某山洞隧道工程施工風(fēng)險評估研究＊

楊亞寧

（湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430068）

隨著中國經(jīng)濟高速發(fā)展，社會經(jīng)濟水平和人們生活質(zhì)量不斷提高，人們往往追求更便利的出行方式，如城市地鐵、現(xiàn)代高鐵、高速公路等。隧道工程交通運輸?shù)暮诵?，發(fā)展也極為迅速，如長度從20 世紀(jì)末的10 km 躍升到20 km 級，再到2018 年建成且投入運營的港珠澳大橋海底沉管隧道長達(dá)5 664 m；數(shù)量從1980 年的4 386 座增長到2019 年的16 798 座，2020 年新增開通鐵路隧道714 座，總長約1 589 km；在建鐵路隧道2 746 座，總長約6 083 km；規(guī)劃鐵路隧道6 395 座，總長約16 325 km。

隧道工程在發(fā)展的同時，施工線路難免會穿越城市復(fù)雜地下空間、野外山川與河流，因隧道工程施工困難及施工安全等問題造成施工中風(fēng)險事故不斷增加、風(fēng)險損失不斷增大。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對隧道工程施工做了大量研究。因此，本文依托武漢市某山洞隧道工程，對其進行風(fēng)險評估，首先根據(jù)實際施工情況將隧道施工工序進行分解，再識別每道工序的風(fēng)險事件及風(fēng)險因素，最后利用層次分析法及綜合集成法對其進行風(fēng)險評估，根據(jù)風(fēng)險等級定義表，得出隧道工程施工風(fēng)險等級。

1 隧道工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

本文依托某山洞隧道施工工程，隧道全長約525.5 m，隧洞寬3.0～12.0 m，高3.25～6.2 m，隧道為Ⅴ～Ⅳ級圍巖，其中Ⅴ級圍巖段長380.5 m，Ⅳ級圍巖段長145 m。

1.2 工程特點

本隧道均采用非爆破開挖方式，工期壓力大，主要采用破碎頭與人工配合開挖；隧道洞身圍巖主要有Ⅳ、Ⅴ級，以Ⅴ級軟弱圍巖為主，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，施工難度高。

2 隧道風(fēng)險識別

隧道施工過程風(fēng)險因素識別是找出影響其工程安全的關(guān)鍵風(fēng)險因素，是風(fēng)險管理的第一步，也是風(fēng)險評估的依據(jù)和前提。通過對隧道、豎井施工過程中可能發(fā)生的風(fēng)險事故進行分析，對比文獻、實際施工資料，總結(jié)歸納出影響風(fēng)險施工發(fā)生的風(fēng)險因素，針對風(fēng)險因素進行風(fēng)險分析及風(fēng)險控制。論文基于武漢某山洞隧道施工風(fēng)險因素識別，并對其風(fēng)險分析。

根據(jù)本工程實際施工，將隧道施工風(fēng)險分為四部分：洞身超前支護H1、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工及初期支護H2、仰拱及填充H3、二次襯砌H4，對可能出現(xiàn)在施工過程中的四種風(fēng)險進行估值評分。

3 風(fēng)險評估

風(fēng)險評估是在風(fēng)險識別、分析的基礎(chǔ)上對風(fēng)險進行評價，通過層次分析法對風(fēng)險事件、風(fēng)險因素進行權(quán)重計算，再根據(jù)專家調(diào)查權(quán)重法估算出下級風(fēng)險因素發(fā)生的概率以及發(fā)生的后果影響，最后將下級風(fēng)險因素權(quán)重與下級風(fēng)險因素發(fā)生的概率與后果影響進行綜合計算，得出隧道工程施工風(fēng)險等級。

3.1 基于AHP 的指標(biāo)權(quán)重確定

利用層次分析法將同等級風(fēng)險因素兩兩相互比較[7]，采用1～9 比率標(biāo)度法對各風(fēng)險因素進行對比分析并構(gòu)建判斷矩陣，通過求解判斷矩陣的特征向量得到各風(fēng)險因素的相對權(quán)重。

最大特征值λmax與特征向量W之間的關(guān)系為AW=λmaxW。上式中W分量為相應(yīng)n個因素的權(quán)重：

其中，相對權(quán)重為：

幾何平均值為：

3.2 豎井工程風(fēng)險等級計算

以實際工程施工為基礎(chǔ)，針對隧道施工過程中的風(fēng)險事件、風(fēng)險因素，邀請在隧道工程領(lǐng)域有一定建樹的專家對其發(fā)生的概率P及發(fā)生后果C按照風(fēng)險概率范圍和風(fēng)險因素發(fā)生概率描述估值打分，結(jié)果如表1 和表2 所示。

表1 風(fēng)險因素發(fā)生概率等級標(biāo)準(zhǔn)

表2 風(fēng)險因素發(fā)生后果等級標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)式（1）對風(fēng)險因素進行風(fēng)險概率計算：

式（1）中：R為風(fēng)險概率值；P為風(fēng)險因素發(fā)生的概率；C為風(fēng)險因素發(fā)生后果的等級概率。

例如，風(fēng)險因素“小導(dǎo)管布置不當(dāng)”的風(fēng)險概率值為：R=P+C－P×C=0.2+0.4－0.2×0.4=0.52。

同理，可以計算出“工作面局部塌陷”中其他風(fēng)險因素的風(fēng)險概率值，將計算出的風(fēng)險概率值組成向量：N1=（0.52，0.60）。

其他風(fēng)險事故的風(fēng)險概率值向量分別為：支護變形N2=（0.51，0.44），導(dǎo)洞斷面坍塌N3=（0.51，0.65，0.37），拱頂沉降N4=（0.52，0.44），支撐失穩(wěn)N5=（0.44，0.37，0.52），仰拱填充隆起變形N6=（0.58，0.68，0.28），澆筑失穩(wěn)N7=（0.65，0.36，0.44）。

采用綜合集成方法，根據(jù)式（2）計算各風(fēng)險事故的風(fēng)險概率值：

式（2）中：R為各風(fēng)險事故風(fēng)險概率值；W為各風(fēng)險因素的權(quán)重向量；N為各風(fēng)險事故的風(fēng)險概率值向量。

計算可得工作面局部塌陷的風(fēng)險概率值為0.573，支護變形為0.493，導(dǎo)洞斷面坍塌為0.578，拱頂沉降為0.504，支撐失穩(wěn)為0.483，仰拱填充隆起變形為0.621，澆筑失穩(wěn)為0.557。

即可以得出關(guān)鍵技術(shù)施工風(fēng)險概率值向量為：洞身超前支護P（H1）=（0.573，0.493），雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工及初期支護P（H2）=（0.578，0.504，0.483），仰拱及填充P（H3）=（0.621），拱墻二次襯砌P（H4）=（0.557）。

同理根據(jù)式（2）可以得出洞身超前支護的風(fēng)險概率值為0.553，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工及初期支護為0.641，仰拱及填充為0.621，拱墻二次襯砌為0.557。

則各關(guān)鍵技術(shù)施工風(fēng)險概率值組成的向量為（0.553，0.541，0.621，0.557），那么隧道工程施工的風(fēng)險概率值為：R=W×B=0.553×0.157+0.641×0.505+0.621×0.245+0.557×0.088=0.611。

根據(jù)風(fēng)險等級的定義，該隧道工程風(fēng)險等級為4 級，屬于較高等級，風(fēng)險處于較高等級，風(fēng)險后果非常嚴(yán)重，可能對工程有大范圍的破壞以及人員的傷亡，應(yīng)立即采取緊急安全應(yīng)急預(yù)案，采取相應(yīng)的措施。

4 結(jié)論

本文結(jié)合武漢市某隧道、豎井實際工程，通過研究國內(nèi)外相關(guān)理論和方法，結(jié)合工程實際，對隧道、豎井施工過程進行風(fēng)險識別、風(fēng)險分析、風(fēng)險評價及風(fēng)險控制，形成較為完整的風(fēng)險管理體系。主要結(jié)論如下。

通過對實際施工過程的研究，將隧道施工過程分解為洞身超前支護、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工及初期支護、仰拱及填充、拱墻二次襯砌，識別各工序可能發(fā)生的風(fēng)險因素，在風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建隧道、大型豎井施工過程的風(fēng)險評價體系，為之后分析和評價作鋪墊。

在隧道施工過程的風(fēng)險評價體系的基礎(chǔ)上，首先利用判斷矩陣確定層次分析法模型中各級指標(biāo)風(fēng)險因素權(quán)重值，其次，在專家調(diào)查權(quán)重法基礎(chǔ)上計算層次分析法中下級指標(biāo)風(fēng)險概率值。最后，根據(jù)綜合集成法分別計算出風(fēng)險事故發(fā)生的風(fēng)險概率值和頂事件風(fēng)險事故風(fēng)險概率值。根據(jù)風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)得出隧道風(fēng)險等級結(jié)果表明，此隧道施工風(fēng)險等級均為4 級，關(guān)鍵風(fēng)險因素為未及時封面、不對稱開挖、澆筑方式不正確、未設(shè)置防水板。以武漢某山洞隧道為實例，在實際施工時，應(yīng)該以人為基礎(chǔ)，施工方案為核心，日常監(jiān)控為輔助對工程進行風(fēng)險管理，確保人員以及工程的安全。