山區(qū)長(zhǎng)大隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策

藍(lán)明祥

(新疆興亞工程建設(shè)有限公司，新疆 烏魯木齊　831100)

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山區(qū)長(zhǎng)大隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策

藍(lán)明祥

(新疆興亞工程建設(shè)有限公司，新疆 烏魯木齊831100)

西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后，周邊環(huán)境脆弱，交通等生活設(shè)施簡(jiǎn)陋，高速鐵路隧道施工難度大，因此有必要對(duì)山區(qū)長(zhǎng)大隧道進(jìn)行施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，更新、改善施工工藝，實(shí)現(xiàn)綠色施工。以模糊綜合評(píng)估法為主線，綜合運(yùn)用了專家調(diào)查法、風(fēng)險(xiǎn)矩陣法、風(fēng)險(xiǎn)層次分析法，從隧道瓦斯、塌方、涌水突泥三個(gè)方面對(duì)某山區(qū)長(zhǎng)大隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行估計(jì)取值，得出山區(qū)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)為高度風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)對(duì)具體風(fēng)險(xiǎn)因素采取恰當(dāng)措施，根據(jù)施工進(jìn)度更改監(jiān)測(cè)頻率，建立了山區(qū)長(zhǎng)大隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并針對(duì)性地提出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防技術(shù)對(duì)策，以此進(jìn)一步提高同類型山區(qū)長(zhǎng)大隧道工程施工風(fēng)險(xiǎn)控制水平。

；山區(qū)；長(zhǎng)大隧道；施工風(fēng)險(xiǎn)；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；風(fēng)險(xiǎn)控制；模糊綜合評(píng)價(jià)法

0　引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)高速鐵路迅猛發(fā)展有目共睹，但是西部區(qū)域山區(qū)較多，經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后，尤其是西南地區(qū)地質(zhì)條件非常復(fù)雜，建設(shè)進(jìn)度非常緩慢[1]，山區(qū)長(zhǎng)大隧道施工更是遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，通過對(duì)山區(qū)長(zhǎng)大隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估并采取有效控制措施，持續(xù)改進(jìn)施工方法，可實(shí)現(xiàn)施工預(yù)防[2]。

工程施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究進(jìn)展相對(duì)緩慢，隧道施工領(lǐng)域尤其如此，至70年代以后施工風(fēng)險(xiǎn)分析才有一定進(jìn)展[3]。R.Sturk[4]對(duì)斯德哥爾摩環(huán)形公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，首次將風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)應(yīng)用于隧道施工過程，之后，B.Nilsen[5]，H.Duddeck[6]，S.D.Eskesen[7]，A.Odgard[8]等在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)不同隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。國(guó)內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)管理與分析的發(fā)展起步較晚，但發(fā)展較快，李永盛等[9]在研究報(bào)告中首次在國(guó)內(nèi)對(duì)大型盾構(gòu)隧道項(xiàng)目進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；胡群芳和黃宏偉[10]針對(duì)地下工程建立了風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則模型，國(guó)內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有了進(jìn)一步的提高；王夢(mèng)恕[11]，王學(xué)斌[12]等人也對(duì)隧道項(xiàng)目過程中的設(shè)計(jì)、施工有進(jìn)一步討論。

山區(qū)長(zhǎng)大隧道施工相對(duì)其他地區(qū)隧道而言，施工難度大、工程地質(zhì)條件復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、周邊生態(tài)環(huán)境脆弱、交通等生活設(shè)施簡(jiǎn)陋，因此有必要根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)對(duì)山區(qū)長(zhǎng)大隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，從而保證施工過程隨施工進(jìn)度不斷更新、補(bǔ)充、完善，持續(xù)改進(jìn)施工工藝，實(shí)現(xiàn)綠色安全施工。本文以模糊綜合評(píng)估法為主線，綜合運(yùn)用了專家調(diào)查法、風(fēng)險(xiǎn)矩陣法、風(fēng)險(xiǎn)層次分析法對(duì)山區(qū)長(zhǎng)大隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素的發(fā)生概率及損失嚴(yán)重性進(jìn)行估計(jì)取值，建立山區(qū)長(zhǎng)大隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并針對(duì)性地提出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防技術(shù)對(duì)策，以此進(jìn)一步提高山區(qū)長(zhǎng)大隧道工程施工風(fēng)險(xiǎn)控制水平。

1　工程概況

某山區(qū)長(zhǎng)大隧道施工采用“一平一斜”的輔助坑道方式，隧道洞身穿越地層為C1y～T1yn1，巖性灰?guī)r、白云巖、玄武巖和泥質(zhì)白云巖為主，穿越斷層有楊梅山—小達(dá)村斷層等3處，不良地質(zhì)現(xiàn)象為滑坡、危巖、巖堆、巖溶、煤層瓦斯及采空區(qū)、地裂縫、高地應(yīng)力及巖爆。隧區(qū)穿越巖溶深部溶蝕裂隙發(fā)育帶，隧道開挖可能遇到較大的巖溶突水。

從隧址地質(zhì)條件、巖層條件、水文條件、工程規(guī)?？芍こ痰刭|(zhì)復(fù)雜、施工安全風(fēng)險(xiǎn)高、施工難度大、工期緊、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高、環(huán)保、水保要求高，工程難點(diǎn)主要有；①隧道穿越楊梅山—小達(dá)村斷層等3處斷層，構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜多變，容易出現(xiàn)瓦斯、危巖、巖爆等地質(zhì)現(xiàn)象，不良地質(zhì)段開挖支護(hù)困難；②隧址穿越巖溶地區(qū)，地下水極發(fā)育，易發(fā)生突水、突泥、塌方等，威脅洞內(nèi)施工人員生命安全；③為加快工期，山區(qū)長(zhǎng)大隧道修建有平導(dǎo)及斜井2個(gè)輔助導(dǎo)坑，通風(fēng)、出渣運(yùn)輸困難。

2　風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別及權(quán)重分析

層次分析法是由美國(guó)數(shù)學(xué)家A.L.Saaty提出的風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重量化分析方法。根據(jù)具體問題，分解風(fēng)險(xiǎn)問題為若干層次，然后結(jié)合專家意見在同一層次上對(duì)各因素進(jìn)行比較和計(jì)算，建立風(fēng)險(xiǎn)判斷矩陣。假設(shè)某層有風(fēng)險(xiǎn)因素A1，A2…An，如將Ai和Aj進(jìn)行比較，運(yùn)用1-9標(biāo)度法反映兩因素的相對(duì)重要性，若Ai與Aj相比得aij，那么Aj與Ai相比標(biāo)度值則為aji=1/aij，這樣就可以得到一個(gè)n×n的判斷矩陣A=(aij)n×n，矩陣A的最大特征值ymax，與ymax對(duì)應(yīng)的特征向量W，W的分量即為n個(gè)因素的權(quán)重。

最后通過一致性檢驗(yàn)可以衡量判斷矩陣是否相容，用一致性比例CR來(lái)判斷。

CI=(ymax-n)/(n-1)

(1)

CR=CI/RI

(2)

式(1)、(2)中：CI為一致性指標(biāo)；CR為一致性比例；ymax為最大特征值；n為矩陣階數(shù)。

平均隨機(jī)一致指標(biāo)見表1。

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)階數(shù)RI階數(shù)RI1091.4620101.4930.52111.5240.89121.5451.12131.5661.26141.5871.36151.5981.41

針對(duì)山區(qū)長(zhǎng)大隧道施工的工程難點(diǎn)，對(duì)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別分類，利用層次分析法將施工風(fēng)險(xiǎn)因素分為3層，并建立判斷矩陣得出風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重值，具體見表2。

表2 隧道風(fēng)險(xiǎn)層次分級(jí)及權(quán)重值一級(jí)二級(jí)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)U塌方u1w1=0.42?è???÷超前地質(zhì)預(yù)報(bào)u11(w11=0.05)斷層、巖溶、節(jié)理裂隙等特殊地質(zhì)u12(w12=0.50)地下水狀況u13(w13=0.14)隧道特征u14(w14=0.08)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)u15(w15=0.16)監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)u16(w16=0.07)瓦斯u2w2=0.17?è???÷超前地質(zhì)預(yù)報(bào)u21(w21=0.08)襯砌及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)u22(w22=0.12)通風(fēng)方案設(shè)計(jì)u23(w23=0.34)監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)u24(w24=0.03)揭煤施工情況u25(w25=0.07)火源控制措施u26(w26=0.15)爆破方式u27(w27=0.21)涌水突泥u3w3=0.41?è???÷超前地質(zhì)預(yù)報(bào)u31(w31=0.11)施工期防排水u32(w32=0.22)監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)u33(w33=0.06)超前支護(hù)及預(yù)注漿處理u34(w34=0.22)襯砌及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)u35(w35=0.14)地下水狀況u36(w36=0.25)

3　評(píng)估矩陣及子風(fēng)險(xiǎn)水平確定

通過專家調(diào)查法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生概率及后果進(jìn)行打分，最后對(duì)專家調(diào)查結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，對(duì)山區(qū)長(zhǎng)大隧道風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)確定風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖(表3)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[13]，風(fēng)險(xiǎn)分為4級(jí)，每級(jí)風(fēng)險(xiǎn)賦予一定分值(表4)，利用加權(quán)法對(duì)評(píng)判指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可得單風(fēng)險(xiǎn)因素水平(表5)。

表3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣概率等級(jí)后果等級(jí)輕微a較大b嚴(yán)重c很嚴(yán)重d災(zāi)難性e很可能A高度高度極高極高極高可能B中度高度高度極高極高偶然C中度中度高度高度極高不可能D低度中度中度高度高度很不可能E低度低度中度中度高度

表4 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)水平等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)指針風(fēng)險(xiǎn)分接受準(zhǔn)則處理措施Ⅰ級(jí)(低度)10～2可忽略可不進(jìn)行處理Ⅱ級(jí)(中度)32～4可接受加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率Ⅲ級(jí)(高度)54～6不期望需采取處理措施Ⅳ級(jí)(極高)76～8不可接受高度重視此類風(fēng)險(xiǎn)

表5 塌方風(fēng)險(xiǎn)、瓦斯風(fēng)險(xiǎn)、涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)單因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果施工風(fēng)險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)因素低中高極高風(fēng)險(xiǎn)水平等級(jí)評(píng)價(jià)塌方風(fēng)險(xiǎn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)0.050.470.390.093.99Ⅱ級(jí)(中度)特殊地質(zhì)0.010.190.500.305.16Ⅲ級(jí)(高度)地下水狀況0.010.160.470.355.33Ⅲ級(jí)(高度)隧道特征0.170.510.250.063.38Ⅱ級(jí)(中度)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)0.110.500.290.073.60Ⅱ級(jí)(中度)監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)0.170.500.270.053.37Ⅱ級(jí)(中度)瓦斯風(fēng)險(xiǎn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)0.060.540.350.053.78Ⅱ級(jí)(中度)襯砌及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)0.160.530.240.053.33Ⅱ級(jí)(中度)通風(fēng)方案設(shè)計(jì)0.040.400.440.134.32Ⅲ級(jí)(高度)監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)0.190.500.260.053.31Ⅱ級(jí)(中度)揭煤施工情況0.070.380.390.164.24Ⅲ級(jí)(高度)火源控制措施0.050.320.410.214.56Ⅲ級(jí)(高度)爆破方式0.040.580.330.053.78Ⅱ級(jí)(中度)涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)0.050.470.390.093.99Ⅱ級(jí)(中度)施工期防排水0.140.490.310.073.59Ⅱ級(jí)(中度)監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)0.170.500.270.053.37Ⅱ級(jí)(中度)超前支護(hù)及預(yù)注漿處理0.100.450.380.073.81Ⅱ級(jí)(中度)襯砌及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)0.100.430.330.103.75Ⅱ級(jí)(中度)地下水狀況0.010.160.470.355.33Ⅲ級(jí)(高度)

4　風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定

模糊綜合評(píng)價(jià)法采用精確的數(shù)學(xué)語(yǔ)言對(duì)工程項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)模糊性進(jìn)行描述，可有效地評(píng)定施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其步驟一般如下：

1) 建立因素集：

(3)

式中：ui(i=1，2，…，m)可表示為施工風(fēng)險(xiǎn)因素集合個(gè)體。

2) 建立評(píng)價(jià)集：

(4)

3) 建立因素權(quán)重集：

因素權(quán)重集是反映因素集中各影響因素對(duì)于評(píng)價(jià)對(duì)象的影響程度的大小。設(shè)各風(fēng)險(xiǎn)因素ui(i=1，2，…，m)相應(yīng)權(quán)重ai(i=1，2，…，m)，風(fēng)險(xiǎn)因素集：

(5)

其中ai(i=1，2，…，m)滿足歸一化條件：

(6)

R～=r11r12…r1nr21r22…r2n…………rm1rm2…rmné?êêêêêù?úúúúú

(7)

4) 初級(jí)模糊評(píng)價(jià)：

r11r12…r1nr21r22…r2n…………rm1rm2…rmné?êêêêêù?úúúúú=(b1,b2,…,bn)

(8)

其中bj(1，2，…，n)即為模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

5) 二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)：

6) 取以bj為權(quán)數(shù)，以表4所示分值為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)集元數(shù)加權(quán)處理，可得某風(fēng)險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)水平。

(9)

該山區(qū)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)水平如表6、表7所示。

表6 隧道施工初級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果風(fēng)險(xiǎn)因素低中高極高風(fēng)險(xiǎn)水平等級(jí)評(píng)價(jià)塌方風(fēng)險(xiǎn)0.050.300.420.224.61Ⅲ級(jí)(高度)瓦斯風(fēng)險(xiǎn)0.060.450.370.114.05Ⅲ級(jí)(高度)涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)0.080.390.370.144.13Ⅲ級(jí)(高度)

表7 隧道整體施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果低中高極高風(fēng)險(xiǎn)水平等級(jí)評(píng)價(jià)0.070.360.390.184.36Ⅲ級(jí)(高度)

5　風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)對(duì)策

根據(jù)規(guī)定[13]，對(duì)于中度風(fēng)險(xiǎn)只需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，極高、高度風(fēng)險(xiǎn)必須采取處理措施堅(jiān)決避免風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生，因此確定如下風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)對(duì)策：

1) 山區(qū)特長(zhǎng)隧道施工過程中塌方、瓦斯、涌水突泥均屬于高度風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，對(duì)特殊地質(zhì)段應(yīng)注意施工工藝改進(jìn)。

2) Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段，斷層破碎帶段，巖溶和高承壓水地段，施工中極易出現(xiàn)各種風(fēng)險(xiǎn)，按設(shè)計(jì)圖紙要求施工，做到短進(jìn)尺，弱爆破，勤支護(hù)。

3) 隧道施工穿過含煤地層時(shí)，施工盡量采取斷面大的施工方法，以增大斷面面積，強(qiáng)化通風(fēng)管理，創(chuàng)造一個(gè)良好的通風(fēng)環(huán)境。

4) 在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，可對(duì)突水涌泥事故的應(yīng)急預(yù)案處理措施進(jìn)行補(bǔ)充、完善，最大程度地降低突水涌泥事故的風(fēng)險(xiǎn)和損失。

6　結(jié)論

1) 根據(jù)隧道工程特質(zhì)，從隧道瓦斯、塌方、涌水突泥三個(gè)方面對(duì)山區(qū)長(zhǎng)大隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，得出此山區(qū)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)為高度風(fēng)險(xiǎn)，處于不期望狀態(tài)，必須采取風(fēng)險(xiǎn)處理措施降低風(fēng)險(xiǎn)并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

2) 以模糊綜合評(píng)估法為主線，綜合運(yùn)用了專家調(diào)查法、風(fēng)險(xiǎn)矩陣法、風(fēng)險(xiǎn)層次分析法對(duì)貴州省艱難山區(qū)某高速鐵路特長(zhǎng)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素的發(fā)生概率及損失嚴(yán)重性進(jìn)行估計(jì)取值。

3) 建立山區(qū)長(zhǎng)大隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并針對(duì)性地提出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防技術(shù)對(duì)策，以此進(jìn)一步提高同類型山區(qū)長(zhǎng)大隧道工程施工風(fēng)險(xiǎn)控制水平。

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2016-02-22

藍(lán)明祥(1976-)，男，工程師，主要從事土木工程(路橋)技術(shù)工作。

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