青藏高原典型隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

魏利偉

摘要：針對高海拔寒區(qū)帶來的復(fù)雜施工環(huán)境、惡劣氣候條件對隧道施工的不利影響，提出對青藏高原典型隧道施工進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。采用模糊網(wǎng)絡(luò)分析法構(gòu)建青藏高原典型隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，通過風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)、走訪調(diào)查等方式構(gòu)建安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。最后，以巴玉隧道進(jìn)行實(shí)證研究，結(jié)果表明，巴玉隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)為高風(fēng)險(xiǎn)隧道，與實(shí)地調(diào)查情況相符，對較高風(fēng)險(xiǎn)源提出了應(yīng)對措施。并為同類別的高海拔寒區(qū)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供理論參考具有重要意義。

Abstract： In view of the adverse effects of complex construction environment and severe climatic conditions on tunnel construction caused by high altitude cold area， the safety risk assessment of typical tunnel construction on Qinghai-Tibet Plateau is proposed. The fuzzy network analysis method is used to construct a safety risk assessment model for typical tunnel construction in the Qinghai-Tibet Plateau. The risk risk assessment index system is constructed through risk factor identification and interview investigation. Finally， the empirical study of the Bayu tunnel shows that the construction safety risk assessment level of the Bayu tunnel is a high-risk tunnel， which is consistent with the field investigation and puts forward countermeasures for higher risk sources. It is of great significance to provide a theoretical reference for the safety risk assessment of high-altitude cold zone tunnel construction in the same category.

關(guān)鍵詞：青藏高原;安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià);模糊網(wǎng)絡(luò)分析法;三角模糊數(shù)

Key words： Qinghai-Tibet Plateau;safety risk assessment;fuzzy network analysis method;triangular fuzzy number

中圖分類號(hào)：U455.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）16-0042-04

0? 引言

青藏高原隧道施工主要有典型的不良地質(zhì)即高地應(yīng)力、高地溫等;此外，青藏高原人煙稀少、高寒缺氧等自然環(huán)境因素也對該地區(qū)工程項(xiàng)目施工帶來了巨大的挑戰(zhàn)。針對高海拔寒區(qū)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究，周國恩[1]通過問卷調(diào)查與ANP建立寒區(qū)隧道凍害評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法建立了寒區(qū)隧道凍害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型;高焱[2]采用AHP和模糊綜合評(píng)判法建立了寒區(qū)鐵路隧道凍害評(píng)價(jià)模型;鄧攀[3]采用數(shù)值模擬指標(biāo)量化和AHP建立高海拔地區(qū)隧道工程施工方案評(píng)價(jià)模型。目前對于傳統(tǒng)隧道施工的評(píng)價(jià)研究較多因此也取得了一些研究成果，但是對于高海拔寒區(qū)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究極少。

在文獻(xiàn)閱讀過程中發(fā)現(xiàn)AHP建立的權(quán)重較多，其只考慮了每一層對上一層的影響，沒有考慮同一層之間的影響因素，因此本文為了彌補(bǔ)AHP確定權(quán)重的缺陷提出采用F-ANP確立指標(biāo)權(quán)重，充分考慮指標(biāo)間、以及每一層關(guān)聯(lián)性，有效克服AHP確立權(quán)重的缺陷。

1? 構(gòu)建評(píng)價(jià)模型

模糊網(wǎng)絡(luò)分析法是德爾菲法、三角模糊數(shù)、網(wǎng)絡(luò)分析法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法于一體的評(píng)價(jià)方法，具體步驟如下：

①建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系因素集B={B1，…，Bm}和評(píng)語因素集C={C1，…，Cm}，根據(jù)調(diào)查法對風(fēng)險(xiǎn)因素的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，得出B對應(yīng)C模糊比較矩陣：

②F-ANP三角模糊數(shù)確定權(quán)重

1）以某元素為準(zhǔn)則，按照其對某元素影響大小用三角模糊數(shù)進(jìn)行間接優(yōu)勢度比較，構(gòu)造模糊比較判斷矩陣，并求出權(quán)重，建立模糊超級(jí)矩陣W;

2）將各個(gè)一級(jí)指標(biāo)元素集進(jìn)行兩兩模糊比較，重復(fù)1）的步驟構(gòu)造因素集比較矩陣A，其中A為加權(quán)矩陣;

3）得到加權(quán)超矩陣W，即W=Wij=aijwij

4）對W求極限，即當(dāng)W在t→+∞時(shí)極限存在，W∞=limWt;

5）當(dāng)n趨于正無窮時(shí)，矩陣的每一列將完全一致，采用MATLAB計(jì)算G=limWn=（g1，g2，g3，…，gn-1，gn）;

6）得出風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，H=G·R=（h1，h2，…，hn-1，hn）。

③青藏高原地區(qū)典型隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)

1.1 青藏高原典型隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)以及走訪調(diào)查等方式，遵循指標(biāo)具有代表性、可操作性原則等構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，該體系共計(jì)30個(gè)二級(jí)指標(biāo)，如表1所示。

1.2 隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)基本結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)青藏高原典型隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素的研究分析，發(fā)現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間是相互影響相互依賴，即各個(gè)一級(jí)指標(biāo)之間、各個(gè)二級(jí)指標(biāo)之間、以及一級(jí)指標(biāo)與二級(jí)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性，如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

1.3 隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)單因素模糊評(píng)價(jià)

1.3.1 構(gòu)造評(píng)語集

根據(jù)《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理暫行規(guī)程》，《公路橋梁和隧道工程設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合青藏高原隧道施工特征，將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語等級(jí)劃分為5個(gè)等級(jí)，C={C1，C2，C3，C4，C5}={高風(fēng)險(xiǎn)，較高風(fēng)險(xiǎn)，中等風(fēng)險(xiǎn)，較低風(fēng)險(xiǎn)，低風(fēng)險(xiǎn)}。

1.3.2 單因素評(píng)價(jià)

采用德爾菲法，針對每一個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)根據(jù)典型隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)的可能性、后果的嚴(yán)重程度以及風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后可控水平進(jìn)行評(píng)價(jià)如表2所示。

1.3.3 模糊關(guān)系矩陣

根據(jù)表2構(gòu)造單因素模糊關(guān)系矩陣，見式（2）所示，式中的20表示參加調(diào)查總?cè)藬?shù)。

1.4 F-ANP三角模糊數(shù)確定隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

1.5 青藏高原典型隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)

本文采用M（·，⊕）算子確定評(píng)估項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的向量元素集：H=G·R=（h1，…，h5），其中h1，…，h5是歸一化且分別對應(yīng)評(píng)語集中的{高風(fēng)險(xiǎn)，較高風(fēng)險(xiǎn)，中等風(fēng)險(xiǎn)，較低風(fēng)險(xiǎn)，低風(fēng)險(xiǎn)}的程度。按照隸屬度最大原則，h中的最大值所對應(yīng)的評(píng)語集的位置說明該隧道施工風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性最大。

2? 實(shí)例分析

2.1 工程概況

巴玉隧道位于桑加峽谷區(qū)中下游段，巴玉車站至藏木車站間。隧道進(jìn)口里程DK190+388，出口里程DK203+461，全長13073m，其中單線隧道12482m，雙線隧道384m，三線隧道207m，隧道最大埋深約2080m。隧址海拔平均高度為3560m。隧道縱坡為單面下坡，軌面標(biāo)高3344.109～3464.081m。

2.1.1 氣象特征

加桑峽谷干旱少雨年平均氣溫8.8℃，極端最低氣溫

-17.6℃，極端最高氣溫29℃，年平均降雨量479.2mm，年最大雨量705.7mm，最大積雪厚度12cm，凍土厚度16cm。

2.1.2 地質(zhì)概況

①地層巖性。隧道區(qū)覆蓋層主要為第四系碎石土，下伏基巖為中粒角閃黑云花崗巖。②地質(zhì)構(gòu)造。隧道于DK200+006處穿越藏木斷層，該斷層兩側(cè)均為第三紀(jì)始新世溶母棍巴單元（E2R）中粒角閃黑云花崗巖，斷層長約2.1km，破碎帶寬度10～20m，具剪張性質(zhì)。節(jié)理一般延伸不遠(yuǎn)，裂隙寬1～10mm，最大寬度15mm，多呈微張及半張開狀，局部可見充填物，節(jié)理間距多在2～4m間。③不良地質(zhì)。隧道范圍主要發(fā)育的不良地質(zhì)有危巖落石、巖爆、高地溫、放射性、凍害。

2.2 確定模糊關(guān)系矩陣

為了全面、系統(tǒng)評(píng)價(jià)巴玉隧道施工項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，本模型選擇設(shè)計(jì)、施工等熟悉此項(xiàng)目的20位相關(guān)專業(yè)人士;采用問卷調(diào)查的方式對巴玉隧道施工項(xiàng)目30個(gè)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)。根據(jù)（2）式得到評(píng)價(jià)結(jié)果的模糊評(píng)價(jià)矩陣R30×5如下：

2.3 F-ANP確定權(quán)重

2.4 計(jì)算一級(jí)指標(biāo)模糊權(quán)重A

2.5 加權(quán)矩陣W極限排序向量

根據(jù)歸一化極限排序向量可得，二級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)因素的影響權(quán)重排在前3位的為高地應(yīng)力（巖爆與大變形）/高低溫（權(quán)重為0.0616），凍土/凍害（權(quán)重為0.0566），危巖落石（權(quán)重為0.0524），顯然這3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)是直接影響著巴玉隧道施工項(xiàng)目主要風(fēng)險(xiǎn)源。

2.6 巴玉隧道施工項(xiàng)目的綜合評(píng)價(jià)

3? 應(yīng)對措施

①高地應(yīng)力（巖爆與大變形）。根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，全隧正洞預(yù)計(jì)發(fā)生輕微巖爆段落長度4106m、中等巖爆段落長度5922m、強(qiáng)烈?guī)r爆段落長度2214m。上軟巖大變形地段施工防止軟巖變形的技術(shù)措施有五項(xiàng)，主要措施是超前預(yù)支護(hù)，用短進(jìn)尺、多循環(huán)、弱爆破開挖，盡量減少對圍巖的擾動(dòng)，為了防止巖面對開挖面的擠入，一是預(yù)留沉落量，二是按設(shè)計(jì)做好聯(lián)合支護(hù)。

②高地溫。施工中采取加強(qiáng)施工通風(fēng)、人員供氧、降溫通風(fēng)、巖面隔離材料、超前帷幕注漿、局部徑向注漿、隔熱管排水等措施。

③凍土/凍害。凍土隧道圍巖保護(hù)，在不同季節(jié)采取不同的供熱、保溫的措施。寒季中，采用洞口保溫設(shè)施、混凝土拌和熱、生產(chǎn)設(shè)施保溫和結(jié)合施工通風(fēng)的加熱、供熱等綜合防寒保溫體系。暖季，依據(jù)青藏高原晝夜溫差較大特點(diǎn)合理調(diào)整隧道施工工序，在早晨、夜晚多通風(fēng)，中午高溫階段少通風(fēng)或者不通風(fēng)。因此，控制和調(diào)整隧道內(nèi)環(huán)境溫度。

凍害防治措施，設(shè)置防寒泄水洞，地下水通過鉆孔或巖石裂隙直接進(jìn)入泄水洞，排水效果理想，安全穩(wěn)定，能夠消除地下水給隧道造成的凍害;隧道進(jìn)出口及橫洞洞口500m范圍內(nèi)側(cè)溝采用保溫水溝。

④危巖落石。

隧道進(jìn)、出口段發(fā)育危巖落石，為保證施工及運(yùn)營安全，施工時(shí)應(yīng)結(jié)合危巖落石情況，采取清除、攔截、嵌補(bǔ)、支頂、設(shè)置主被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)等綜合防治措施。

4? 結(jié)論

本文通過對川藏線巴玉隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)得出如下結(jié)論：通過歸一化極限向量排序，二級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)因素的影響權(quán)重排在前3位的分別為高地應(yīng)力/高低溫，凍土/凍害，危巖落石，直接影響著巴玉隧道施工的質(zhì)量、進(jìn)度等;并針對高風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)因素提出對應(yīng)措施。依據(jù)最大隸屬度原則hmax=0.4333，結(jié)果表明巴玉隧道施工風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目是高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工項(xiàng)目，與實(shí)地調(diào)查情況相符。

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