基于NGBN和FCEM的復(fù)雜環(huán)境隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估*

卓 彬，高 昕，姜早龍,，陳大川

(1.湖南湖大建設(shè)監(jiān)理有限公司，湖南 長沙 410082； 2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

0 引言

近幾年，基礎(chǔ)建設(shè)已逐漸成為拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長、擴(kuò)大短期有效需求和長期有效供給的重要措施。作為世界上建設(shè)隧道數(shù)量最多、發(fā)展速度最快的國家之一，完善的交通設(shè)施成為推進(jìn)我國社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的重要環(huán)節(jié)[1]。然而在多數(shù)隧道施工過程中，毗鄰現(xiàn)有建(構(gòu))筑物、地質(zhì)條件差、技術(shù)不當(dāng)、機(jī)械故障以及管理不到位等問題層出不窮，易導(dǎo)致隧道出現(xiàn)拱部坍塌、側(cè)壁失穩(wěn)、地表沉降等安全事故，隧道施工面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)[2-3]。因此，研究復(fù)雜環(huán)境隧道施工風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

綜上所述，目前大部分隧道施工風(fēng)險(xiǎn)研究對(duì)數(shù)據(jù)依賴高，存在僅從單方面不確定風(fēng)險(xiǎn)探討各影響因素之間關(guān)系的情況，而較少關(guān)注復(fù)雜環(huán)境隧道施工全部風(fēng)險(xiǎn)因素之間的關(guān)系，忽視了風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性與其帶來的損失，不利于對(duì)隧道進(jìn)行充分評(píng)估。因此，在沒有充足樣本數(shù)據(jù)的情況下，為準(zhǔn)確評(píng)估各種風(fēng)險(xiǎn)，本文針對(duì)圍巖巖質(zhì)軟、裂隙發(fā)育、邊坡穩(wěn)定性差、周邊緊鄰現(xiàn)有通行隧道、建(構(gòu))筑物等復(fù)雜環(huán)境隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問題，提出基于Noisy-or gate(MAX)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型和模糊綜合評(píng)價(jià)法的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。

1 風(fēng)險(xiǎn)分析方法

1.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian network, BN)是通過有向無環(huán)圖(directed acyclic graph, DAG)來實(shí)現(xiàn)多變量關(guān)系可視化的概率圖模型，對(duì)不確定性問題具有一定的表達(dá)和推理能力[13]，如圖1所示。圖模型由節(jié)點(diǎn)和有向邊構(gòu)成，表達(dá)了變量節(jié)點(diǎn)間的因果和條件相關(guān)關(guān)系。有向邊出發(fā)的起點(diǎn)表示原因變量，稱為父節(jié)點(diǎn)；有向邊指向的節(jié)點(diǎn)為結(jié)果變量，稱為子節(jié)點(diǎn)[14]。

圖1 DAG示意

貝葉斯原理是BN的理論基礎(chǔ)。父節(jié)點(diǎn)X1用先驗(yàn)概率表示為P(X1)，為邊緣分布函數(shù)；其余節(jié)點(diǎn)用條件概率表示為P(Xi|π(Xi))，為條件概率分布函數(shù)，其中π(Xi)為Xi的父節(jié)點(diǎn)集合[15]，如式(1)所示。若各變量之間相互獨(dú)立，n個(gè)變量的聯(lián)合概率分布P(X1,X2,…,Xn)如式(2)所示。如果每個(gè)變量節(jié)點(diǎn)均為二元變量，則有n個(gè)父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)需要已知2n個(gè)條件概率。

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(2)

1.2 Noisy-or gate模型

在利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)推理時(shí)，最重要的是合理確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的條件概率。Noisy-or gate模型是用來描述變量間內(nèi)在聯(lián)系的交互模型。模型假設(shè)：每個(gè)節(jié)點(diǎn)變量只有兩種狀態(tài)且各父節(jié)點(diǎn)之間相互獨(dú)立，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)變量都可單獨(dú)致險(xiǎn)，并不會(huì)受到其他變量的影響。因此，對(duì)于二元變量節(jié)點(diǎn)的條件概率如式(3)所示。

(3)

式中：xH表示事件X發(fā)生的集合，pi表示僅Xi發(fā)生時(shí)導(dǎo)致Y發(fā)生的概率。

但應(yīng)用過程中風(fēng)險(xiǎn)事件的描述往往有多種狀態(tài)，Noisy-or gate模型計(jì)算受到限制。Noisy-MAX模型是Noisy-or gate模型的泛化表達(dá)，適用于含有多個(gè)狀態(tài)的變量節(jié)點(diǎn)，且多元變量的多個(gè)狀態(tài)按一定順序排列，各變量之間相互獨(dú)立。因此，對(duì)于多元變量節(jié)點(diǎn)的條件概率如式(4)，(5)所示。

1.3 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法(fuzzy comprehensiv-e evaluation method, FCEM)是基于模糊理論，對(duì)不確定因素量化表達(dá)的評(píng)估方法，常用于模糊問題的定量評(píng)價(jià)。首先，在確定評(píng)價(jià)因素集與評(píng)語集的基礎(chǔ)上，確定變量權(quán)重V。其次，利用隸屬度函數(shù)將模糊不定的變量定量表達(dá)，進(jìn)而建立模糊隸屬度矩陣R。最后得出模糊綜合評(píng)價(jià)向量C，如式(6)所示。

C=V×R

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2 風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估過程

2.1 識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)因素

《安全生產(chǎn)事故隱患排查治理暫行規(guī)定》中將事故隱患定義為：可能導(dǎo)致事故發(fā)生的人的不安全行為、設(shè)備設(shè)施的不安全狀態(tài)、運(yùn)營或作業(yè)場(chǎng)所的不安全因素和管理上的缺陷。因此，風(fēng)險(xiǎn)因素可從人、設(shè)備、技術(shù)、環(huán)境、管理等方面考慮。同時(shí)基于全面質(zhì)量管理理論，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[1,14,16-18]和專家咨詢，提煉出18個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，從施工技術(shù)、機(jī)械、材料、環(huán)境、管理5個(gè)方面綜合考慮，進(jìn)而構(gòu)建了復(fù)雜環(huán)境隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖2所示。

圖2 復(fù)雜環(huán)境隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

參考《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南(試行)》中的四級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則評(píng)估復(fù)雜環(huán)境隧道施工風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)Ⅰ級(jí)到Ⅳ級(jí)分別從低到高表示低度、中度、高度、極高風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越高表示越容易造成災(zāi)難性事故。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分如表1所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

2.2 建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型包括確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。為理清各風(fēng)險(xiǎn)因素之間的因果關(guān)系，本文將復(fù)雜環(huán)境隧道施工風(fēng)險(xiǎn)層次圖轉(zhuǎn)化為有向無環(huán)圖，建立了BN結(jié)構(gòu)模型。由于復(fù)雜環(huán)境隧道施工風(fēng)險(xiǎn)具有偶然性和多變性，難以通過具體的數(shù)據(jù)來評(píng)定，故本文主要通過邀請(qǐng)業(yè)內(nèi)專家的方法來確定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。風(fēng)險(xiǎn)因素X1～X5和X11～X54為二元變量，可通過Noisy-or gate模型確定條件概率；隧道施工風(fēng)險(xiǎn)為多元變量，由Noisy-MAX模型確定。

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Netica由NORSYS software corp出品，是世界上應(yīng)用最廣泛的BN計(jì)算軟件。本文通過此軟件建立了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，確定了復(fù)雜環(huán)境隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)概率，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)測(cè)。

2.3 評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)損失和確定風(fēng)險(xiǎn)值

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法的計(jì)算思路，首先確定評(píng)價(jià)因素集，即復(fù)雜環(huán)境隧道施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)集，用X={X1,X2,…,Xn}表示，其中，Xi表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。其次，確定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)語集，用B={B1,B2,…,Bn}表示，與風(fēng)險(xiǎn)概率相對(duì)應(yīng)，本文評(píng)語集B={高度，較高，中度，低度}來描述。再次，確定風(fēng)險(xiǎn)變量權(quán)重，本文由專家經(jīng)驗(yàn)確定，通過1～5打分法具體表達(dá)，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，保證評(píng)價(jià)結(jié)果無顯著差異。由于評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊不確定性，因此本文選擇主觀經(jīng)驗(yàn)法來確定隸屬度向量，建立了隸屬度矩陣。最后，采用MATLAB計(jì)算復(fù)雜環(huán)境下隧道施工誘發(fā)安全事故所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)損失。

風(fēng)險(xiǎn)值由風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率與風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后果共同決定，即風(fēng)險(xiǎn)值為由貝葉斯網(wǎng)絡(luò)確定的風(fēng)險(xiǎn)概率P和由模糊綜合評(píng)價(jià)法確定的風(fēng)險(xiǎn)損失C的乘積，如式(8)所示。

D=P×C

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3 案例分析

3.1 工程概況

張家界市西部旅游通道楊家界大道工程，南起張桑高速公路教字埡互通，北至武陵源景區(qū)楊家界門票站。全線設(shè)置教子埡和青龍埡2座連拱隧道，共463m，兩座隧道均采用臺(tái)階法復(fù)合式襯砌施工，隧道效果如圖3所示。

圖3 隧道效果

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，隧址區(qū)主要為粉質(zhì)黏土、少量碎石土等。隧道洞口仰坡土體，在雨水浸潤、沖刷侵蝕作用下，易發(fā)生變形破壞，開挖后極易失穩(wěn)。隧址區(qū)地表及地下水不發(fā)育，主要為溪流水、大氣降水和基巖裂隙水滲流。隧址圍巖巖體主要為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化頁巖及粉砂巖。強(qiáng)風(fēng)化頁巖及粉砂巖為隧道洞口段圍巖的重要組成部分，屬極軟巖，由于長期受雨水浸泡影響，強(qiáng)度降低，自穩(wěn)能力極差。中風(fēng)化頁巖及粉砂巖為洞身段圍巖的重要組成部分，巖質(zhì)總體較軟，巖體完整性一般，自穩(wěn)能力稍差。此類巖體在開挖受到擾動(dòng)后易失穩(wěn)產(chǎn)生崩塌。

兩條隧道周邊環(huán)境復(fù)雜多變。教字埡隧道進(jìn)出口均有房屋，場(chǎng)地狹小，隧道頂有一中學(xué)；青龍埡隧道出口線路右側(cè)緊鄰兩處民房，分別距隧道22，52m；隧道線路左側(cè)近鄰現(xiàn)有襯砌無鋼筋通行隧道，兩隧道最近距離7m，最遠(yuǎn)距離22m，且砂漿不飽滿現(xiàn)象嚴(yán)重；隧道進(jìn)口段洞口無工作面，施工困難。

總體來看，兩隧道均存在洞口仰坡及左側(cè)邊坡坡體穩(wěn)定性差，圍巖巖質(zhì)軟、巖體破碎，自穩(wěn)能力差等問題，無支護(hù)時(shí)拱部易坍塌，側(cè)壁易失穩(wěn)。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估

選取教子埡和青龍埡兩座連拱隧道為研究對(duì)象，邀請(qǐng)10位專家評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)變量間的致險(xiǎn)等級(jí)，進(jìn)而計(jì)算每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的概率分布，利用Netica建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。專家構(gòu)成如表2所示，其中專家水平越高評(píng)價(jià)結(jié)果越具有權(quán)威性，所占權(quán)重越大。評(píng)估結(jié)果如圖4所示。

圖4 復(fù)雜環(huán)境隧道施工風(fēng)險(xiǎn)概率

表2 專家構(gòu)成

風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估結(jié)果顯示，該隧道施工風(fēng)險(xiǎn)概率處于高度、中度、低度風(fēng)險(xiǎn)的可能性較大，分別達(dá)到22.6%，38.5%和32.5%。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)估和綜合評(píng)估

通過專家打分得到兩兩風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相對(duì)重要性評(píng)定數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)造判斷矩陣，借助Matlab計(jì)算得到最大特征值及風(fēng)險(xiǎn)變量權(quán)重，權(quán)重向量如表3所示，且CR均小于0.1，滿足一致性檢驗(yàn)。隸屬度向量如式(9)～(14)所示。

表3 各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重向量

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根據(jù)權(quán)重向量和隸屬度向量求得張家界市西部旅游通道楊家界大道隧道工程的風(fēng)險(xiǎn)損失C=[0.062，0.251，0.420，0.267]，由此得出，隧道的風(fēng)險(xiǎn)損失為中度。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算公式，可求得張家界市西部旅游通道楊家界大道隧道工程的綜合風(fēng)險(xiǎn)D=[0.004，0.056 7，0.161 7，0.086 8]，各因素的風(fēng)險(xiǎn)值如表4所示，形成的折線如圖5所示。由此得出，復(fù)雜環(huán)境隧道工程施工的綜合風(fēng)險(xiǎn)為中度風(fēng)險(xiǎn)。其中，施工環(huán)境和施工技術(shù)是影響風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)的重要因素，特別是在施工過程應(yīng)多加注意不穩(wěn)定的施工環(huán)境對(duì)隧道工程的影響，并提前采取相應(yīng)措施，避免安全事故的發(fā)生。

表4 各因素的風(fēng)險(xiǎn)值

3.4 風(fēng)險(xiǎn)控制

針對(duì)復(fù)雜環(huán)境隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)，在施工過程中應(yīng)對(duì)隧道洞內(nèi)外進(jìn)行觀察，對(duì)周邊位移、新建隧道進(jìn)出口仰坡地表豎向變形，拱頂、地表下沉，爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，適時(shí)采取相應(yīng)措施。因施工環(huán)境臨近現(xiàn)有通行隧道、現(xiàn)有民房等建(構(gòu))筑物，為高度風(fēng)險(xiǎn)。因此隧道施工宜采用水壓爆破技術(shù)來嚴(yán)控爆破參數(shù)，降低振動(dòng)影響，保證現(xiàn)有建構(gòu)筑物的安全。施工過程應(yīng)按照少擾動(dòng)、管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、緊襯砌、勤量測(cè)、速反饋的施工原則，盡量減輕對(duì)原有地質(zhì)地貌的擾動(dòng)，將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)貫穿整個(gè)隧道施工過程，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)隧道情況，及時(shí)采取相應(yīng)措施，確保隧道施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4 結(jié)語

隧道施工是一項(xiàng)受水文地質(zhì)影響較大的高風(fēng)險(xiǎn)工程，面臨極大的不確定性，因此對(duì)復(fù)雜環(huán)境隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法是否合理，將直接關(guān)系到整個(gè)隧道工程的安全。本文采用BN，Noisy-or Gate模型和FCEM對(duì)張家界市西部旅游通道楊家界大道隧道工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，主要結(jié)論如下。

1)采用文獻(xiàn)查閱法，結(jié)合工程實(shí)際，建立了基于施工技術(shù)、施工機(jī)械、施工材料、施工環(huán)境和施工管理的復(fù)雜環(huán)境隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，并將其轉(zhuǎn)化為有向無環(huán)圖，確定了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型。

2)基于Noisy-or gate(MAX)模型確定概率參數(shù)，通過NETICA建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)測(cè)。同時(shí)，基于FCEM計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)損失，綜合考慮了風(fēng)險(xiǎn)概率和風(fēng)險(xiǎn)損失對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值的影響。

3)結(jié)合張家界市西部旅游通道楊家界大道項(xiàng)目的隧道工程，利用Noisy-or gate貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型和模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，評(píng)估結(jié)果與工程實(shí)際情況相符，并提出風(fēng)險(xiǎn)管控措施。

除此之外，本文建立的靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)未考慮施工動(dòng)態(tài)影響，可結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步研究，使評(píng)價(jià)過程和結(jié)果更加可靠、準(zhǔn)確。同時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)因素往往并非完全獨(dú)立，未來可進(jìn)一步考慮風(fēng)險(xiǎn)因素耦合作用，實(shí)現(xiàn)模型優(yōu)化。