隧道突泥涌水情景構(gòu)建及演化狀態(tài)預(yù)測(cè)模型*

項(xiàng) 琴，朱宏偉，杜義祥，李明駿

(1.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010;2.四川振通檢測(cè)股份有限公司，四川 綿陽(yáng) 621010)

0 引言

在隧道施工地質(zhì)災(zāi)害中，突泥涌水發(fā)生的概率和傷亡規(guī)模均居于前列。由于隧道突泥涌水事故風(fēng)險(xiǎn)因素眾多、難以精確預(yù)報(bào)、現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜、救援疏散緊急、決策時(shí)間緊迫，使得其風(fēng)險(xiǎn)管控和應(yīng)急準(zhǔn)備尤為重要。突發(fā)事件情景構(gòu)建技術(shù)可為突發(fā)事件應(yīng)急準(zhǔn)備、應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急演練提供依據(jù)，將其應(yīng)用于隧道突泥涌水應(yīng)急管理，具有非常迫切的需求。

學(xué)者們普遍認(rèn)為突發(fā)事件情景構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)災(zāi)害應(yīng)急管理的有效手段[1-3]。以王永明[1]、劉鐵民[4]、李湖生[5]等為代表的應(yīng)急管理專家和學(xué)者對(duì)情景構(gòu)建方法展開了研究，提出了情景構(gòu)建的技術(shù)框架為“構(gòu)建情景-梳理任務(wù)-評(píng)估能力”；屈靜等[6]基于動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了輸油管道泄漏事故的情景推演模型；王喆等[7]采用知識(shí)元模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，研究了城鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害情景的演化過(guò)程；王海東等[8]針對(duì)LNG船舶港口碰撞發(fā)生泄漏事故，建立了LNG船舶在港口卸船期間發(fā)生泄漏事故的情景構(gòu)建方案。

目前，對(duì)于隧道突泥涌水事故的研究主要集中在災(zāi)害機(jī)理分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及處治策略等方面，而將情景構(gòu)建與風(fēng)險(xiǎn)分析、應(yīng)急準(zhǔn)備有機(jī)結(jié)合的成果較少。鑒于此，本文在情景構(gòu)建理論的基礎(chǔ)上，分析隧道突泥涌水情景要素構(gòu)成，基于承災(zāi)體損失進(jìn)行災(zāi)害情景分級(jí)，研究災(zāi)害情景的演化規(guī)律，并建立情景演化路徑圖，構(gòu)建災(zāi)害情景演化狀態(tài)預(yù)測(cè)矩陣，提出情景概率計(jì)算方法，以期為隧道突泥涌水應(yīng)急管理提供科學(xué)有效的依據(jù)。

1 隧道突泥涌水的情景要素

1.1 隧道突泥涌水情景要素構(gòu)成

構(gòu)建隧道突泥涌水情景，首要工作是確定其情景要素構(gòu)成。研究表明，突發(fā)事件的情景組成要素可歸納為孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、驅(qū)動(dòng)要素以及承災(zāi)體要素等[9]。

1)孕災(zāi)環(huán)境

孕災(zāi)環(huán)境是指事故發(fā)生時(shí)的外部環(huán)境。隧道突泥涌水事故的發(fā)生概率及突泥涌水規(guī)模，與隧道穿越區(qū)域的地形地貌、水文地質(zhì)特征有著密切的聯(lián)系。從歷史數(shù)據(jù)來(lái)看，所處環(huán)境地形高差大、水源易匯集、強(qiáng)富水、高承壓、巖體破碎或溶洞發(fā)育的隧道，突泥涌水災(zāi)害發(fā)生的概率較高[10]。因此，隧道突泥涌水的孕災(zāi)環(huán)境集合H={地形特征H1,地質(zhì)特征H2,水文特征H3}。

2)致災(zāi)因子

隧道突泥涌水災(zāi)害是孕災(zāi)環(huán)境與致災(zāi)因子綜合作用的結(jié)果，孕災(zāi)環(huán)境是內(nèi)在因素，而致災(zāi)因子是外在誘因。實(shí)踐證明，施工期的降雨強(qiáng)度、隧道與不良地質(zhì)的空間位置關(guān)系、施工方法和操作管理的合理性等因素在一定程度上決定了隧道發(fā)生突泥涌水災(zāi)害的概率及規(guī)模[10]。因此，隧道突泥涌水的致災(zāi)因子集合Z={施工期降雨強(qiáng)度Z1,隧道與不良地質(zhì)的空間位置關(guān)系Z2,施工方法Z3,現(xiàn)場(chǎng)管理水平Z4}。

3)驅(qū)動(dòng)要素

情景驅(qū)動(dòng)要素是指在情景發(fā)展過(guò)程中起主要推動(dòng)作用的要素。其既包含事件客觀發(fā)展的關(guān)鍵因素(前兆跡象、隔水結(jié)構(gòu)破壞等)，也包含決策者主觀上采取的應(yīng)對(duì)措施(風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)害處治等)。隧道突泥涌水的驅(qū)動(dòng)要素根據(jù)趨向性可分為正向和負(fù)向2類；其中正向驅(qū)動(dòng)要素集合Q1={風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估Q11,超前地質(zhì)預(yù)報(bào)Q12,啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)Q13,采取治理措施Q14}；負(fù)向驅(qū)動(dòng)要素集合Q2={前兆跡象Q21,隔水結(jié)構(gòu)破壞Q22}。

4)承災(zāi)體要素

隧道突泥涌水事故發(fā)生時(shí)，主要造成的危害為：施工人員傷亡、掌子面上方塌陷、隧道襯砌損毀、隧道模板臺(tái)車、開挖臺(tái)架、防水板臺(tái)架等設(shè)備被損毀、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)影響損失。因此，隧道突泥涌水的承災(zāi)體要素集合C={施工人員C1,掌子面上方圍巖C2,隧道襯砌C3,施工設(shè)備C4,經(jīng)濟(jì)損失C5,社會(huì)影響C6}。

1.2 隧道突泥涌水情景要素的屬性參數(shù)

1)孕災(zāi)環(huán)境的屬性參數(shù)

孕災(zāi)環(huán)境的屬性參數(shù)為突泥涌水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。通過(guò)勘察調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)地形地貌、水文地質(zhì)等孕災(zāi)條件，將隧道突泥涌水風(fēng)險(xiǎn)分為4個(gè)等級(jí)：低、較低、高、極高。

2)致災(zāi)因子的屬性參數(shù)

致災(zāi)因子的屬性參數(shù)為致災(zāi)強(qiáng)度，根據(jù)施工期的氣候條件、隧道與不良地質(zhì)的空間位置關(guān)系、具體的施工方案及開挖工法、現(xiàn)場(chǎng)管理水平等影響因子進(jìn)行評(píng)價(jià)。致災(zāi)強(qiáng)度也可分為4個(gè)等級(jí)：弱、較弱、強(qiáng)、極強(qiáng)。

3)驅(qū)動(dòng)要素的屬性參數(shù)

驅(qū)動(dòng)要素的屬性參數(shù)為趨向性和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。正向驅(qū)動(dòng)要素主要為斷鏈減災(zāi)措施，其驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度表征了應(yīng)對(duì)措施的有效程度；負(fù)向驅(qū)動(dòng)要素為前兆跡象和隔水結(jié)構(gòu)破壞。驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度同樣分為4個(gè)等級(jí)：弱、較弱、強(qiáng)、極強(qiáng)。后文所提的驅(qū)動(dòng)要素主要為防災(zāi)措施。

4)承災(zāi)體要素的屬性參數(shù)

承災(zāi)體要素的屬性參數(shù)為承災(zāi)體抗災(zāi)能力和承災(zāi)體損失?？篂?zāi)能力應(yīng)根據(jù)施工人員應(yīng)急培訓(xùn)情況、設(shè)備狀況等因素，由建設(shè)單位通過(guò)自評(píng)確定，分為4個(gè)等級(jí)：弱、較弱、強(qiáng)、極強(qiáng)。承災(zāi)體損失是突泥涌水各情景要素相互作用演化的結(jié)果，是突泥涌水災(zāi)害情景等級(jí)劃分的依據(jù),下文將詳細(xì)闡述。

2 隧道突泥涌水情景的分級(jí)及演化規(guī)律

2.1 基于承災(zāi)體損失的隧道突泥涌水情景分級(jí)

為了明確隧道突泥涌水災(zāi)害情景演化規(guī)律及預(yù)測(cè)情景等級(jí)，設(shè)定一系列基本可信的突發(fā)事件情景，并基于承災(zāi)體損失對(duì)情景進(jìn)行分級(jí)。情景等級(jí)用集合D表示，參照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分為6個(gè)等級(jí)，即D={D1,D2,D3,D4,D5,D6}。分析近年來(lái)典型隧道突泥涌水案例[10-11]，參考隧道施工風(fēng)險(xiǎn)后果等級(jí)劃分，進(jìn)行情景分級(jí)及相應(yīng)的承災(zāi)體損失描述，見表1。

表1 基于承災(zāi)體損失的隧道突泥涌水情景分級(jí)Table 1 Scenario levels of water and mud inrush in tunnel based on loss of disaster-bearing carriers

2.2 隧道突泥涌水情景的演化階段及應(yīng)急任務(wù)

隧道突泥涌水災(zāi)害的演化一般經(jīng)歷3個(gè)階段：隱患期、前兆期、發(fā)生期。各階段的特征及應(yīng)急任務(wù)見表2。

表2 情景的演化階段及應(yīng)急任務(wù)Table 2 Evolution stages and emergency tasks of scenario

2.3 隧道突泥涌水情景的演化規(guī)律

構(gòu)建具體的事故災(zāi)害情景，核心工作是明確災(zāi)害演化規(guī)律。研究表明，突發(fā)事故是由孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子在驅(qū)動(dòng)要素的推動(dòng)下，作用于承災(zāi)體而產(chǎn)生的結(jié)果，呈現(xiàn)出多米諾骨牌效應(yīng)的鏈?zhǔn)窖莼?guī)律[12]。其鏈?zhǔn)窖莼?guī)律如圖1所示。

圖1 事故情景鏈?zhǔn)窖莼?guī)律Fig.1 Chained evolution law of accident scenario

在隧道突泥涌水情景演化過(guò)程中，孕災(zāi)環(huán)境為客觀因素，致災(zāi)因子為主觀誘因，二者相互作用，在各階段防治措施的驅(qū)動(dòng)下，導(dǎo)致不同的承災(zāi)體損失，演化為不同等級(jí)的突泥涌水情景。

3 隧道突泥涌水情景的演化路徑及模型

3.1 隧道突泥涌水情景的演化路徑

在災(zāi)害情景演化各階段，情景要素的屬性不同，則災(zāi)害的演化路徑也不同。參考隧道突泥涌水的演化特征、前兆判識(shí)等文獻(xiàn)[13-15]，結(jié)合典型案例分析，設(shè)定4個(gè)表征情景狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)層和3個(gè)表征屬性參數(shù)等級(jí)的路徑層，具體內(nèi)容見表3，情景演化路徑如圖2所示。

表3 情景演化的節(jié)點(diǎn)和路徑Table 3 Nodes and paths of scenario evolution

圖2 災(zāi)害情景演化路徑Fig.2 Evolution paths of accident scenario

3.2 隧道突泥涌水情景狀態(tài)的演化模型

根據(jù)圖2，突泥涌水災(zāi)害演化的初始狀態(tài)為孕災(zāi)環(huán)境，其特征屬性為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，在不同強(qiáng)度的致災(zāi)因子影響下，演化為不同等級(jí)的前兆狀態(tài)；前兆狀態(tài)在各級(jí)驅(qū)動(dòng)要素的驅(qū)動(dòng)下，演化為不同等級(jí)的突泥涌水狀態(tài)；突泥涌水狀態(tài)作用于各級(jí)抗災(zāi)能力的承災(zāi)體，演化成不同等級(jí)的承災(zāi)體損失。根據(jù)前文分析，孕災(zāi)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、致災(zāi)因子的致災(zāi)強(qiáng)度、驅(qū)動(dòng)要素的驅(qū)動(dòng)有效程度及承災(zāi)體的抗災(zāi)能力，可通過(guò)多目標(biāo)決策評(píng)估獲取。參考ALARP風(fēng)險(xiǎn)矩陣形式，通過(guò)專家咨詢法，考慮偏向不利的預(yù)測(cè)原則，確定突泥涌水情景狀態(tài)演化矩陣及相應(yīng)的概率系數(shù)。前兆狀態(tài)、突泥涌水狀態(tài)及承災(zāi)體損失的等級(jí)及概率可通過(guò)演化矩陣獲取，見表4～6。

表4 前兆狀態(tài)演化矩陣Table 4 Evolution matrix of precursor state

表5 突泥涌水狀態(tài)演化矩陣Table 5 Evolution matrix of water and mud inrush state

表6 承災(zāi)體損失演化矩陣Table 6 Evolution matrix of loss of disaster-bearing carriers

3.3 隧道突泥涌水情景演化狀態(tài)的概率計(jì)算

通過(guò)多目標(biāo)決策評(píng)估獲取孕災(zāi)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、致災(zāi)因子的致災(zāi)強(qiáng)度、驅(qū)動(dòng)要素的驅(qū)動(dòng)有效程度及承災(zāi)體的抗災(zāi)能力的等級(jí)概率分布后，即可根據(jù)鏈?zhǔn)絺鬟f法則，推算出前兆狀態(tài)、突泥涌水狀態(tài)及承災(zāi)體損失的概率等級(jí)分布。

令孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí){S1,S2,S3,S4}的概率分布為{Ph1,Ph2,Ph3,Ph4}；致災(zāi)因子的致災(zāi)強(qiáng)度等級(jí){極強(qiáng),強(qiáng),較弱,弱}的概率分布為{Pz1,Pz2,Pz3,Pz4}，根據(jù)表4即可計(jì)算前兆狀態(tài)各等級(jí)的概率，見表7。

表7 前兆狀態(tài)等級(jí)的概率計(jì)算數(shù)據(jù)Table 7 Probability calculating data of precursor state level

對(duì)表7中各等級(jí)的概率疊加計(jì)算，可求得前兆狀態(tài)等級(jí){S5,S6,S7}對(duì)應(yīng)的概率分布{P1,P2,P3}，如式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

令驅(qū)動(dòng)要素的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度等級(jí){弱,較弱,強(qiáng),極強(qiáng)}的概率分布為{Pq1,Pq2,Pq3,Pq4}，同理，根據(jù)表5可求得突泥涌水狀態(tài)等級(jí){S8,S9,S10}對(duì)應(yīng)的概率分布{P4,P5,P6}，見式(4)～(6)。

(4)

(5)

P6=Pq1×P3+0.5Pq1×P2+0.5Pq2×P3

(6)

最后，令承災(zāi)體抗災(zāi)能力等級(jí){弱,較弱,強(qiáng),極強(qiáng)}的概率分布為{Pk1,Pk2,Pk3,Pk4}，根據(jù)表6可求得承災(zāi)體損失等級(jí){D1,D2,D3,D4,D5,D6}對(duì)應(yīng)的概率分布{P7,P8,P9,P10,P11,P12}，見式(7)～(12)。

P7=Pk1×P6

(7)

P8=Pk1×P5+Pk2×P6

(8)

P9=Pk1×P4+Pk2×P5+Pk3×P6

(9)

P10=Pk2×P4+Pk3×P5+Pk4×P6

(10)

P11=Pk3×P4+Pk4×P5

(11)

P12=Pk4×P4

(12)

4 實(shí)例分析

擬建雅葉高速公路康定折多山隧道全長(zhǎng)8.4 km，隧道進(jìn)口位于康定縣城大草壩折多河右岸二臺(tái)子附近，距康定新縣城直線距離約10～13 km，出口位于距新都橋鎮(zhèn)東約22 km的貢布卡。經(jīng)勘查，折多山隧道位于龍門山地震帶影響范圍內(nèi)，所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，具有高富水、高承壓的特點(diǎn)，屬于典型的斷層破碎帶型突涌水風(fēng)險(xiǎn)高發(fā)隧道。圖3為折多山隧道地質(zhì)縱剖面圖。

圖3 折多山隧道地質(zhì)縱剖面Fig.3 Geological profile of Zheduo mountain tunnel

建設(shè)單位組織了10名隧道工程方面的專家對(duì)折多山隧道K0+613～K1+145段圍巖突涌水的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、致災(zāi)因子的致災(zāi)強(qiáng)度及驅(qū)動(dòng)要素的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度(即防災(zāi)措施的有效程度)進(jìn)行評(píng)估，并向10名現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員發(fā)放了自評(píng)表，獲取承災(zāi)體抗災(zāi)能力等級(jí)的概率分布。評(píng)估結(jié)果如下：

1)孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí){S1,S2,S3,S4}對(duì)應(yīng)的概率分布{Ph1,Ph2,Ph3,Ph4}={0.2,0.8,0,0}。

2)致災(zāi)因子的致災(zāi)強(qiáng)度為{極強(qiáng),強(qiáng),較弱,弱}的概率分布{Pz1,Pz2,Pz3,Pz4}={0,0.6,0.4,0}。

3)驅(qū)動(dòng)要素的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度為{弱,較弱,強(qiáng),極強(qiáng)}的概率分布{Pq1,Pq2,Pq3,Pq4}={0,0.2,0.8,0}。

4)承災(zāi)體抗災(zāi)能力等級(jí)為{弱,較弱,強(qiáng),極強(qiáng)}的概率分布{Pk1,Pk2,Pk3,Pk4}={0,0.4,0.6,0}。

根據(jù)式(1)～(3)，可求得前兆狀態(tài)等級(jí){S5,S6,S7}對(duì)應(yīng)的概率分布{P1,P2,P3}={0.14,0.41,0.45}；根據(jù)式(4)～(6)，可求得突涌水狀態(tài)等級(jí){S8,S9,S10}對(duì)應(yīng)的概率分布{P4,P5,P6}={0.262,0.693,0.045}；根據(jù)式(7)～(12)，可求得承災(zāi)體損失等級(jí){D1,D2,D3,D4,D5,D6}對(duì)應(yīng)的概率分布{P7,P8,P9,P10,P11,P12}={0,0.018,0.304,0.521,0.157,0}。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，預(yù)測(cè)折多山隧道K0+613～K1+145段圍巖突涌水前兆狀態(tài)主要為S6和S7，即前兆持續(xù)時(shí)間30 min以下，建設(shè)方應(yīng)高度重視人員逃生和設(shè)備撤離的演練。此外，預(yù)測(cè)突涌水狀態(tài)處于S9的概率為0.693，說(shuō)明集中突涌量較大，建設(shè)方應(yīng)做好治理準(zhǔn)備。最后，預(yù)測(cè)發(fā)生D4級(jí)承災(zāi)體損失的概率為0.521，為6個(gè)概率值中的最大者。

實(shí)際施工過(guò)程中，折多山隧道進(jìn)口K1+035掌子面在噴射混凝土?xí)r，左上角突然出現(xiàn)股狀涌水，施工單位立即采取措施封堵，但無(wú)濟(jì)于事，遂緊急撤離了現(xiàn)場(chǎng)施工人員及設(shè)備。2 d后封閉該掌子面過(guò)程中突發(fā)較大突泥涌水，最大集中突涌量達(dá)13 500 m3，導(dǎo)致隧道洞身150 m被掩埋，地表形成直徑約30 m塌坑，塌陷區(qū)域面積約600 m2，所幸人員撤離迅速，無(wú)傷亡。根據(jù)建設(shè)方統(tǒng)計(jì)的損失數(shù)據(jù)[16]，此次發(fā)生的突泥涌水情景等級(jí)為D4級(jí)，與預(yù)測(cè)等級(jí)一致。

5 結(jié)論

1)突發(fā)事件情景演化模型可用于模擬隧道突泥涌水全過(guò)程的演化路徑及情景狀態(tài)，設(shè)定4個(gè)表征情景狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)層和3個(gè)表征屬性參數(shù)等級(jí)的路徑層，構(gòu)建情景演化路徑圖。其中，情景要素的屬性參數(shù)可通過(guò)多目標(biāo)決策評(píng)估獲取，前兆狀態(tài)、突泥涌水狀態(tài)及承災(zāi)體損失的等級(jí)、概率分布可通過(guò)演化矩陣計(jì)算獲取。

2)在隧道突泥涌水情景演化過(guò)程中，孕災(zāi)環(huán)境為客觀因素，致災(zāi)因子為主觀誘因，二者相互作用，在各階段防治措施的驅(qū)動(dòng)下，災(zāi)害情景狀態(tài)趨好，承災(zāi)體損失減少。根據(jù)隧道突泥涌水情景演化預(yù)測(cè)結(jié)果，建設(shè)單位可摸清災(zāi)害情景演化狀態(tài)，抓住防災(zāi)任務(wù)側(cè)重點(diǎn)，以驅(qū)動(dòng)情景狀態(tài)向好發(fā)展。

3)通過(guò)實(shí)例分析表明，提出的模型和方法具備較強(qiáng)的可操作性和實(shí)效性，計(jì)算簡(jiǎn)便，該方法亦可為其他突發(fā)事件情景構(gòu)建及推演提供參考。由于隧道圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜多變，在施工前可采用本文提出的方法對(duì)隧道突泥涌水情景等級(jí)進(jìn)行初步辨識(shí)，并結(jié)合隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行全面準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。