基于模糊綜合分析的光坑山隧道洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

陳希茂

(中鐵二十四局集團(tuán)福建鐵路建設(shè)有限公司， 福建福州 350013)

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基于模糊綜合分析的光坑山隧道洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

陳希茂

(中鐵二十四局集團(tuán)福建鐵路建設(shè)有限公司， 福建福州 350013)

文章簡(jiǎn)要介紹了公路隧道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論，以光坑山隧道進(jìn)口為例，應(yīng)用模糊綜合分析法對(duì)光坑山隧道進(jìn)口段洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，并提出降低風(fēng)險(xiǎn)的處理措施。

模糊綜合分析； 洞口失穩(wěn)； 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

隨著我國(guó)公路隧道建設(shè)的快速發(fā)展，隧道斷面、長(zhǎng)度不斷加大，斷層、巖爆、涌突水等不良地質(zhì)災(zāi)害也屢見(jiàn)不鮮，可能遇到的安全風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。目前，公路隧道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作還處于起步階段，需要對(duì)公路隧道工程建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不斷探索和完善，以期降低安全風(fēng)險(xiǎn)，減少工程事故，最終達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保的目標(biāo)。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基本理論

1.1 隧道與地下工程的風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生機(jī)理

關(guān)于隧道與地下工程的風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生機(jī)理有多種理論模型[1]，一般可以概括為：孕險(xiǎn)環(huán)境與致險(xiǎn)因子耦合作用，致使風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生，進(jìn)而給承載體造成損失。對(duì)隧道工程風(fēng)險(xiǎn)來(lái)說(shuō)，承載體主要包括隧道、周邊環(huán)境、社會(huì)群體和生態(tài)環(huán)境。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)分析步驟

收集數(shù)據(jù)信息 、建立不確定性分析模型、對(duì)風(fēng)險(xiǎn)影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估的主要方法

專家打分方法 、故障樹(shù)分析法(FTA) 、層次分析法等。

1.4 風(fēng)險(xiǎn)水平定級(jí)方法

1.4.1 風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率

根據(jù)《公路橋梁和隧道工程設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南(試行)》、《公路橋梁和隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南(試行)》[2-3]，把風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率和對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)后果均劃分為五個(gè)等級(jí)。

1.4.2 風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)

確定風(fēng)險(xiǎn)后果的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以從經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡、工期延遲、環(huán)境危害等角度去考量,而經(jīng)濟(jì)損失又可包括建設(shè)方或承包商的經(jīng)濟(jì)損失。

1.4.3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

確定了風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的概率及其后果等級(jí)，再對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分，從低到高依次為Ⅰ級(jí)～Ⅳ級(jí)。

1.4.4 風(fēng)險(xiǎn)處理措施

公路隧道風(fēng)險(xiǎn)的接受準(zhǔn)則及對(duì)應(yīng)的措施要求見(jiàn)表1。

1.5 隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與分析的步驟及流程

其步驟主要包括如下環(huán)節(jié)：風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)估測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)控制及應(yīng)急預(yù)案[4]。

1.5.1 風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)[5]

(1)盡可能全面了解項(xiàng)目的具體概況。

表1 風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則

(2)研究隧道實(shí)施方案，確定其在施工期間和運(yùn)營(yíng)期間可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)事件。

(3)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的存在狀態(tài)和方式，首先考慮運(yùn)用定性的分析方法。

(4)創(chuàng)建風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)圖。

1.5.2 風(fēng)險(xiǎn)影響分析

對(duì)于主要的風(fēng)險(xiǎn)，仔細(xì)分析其發(fā)生的概率，確定由此可能出現(xiàn)的后果，提出風(fēng)險(xiǎn)效益的發(fā)生規(guī)律，據(jù)此確定合適的風(fēng)險(xiǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)。

1.5.3 風(fēng)險(xiǎn)控制及對(duì)策研究

(1)風(fēng)險(xiǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)分析：統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)值分析、理論分析，確定在一定條件約束下的風(fēng)險(xiǎn)控制指標(biāo)。采用定性與定量相結(jié)合的分析方法。

(2)研究制定風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防措施和控制辦法，降低風(fēng)險(xiǎn)。

2 光坑山隧道洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)踐

2.1 光坑山隧道基本情況

2.1.1 隧道概況

光坑山隧道為南平市武夷新區(qū)省道303新嶺至將口大道段一級(jí)公路工程，雙向六車道布置，位于福建省南平市，線路基本成南北走向。光坑山隧道左線共1 167 m，其中A1標(biāo)段515 m；右線共1 191 m，其中A1標(biāo)段544 m。設(shè)計(jì)行車速度80 km/h。

2.1.2 地形地貌

本隧道場(chǎng)址區(qū)洞身段屬剝蝕丘陵地貌，進(jìn)、出口處屬山間沖洪積洼地與剝蝕丘陵交匯處，進(jìn)、出口兩側(cè)分布有窄長(zhǎng)沖洪積洼地。地形平坦性差，起伏不平，隧道進(jìn)口端山坡的坡度主要在15°～30°之間，隧道出口端的山體坡度主要在20°～30°范圍之內(nèi)，溝塹較發(fā)育。澗身段地表植被發(fā)育，進(jìn)口處植被不茂盛，出口處植被不發(fā)育。

2.1.3 工程地質(zhì)

隧道洞身段表層為少量的坡積層(Qdl)，下伏基巖為上元古界麻源群變粒巖(Pt3my)，局部地段見(jiàn)有少量混合花崗巖；進(jìn)洞口路面標(biāo)高位于沖洪積層內(nèi)，下伏基巖為上元古界麻源群變粒巖(Pt3my)；出洞口路面標(biāo)高高于沖洪積層，出洞口段表層為少量的坡積層(Qdl)，下伏基巖為上元古界麻源群變粒巖(Pt3my)，巖層產(chǎn)狀較不穩(wěn)定。左、右線進(jìn)洞口位于沖洪積洼地及剝蝕丘陵交匯處，圍巖為第四系可塑狀粉質(zhì)黏土、殘坡積土、殘坡積土、全風(fēng)化巖、散體狀強(qiáng)風(fēng)化巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖、局部少量中風(fēng)化巖，巖土結(jié)構(gòu)松散，圍巖級(jí)別為V級(jí)。開(kāi)挖后邊坡、仰坡高度較大，邊坡、仰坡主要巖性為第四系粉質(zhì)黏土、殘坡積土及全風(fēng)化巖巖體破碎，邊坡總體穩(wěn)定性較差。未發(fā)現(xiàn)滑坡等不良地質(zhì)作用。

2.1.4 水文地質(zhì)

該段落隧道區(qū)屬于崇陽(yáng)溪水系，場(chǎng)區(qū)附近地表水發(fā)育一般，洞身地表水較發(fā)育，水量較豐富，地下水水位埋深淺，地下水主要有以下兩種類型：風(fēng)化帶孔隙裂隙水、基巖裂隙水。地表水發(fā)育一般，進(jìn)口兩側(cè)溝谷各發(fā)育一條小溪溝，水面寬度約為0.20 m，深度在0.10～0.20 m之間，流量約450 t/d；出口左側(cè)溝谷發(fā)育一條小溪溝，水面寬度約為0.20 m，深度在0.10～0.20 m之間，流量約530 t/d。小溪溝主要接受地下水或雨季雨水的的補(bǔ)給，常年性流水水源，旱季時(shí)水量不充沛。

2.2 光坑山隧道風(fēng)險(xiǎn)源辯識(shí)

通過(guò)對(duì)光坑山隧道地質(zhì)情況、設(shè)計(jì)情況的分析，可判斷光坑山隧道存在的主要風(fēng)險(xiǎn)事件為塌方、洞口失穩(wěn)、大變形、突水涌泥、環(huán)境保護(hù)、營(yíng)運(yùn)安全以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。本文僅以隧道洞口(進(jìn)口)失穩(wěn)的重大風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為例。

2.2.1 洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)與排序

隧道進(jìn)口穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)源層次分析見(jiàn)圖1。

圖1 隧道進(jìn)口穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)源層次分析

憑借層次分析模型理論，構(gòu)建B層所有元素對(duì)應(yīng)目標(biāo)A的判斷矩陣(表2)。

表2 B層所有元素對(duì)應(yīng)目標(biāo)A的判斷矩陣

計(jì)算可得判斷矩陣λmax=8.9099

w=[0.2164,0.0836,0.1283,0.4081,0.049,0.0243,0.0336,0.0567]

CR=CI/RI=0.13/1.41=0.0921<0.1，滿足一致性檢驗(yàn)。

可見(jiàn)洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)源重要度依次為：V級(jí)圍巖>坡體結(jié)構(gòu)松散>雙側(cè)壁導(dǎo)坑法>坡度15°～30°>邊坡高2.5～6.8 m >地表水稍發(fā)育>年降雨量1 736 mm>植被發(fā)育。

2.2.2 洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.2.2.1 洞口失穩(wěn)模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)專家調(diào)查表，結(jié)合相似工程，經(jīng)敏感性分析淘汰掉對(duì)洞口失穩(wěn)影響極小的因素后，得出洞口失穩(wěn)一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)，進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)(表3、表4)。隸屬函數(shù)部分根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)及相似工程案例，其它部分選擇梯形隸屬函數(shù)。

表3 隧道進(jìn)口穩(wěn)定性判斷矩陣

一致性比例CR=0.024<0.1，滿足一致性檢驗(yàn)。判斷矩陣λmax=3.025

(1)一級(jí)評(píng)價(jià)。

利用一級(jí)評(píng)價(jià)模型，洞口總體評(píng)價(jià)單因素評(píng)價(jià)結(jié)果如下：

地形地貌A：

地質(zhì)條件B：

表4 洞口失穩(wěn)模糊評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)光坑山隧道一級(jí)指標(biāo)二級(jí)指標(biāo)描述地形地貌A坡高坡度7.8m,30°地表水系較發(fā)育坡體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)較松散、有偏壓地質(zhì)條件B地層巖性坡積粉質(zhì)黏土及全-強(qiáng)風(fēng)化變粒巖地質(zhì)構(gòu)造無(wú)影響水文條件基巖裂隙孔隙水為主氣候植被C植被覆蓋植被較發(fā)育降雨強(qiáng)度年降雨量1736mm施工設(shè)計(jì)D施工方法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法勘察精度洞口布孔,相對(duì)準(zhǔn)確支護(hù)措施大管棚、小導(dǎo)管

氣候植被C：

施工設(shè)計(jì)D：

(2)二級(jí)評(píng)價(jià)。

利用一級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果，構(gòu)建二級(jí)評(píng)價(jià)判斷矩陣R，該段隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)總體二級(jí)評(píng)價(jià)判斷矩陣：

綜合評(píng)價(jià)：

(3)評(píng)價(jià)結(jié)果分析。

將洞口段總體評(píng)價(jià)結(jié)果模糊向量單值化隧道總體評(píng)價(jià)等級(jí)見(jiàn)表5。

表5 隧道總體評(píng)價(jià)等級(jí)

該段總體評(píng)價(jià)值F=1×0.0617+2×0.2382+3×0.5186+4×0.1816=2.82，由此值可知，光坑山隧道進(jìn)口失穩(wěn)的總體模糊評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

2.2.2.2 洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

綜合評(píng)價(jià)，光坑山隧道進(jìn)口端失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的整體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為III級(jí)。處于在一定條件下可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平,但必須采取切實(shí)可行的辦法來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn),并需要準(zhǔn)備應(yīng)急預(yù)案。隧道進(jìn)口端失移風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)見(jiàn)表6。

表6 光坑山隧道洞口(進(jìn)口)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

3 結(jié)束語(yǔ)

由于項(xiàng)目對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)的高度重視，采取了必要的安全控制措施與應(yīng)急預(yù)案，目前該隧道已順利貫通，洞口段施工中沒(méi)有發(fā)生塌方、變形等事故。通過(guò)對(duì)光坑山隧道進(jìn)口洞口失穩(wěn)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，說(shuō)明了利用以層次分析法為核心的模糊綜合評(píng)價(jià)法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符，具有一定的指導(dǎo)意義。該方法簡(jiǎn)單，對(duì)其他公路、鐵路隧道施工安全評(píng)價(jià)也具有借鑒意義，能夠被隧道施工技術(shù)管理人員所接受。

[1] 吳波.隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理研究與務(wù)實(shí)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,2010.

[2] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.公路橋梁和隧道工程設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南[S].2011.

[3] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.公路橋梁和隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南(試行)[S].2011.

[4] 交通運(yùn)輸部工程質(zhì)量監(jiān)督局.公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制度及指南解析[M].北京：人民交通出版社,2011.

[5] 歐陽(yáng)剛杰.長(zhǎng)沙市營(yíng)盤路湘江水下隧道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2012.

福建省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“巖溶及含空洞隧道地震破壞機(jī)理及控制對(duì)策研究” (項(xiàng)目編號(hào)：2016J01205)；中鐵二十四局集團(tuán)福建鐵路建設(shè)有限公司科技項(xiàng)目“城市地下空間工程安全風(fēng)險(xiǎn)管理及信息系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)”

陳希茂(1974～)，男，本科，高級(jí)工程師，注冊(cè)一級(jí)建造師(市政、建筑)，從事橋梁與隧道工程施工和建設(shè)管理工作。

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[定稿日期]2016-05-24