东非大裂谷山岭隧道地质灾害评价及风险控制研究对我国“一带一路”工程建设具有重大意义｡东非大裂谷是一个正在活动着的大裂谷,以0.2~2 mm/年的速率扩张,地震活动频繁 ^[1-2]｡ Rostom提出采用 GPS测量其扩张速率 ^[3]｡Philip阐述了东非大裂谷中 Nakuru地区内火山岩广泛分布地貌的形成机理 ^[4]｡Simiyu报道了肯尼亚东非大裂隙的 Olkaria地热区地震监测,从 1996年 5月至 9月期间,平均每 4~5d爆发一次不超过 3级的微震,震源深度不超过 6 km^[5]｡Tuluka报道了 2004年东非大裂谷 Nyamuragira火山爆发,是由长周期地震诱发,同时收到构造运动加强 ^[6]｡Tuluka和 Zana运用小震记录模拟大震作用下地面震动,揭示距裂谷内震中距离为 R的东非大裂谷西部侧翼地区地方的地震加速度峰值 Y与地震等级 M之间的关系,如式(1)^[7-9]｡东非大裂谷除了地震､滑坡等不良工程地质作用,人类生产活动也会形成新的不良工程地质作用｡ Ayalew报道了埃塞俄比亚因为过量抽取地下水形成了长 1 km,深 6~12 m,宽度 1~3m的地裂缝｡

M=5.0 Y=1.42e^1.43M R^-1.1

M=5.0-6.5 Y=1.42e^1.43M R^-1.2 (1)

M=7.0 Y=1.42e^1.43M R^-1.3

M=7.5 Y=1.42e^1.43M R^-1.4

大裂谷扩张､地震和人类活动形成的地裂隙这些不良工程地质作用 ^[10-11],将对大裂谷内的交通隧道形成巨大的安全风险,但是这方面风险研究尚未见报道,有必要针对东非裂谷全球独有的复杂地质条件中,研究其中的隧道地质灾害风险及相应的风险控制措施｡

隧道是地质条件､隧道设计施工､隧道支护结构相结合的一个复杂体系,隧道地质灾害风险安全评价一个复杂的系统性问题｡隧道地质灾害风险安全的影响因素很多,包括地质条件､隧道设计施工情况､隧道地震和动力效应以及隧道结构工作状态等多种,且各指标之间关系是错综复杂^[12]｡国内外学者采用层次分析法和模糊综合评判法研究评价了隧道的地质条件､隧道工程的施工情况以及地质活动本身带来的动力扰动对隧道地质灾害风险的影响规律 ^[13-18]｡可拓物元安全评价方法由我国蔡文教授上世纪 80年代提出 ^[19],可用来分析评价隧道地质灾害风险｡

本文拟系统分析东非大裂谷隧道风险源,建立相应的风险评价体系,运用熵权可拓物元方法建立其地质灾害风险等级评价方法,开发相应的风险安全可视化程序,分析评价东非大裂谷隧道地质灾害风险并提出相应的风险控制措施,可为我国类似重大工程比如川藏铁道风险评价和控制建设提供参考｡

2号隧道位于肯尼亚内罗毕西部 30 km,恩贡镇西北9 km,Lusigetti村西侧5 km,属于东非大裂谷东翼山区｡起讫里程桩号为DIK46+390-DIK47+500,中心里程桩号为DK46+945｡隧址区地形起伏,山体自然坡度较大,最大埋深约46 m｡线路经过的活动断层地段存在岩体较破碎,节理裂隙发育,完整性差和岩体整体强度低,稳定性差等问题｡隧道工程地质条件和横断面见图1和图2｡

图1 隧道纵断面图
Fig.1 Longitudinal section of the tunnel

图2 隧道横断面图
Fig.2 Cross-section of the tunnel

在上述多种风险作用下东非大裂谷隧道容易发生衬砌破损｡根据对隧道结构损坏程度,分为 5个破损等级,分别为 S1,S2,S3,S4和 S5,相应的破损描述见表1｡东非大裂谷隧道地质灾害风险性评价指标体系是其评价模型核心 ^[8]｡根据东非大裂谷隧道地质灾害风险源分析,选取了如下隧道地质活动作用及其动力效应,隧道设计施工情况,隧道结果工作形态等 4类共计 22项评价指标,见图3,相应评价标准见表2,其中表3为断裂活动性分级表｡表2中C6项中h₁为等效荷载高度,2.5 h₁为深埋和浅埋隧道临界深度｡本文针对东非大裂谷全球独有的复杂地质活动,提出了断裂活动性､火山活动情况､不良地质现象,断层倾角和宽度,隧道与断层距离等地质活动指标｡

表1 隧道结构破损等级
Table 1 Damage level of tunnel structure

图3 东非大裂谷隧道地质灾害风险安全评价指标体系
Fig.3 The geological disaster risk safety evaluation index system of the Great Rift Valley Tunnel in East Africa

表2 指标体系评价标准
Table 2 Evaluation criteria of index system

表3 断裂活动性分级表
Table 3 Classification table of fault activity

物元为事物名称､特征和量值组成的有序三元组｡可拓物元方法运用物元来描述事物,通过关联度表分析元素与集合的关系｡该方法适合于多因素分析｡隧道地质灾害风险等级评价物元由有序三元组 S=(R,C,X)构成｡R为隧道地质灾害风险等级,C为隧道地质灾害风险等级评价指标,X为隧道风险评价指标取值｡由 R､C以及等级指标标准范围组成经典域物元 Si和节域物元 Sp,分别见(2.2)和(2.3)｡

S=[RC_iX_i]S_i=[R_iC_i(a_ij,a_ij+1)]S_p= R_iC_i(a_i1,a_im)

式中X=[x₁,x₂,…,x_m],i=1,2,…,m表示评价指标,m=22｡j=1,2,3,4,5表示经典域,分别对应S₁,S₂,S₃,S₄和S₅级｡

考虑地质活动作用,参考经典域物元和节域物元,建立物元隧道地质灾害风险评价矩阵A｡

进而计算评价指标和风险等级的关联度函数K_ij,见式(4)

式中:ρ(X_i,A_ij)=|X_i-0.5(a_ij,a_i,j+1)|-0.5(a_i,j+1-a_ij), ρ(X_i,A_i6)=|X_i-0.5(a_i1,a_i5)|-0.5(a₅-a_i1)

构造指标值矩阵C_ik,其中i=1,…,m个评价指标,k=1,…,n个评审专家,采用熵值法计算第i个指标的权重｡首先将矩阵C_ik均一化得到,见式(5)

然后,计算指标矩阵熵值 H_ik,见式(6)

进而得到指标i的权重ω_i,见式(7)

由指标权重､指标与等级关联度计算得到指标等级综合关联度,见式(8)

最大关联度所对应的风险等级,即为物元东非大裂谷隧道地质灾害风险等级,见式(9)

K=max(K_j)R=index(K) (9)

式中 R={S₁,S₂,S₃,S₄,S₅}={1,2,3,4,5}｡

基于上述建立的隧道风险性评价模型,用计算机语言将以上评价模型程序化,运用 Microsoft Access Database编写可视化风险安全评价程序,程序典型界面包括:

根据东非大裂谷隧道实际状况,取值风险指标,根据 10位专家对指标权重打分,计算得到各指标权重,见表4｡

表4 风险指标取值和指标权重表
Table 4 Risk indicator values and indicator weight table

进而得到风险指标与隧道地质灾害破坏等级的综合关联度为

K=[-2.8538-1.9264-1.4443-1.0095-1.0214]

因此,东非大裂谷隧道地质灾害风险等级为S4级｡这表明东非大裂谷隧道一旦发生地质灾害,则地质灾害对隧道破损较为严重,可能会出现隧道结构破坏,危及行人安全,可能出现贯穿隧道衬砌裂缝｡本文所用方法理论上也能适用于深埋隧道,但是需要进行更深入的研究｡

图4 东非大裂谷隧道地质灾害可视化风险安全评价程序
Fig.4 The visualized risk and safety assessment procedure for geological hazards in the Great Rift Valley tunnel in East Africa

针对隧道地质灾害后果严重,可以从隧道结构设计和施工,以及地质活动监测方面进行风险控制措施｡

(1)针对东非大裂谷隧道地质作用特征,提高抗隧道震设防烈度,进行隧道抗断层､抗震和抵抗火山作用综合研究设计,提高隧道抗滑移和地震共同作用能力,以及提高隧道抵抗火山作用能力｡

(2)严格把控隧道施工质量｡

(3)东非大裂谷地质活动具有持续性和破坏强,因此在隧道营运期,进行东非大裂谷地质活动和隧道安全监测,及时进行隧道地质灾害预警,同时制定隧道地质灾害处置和救援预案｡

本文通过系统分析东非大裂谷隧道风险源和风险评价指标体系,建立了裂谷内隧道地质灾害风险熵权可拓物元方法评价方法,开发了相应的风险安全可视化程序,分析评价了东非大裂谷隧道地质灾害风险并提出相应的风险控制措施,得到以下结论:

(1)东非大裂谷隧道地质灾害主要风险源为活动断层､火山作用和地震作用,其风险指标体系可由 4类 22项风险指标构成｡

(2)裂谷内隧道地质灾害等级为 S4级,地质灾害对隧道破损较为严重,可能会出现隧道结构破坏,危及行人安全,可能出现贯穿隧道衬砌裂缝｡

(3)东非大裂谷内隧道地质风险控制措施包括提高抗隧道震设防烈度,进行隧道抗断层､抗震和抵抗火山作用综合研究设计,严格把控隧道施工质量,进行裂谷地质活动和隧道安全监测,及时进行隧道地质灾害预警,同时制定隧道地质灾害处置和救援预案｡