ （10） ⎢⎥⎢⎣1/51/21⎥⎦
权向量ωB2-C = [0.648，0.230，0.122]，λmax = 3.044，
CI = 0.002，CR = 0.003<0.1，满足一致性条件。
⎡1⎢1/3=⎢⎢1/5⎢⎣1/7
357⎤123⎥
⎥ （11）
1/212⎥
⎥
1/31/21⎦
PC9-D
1762 岩 土 力 学 2011年
钻孔喷水；暗河附近岩溶裂隙与溶洞中，常含有河沙、磨圆度好的砾石等充填物。临近断层破碎带时，节理裂隙与小型褶皱（特别是牵引褶皱）发育，岩体强度大幅降低，局部可见断层擦痕、镜面、阶步、复等。揭露高压、富水岩溶充填物或断层破碎带时，常伴有钻孔喷水时清时浊、水量与压力时大时小的现象。突水突泥灾变前兆包括衬砌与围岩裂缝、渗（喷）水冒泥、岩溶充填物发生管涌与流土形式渗透变形，或沿岩溶管道壁整体挤出等肉眼可见信息。
微观前兆包括应力、位移，及温度、微震等其他突水突泥前兆，通过分析位移、应力等变化的时程曲线、速率曲线、加速度(2阶导数曲线)，可实时掌控围岩变形动态，为开挖支护与突水突泥防治提供指导。但实际工程中，微观前兆常具有难于捕捉、监测成本高的特点，其作用与重要性相比宏观前兆而言，通常更小，对突水突泥风险分级的影响较小，判断矩阵为式（14）、式（15）：
断层泥、角砾岩、糜棱岩、透镜体、地层缺失或重
0.098，0.098，0.059，0.037，0.037]，一致性检验
与权值分析详见3.1.8所述，权值由大到小依次为ωC1 > ωC2 = ωC3 > ωC4 = ωC5 > ωC6 > ωC7 = ωC8。
0.360.240.120.00权值C1C2C3C4C5C6C7C8
因素
图2 初步评估模型因素权重柱状图
Fig.2 Factors’ weight histogram of the preliminary
assessment model
4.2 二次评估因素总排序与权值分析
4.2.1 C层因素总排序
二次评估C层因素为C1～C11，如图3所示，总排序权向量ωA2nd-C = [0.220，0.114，0.114，0.065，
0.065，0.039，0.025，0.025，0.216，0.077，0.041]，且CI = 0.008，RI = 0.940，CR = 0.008 > 0.1，满足一致性条件。
0.24
0.160.080.00
⎡12⎤PB3-C=⎢⎥ （14） 1/21⎣⎦
权向量ωB3-C = [0.667，0.333]，满足完全一致性条件。
⎡11/22⎤
⎥PC13-D=⎢⎢214⎥ （15）
⎢⎣1/21/41⎥⎦权向量ωC13-D = [0.286，0.571，0.143]，λmax = 3.002，
权值C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11
因素
CI = 0.000 1，CR = 0.000 2<0.1，满足一致性条件。
宏观前兆所占权重高达66.7%，应力、位移与其他微观前兆仅占33.3%。微观前兆方面，以位移监控较为方便有效，权值较高，占总权重的57.1%，其次为应力前兆28.6%，最后为其他微观前兆信息
4.2.2 最底层因素总排序
图3 二次评估模型因素权重柱状图(C层) Fig.3 Factors’ weight histogram of the secondary
assessment model (layer C)
二次评估最底层因素是指C1～C8与D1～
D12，如图4所示，总排序权向量ωA2nd-C+D = [0.220，0.114，0.114，0.065，0.065，0.039，0.025，0.025，0.127，0.047，0.026，0.016，0.040，0.020，0.011，0.006，0.021，0.004，0.003，0.012]，且CI = 0.002，
14.3%。
4 因素总排序与权值分析
二次评估与动态评估层次结构模型中，超前地
质预报、监控量测、开挖支护与微观前兆信息的层次结构相对于其他C层因素而言，更为细化，而其
因素与其他的C层因素又具有可比性；下层（D层）
因此，二次评估与动态评估模型中，因素权值分析分两层进行，分别为针对C层的因素权值分析，以及针对C9～C11与C13的D层细化因素与其他C层因素的权值分析。
4.1 初步评估因素总排序与权值分析
对于初步评估而言，C层即为最底层，如图2所示，总排序权向量ωA1st-C = [0.330，0.171，0.171，
RI = 0.300，CR = 0.007<0.1，满足一致性条件。 4.2.3 权值分析
C层因素权值由大到小依次为ωC1 > ωC9 > ωC2 = ωC3 > ωC10 > ωC4 = ωC5 > ωC11 > ωC6 > ωC7 = ωC8。不良地质、超前地质预报、地层岩性、地下水位对突水突泥风险的影响最大，权重之和高达66.3%，其次为监控量测、可溶岩与非可溶岩接触带、地形地貌、开挖支护，权重之和为24.8%，最后为岩层产状、层面与层间裂隙及围岩级别，三者之和占权重8.9%。
最底层因素权值由大到小依次为：ωC1 > ωD1 >
ωC2 = ωC3 > ωC4 = ωC5 > ωD2 > ωD5 > ωC6 > ωD3 > ωC7 =
第6期 许振浩等：基于层次分析法的溶岩隧道突水突泥风险评估 1763
0.240.160.080.00
C1
C2
C3
C4
C5 C6
C7
C8
D1
D2因素
D3
D4
D5
D6
D7
D8
D9
D10D11D12
权 值
图4 二次评估模型因素权重柱状图(最底层)
Fig.4 Factors’ weight histogram of the secondary assessment model (the bottom layer)
ωC8 ωD9 > ωD6 > ωD4 > ωD12 > ωD7 > ωD8 > ωD10 > ωD11。不良地质、超前地质预报方案、地层岩性、地下水位对突水突泥风险的影响最大，权重之和高达
ωA3rd-C+D = [0.192，0.099，0.099，0.057，0.057，0.034，0.022，0.022，0.117，0.044，0.025，0.014，0.037，0.018，0.010，0.006，0.020，0.004，0.002，0.011，0.073，0.011，0.021，0.005]，且CI = 0.018，RI = 0.300，
57.5%，其次为可溶岩与非可溶岩接触带、地形地貌、超前地质预报人员、监控量测方案，权重之和为
CR = 0.006<0.1，满足一致性条件。 4.3.3 权值分析
21.7%，最后为岩层产状、超前地质预报设备、层面与层间裂隙、围岩级别、开挖支护方案、监控量测人员、超前地质预报管理、开挖支护管理、监控量测设备、监控量测管理、开挖支护人员、开挖支护设备，仅占全部因素权重的20.8%。 4.3 动态评估因素总排序与权值分析
C层因素权值由大到小依次为：ωC9 > ωC1 > ωC2 =
ωC3 > ωC12 > ωC10 > ωC4 = ωC5 > ωC11 > ωC13 > ωC6 > ωC7 = ωC8。超前地质预报、不良地质、地层岩性、地下水位对突水突泥风险的影响最大，权重之和高达
58.9%，其次为宏观前兆、监控量测、可溶岩与非可溶岩接触带、地形地貌、开挖支护，权重之和为
4.3.1 C层因素总排序
动态评估C层因素为C1～C13如图5所示，总排序权向量ωA3rd-C = [0.192，0.099，0.099，0.057，
29.6%，最后为微观前兆、岩层产状、层面与层间裂隙、及围岩级别，占权11.5%。
最底层因素权值由大到小依次为：ωC1 > ωD1 >
0.057，0.034，0.022，0.022，0.200，0.071，0.038，0.073，0.037]，且CI = 0.007，RI = 1.000，CR = 0.007 < 0.1，满足一致性条件。
0.24
0.160.080.00
ωC2 = ωC3 > ωC12 > ωC4 = ωC5 > ωD2 > ωD5 > ωC6 > ωD3 > ωC7 = ωC8 > ωD14 > ωD9 > ωD6 > ωD4 > ωD12 = ωD13 > ωD7 > ωD8 > ωD15 > ωD10 > ωD11。不良地质、超前地质预 报方案、地层岩性、地下水位对突水突泥风险的影响最大，权重之和高达50.8%，其次为宏观前兆、
权值 C1 C2 C3 C4 C5 C6C7 C8 C9 C10 C11C12C13
因素
可溶岩与非可溶岩接触带、地形地貌、超前地质预
报人员、监控量测方案，权重之和为26.7%，最后为岩层产状、超前地质预报设备、层面与层间裂隙、围岩级别、微观位移前兆、开挖支护方案、监控量测人员、超前地质预报管理、开挖支护管理、微观应力前兆、监控量测设备、监控量测管理、其他微观前兆、开挖支护人员、开挖支护设备，占权
图5 动态评估模型因素权重柱状图(C层)
Fig.5 Factors’ weight histogram of the dynamic
assessment model (layer C)
4.3.2 最底层因素总排序
动态评估最底层因素是指C1～C8、D1～D12、
C12与D13～D15，如图6所示，总排序权向量为
0.210.140.070.00
C1 C2 C3 C4
C5 C6 C7 C8 D1
D2
D3
权值 22.5%。
D4D5因素
D6D7D8D9D10D11 D12 C12D13D14D15
图6 动态评估模型因素权重柱状图(最底层)
Fig.6 Factors’ weight histogram of the dynamic assessment model (the bottom layer)
1764 岩 土 力 学 2011年
5 3阶段突水突泥风险分级
如式（16），风险分级通过专家评分与因素权重之积求和而得，评分向量形式见式（17）。风险概率等级、损失等级、风险矩阵与专家评分见表5～8。
F=[f1 f2 Lfi Lfn] （16）
一个反映数据可靠性与客观性的概率信息，如某专家评分结论为I:S = 89，信心指数为7.8，则认为发生I级风险事故（S = 89）的概率为78%。最后将专家群中各专家所给出的概率分布进行叠加，可得风险事故级别与概率分布。
表8 专家评分表 Table 8 Expert scoring
因素 不良地质 地层岩性 地下水位h/m可溶岩与非可
溶岩接触带 地形地貌 岩层产状 ϕ/(º) 层面与层间裂隙 围岩级别 超前地质预报监控量测 开挖支护 宏观前兆 微观前兆
分值
80≤S≤100强致灾性 强岩溶层
50≤S <80 中等致灾性 中等岩溶层
20≤S <50 弱致灾性 弱岩溶层
0≤S<20 无 非岩溶层
S=F⋅ω （17）
且对于超前地质预报、监控量测、开挖支护、微观前兆而言，可按C层或最底层因素两种方式加权评估分级。
需要注意的是，风险是概率与损失的组合，评分时，需综合考虑概率（可能性）与损失（严重程度）两方面因素进行。如某因素不可能导致特大型、大型、中型突水突泥，但会频繁导致小型突水突泥，则评分为III︰20 ≤ S< 50。另一因素可能导致灾难性的特大型突水突泥，则评分为I:80≤S≤100，即应参考表5～8，同时考虑概率与损失两方面因素进行评分。
此外，由于专家之间存在很大的差异，专家的信心也存在很大的差异，引入“信心指数法“处理不同专家之间评分的区别
[24]
≥60 30～60 0～30 <0
强有利于
岩溶发育 大型负地形25～65 强有利于 岩溶发育 极不合理 极不合理 极不合理 强烈 强烈
中等有利于 岩溶发育 弱有利于 岩溶发育 不利于 岩溶发育 无负地形
中型负地形 小型负地形 10～25或 65～80 中等有利于 岩溶发育 不合理 不合理 不合理 中等 中等
80～90 0～10 弱有利于 岩溶发育 基本合理 基本合理 基本合理 弱 弱
不利于 岩溶发育 合理 合理 合理 无 无
V、VI IV III I、II
。信心指数是指各专家基
于其评分的信心程度，所给出的介于[0，10]之间的
表5 风险概率等级
Table 5 Grade standard of risk probability
描述及概率 事故描述 概率区间 P / %
概率等级
A B C D 频繁
可能发生
偶尔发生
不可能
6 工程应用
翻坝高速位于湖北省宜昌市，穿越“两坝一峡”，是为缓解长江航运翻坝运输压力的三峡工程重点配套项目。鸡公岭隧道是全线控制性工程之一，左洞长4 505 m，右线长4 540 m，最大埋深约为338 m，属深埋特长隧道。隧道穿越石龙洞组强岩溶含水层与覃家庙组弱～中等岩溶含水层，地下水丰富，岩溶十分发育，进口段石龙洞组地下水位高于隧道底板约150～200 m，施工中极易发生大型突水、突泥、塌方等地质灾害。
隧道出口端ZK21+940～ZK20+500、YK21+
≥10 1～10 0.1～1 < 0.1
表6 风险损失等级
Table 6 Grade standard of risk loss
损失 等级 1 2 3 4
灾难性 非常严重 严重 需考虑
灾害损失
描述
死亡人数/人
直接经济损失/万元
特大型突水突泥灾害 [30,∞) [1000,∞)大型突水突泥灾害 [10,30) [500,1 000)中型突水突泥灾害 [3,10) [100,500)小型突水突泥灾害 [0,3) [0,100)
880～YK20+500走向约为126°，位于地表汇水区下方，寒武系石龙洞组白云质灰岩、灰岩与覃家庙组白云岩夹页岩接触带内；隧道轴线附近存在多组物探低阻异常区，且勘探推测有导水断层穿过隧道；该段从出口向进口方向，地下水位不断升高（0～
表7 风险矩阵 Table 7 Risk matrix
发生概率
风险值S
灾难性
非常严重
严重
需考虑
50 m）；岩层产状为(130°～150°)∠(10°～16°)，地表岩溶发育，燕子洞出露于三涧溪上游石龙洞组与上覆覃家庙组接触带内，洞口由下而上发育，雨季水流翻卷而出，洞口下方沉积大量粒径为2～10 mm的砾石、磨圆度好；燕子洞、玉泉沟一带雨季中
A: ≥10 I: 80～100 I: 80～100 II: 50～80 III: 20～50p/%
B: 1～10 I: 80～100 II: 50～80 II: 50～80 III: 20～50C: 1～1 I: 80～100 II: 50～80 III: 20～50 IV: 0～20D: <0.1
II: 50～80 III: 20～50 III: 20～50 IV: 0～20
第6期 许振浩等：基于层次分析法的溶岩隧道突水突泥风险评估 1765
雨后1 d，实测流量为100～200 L/s。岩体内节理裂隙弱发育，完整性较好，围岩级别为IV级；专家评分向量F=[9390678883156088]，代入 式（8）可得S = 80.66，有发生特大型突水突泥灾害风险，风险等级为I级。
施工前，对设计方案进行了二次评估，在技术可行与经济合理的条件下尽量降低风险等级，降低到II~IV级以后施工。施工过程中，结合超前地质预报与监控量测反馈信息进行动态评估，优化施工组织设计。视地质情况不同，单次动态评估长度取20~100 m；特别危险地段，每循环均需评估许可后施工。二次与动态评估后，采用正台阶法开挖，局部选用中隔壁法，支护方案见表9，局部用超前锚杆辅助施工。超前地质预报采用“TSP+超前钻探+红外探水(或地质雷达)”综合预报方法，局部补充瞬变电磁地下水探测，监控量测依据地质条件，必做与选做项目相结合施作。
表9 支护方案表
Table 9 Support program table
里程
二次评估 (设计方案)
动态评估 (实际方案)
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7 结 论
（1）基于统计与层次分析法，研究了突水突泥
影响因素与因素权值。结果表明，突水突泥的主控因素是不良地质、超前地质预报、地层岩性、地下水位。其次为宏观前兆、监控量测、可溶岩与非可溶岩接触带、地形地貌、开挖支护；最后为微观前兆、岩层产状、层面与层间裂隙、围岩级别。 （2）提出了突水突泥3阶段评估方法，可为岩溶隧道突水突泥风险评估、方案设计与施工组织设计提供理论依据，可实时、有效、准确地控制岩溶隧道施工风险，实现风险的动态修正与管理。 （3）在三峡翻坝高速鸡公岭隧道，成功应用了权值分析成果与3阶段评估方法动态控制与管理施工风险，优化了施工组织设计，节约了成本，避免了突水突泥灾害，确保了安全、快速施工。
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