山嶺隧道新奧法施工過(guò)程動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

劉 靖，艾智勇，蘇 輝

（1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064；2.河北省保定市交通局，河北保定071051；3.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092）

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)尤其是交通網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，隧道工程也得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，并且規(guī)模也也來(lái)越大.但是，隧道工程作為地下工程的一部分，其地質(zhì)狀況的不確定性以及施工技術(shù)的復(fù)雜性決定了施工過(guò)程的巨大風(fēng)險(xiǎn)性，而安全事故的經(jīng)常發(fā)生會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)造成很大的損失.因此，如何針對(duì)隧道工程的特點(diǎn)，建立及時(shí)、有效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，確保施工安全就成為亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題.

目前，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)隧道工程中的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行了研究.Einstein等［1－2］較早地將風(fēng)險(xiǎn)理論應(yīng)用于隧道工程，并針對(duì)隧道開(kāi)挖的風(fēng)險(xiǎn)分析理念進(jìn)行具體分析.Sturk等［3］在斯德哥爾摩環(huán)形公路隧道工程中應(yīng)用了風(fēng)險(xiǎn)決策理論.此外，Kampmann等［4］、You等［5］也對(duì)隧道工程風(fēng)險(xiǎn)分析理論進(jìn)行了深入研究.李永盛等［6］對(duì)崇明越江隧道工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施.黃宏偉［7］、陳龍等［8］對(duì)于隧道和地下工程的風(fēng)險(xiǎn)分析進(jìn)行了系統(tǒng)介紹.陳潔金等［9］則采用層次分析法（AHP）對(duì)隧道工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估.

總的來(lái)說(shuō)，目前對(duì)于隧道工程的風(fēng)險(xiǎn)分析還停留在靜態(tài)分析階段，對(duì)于施工過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)變化無(wú)法做出及時(shí)評(píng)估，因此難以確保整個(gè)施工過(guò)程中隧道開(kāi)挖的穩(wěn)定.鑒于此，本文將風(fēng)險(xiǎn)分析與新奧法施工量測(cè)體系相結(jié)合，對(duì)致險(xiǎn)因子進(jìn)行識(shí)別，確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)層次分析法確定各個(gè)量測(cè)項(xiàng)目的權(quán)重.引入模糊數(shù)學(xué)理論，建立合理的隸屬度函數(shù)，對(duì)具體的量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，結(jié)合權(quán)重分析和賦分體系即可得到綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，從而建立山嶺隧道新奧法（NATM）施工過(guò)程動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型.該模型可以將量測(cè)數(shù)據(jù)量化為單一的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，并隨著隧道開(kāi)挖和量測(cè)的進(jìn)行對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估.

1 新奧法施工動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

1.1 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)及評(píng)價(jià)體系

風(fēng)險(xiǎn)分析首先進(jìn)行分析辨識(shí)，而風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)的目的則是找到相應(yīng)的致險(xiǎn)因子，風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)常用的方法有事故樹(shù)法及WBS－RBS法等.從表1可看到，新奧法施工中的量測(cè)項(xiàng)目已對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行了較全面的監(jiān)測(cè).但是，單一的量測(cè)項(xiàng)目并不能完全反映施工風(fēng)險(xiǎn)情況.為此，將主要的量測(cè)項(xiàng)目作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析方法把各個(gè)量測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)量化為綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，從而省去了對(duì)眾多量測(cè)數(shù)據(jù)分析的繁瑣，并直觀、有效地反映出隧道開(kāi)挖的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài).

表1 新奧法施工常用量測(cè)項(xiàng)目Tab.1 Conventional measurement items of NATM construction

在分析多個(gè)隧道塌方案例的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道工程新奧法施工量測(cè)特點(diǎn)，選擇地質(zhì)狀況觀測(cè)、周邊收斂位移、拱頂沉降、地表沉降、錨桿軸力、錨桿抗拔力等六個(gè)量測(cè)項(xiàng)目作為我們動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析的一級(jí)指標(biāo).對(duì)于每個(gè)量測(cè)項(xiàng)目，又進(jìn)一步根據(jù)量測(cè)內(nèi)容選取二級(jí)指標(biāo)，整個(gè)動(dòng)態(tài)分析指標(biāo)體系如表2所示.

在確定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)之后，還需對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià).為此，首先建立山嶺隧道新奧法施工五級(jí)風(fēng)險(xiǎn)管理體制，如表3所示.對(duì)應(yīng)各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，基于隧道量測(cè)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，建立各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系，如表4所示.

表2 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)體系Tab.2 Index system of dynamic risk analysis

表3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Tab.3 Index of risk grades

為了便于評(píng)價(jià)，將表4中的周邊收斂位移累計(jì)值、拱頂沉降累計(jì)值、地表沉降累計(jì)值及錨桿軸力評(píng)價(jià)指標(biāo)做量綱一處理，即：A21／A，A31／A，A41／A，A為允許值；A51／D，A52／D，A53／D，D為設(shè)計(jì)軸力值.

1.2 指標(biāo)權(quán)重確定

對(duì)于各指標(biāo)權(quán)重確定，本文采用層次分析法［10］進(jìn)行，這里僅以一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算為例進(jìn)行說(shuō)明.根據(jù)層次分析法中的1～9比例標(biāo)度，可以編制出一級(jí)指標(biāo)的層次分析評(píng)判矩陣，具體如表5所示.表5中，數(shù)字越大代表越相對(duì)重要，其具體取值是根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，由專家打分確定，帶有一定的經(jīng)驗(yàn)成分.

表5實(shí)際可構(gòu)造為判斷矩陣計(jì)算矩陣M的最大特征值λmax＝6，相應(yīng)的歸一化后的特征向量為

表4 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系Tab.4 Evaluation system of risk index

表5 一級(jí)指標(biāo)層次分析取值表Tab.5 Value table of AHP for the first index

為刻畫(huà)n階對(duì)稱矩陣M與一致性的接近程度，定義一致性指標(biāo)（consensus index） C＝0，M有完全的一致性；C接近于0，M有滿意的一致性.

將上述矩陣M最大特征值λmax＝6代人式（1）可得到

可見(jiàn)矩陣M具有完全的一致性.因此，我們可以得到六個(gè)一級(jí)指標(biāo)地質(zhì)狀況觀測(cè)、周邊收斂位移、拱頂沉降、地表沉降、錨桿軸力、錨桿抗拔力的權(quán)重系數(shù)分別為0.48，0.16，0.12，0.10，0.07和0.07.同理，可以分別計(jì)算出各個(gè)二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表6所示.

1.3 模糊綜合評(píng)判

對(duì)于各實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，引入模糊數(shù)學(xué)的模糊評(píng)判理念，即某一數(shù)據(jù)不是屬于某一特定的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，而是通過(guò)建立模糊評(píng)判矩陣對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行更準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià).

表6 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重表Tab.6 Weight coefficients for the risk index

模糊綜合評(píng)判中最重要的是對(duì)于隸屬度函數(shù)的選擇，目前還沒(méi)有成熟的確定方法，主要依靠經(jīng)驗(yàn)以及通過(guò)實(shí)踐反饋修正的方法進(jìn)行.本文采取三角型隸屬度函數(shù)分布，如圖1所示.

圖1 隸屬度函數(shù)分布Fig.1 The distribution of membership function

隸屬度函數(shù)表達(dá)式

式中：x為風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值；λi－1，λi，λi＋1為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)臨界值；ax為風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)量測(cè)值對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)i的隸屬度.

確定了隸屬度函數(shù)，就可以將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入函數(shù)，求出該數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)模糊評(píng)判矩陣.實(shí)際應(yīng)用時(shí)，首先從二級(jí)指標(biāo)開(kāi)始，將一級(jí)指標(biāo)中各二級(jí)指標(biāo)的量測(cè)數(shù)據(jù)代入隸屬度函數(shù)，求出模糊評(píng)判矩陣rij，rij＝［aij1aij2aij3aij4aij5］，從而該一級(jí)指標(biāo)的模糊評(píng)判矩陣可由如下公式得到：

式中：ci為各二級(jí)指標(biāo)權(quán)重值；rij為基于隸屬度函數(shù)建立的模糊評(píng)判矩陣，表示一級(jí)指標(biāo)i中的第j個(gè)二級(jí)指標(biāo)對(duì)于各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度；bij（i＝1，2，…，6；j＝1，2，…，5）為各一級(jí)指標(biāo)的模糊評(píng)判值.

各一級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)判矩陣計(jì)算出之后，就可以得到隧道當(dāng)前整體風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)判矩陣

式中：di為各一級(jí)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)；mi為隧道施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)i的隸屬度.

1.4 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

通常，對(duì)于計(jì)算出來(lái)的模糊評(píng)判矩陣B，認(rèn)為m1～m5中的最大值所對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)即為計(jì)算出來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí).為了將風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)論直觀地表示，將前文所述的五個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)按百分制分別賦分（1級(jí)0分，2級(jí)30分，3級(jí)60分，4級(jí)80分，5級(jí)100分），通過(guò)模糊綜合評(píng)判可以得到風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)對(duì)于各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度，由此，可以得到隧道施工的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

式中：pi為隧道施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)賦分值.

由式（6）可見(jiàn)，動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最終被量化為一個(gè)百分?jǐn)?shù)，而這個(gè)分?jǐn)?shù)的大小反映了當(dāng)前施工狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，分?jǐn)?shù)越高風(fēng)險(xiǎn)越大.

2 工程實(shí)例分析

石猴嶺隧道為保阜高速公路隧道工程七座大型隧道之一，采用分離式隧道，新奧法施工.隧道部分以地下形式橫穿山脊，圍巖全部為Ⅴ級(jí)，穿越一個(gè)斷裂帶，斷裂帶由斷層泥、構(gòu)造碎裂巖構(gòu)成，斷裂影響帶在黑云斜長(zhǎng)片麻巖、混合巖化片麻巖之中，且該斷裂走向與隧道走向幾乎平行，并伴有裂隙水，對(duì)隧道穩(wěn)定不利.因此，對(duì)隧道施工進(jìn)行嚴(yán)密的量測(cè)，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析.

2007年9月，石猴嶺隧道右線已開(kāi)挖至明暗洞交界處，按照前文所述的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，將每天的量測(cè)數(shù)據(jù)代入，可以得到反映當(dāng)前開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)，9月—10月風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化如圖2所示.

圖2 石猴嶺隧道2007年9月—10月動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)變化Fig.2 Dynamic risk index from September to October 2007for Shihouling Tunnel

從圖2可以看到，隧道開(kāi)挖的風(fēng)險(xiǎn)一直增加，在9月25日附近，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)達(dá)到最大，風(fēng)險(xiǎn)較高.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況判斷，主要是因?yàn)樵撻_(kāi)挖段山體位于一處斷層上，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)圍巖巖質(zhì)軟化且破碎嚴(yán)重，基本呈塊石狀，稍有擾動(dòng)即呈現(xiàn)下滑狀，并且地表沉降曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn)，因此隧道主洞開(kāi)挖存在極大的安全隱患，原有設(shè)計(jì)已不能確保隧道施工的安全.據(jù)此，業(yè)主聯(lián)系設(shè)計(jì)單位和施工單位對(duì)原有設(shè)計(jì)進(jìn)行更改，經(jīng)協(xié)商后決定對(duì)原有設(shè)計(jì)做出變更如下：

（1）暗洞進(jìn)口洞頂仰坡處φ22mm砂漿錨桿間距由原設(shè)計(jì)的1.2m×1.2m變更為1.0m×1.0m.

（2）K95＋900～K95＋916處超前管棚增加直徑為50mm的超前小導(dǎo)管，規(guī)格及型號(hào)與原設(shè)計(jì)圖紙相同，即仰角45°，縱向每排間距為4.0m，共增加4排，與原設(shè)計(jì)超前支護(hù)形成小三角支撐，以穩(wěn)定圍巖.

由圖2可見(jiàn)，更改支護(hù)參數(shù)后10月份的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)呈下降趨勢(shì).這說(shuō)明根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)施工參數(shù)，對(duì)降低施工風(fēng)險(xiǎn)、確保施工安全起到了重要作用.事實(shí)也證明更改支護(hù)參數(shù)后，開(kāi)挖比較順利，沒(méi)有發(fā)生不安全事故.

3 結(jié)論

本文將新奧法施工量測(cè)體系與風(fēng)險(xiǎn)分析方法相結(jié)合，基于量測(cè)項(xiàng)目確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)體系，并采用層次分析法確定動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析各指標(biāo)的權(quán)重，進(jìn)而利用模糊數(shù)學(xué)的隸屬度函數(shù)理論，建立風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)對(duì)于各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度，最終通過(guò)歸一化為統(tǒng)一的百分?jǐn)?shù)，得到了施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù).該動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析方法在保阜高速公路隧道工程施工過(guò)程中得到了應(yīng)用.結(jié)果表明，本方法具有有效性和實(shí)用性，對(duì)于隧道開(kāi)挖過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)變化能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地反映，并能夠?qū)τ谥饕码U(xiǎn)因子進(jìn)行辨別，這對(duì)于降低施工風(fēng)險(xiǎn)，減少事故發(fā)生概率具有明顯作用.該方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用.

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