基于不可靠度的巖溶隧道涌水突泥概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

王 亮，彭逢春

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410001;2.湖南省公路設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410001)

0 引言

在廣西、湖南及廣東等巖溶發(fā)育地區(qū)修建隧道所遇到的地質(zhì)災(zāi)害較多，經(jīng)常遇到涌水突泥、塌方、瓦斯泄露等地質(zhì)災(zāi)害。涌水突泥災(zāi)害輕則沖毀機(jī)具、貽誤工期，重則造成人員傷亡及重大財(cái)產(chǎn)損失，巖溶隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與預(yù)防預(yù)警已成為亟待解決的問(wèn)題。因此對(duì)巖溶隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法及處治技術(shù)的研究較多。黃新任［1］及李術(shù)才［2］等人基于區(qū)間數(shù)學(xué)理論對(duì)巖溶隧道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，使風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值為一區(qū)間值，該法可考慮風(fēng)險(xiǎn)的不確定性，比采用定值更具有合理性。翁其能［3］及許振浩［4］等人基于層次分析法對(duì)巖溶隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，該評(píng)價(jià)法可得出評(píng)價(jià)體系各分部、各層次及總體風(fēng)險(xiǎn)值，便于針對(duì)薄弱項(xiàng)做出處治措施。黃小城［5］等人基于可拓理論，利用可拓優(yōu)度法及熵權(quán)法對(duì)巖溶隧道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。本文采用概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法，考慮環(huán)境及操作人員的不可靠度構(gòu)建巖溶隧道涌水突泥概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。

1 涌水突泥概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論

1.1 巖溶隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)特征

隧道洞前方或周圍內(nèi)的巖溶構(gòu)造物中的水流把洞壁擊穿所突然爆發(fā)出來(lái)水和泥的現(xiàn)象叫做突水涌泥。一般來(lái)說(shuō)，水的流量超過(guò)0.1 m3/s，其流速和壓力到達(dá)一定程度時(shí)為涌水;當(dāng)突出液體固體物質(zhì)的含量過(guò)半時(shí)為突泥，在工程實(shí)際中將二者并稱為涌水突泥。突水涌泥的發(fā)生是在一瞬間突然爆發(fā)的，此外在時(shí)間上、空間分布、涌水量及填充物質(zhì)構(gòu)成上還有以下特征。

1.1.1 滯后性

巖溶地區(qū)巖溶隧道涌水的滯后性，主要表現(xiàn)在隧道內(nèi)涌水水量的增大，但不隨地表大氣降雨量的出現(xiàn)而立即增大，而是當(dāng)雨量積累到一定量時(shí)才突然爆發(fā)。一般而言滯后時(shí)間與巖溶段埋深和管道貫通度有關(guān)，埋深越大，時(shí)間越長(zhǎng)，貫通度越高，時(shí)間越短。

1.1.2 間歇性

在突水涌泥發(fā)生后，水中所帶含泥沙固體物質(zhì)由于水速的下降，堵塞突水口，致使災(zāi)害暫時(shí)中斷。當(dāng)水位再次上升，堵塞體又再次被破壞，從而形成次生突水涌泥。

1.1.3 空間特性

巖溶地下水的分帶，造就了突水涌泥的空間分布。在垂直滲流通道中的水，主要是受大氣降雨影響，當(dāng)雨季雨量造成的水壓很大時(shí)，施工所造成的垂直的巖溶層的破壞，使雨水沿90°方向向隧道洞內(nèi)涌進(jìn)。在深部緩流帶，隧道周邊的突水涌泥主要是由于有很大的靜水壓力，一般發(fā)生在深部緩流帶。在混流帶因巖溶發(fā)育，突水涌泥經(jīng)常是由富水管中的水破壞隔水層而發(fā)生的。在構(gòu)造位置上，背斜軸部或者向斜兩翼是淺埋隧道突水涌泥發(fā)生最為常見(jiàn)的地方;深埋隧道巖溶涌水則多發(fā)生在背斜兩翼或者向斜核部;張壓性斷裂帶中的裂隙也為突水涌泥提供了條件。

這一次，宮寶田徹底算是看開(kāi)了，在鄉(xiāng)下每天跟老友逗趣，偶爾在一群大姑娘小媳婦面前顯露一下武功逗她們開(kāi)心，他還教了兩個(gè)徒弟，一個(gè)是李書文的弟子劉云樵，跟他學(xué)武但是沒(méi)有師徒名分，另一個(gè)則是王壯飛，此人后來(lái)自稱八卦拳王，一生小人行徑，生平惡臭難聞，故不提他。對(duì)了，宮寶田還染了個(gè)不好的習(xí)慣——抽大煙。

1.1.4 水量特征

隧道施工期揭穿巖溶型和巖溶突破型突水，在不同的巖溶地區(qū)，突水涌泥的水量變化有所不同，在開(kāi)放區(qū)由大到小后穩(wěn)定，在封閉區(qū)由大到小到枯竭。

突水涌泥的水量大小還與大氣降水有關(guān)，通常會(huì)因隨著降雨的大小經(jīng)歷增大到穩(wěn)定最后減小，在雨季結(jié)束后最終趨于穩(wěn)定的常量突水，或者在雨季結(jié)束后水量枯竭。

1.2 涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是工程項(xiàng)目管理實(shí)踐的主要內(nèi)容之一，隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分定量及定性兩種方法。對(duì)巖溶隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而為消除及降低危險(xiǎn)提供決策依據(jù)。采用合適的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法是落實(shí)“安全第一、預(yù)防為主”的保障。常用隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法有安全檢查表法、層次分析法、常規(guī)統(tǒng)計(jì)法、經(jīng)驗(yàn)評(píng)估法、頭腦風(fēng)暴法、蒙特卡洛模擬法、魚刺法、支持向量機(jī)等方法。各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法均遵循風(fēng)險(xiǎn)源的辨識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)損失量評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃定。

風(fēng)險(xiǎn)源的辨識(shí)是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)控制的第一步，一般風(fēng)險(xiǎn)源包括潛在危險(xiǎn)性、觸發(fā)因素及存在條件等三要素。一類風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)是依據(jù)有害物質(zhì)的破壞力程度與范圍。二類風(fēng)險(xiǎn)源則指的是人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)。其中二類風(fēng)險(xiǎn)源具有較強(qiáng)的隱蔽性及復(fù)雜性，是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為得出災(zāi)害發(fā)生時(shí)對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成的損失，可表達(dá)為:

式中:R 為涌水突泥可能造成的損失后果;P 為巖溶隧道涌水突泥發(fā)生的概率;E 為危害承受體，如人口，財(cái)產(chǎn)及環(huán)境等;V 為災(zāi)害對(duì)象受損程度(取值為0 ～1)。

涌水突泥是巖溶隧道修建最常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害之一，對(duì)涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)分析，得到涌水突泥災(zāi)害發(fā)生概率、后果程度及所造成的生命財(cái)產(chǎn)損失，從而為巖溶隧道治理提供技術(shù)支撐。

1.3 概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論

概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一種用以辨識(shí)與評(píng)估復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性、安全性為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)化、集成化的邏輯分析方法。概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)綜合應(yīng)用了系統(tǒng)工程、概率論、可靠性工程及決策理論等知識(shí)，主要用于分析那些發(fā)生概率低、后果嚴(yán)重并且統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有限的事件。概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是基于某種傷亡或財(cái)產(chǎn)損失事故的發(fā)生概率而進(jìn)行的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，主要是將風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率、嚴(yán)重程度及通過(guò)與安全目標(biāo)值的對(duì)比而評(píng)價(jià)系統(tǒng)的危險(xiǎn)性。概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的主要要素有事件鏈、主邏輯圖、事件序列圖、事件樹(shù)及故障樹(shù)等。

概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是定性與定量綜合的分析方法，概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于巖溶隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，主要考慮圍巖劣化并出現(xiàn)涌水突泥現(xiàn)象及人的失誤概率。在隧道開(kāi)挖過(guò)程中由于應(yīng)力重分布圍巖發(fā)生失效的概率稱為不可靠度，記作F(t)，為時(shí)間t 的函數(shù)。不可靠度表達(dá)式為下式:

當(dāng)N 為有限大數(shù)時(shí)不可靠度近似為:

系統(tǒng)出現(xiàn)危險(xiǎn)狀態(tài)由單元故障及人的失誤組成，故計(jì)算某一事件的風(fēng)險(xiǎn)概率應(yīng)當(dāng)考慮系統(tǒng)運(yùn)作中人的失誤概率。人的失誤概率指的是作業(yè)者在一定時(shí)間及特定條件下出現(xiàn)失誤或差錯(cuò)的概率，稱為人的不可靠度，常用人的失誤概率分布函數(shù)(式4)及人的糾錯(cuò)分布函數(shù)(式5)表示。

在隧道施工中人的不可靠度的影響因素主要為行為的復(fù)雜性、時(shí)間的緊張性、人機(jī)環(huán)境的匹配度、施工人員的經(jīng)驗(yàn)等。

2 涌水突泥概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

2.1 涌水突泥主邏輯圖分析

層次性是復(fù)雜系統(tǒng)的一個(gè)特性。通常復(fù)雜系統(tǒng)由相互作用的各子系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)子系統(tǒng)又由多層多個(gè)更低級(jí)的子系統(tǒng)構(gòu)成，直至基本事件。因此在進(jìn)行主邏輯圖分析時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的層次性從功能角度由上至下逐次剖解。

利用主邏輯圖分析巖溶隧道涌水突泥災(zāi)害，按照主邏輯圖分析的方法按照評(píng)價(jià)系統(tǒng)的功能逐層向下分析考慮。隧道發(fā)生涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)因子較多，體現(xiàn)在圍巖的穩(wěn)定性及排水系統(tǒng)的可靠性，主要包括巖溶發(fā)育情況、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、施工因素及其他。圍巖的穩(wěn)定性主要從滲流破壞及自身特性考慮，排水系統(tǒng)則從溶腔蓄水量及排洪能力考慮。從系統(tǒng)元素來(lái)講重點(diǎn)在于尾礦庫(kù)既是攔砂建筑物，也是泄水建筑物，因此對(duì)應(yīng)地從系統(tǒng)層面上應(yīng)重點(diǎn)分析體現(xiàn)自身的穩(wěn)定性和排水系統(tǒng)的可靠性。從系統(tǒng)元素的角度分析，主要包括巖溶成分、巖石結(jié)構(gòu)、巖石特征、褶皺構(gòu)造、斷層性質(zhì)、斷層寬度、地下水含量、承壓水壓力、含水層滲透率、地形地貌、隧道埋深、降雨量、開(kāi)挖情況、地下水處理及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等。具體的主邏輯圖模型如圖1 所示。

圖1 巖溶隧道涌水突泥主邏輯圖

2.2 涌水突泥事件鏈及事件樹(shù)方法

事件鏈為概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，通過(guò)事件樹(shù)模型對(duì)初始時(shí)間經(jīng)中間過(guò)程至災(zāi)害形成全過(guò)程進(jìn)行演繹。主要步驟為通過(guò)事件樹(shù)分析法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件形成的先后次序及因果關(guān)系進(jìn)行建模，再估計(jì)災(zāi)害形成的后果及程度。事件鏈包括初因事件、關(guān)鍵事件及后果狀態(tài)，并需對(duì)各事件的安全或危險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)判及事件的邏輯關(guān)系。

事件樹(shù)分析方法是一種時(shí)序邏輯的事故分析方法，采用追蹤方法對(duì)系統(tǒng)分析的每一步均做穩(wěn)靠及失效判定，并以水平樹(shù)狀圖表示。事件樹(shù)分析主要步驟為確定系統(tǒng)失效事件(即不期望風(fēng)險(xiǎn)事故)、掌握系統(tǒng)構(gòu)成及事故存在條件、調(diào)查事故因子的因果關(guān)系及相關(guān)性、得出事故發(fā)生概率及后果程度并對(duì)之做出評(píng)價(jià)及相應(yīng)的響應(yīng)措施。

2.3 涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系

巖溶隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)與其他風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分類似，即為風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率等級(jí)劃分、風(fēng)險(xiǎn)事故損失等級(jí)劃分和風(fēng)險(xiǎn)接受等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)等、風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則與風(fēng)險(xiǎn)響應(yīng)處理措施等級(jí)，如表1 ～表5。

巖溶隧道發(fā)生涌水突泥災(zāi)害必然會(huì)對(duì)建設(shè)單位、施工單位、使用人員等造成不同等次的經(jīng)濟(jì)損失，根據(jù)經(jīng)濟(jì)損失(不包括間接經(jīng)濟(jì)損失)可分級(jí)如表2 所示;根據(jù)人員傷亡情況可分級(jí)如表3 所示。

巖溶隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)響應(yīng)根據(jù)不同等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)采用相應(yīng)等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)管理及風(fēng)險(xiǎn)控制，其相應(yīng)的涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如表4 所示;風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則如表5 所示。

表1 巖溶隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)劃分

表2 巖溶隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)經(jīng)濟(jì)損失等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 巖溶隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)人員傷亡等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表4 巖溶隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表5 巖溶隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則及處治措施

3 工程應(yīng)用

3.1 工程簡(jiǎn)介

嚴(yán)嶺二號(hào)隧道屬左右分離式隧道，左洞長(zhǎng)2 105 m，右洞長(zhǎng)2 005 m，圍巖為Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)，其中Ⅲ級(jí)圍巖長(zhǎng)2 165 m，Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)1 210 m，Ⅴ級(jí)圍巖735 m。隧址區(qū)溶洞發(fā)育，發(fā)育溶巖主要以水平溶洞為主，一般為干溶洞，形狀多樣不規(guī)則;其中隧道左線ZK8+850 ～ZK9+040 段距地表35 m、ZK9+510～ZK9+620 段地表20 m 以下發(fā)育有寬約70 m、隧道右線YK8+980 ～YK9+160 段50 ～70 m 距地表80 m 及YK9+645 ～YK9+800 段地下40 ～60 m 等地方均有高強(qiáng)水壓溶腔水，極易發(fā)生涌水突泥災(zāi)害，對(duì)隧道安全修建及營(yíng)運(yùn)威脅較大。

3.2 涌水突泥概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

初因事件識(shí)別:嚴(yán)嶺二號(hào)隧道址區(qū)巖溶發(fā)育明顯，溶腔圍巖屬可溶巖，在地下流水作用下，溶腔圍巖劣化速率較大。隧道的開(kāi)挖使得安全厚度不足，在雨期具有良好的巖溶水補(bǔ)給，造成溶腔水壓增大，涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)值增大。

事件鏈:地質(zhì)預(yù)報(bào)不準(zhǔn)→未能及時(shí)排水→支擋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足→人員機(jī)械未及時(shí)撤離，導(dǎo)致:涌水突泥災(zāi)害發(fā)生并造成損失。

事件樹(shù)分析:根據(jù)巖溶隧道涌水突泥形成條件及風(fēng)險(xiǎn)特征，找出各子系統(tǒng)失效原因，防排水系統(tǒng)及支擋系統(tǒng)二元事故樹(shù)如圖2 所示。

圖2 防排水及支擋系統(tǒng)事故樹(shù)

參照層次綜合法評(píng)定該隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中度。令事件樹(shù)中各事件均為相互獨(dú)立的，同時(shí)考慮人及環(huán)境的不可靠度進(jìn)行概率計(jì)算。相關(guān)概率值結(jié)合工程實(shí)際及參照項(xiàng)目專家組經(jīng)驗(yàn)評(píng)定，選地質(zhì)預(yù)報(bào)失誤概率1.3×10－5，防排水系統(tǒng)失效概率2.4×10－4，支擋結(jié)構(gòu)失效概率1.6×10－5，及受教育程度與工程經(jīng)驗(yàn)影響的操作人員失誤效率1.5×10－5，采用系統(tǒng)失效概率公式求得4.74×10－8，概率值較小，說(shuō)明該隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中度，評(píng)價(jià)結(jié)果具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性。

4 結(jié)論

巖溶隧道在修建及運(yùn)營(yíng)中常發(fā)生涌水突泥，且?guī)r土工程本身具有較大的不確定性，因此采用考慮涌水突泥事故發(fā)生的形成條件及邏輯關(guān)系，采用概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法，比采用確定性分析方法具有一定的合理性。本文通過(guò)研究巖溶隧道涌水突泥概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)在進(jìn)行巖溶隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)響應(yīng)時(shí)應(yīng)根據(jù)災(zāi)害的特性做出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)決策，巖溶隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)具有的特性有突發(fā)性、滯后性、間歇性、空間性及水量特性等。

2)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一種用以辨識(shí)與評(píng)估復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性、安全性為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)化、集成化的邏輯分析方法?？紤]操作人員的不可靠度改進(jìn)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，使之更具有合理性。

3)以邏輯圖、事件鏈及事件樹(shù)等構(gòu)造概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，并采用嚴(yán)嶺二號(hào)巖溶隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，表明了該隧道涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)為中度，概率值為4.74×10－8，評(píng)價(jià)結(jié)果具有良好的穩(wěn)健性。

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