基于模糊理論的閩北山嶺隧道洞口段施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

[摘要]隧道洞口段是隧道工程的咽喉，也是塌方事故多發(fā)地段，若施工過(guò)程中處理不當(dāng)，輕則難以進(jìn)洞，重則山體塌方，故在隧道施工前對(duì)洞口段的各風(fēng)險(xiǎn)元素評(píng)估意義重大。結(jié)合京臺(tái)高速公路南平段某工程實(shí)例，建立隧道洞口段模糊理論綜合評(píng)估模型，并確定各風(fēng)險(xiǎn)元素對(duì)洞口施工影響，并制定了相應(yīng)的施工措施，經(jīng)實(shí)踐證明相關(guān)措施可行，以期為今后同類(lèi)隧道工程施工提供參考和借鑒。

[關(guān)鍵詞]模糊綜合評(píng)佑模型；隧道洞口段；風(fēng)險(xiǎn)元素 文章編號(hào)：2095-4085（2018）05-0070-03

隧道洞口是施工事故的多發(fā)段，因此在隧道正式進(jìn)洞前，有必要通過(guò)整理隧道洞口段圖紙及相關(guān)資料，通過(guò)分析洞口段的風(fēng)險(xiǎn)元素，采用模糊數(shù)學(xué)分析方法，建立風(fēng)險(xiǎn)模糊層次綜合評(píng)估模型對(duì)隧道洞口段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。美國(guó)著名學(xué)者Zadeh最早提出模糊理論，目前已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)模糊性較強(qiáng)、準(zhǔn)確性較難把握的數(shù)據(jù)處理項(xiàng)目中，包含模糊數(shù)學(xué)、模糊系統(tǒng)、不確定性和信息、模糊決策等分支，并且分支并非獨(dú)立，而是有緊密聯(lián)系。其具體流程如圖1。

1 工程概況

洋后隧道位于福建省南平市洋后鎮(zhèn)路尾村東北部山區(qū)，屬剝蝕丘陵地貌單元，圍巖松散、地勢(shì)陡峭，地表水系發(fā)達(dá)。隧道成洞面洞頂覆蓋厚度約2～6m穿過(guò)斷層，同時(shí)出口段有較大的偏壓力，仰坡坡面坡度1：0.5，采用噴射C20砼10cm厚，Ф22mm的長(zhǎng)3.5m的砂漿錨桿間距120cm×120cm，ф6mm鋼筋網(wǎng)間距20cm防護(hù)，左線進(jìn)口樁號(hào)Z3K53+875，出口樁號(hào)Z3K54+325，長(zhǎng)450m：右線進(jìn)口樁號(hào)K53+900，出口樁號(hào)K54+337，長(zhǎng)437m，屬于短隧道。隧道左右洞均位于直線上，左右洞縱坡均為-2.50%，設(shè)計(jì)采用進(jìn)小凈距-分離式雙洞布置。

2 隧道洞口段風(fēng)險(xiǎn)元素大小確定

2.1 確立評(píng)判元素集及構(gòu)造矩陣

通過(guò)對(duì)洋后隧道地質(zhì)及周邊水系情況、勘察設(shè)計(jì)情況的分析，可判斷該隧道洞口存在的主要風(fēng)險(xiǎn)為山體滑坡、大變形引起的塌方、突水涌泥以及運(yùn)營(yíng)期間安全事故等風(fēng)險(xiǎn)事件。綜合考慮將洋后隧道洞口段的評(píng)價(jià)體系分為：U={U1，U2，U3，U4，U5}={開(kāi)挖支護(hù)形式（CD法）、地質(zhì)及周邊環(huán)境（地形地貌）、圍巖類(lèi)別、施工隊(duì)伍能力、降雨情況（閩北地區(qū)雨季影響）}合計(jì)5個(gè)。同時(shí)根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系所確定的各元素之間的關(guān)系，將下一層元素對(duì)上一層準(zhǔn)則元素的重要程度進(jìn)行比較，其中程度按照9個(gè)等級(jí)確認(rèn)（表1）。

本文主要采用云算子軟件來(lái)對(duì)模糊綜合評(píng)估模型計(jì)算，并確保判斷矩陣的一致前提下，進(jìn)行最大特征值及權(quán)重計(jì)算。故根據(jù)模糊綜合評(píng)估模型，建立分層元素對(duì)應(yīng)U的矩陣表2。

計(jì)算可得該模型的最大特征值λmax=5.2625

因?yàn)榕袛嗑仃嚹Ｐ腿藶橐蛩卣嫉谋戎剌^大，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)判斷不一致情況，故需對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，具體步驟如下。

步驟一：計(jì)算一致性指標(biāo)公式

步驟二：根據(jù)朱訓(xùn)生主編，《工程管理的模糊分析》，上海交通大學(xué)出版社（2004.10），P58。查找出的薩迪教授平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI（表3）。

本文模型為5階矩陣，故RI=1.12

步驟三：計(jì)算一致性指標(biāo)CR，根據(jù)公式計(jì)算出

故得出本文所建矩陣模型的一致性是可以接受的。

2.2 確立各元素權(quán)重值

計(jì)算元素的權(quán)重是以模型矩陣為基礎(chǔ)，來(lái)確定各元素的影響程度大小，一般有小二乘法、特征根法、上三角元素法等。本文采用特征根法，其公式如下。

根據(jù)公式分別求出

進(jìn)一步求出各元素所占比重為

元素1：開(kāi)挖支護(hù)形式（CD法）

元素2：地質(zhì)及周邊環(huán)境（地形地貌）

元素3：圍巖類(lèi)別

元素4：施工隊(duì)伍能力

元素5：降雨情況（閩北地區(qū)雨季影響）

由此得出洋后隧道洞口風(fēng)險(xiǎn)元素影響程度大小為：開(kāi)挖支護(hù)形式（CD法）>降雨情況（閩北地區(qū)雨季影響）>地質(zhì)及周邊環(huán)境（地形地貌）>圍巖類(lèi)別>施工隊(duì)伍能力。

3 對(duì)策與建議

（1）針對(duì)該工程風(fēng)險(xiǎn)元素最大的開(kāi)挖支護(hù)形式（CD法）采取措施為：改善開(kāi)挖方式，原隧道開(kāi)挖CD法步距過(guò)長(zhǎng)，初期襯砌較滯后，建議采用進(jìn)一步縮短開(kāi)挖步距（即0.5m～0.7m每循環(huán)），并進(jìn)洞后抓緊施做仰拱，是應(yīng)對(duì)洞口變形的合理方法。

（2）針對(duì)該工程風(fēng)險(xiǎn)元素降雨情況（閩北地區(qū)雨季影響）采取措施為：因福建閩北地區(qū)雨季時(shí)間有5個(gè)月之長(zhǎng)，且在每年的雨季的6月份至8月份期間會(huì)伴有數(shù)個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸或影響；故降雨情況成為閩北地區(qū)隧道洞口影響較大的風(fēng)險(xiǎn)元素。為確保洋后隧道洞口施工質(zhì)量與安全，務(wù)必精心組織力量，合理安排施工程序，在實(shí)際施工過(guò)程中為確保在雨季安全施工，將原設(shè)計(jì)明洞外移5m，通過(guò)增長(zhǎng)明洞長(zhǎng)度，做到盡可能的不破壞原地貌，可以有效減少對(duì)隧道洞口仰坡的擾動(dòng)。同時(shí)將原設(shè)計(jì)厚度2.5m套拱局部增加為3.8m，并在洞口底部增加厚度3.2m的片石混凝土擋墻進(jìn)行防護(hù)，以抵擋隧道拱腳產(chǎn)生側(cè)向位移力。

（3）針對(duì)該工程風(fēng)險(xiǎn)元素地質(zhì)及周邊環(huán)境（地形地貌）采取措施為：由于洋后隧道洞口段成洞面覆蓋厚度約2～6m穿過(guò)斷層，同時(shí)出口段有較大的偏壓力，極易產(chǎn)生塌方。為此務(wù)必優(yōu)化洞口的支護(hù)，盡快釋放偏壓應(yīng)力，宜采用先放后抗、多重支護(hù)、變形留足、先柔后剛、逐漸約束圍巖變形的施工原則。

（4）針對(duì)該工程風(fēng)險(xiǎn)元素圍巖類(lèi)別采取措施：由于洋后隧道洞口的掌子面圍巖軟弱，且屬剝蝕丘陵地貌單元，遇水時(shí)會(huì)軟化形成塑性變和流變，圍巖強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致隧道拱部支護(hù)會(huì)出現(xiàn)裂縫。為避免事故發(fā)生，在隧道進(jìn)洞前對(duì)掌子面臨時(shí)封閉，并局部進(jìn)行注漿加固；通過(guò)對(duì)洞口軟弱圍巖注漿加固處理，有效改善節(jié)理裂隙發(fā)育段，使隧道洞口頂部及兩側(cè)提高了抗壓強(qiáng)度和粘接性，最終實(shí)現(xiàn)安全施工的目的。

（5）針對(duì)該工程風(fēng)險(xiǎn)元素施工隊(duì)伍能力采取措施為：在隧道施工準(zhǔn)備階段，檢查相關(guān)單位及人員的安全生產(chǎn)許可證、特種作業(yè)資格證等證件；以及檢查各項(xiàng)保證體系、安全生產(chǎn)責(zé)任制以及各項(xiàng)規(guī)章制度建立情況等。在隧道實(shí)施階段，應(yīng)檢查隧道安全生產(chǎn)、文明施工等落實(shí)情況；定期檢查施工現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)指標(biāo)是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)要求；并加強(qiáng)隧道安全施工的理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合（如對(duì)隧道作業(yè)務(wù)工人員的安全生產(chǎn)培訓(xùn)、應(yīng)急演練等）。

通過(guò)對(duì)洋后隧道洞口風(fēng)險(xiǎn)元素充分分析，并對(duì)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題制定出相應(yīng)的控制措施，以及嚴(yán)格按照制定的措施將各工序、環(huán)節(jié)的落實(shí)到位，最終洋后隧道順利進(jìn)洞，且隧道施工過(guò)程中質(zhì)量整體可控。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）本文結(jié)合閩北地區(qū)隧道洞口段風(fēng)險(xiǎn)元素，建立五個(gè)風(fēng)險(xiǎn)元素的模糊層次綜合評(píng)估模型，對(duì)閩北地區(qū)隧道洞口段詳細(xì)闡述了風(fēng)險(xiǎn)元素的內(nèi)涵、辨識(shí)、估計(jì)等內(nèi)容，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及分析結(jié)果總結(jié)了閩北地區(qū)隧道洞口段風(fēng)險(xiǎn)元素為：開(kāi)挖支護(hù)形式（CD法）、降雨情況（閩北地區(qū)雨季影響）、地質(zhì)及周邊環(huán)境（地形地貌）、圍巖類(lèi)別、施工隊(duì)伍能力等五個(gè)。

（2）本文運(yùn)用閩北地區(qū)隧道洞口段塌方風(fēng)險(xiǎn)模糊層次綜合評(píng)估模型對(duì)五個(gè)風(fēng)險(xiǎn)元素進(jìn)行分析計(jì)算，并運(yùn)用模糊理論的矩陣確定各元素影響權(quán)重，最終得出目前閩北地區(qū)隧道洞口段風(fēng)險(xiǎn)較大的元素主要為：開(kāi)挖支護(hù)形式（CD法）、降雨情況（閩北地區(qū)雨季影響）、地質(zhì)及周邊環(huán)境（地形地貌）。

（3）針對(duì)建立的評(píng)估模型對(duì)洋后隧道洞口段風(fēng)險(xiǎn)因素分析，制定了與之對(duì)應(yīng)的施工措施，經(jīng)實(shí)踐證明相關(guān)措施可行，以期為今后同類(lèi)隧道工程施工提供參考和借鑒。

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