基于PHA-LEC 結(jié)合層次分析法的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估*

劉 恒，劉 春，周義舒

（重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，重慶401331）

1 概述

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速發(fā)展，在工程實(shí)際中越來越多的淺埋偏壓隧道呈現(xiàn)于隧道工作者的面前。由于淺埋偏壓隧道洞身段圍巖巖體結(jié)構(gòu)特征較為復(fù)雜，隧道開挖過程中圍巖應(yīng)力及周圍變形較大，很難保證巖體穩(wěn)定性，極易引發(fā)冒頂、坍塌等工程事故，對于施工人員生命和財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅并嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，所以對于淺埋偏壓隧道段的風(fēng)險(xiǎn)研究顯得尤為重要。

國內(nèi)外學(xué)者對隧道風(fēng)險(xiǎn)評估均開展了研究工作，從理論方法、數(shù)學(xué)模型到程序設(shè)計(jì)和開發(fā)等方面都有涉及，且取得了一定的研究和技術(shù)成果。自20 世紀(jì)70年代美國Einstein.H.H 等最先在地下空間工程與隧道中引入風(fēng)險(xiǎn)分析概念[1]，自此歐美國家在隧道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)管理等方面開展了大量研究工作。我國地下空間工程與隧道風(fēng)險(xiǎn)評估研究起步較晚，但隨著我國地下空間大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用，隧道風(fēng)險(xiǎn)評估工作也得到了廣泛關(guān)注。毛儒[2]引入風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法在隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評估中應(yīng)用的思想，得到許多隧道工作者認(rèn)可和應(yīng)用，此后很多學(xué)者運(yùn)用數(shù)學(xué)模型開展研究隧道風(fēng)險(xiǎn)評估工作。陳潔金等[3]采用模糊層次綜合評判法對隧道施工塌方開展了風(fēng)險(xiǎn)評估工作，分析各影響因素與塌方發(fā)生概率之間的隸屬函數(shù)，并綜合確定評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，從而建立塌方風(fēng)險(xiǎn)模糊層次評估模型。顧偉紅等[4]運(yùn)用系統(tǒng)工程解釋結(jié)構(gòu)模型（ISM）結(jié)合模糊故障樹模型方法對鐵路黃土隧道塌方事故進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，兩種模型相結(jié)合，從定性定量的角度對隧道施工風(fēng)險(xiǎn)規(guī)律特征進(jìn)行了描述。雷剛等[5]以青島地鐵青人區(qū)間為依托，采用層次分析法開展了風(fēng)險(xiǎn)評估工作，得出了危險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)并對各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)源提出了相應(yīng)的防范措施。宋平原[6]以某工程為背景，利用可拓模型并結(jié)合層次分析法對隧道洞口段進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評估，該評估模型成功地應(yīng)用于實(shí)際工程中。Sun 等[7]基于模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合以往數(shù)據(jù)、專家評價(jià)、概率分布、差異分析、敏感性分析，提出了隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)綜合評估方法。

上述研究都是以隧道施工過程狀態(tài)為初始時(shí)間線開展分析并評價(jià)系統(tǒng)整體的風(fēng)險(xiǎn)等級，提出綜合防范措施[8-11]，而對隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估的研究對象及影響系統(tǒng)安全的關(guān)鍵因素沒有進(jìn)行具體的過程描述。本文從安全系統(tǒng)的理論和觀點(diǎn)出發(fā)，對隧道施工過程的危險(xiǎn)因素采用PHA 法進(jìn)行系統(tǒng)地描述和分析，充分采取與綜合各專家、管理人員意見后，得出LEC 評價(jià)分值表，找出危險(xiǎn)性分值最高的因素，對風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果進(jìn)一步運(yùn)用AHP 法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。由權(quán)重值的定量結(jié)果得到關(guān)鍵因素，提出具體的防范措施，實(shí)現(xiàn)合理且完整的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估過程。

2 人和隧道工程概況

人和隧道位于重慶市云陽縣境內(nèi)，為單線雙洞隧道。隧道進(jìn)口段位于巖堆上，地形高陡，中心里程為DK788+144，全長8292m。本文選取人和隧道線路DK792+100～DK792+300 段，該段巖層分布主要為泥質(zhì)砂巖塊石，碎石約占60%，粒徑10～20cm 居多，塊石約占20%，粒徑20～100cm，余為巖質(zhì)角礫及粉質(zhì)黏土填充，厚5～15cm。隧道洞身圍巖為侏羅系上沙溪廟組（J2s）和下沙溪廟組（J2xs）泥巖夾砂巖、砂巖。隧道巖層總體單斜，產(chǎn)狀變化較大，傾角較緩，巖層走向與線路夾角一般為4°～41°，傾向線路左側(cè)，在橫斷面視傾角14°～22°，隧道洞身右側(cè)存在地形偏壓。

3 人和隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估

3.1 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估概述

在隧道建設(shè)工程中風(fēng)險(xiǎn)評估是不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，其中風(fēng)險(xiǎn)分析[12]是風(fēng)險(xiǎn)評估的首要內(nèi)容以及關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過開展風(fēng)險(xiǎn)評估工作，辨識(shí)隧道施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)因素，識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的潛在規(guī)律，從而正確把握風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的實(shí)質(zhì)，降低風(fēng)險(xiǎn)演變?yōu)槭鹿实目赡苄?，確保施工過程中的人員和財(cái)產(chǎn)安全。

3.2 人和隧道施工預(yù)先危險(xiǎn)性分析

根據(jù)人和隧道的施工設(shè)計(jì)、安全技術(shù)、安全文件等資料，依據(jù)相關(guān)法律法規(guī)結(jié)合人和隧道線路DK792+100～DK792+300 段地質(zhì)特征，對人和隧道施工進(jìn)行預(yù)先危險(xiǎn)性分析如表1。

表1 人和隧道施工預(yù)先危險(xiǎn)性分析

表2 危險(xiǎn)性等級分布表

3.3 偏壓隧道施工作業(yè)條件危險(xiǎn)性評價(jià)

由于預(yù)先危險(xiǎn)性分析法確定的危險(xiǎn)等級是根據(jù)專家對類似工程風(fēng)險(xiǎn)的經(jīng)驗(yàn)判斷帶有人為的主觀性，不能很好地反映風(fēng)險(xiǎn)事件的危險(xiǎn)性。因此，決定采用作業(yè)條件危險(xiǎn)性評價(jià)（LEC）法重新定量分析上述表格中的危險(xiǎn)等級，給出科學(xué)合理的定量分析過程。

作業(yè)條件危險(xiǎn)性評價(jià)（LEC）法，主要是通過安全指標(biāo)定量分析研究工作人員在施工作業(yè)中的風(fēng)險(xiǎn)性，以三種安全指標(biāo)值的乘積得出的數(shù)值來對比評價(jià)工作的危險(xiǎn)性。這三種指標(biāo)分別是：L（likelihood，偏壓隧道施工中風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的可能性）、E（exposure，隧道作業(yè)人員暴露于危險(xiǎn)環(huán)境中的頻率）和C（criticality，風(fēng)險(xiǎn)事件導(dǎo)致事故后造成的后果）。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)事件在隧道工程中的實(shí)際情況，給出三個(gè)因素的分值，作為自變量。作業(yè)條件的危險(xiǎn)性D（danger）作為應(yīng)變量，其與三個(gè)因素的函數(shù)關(guān)系式為：

由上述函數(shù)關(guān)系式，充分整合專家意見分值，計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)因素的危險(xiǎn)性分值，按分值大小與危險(xiǎn)性程度等級表進(jìn)行對比，得出危險(xiǎn)程度。

偏壓隧道施工作業(yè)條件中的各項(xiàng)分值如表3-表6。

根據(jù)上述函數(shù)關(guān)系式及表格結(jié)合現(xiàn)場技術(shù)人員的咨詢及相關(guān)專家的意見，充分綜合考量后對人和隧道施工PHA 中的危險(xiǎn)因素的危險(xiǎn)等級重新進(jìn)行定量分析計(jì)算，分析結(jié)果如表7。

表3 偏壓隧道施工中風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的可能性分值（L）

表4 隧道作業(yè)人員暴露于危險(xiǎn)環(huán)境中的頻率（E）

表6 危險(xiǎn)性程度等級

表7 偏壓隧道施工作業(yè)條件危險(xiǎn)性評價(jià)

通過運(yùn)用PHA-LEC 法[13]對人和隧道施工過程進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，其中危險(xiǎn)等級最高的為隧洞原巖應(yīng)力變化失衡，其危險(xiǎn)性分值為1440，是其他危險(xiǎn)性因素分值的幾倍之多，因此針對隧道施工影響原巖應(yīng)力變化失衡的因素應(yīng)開展進(jìn)一步分析。本文采用層次分析法對影響圍巖應(yīng)力穩(wěn)定性的各因素加以權(quán)重?cái)?shù)量化的描述，更深層次的挖掘影響偏壓隧道工程圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。對于偏壓隧道施工過程中其他危險(xiǎn)因素也不可忽略，在開發(fā)設(shè)計(jì)、專項(xiàng)檢查、日常維護(hù)等過程中工作人員、管理人員、技術(shù)人員應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)安全規(guī)定、設(shè)計(jì)要求，落實(shí)到位具體安全責(zé)任，保證隧道施工安全標(biāo)準(zhǔn)化、細(xì)則化，盡最大限度減少因人為失誤導(dǎo)致隧道施工過程中事故發(fā)生的可能性。

4 人和隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

由上述風(fēng)險(xiǎn)分析已給出偏壓隧道施工過程中風(fēng)險(xiǎn)因素的危險(xiǎn)等級，針對隧洞原巖應(yīng)力失衡開展風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，找出影響隧洞圍巖應(yīng)力穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。本文采用層次分析法（AHP）對影響偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析，從工程地質(zhì)、工程技術(shù)、巖體力學(xué)特征三個(gè)方面考慮，計(jì)算得到各因素對于總目標(biāo)的權(quán)重值并進(jìn)行排序，根據(jù)得到的結(jié)果做出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，實(shí)現(xiàn)對上述定性事故定量分析的過程，找出影響偏壓隧道洞身段圍巖應(yīng)力失穩(wěn)變化的關(guān)鍵因素并提出相應(yīng)建議。

4.1 層次分析法（AHP）步驟

（1）根據(jù)層次分析法的理論知識(shí)結(jié)合人和隧道特殊段的地質(zhì)特征，從工程地質(zhì)、工程技術(shù)、巖體力學(xué)特征三個(gè)方面構(gòu)建層次遞階結(jié)構(gòu)模型，如圖1。

圖1 偏壓隧道圍巖變化失穩(wěn)層次結(jié)構(gòu)模型

（2）根據(jù)偏壓隧道圍巖變化失穩(wěn)層次結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)相關(guān)專家意見對比得到因素間的相對重要性，構(gòu)造判斷矩陣。對于判斷矩陣中各因素之間的相對重要性比較采用標(biāo)度法表示，具體含義如表8 所示。構(gòu)造判斷矩陣G-C如表9。

表8 判斷矩陣標(biāo)度含義

（3）層次單排序是構(gòu)造判斷矩陣G-C 對于目標(biāo)層而言各因素的單層權(quán)重。由公式3 對列向量歸一化，再由公式4 及公式5 求行和并歸一化，即可求得準(zhǔn)則層C 中各因素的權(quán)重向量wi。

表9 判斷矩陣G-C

對于判斷矩陣G-C 計(jì)算得其權(quán)重向量為：

（4）根據(jù)公式（5）計(jì)算判斷矩陣最大特征值λmax。

求得λmax=3.0539。

判斷矩陣的一致性是通過一致性比例CR 來檢驗(yàn)的，其計(jì)算公式如下：

其中RI 代表隨機(jī)一致性指標(biāo)，其具體數(shù)值含義是根據(jù)以往研究者得到的結(jié)論，經(jīng)過學(xué)者檢驗(yàn)使用得到大眾普遍認(rèn)可。具體賦值含義如表10。

表10 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

當(dāng)CR<0.1 時(shí)，可以判斷矩陣具有一致性，如若CR>0.1 則該判斷矩陣不具有一致性，需要對其中的數(shù)據(jù)重新判斷，采取多位專家意見，確定合理的指標(biāo)數(shù)值。有上述公式，經(jīng)計(jì)算得到判斷矩陣G-C 的一致性比例CR=0.0465<0.1，滿足一致性。

表11 判斷矩陣C1-P

表12 判斷矩陣C2-P

（5）同理，可計(jì)算方案層P 各因素對于準(zhǔn)則層C 的層次單排序，見表11-13。

表13 判斷矩陣C3-P

對上述三個(gè)判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算得到CR，其計(jì)算結(jié)果如表14 所示。

表14 判斷矩陣一致性檢驗(yàn)結(jié)果

4.2 AHP 評價(jià)結(jié)果分析

上述結(jié)果已表明層次單排序的權(quán)值，根據(jù)各指標(biāo)層的單層排序權(quán)值可以計(jì)算出方案層中的每一個(gè)因素對于目標(biāo)層相對重要性的總權(quán)重，計(jì)算結(jié)果如表15 所示。

表15 影響因素層次總排序

層次分析結(jié)果表明，巖體結(jié)構(gòu)特征所占權(quán)重最大，分值為0.2924。其次分別是地應(yīng)力、巖體強(qiáng)度，權(quán)重值分別為0.2296、0.1681。由于隧道工程要穿越的地段早已形成固有的巖體結(jié)構(gòu)及地質(zhì)特征，且考慮到環(huán)境資源、路線長度等實(shí)際影響，在正式施工前一定要預(yù)先做好地質(zhì)勘察工作，詳細(xì)了解隧道周圍的巖體結(jié)構(gòu)特征及地形地貌，特別是軟弱、破碎巖層的具體位置。所以針對隧道工程安全施工的關(guān)鍵應(yīng)該是在固有的地形地貌上分析其復(fù)雜的地質(zhì)特征從而找出應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)特征的施工方法及安全決策。而僅次于這三個(gè)因素的是施工方法，居于總排序的第四位，其權(quán)重值達(dá)到了0.0946。說明施工方法也是影響偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，且可根據(jù)項(xiàng)目工程地段的固有地質(zhì)特征選用合理可行的施工方案是人為可控的，并在遵循自然規(guī)律的前提下充分發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性符合人類社會(huì)發(fā)展規(guī)律。

5 防范策略

基于上述隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估過程，從安全系統(tǒng)優(yōu)化角度對人和隧道施工方法及安全控制措施進(jìn)行科學(xué)選擇和評價(jià)，具體防范措施及建議如下：

（1）按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求可采用超前小導(dǎo)管、超前周邊注漿等預(yù)加固措施，向設(shè)計(jì)、建設(shè)單位及時(shí)反饋，確保預(yù)加固效果明顯。

（2）充分保護(hù)隧洞圍巖穩(wěn)定性，采用人-機(jī)結(jié)合的方式進(jìn)行開挖，臨近隧道輪廓線時(shí)人工開挖。

（3）為保證施工安全，軟弱、破碎圍巖淺埋偏壓段，開挖時(shí)嚴(yán)格采用控制變形相對較好的施工方法，如CD 法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。

（4）根據(jù)不同的施工方法及圍巖特性，選擇合理的支護(hù)類型、支護(hù)參數(shù)，嚴(yán)格控制支護(hù)閉合時(shí)間及開挖循環(huán)進(jìn)尺，確保施工安全。

（5）配備專業(yè)人員進(jìn)行隧道支護(hù)、沉降、變形等監(jiān)控量測工作，及時(shí)向相關(guān)部門反應(yīng)情況，提前做好防護(hù)工作。

6 結(jié)論

本文以人和隧道為工程研究背景，開展隧道施工系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估工作，綜合分析偏壓隧道施工過程風(fēng)險(xiǎn)因素，本文得到的主要結(jié)論如下：

（1）運(yùn)用PHA-LEC 法識(shí)別出隧道施工過程危險(xiǎn)因素并對各項(xiàng)因素評估危險(xiǎn)性分值。分析結(jié)果表明隧道施工過程狀態(tài)中最主要的危險(xiǎn)因素為隧洞原巖應(yīng)力變化失衡，其危險(xiǎn)性分值遠(yuǎn)高于其他因素。

（2）利用層次分析法進(jìn)一步評價(jià)影響隧洞圍巖應(yīng)力穩(wěn)定性的各指標(biāo)因素，其中，巖石強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)特征及地應(yīng)力是影響圍巖失穩(wěn)的前三位重要因素，施工方法是偏壓隧道施工過程中圍巖應(yīng)力變化失穩(wěn)的第四位重要因素?？紤]到前三位固有因素對本隧道產(chǎn)生的不可避免影響，故設(shè)計(jì)合理可行的施工方案才是本隧道施工過程中的關(guān)鍵可控因素。

（3）本文通過預(yù)先危險(xiǎn)性分析、作業(yè)條件危險(xiǎn)性分析結(jié)合層次分析法對隧道施工狀態(tài)開展了科學(xué)完整的風(fēng)險(xiǎn)評估工作。評估過程中對各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素均提出了相應(yīng)的防范措施，如短開挖，強(qiáng)支護(hù)，勤監(jiān)測等，同時(shí)對危險(xiǎn)性最大的因素，即隧洞原巖應(yīng)力失衡提出了相應(yīng)的防范策略，以達(dá)到施工安全的目的。