基于ISM的山嶺公路隧道施工坍塌風(fēng)險分析

摘要：以降低山嶺公路隧道坍塌風(fēng)險為目的，采用解釋結(jié)構(gòu)模型（ISM）分析20個坍塌風(fēng)險因素之間的層次關(guān)系，建立了6級遞階結(jié)構(gòu)關(guān)系。結(jié)果顯示：山嶺公路隧道坍塌事故的直接原因有：支護強度不足、施工擾動過大、施工隊伍整體狀況差;深層原因可歸為偏壓嚴(yán)重、開挖方法選擇不當(dāng)、施工現(xiàn)場安全管理不到位、地質(zhì)與設(shè)計不符等。

Abstract： For the purpose of reducing the collapse risk of mountain highway tunnels， an interpreted structural model （ISM） was used to analyze the hierarchical relationship between 20 collapse risk factors， and a 6-level hierarchical structure relationship was established. The results show that the direct causes of the collapse accident of the mountain highway tunnel are： insufficient support strength， excessive construction disturbance， and poor overall condition of the construction team. The deep-seated causes can be attributed to severe bias， improper choice of excavation methods， inadequate safety management at the construction site， and inconsistency between geology and design.

關(guān)鍵詞：山嶺公路隧道;坍塌;解釋結(jié)構(gòu)模型（ISM）;風(fēng)險分析

Key words： mountain highway tunnel;collapse;Interpretative Structural Model（ISM）;risk analysis

中圖分類號：U458.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）22-0050-03

0? 引言

截止2019年末[1]，全國公路隧道19067處、18966.6km，增加1329處、1730.5km，在隧道大規(guī)模建設(shè)過程中，公路隧道建設(shè)向山嶺進軍，由于地質(zhì)條件、水文自然環(huán)境條件復(fù)雜，若安全防范不足，則容易導(dǎo)致施工事故。鄭艾辰[2]對2008-2016年間我國發(fā)生的隧道施工安全事故進行了統(tǒng)計，事故中以隧道坍塌最為常見，死亡人數(shù)最多;張軍偉[3]統(tǒng)計了2006-2016年我國隧道建設(shè)（不含地鐵隧道、市政隧道）中發(fā)生的89起事故，坍塌是隧道建設(shè)事故的主要類型。

許多學(xué)者開展了隧道施工坍塌事故風(fēng)險分析方面的研究。高登[4]以上坪格隧道坍塌案例為基礎(chǔ)，分析了坍塌機理并提出了相應(yīng)的工程處治措施;張建軍[5]調(diào)查了奧陶系淺變質(zhì)板巖隧道坍塌的原因，坍塌的基本原因是不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)隧道開挖極易造成大面積坍塌;坍塌的直接原因是塊石荷載超過初期支護支撐強度導(dǎo)致開裂，在此基礎(chǔ)上提出坍塌的處治方案;侯艷娟[6]結(jié)合典型事故案例統(tǒng)計，將隧道坍塌事故分為圍巖失穩(wěn)、構(gòu)造破壞和環(huán)境擾動，發(fā)現(xiàn)圍巖與支護之間的關(guān)系最密切，并提出了事故控制措施;蘇永華[7]結(jié)合隧道坍塌事故統(tǒng)計資料，確定了包含地質(zhì)因素、設(shè)計施工質(zhì)量等在內(nèi)的6大坍塌風(fēng)險因素，建立了以粗糙集與模糊重心理論為基礎(chǔ)的公路隧道施工期坍塌評估方法，并進行實證分析;元曉貴[8]以某工程施工隧道為研究對象，從勘察、設(shè)計、施工情況，施工方式及支護結(jié)構(gòu)，地質(zhì)水文因素，監(jiān)控測量與地質(zhì)預(yù)報和施工管理5個方面建立了因素集，對隧道施工坍塌風(fēng)險進行模糊層次綜合評價。

針對隧道施工坍塌風(fēng)險的研究主要是從事故的統(tǒng)計分析、坍塌機理分析和控制、施工坍塌風(fēng)險的評價以及坍塌的關(guān)鍵因素。隧道施工坍塌是一個復(fù)雜系統(tǒng)，坍塌事故的造成一般是多種風(fēng)險因素的耦合，對隧道施工坍塌風(fēng)險進行綜合評價以及事故統(tǒng)計分析時，無法明確風(fēng)險因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，ISM作為一種系統(tǒng)分析方法可以用來探討隧道施工坍塌事故的成因，進而得到風(fēng)險因素間的因果關(guān)系。

1? 山嶺公路隧道施工坍塌風(fēng)險因素識別

山嶺公路隧道，即公路穿越丘陵、山嶺等地形所修建的隧道，其穿越地段地質(zhì)條件復(fù)雜多變，其圍巖以巖質(zhì)為主。坍塌過程中常伴有突水涌泥現(xiàn)象，事故發(fā)生的地段多為在圍巖穩(wěn)定性較差區(qū)域：如巖石風(fēng)化帶、斷層破碎帶、或者其他特殊不良地質(zhì)構(gòu)造。這些地段巖體具有破碎、節(jié)理裂隙多、易透水、強度差等特點，由于施工環(huán)境的暴露性，一旦地下水流入破碎巖體中，使得巖體的穩(wěn)定性降低，在自身重力、地下水以及施工擾動等諸多因素共同作用下打破其力學(xué)平衡，導(dǎo)致坍塌事故的發(fā)生。為了深入了解山嶺公路隧道施工坍塌事故的致因，從安全監(jiān)督管理局網(wǎng)站、安全管理網(wǎng)收集到2008-2019年17起山嶺公路隧道施工坍塌事故調(diào)查報告，表1列出了幾起較大山嶺公路隧道施工坍塌事故調(diào)查報告的原因。

通過對山嶺公路隧道施工坍塌事故調(diào)查報告的總結(jié)并結(jié)合成因分析，從三個方面對事故原因進行分類：人的因素、地質(zhì)水文因素、施工因素。

人的因素，從現(xiàn)場施工來看，施工現(xiàn)場主要包括管理人員（如項目負(fù)責(zé)人、施工負(fù)責(zé)人、安全員等）和施工人員（一線操作人員）。未進行三級教育培訓(xùn)或三級教育培訓(xùn)效果差，使得施工人員安全意識淡薄、自我防護能力不強，進而導(dǎo)致整個施工班組氛圍差，就會對施工現(xiàn)場環(huán)境和風(fēng)險認(rèn)識不足，會給施工帶來安全隱患。若管理人員對施工現(xiàn)場進行嚴(yán)格的安全管理，安全事故發(fā)生率會明顯降低，反之，事故發(fā)生率會提高。

施工因素，隧道施工包括開挖作業(yè)、初期支護、二次襯砌三個大的階段，也包含超前地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測[9]施工工序，整個施工過程都存在風(fēng)險因素。為了維持圍巖的穩(wěn)定，要做好隧道支護時機的選擇、強度形成的把握（如隧道開挖前的超前支護、開挖后的初期支護及緊接著施做的二次襯），施工過程中，通常超前支護不足，容易造成石塊松動導(dǎo)致小規(guī)模塌方發(fā)生，而初期支護強度不足可能造成嚴(yán)重的塌方事故。施工質(zhì)量問題經(jīng)常發(fā)生，如超挖，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)失真，信息反饋不及時，噴射混凝土不致密，噴射混凝土強度不能滿足設(shè)計要求等可能直接造成坍塌。隧道開挖后，巖體的應(yīng)力重分布與開挖擾動相結(jié)合，導(dǎo)致圍巖變形和失穩(wěn)，圍巖的原始平衡是隧道坍塌的原因和必要條件。導(dǎo)致圍巖受力情況（穩(wěn)定性）突變的因素[10]有：開挖方法、開挖作業(yè)、斷面尺寸、超挖、工序合理性等。二襯到掌子面的距離（施工步距）與隧道整體受力有關(guān)，是影響隧道穩(wěn)定性的一個重要因素。

地質(zhì)水文因素，主要包括隧道所處的地形地貌特征、自然環(huán)境等。地質(zhì)主要考慮圍巖級別、富水情況、特殊地質(zhì)，這些因素是隧道發(fā)生坍塌事故的主要客觀條件。一般來說，隧道圍巖穩(wěn)定性的一個主要因素是隧道施工中中級圍巖所占比例大?。ㄍǔＬ囟蔚膰鷰r以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主），高級別圍巖的自穩(wěn)能力很差。地下水是引起塌方的重要因素（據(jù)統(tǒng)計80%左右的隧道塌方都與地下水有關(guān)），主要體現(xiàn)在兩個方面：①地下水會進入破碎或節(jié)理發(fā)育的巖體，造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定;②地下水使得支護結(jié)構(gòu)整體強度不足。山嶺隧道中斷層破碎帶、偏壓地段居多，偏壓嚴(yán)重，隧道塌方風(fēng)險增加。

2? 建立山嶺公路隧道施工坍塌風(fēng)險因素ISM

2.1 ISM原理

ISM（解釋結(jié)構(gòu)模型），最開始是用來分析復(fù)雜的經(jīng)濟系統(tǒng)問題，原理是借助圖論和矩陣的相關(guān)理論，利用人們的知識和經(jīng)驗描述出各種已知的關(guān)系，將復(fù)雜系統(tǒng)分解為若干個子系統(tǒng)，通過矩陣做進一步運算，最終將復(fù)雜系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個多層遞階解釋結(jié)構(gòu)模型。其基本步驟[11]如下：①確定系統(tǒng)要素的二元關(guān)系;②根據(jù)二元關(guān)系，做出有向圖，建立鄰接矩陣;③根據(jù)鄰接矩陣，計算得到可達(dá)矩陣;④對可達(dá)矩陣進行區(qū)域劃分，得到各要素的層級分配;⑤建立解釋結(jié)構(gòu)模型。

2.2 確定風(fēng)險因素

基于上文對山嶺公路隧道施工坍塌事故風(fēng)險因素識別歸類，并征詢專家的意見。專家小組包括有經(jīng)驗的3位教授，以及7位有隧道施工經(jīng)驗的項目管理人員。通過專家們的深入分析，最終確定了造成山嶺公路隧道施工坍塌事故的20項風(fēng)險因素，即Si=1，2，…，20（見表2）。

2.3 建立風(fēng)險因素的鄰接矩陣

在確定了山嶺公路隧道坍塌風(fēng)險因素之后，就可以對因素之間的作用關(guān)系進行分析，根據(jù)專家經(jīng)驗，將20個影響因素以及結(jié)果指標(biāo)坍塌事故（S21）進行關(guān)聯(lián)分析。鄰接矩陣是有向圖的一種存儲方式，按照式（1）建立風(fēng)險因素之間的兩兩作用關(guān)系。如三級教育及安全培訓(xùn)不夠S2會直接造成施工隊伍整體狀況差S3，則S2可達(dá)S3，相應(yīng)的矩陣數(shù)值為1;再如滲水狀態(tài)S18對偏壓嚴(yán)重S19無直接影響，則S18不可達(dá)S19，相應(yīng)矩陣數(shù)值為0。

深入分析20個影響因素之間的邏輯關(guān)系，建立山嶺公路隧道施工坍塌風(fēng)險因素的鄰接矩陣A。

2.4 生成風(fēng)險因素的可達(dá)矩陣

將鄰接矩陣A與單位矩陣I的相加，基于布爾代數(shù)的運算規(guī)則，對某一整數(shù)n做矩陣A+I的冪運算計算出可達(dá)矩陣M，M應(yīng)滿足式（2）的條件。

當(dāng)成立時，就得到了可達(dá)矩陣M=（A+I）n。同樣，可達(dá)矩陣中的矩陣元素1或0代表著因素之間是否可達(dá)，1為可達(dá)，兩者有直接影響，0為不可達(dá)，則Si與Sj之間無影響。計算坍塌事故風(fēng)險因素的可達(dá)矩陣M如下：

2.5 劃分層級及建立解釋結(jié)構(gòu)模型

可達(dá)矩陣的層級劃分是為了確定造成山嶺公路隧道施工坍塌事故的各風(fēng)險因素所處的層次關(guān)系，有利于明晰各因素之間的關(guān)系。層級劃分過程如下：首先，對于得到的可達(dá)矩陣，抽取出因素所對應(yīng)的行中，矩陣元素為1的列構(gòu)成可達(dá)集合R（Si）;其次，抽取出因素所對應(yīng)的列中，矩陣元素為1的行構(gòu)成先行集合Q（Si）;最后根據(jù)判斷條件R（Si）∩Q（Si）=R（Si），找出最高級因素，并刪除，直到層級劃分結(jié)束。

依照上述過程，可以使用軟件進行計算，最終得到層級劃分：節(jié)點：L1={S21}，第2級節(jié)點：L2={S3，S12，S15}，第3級節(jié)點：L3={S1，S2，S5，S7，S13，S14}，第4級節(jié)點：L4={S4，S8，S10，S11，S19}，第5級節(jié)點L5={S16，S18，S20}，第6級節(jié)點L6={S6，S9，S17}。頂層節(jié)點表示坍塌事故風(fēng)險系統(tǒng)中的最直接風(fēng)險因素，往下每一層因素是上一層因素的原因，繼而得出（如圖2所示）的層次結(jié)構(gòu)。

3? 山嶺公路隧道施工坍塌風(fēng)險ISM分析

山嶺公路隧道施工坍塌風(fēng)險因素ISM是一個6級遞階結(jié)構(gòu)，這6個層級反映了山嶺公路隧道施工坍塌風(fēng)險形成的邏輯關(guān)系。

山嶺公路隧道坍塌事故的直接原因有三個：支護強度不足、施工擾動過大、施工隊伍整體狀況差。首先，施工人員安全意識淡薄、三級教育及安全培訓(xùn)不夠是造成施工隊伍整體狀況差的原因，引起施工隊伍整體狀況差的深層原因可能是施工現(xiàn)場安全管理不到位。其次，導(dǎo)致施工擾動過大的原因，其一是與施工人員相關(guān)（安全意識淡薄、三級教育及安全培訓(xùn)不夠）;其二主要是開挖作業(yè)造成的，即開挖過程中循環(huán)進尺過大，使得所形成的斷面過大，隧道整體的穩(wěn)定性降低。造成開挖過程中進尺過大，是由于兩方面的原因即開挖方法選擇不當(dāng)和閉合周期長，閉合周期過長的原因可能是超前支護不足，而開挖方式不當(dāng)與超前支護不足和偏壓的影響有關(guān)，超前支護不足主要是由于量測頻率及信息反饋不及時、圍巖強度差、滲水狀態(tài)，地質(zhì)與設(shè)計不符對地下水、圍巖強度、量測情況有影響，而地質(zhì)勘探與地質(zhì)情況具有強關(guān)聯(lián)。則導(dǎo)致隧道塌方的直接風(fēng)險因素施工擾動過大發(fā)生的深層原因有四個：開挖方法選擇不當(dāng)、施工現(xiàn)場安全管理不到位、地質(zhì)與設(shè)計不符、不良地質(zhì)的影響。最后，初支與圍巖不密貼是造成支護強度不足的原因，深層原因可能是噴錨質(zhì)量差，但是滲水狀態(tài)對噴混凝土質(zhì)量具有很強的影響。所以造成山嶺公路隧道施工坍塌事故的深層原因為：施工現(xiàn)場安全管理不到位、地質(zhì)與設(shè)計不符、開挖方法選擇不當(dāng)、偏壓嚴(yán)重、不良地質(zhì)的影響、噴錨質(zhì)量差、滲水狀態(tài)。

4? 結(jié)語

山嶺公路隧道施工坍塌風(fēng)險因素ISM以風(fēng)險因素間作用關(guān)系為依托，通過案例分析、文獻(xiàn)研究、專家經(jīng)驗量化了因素間相互關(guān)系，最終得到了坍塌事故風(fēng)險因素的層次結(jié)構(gòu)，明晰了因素之間的因果關(guān)系。

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作者簡介：吳正生（1975-），男，湖南株洲人，本科，中級職稱，研究方向為公路橋梁與隧道。