基于動(dòng)態(tài)權(quán)重的隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估方法研究

劉冠男，王志朋，王玉田，鄭昌盛，沈 健

(1.上海寶冶集團(tuán)有限公司 上海市 200941；2. 青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 青島市 266033)

0 引言

隧道施工中存在諸多施工風(fēng)險(xiǎn)，不僅會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的施工事故，還會(huì)給國家?guī)黼y以估計(jì)的損失。

為減少隧道風(fēng)險(xiǎn)突發(fā)率，有必要對施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。國內(nèi)外學(xué)者在隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估領(lǐng)域開展了深入探索。如：王迎超等[1]對隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)因素，借助層次分析法進(jìn)行了針對性分析；鄧祥輝等[2]采用最大隸屬度原則對隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素處理，確定出各風(fēng)險(xiǎn)因素的概率等級。

上述對隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估的研究屬于靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估，但隧道施工風(fēng)險(xiǎn)是動(dòng)態(tài)變化的，僅靠靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估難以全方位掌控和跟蹤施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，對隧道施工風(fēng)險(xiǎn)采用動(dòng)態(tài)評估顯得尤為重要。

目前在隧道施工動(dòng)態(tài)評估領(lǐng)域的研究相對較少，郝銀[3]將動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)理論應(yīng)用于隧道風(fēng)險(xiǎn)等級分析中，確定了隧道施工動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級；李利平等[4]基于監(jiān)控量測的方式，針對隧道涌水風(fēng)險(xiǎn)因素開展了深入研究，得到了涌水風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的動(dòng)態(tài)權(quán)重。

鑒于此，提出一種基于動(dòng)態(tài)權(quán)重的隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估方法，通過建立隧道施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估模型，確定出隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)權(quán)重，并將該方法應(yīng)用于某隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估中。該方法基于實(shí)時(shí)反饋的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)了對隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)分析。

1 隧道施工動(dòng)態(tài)權(quán)重的定義

1.1 動(dòng)態(tài)權(quán)重的定義

動(dòng)態(tài)權(quán)重是在常權(quán)重的基礎(chǔ)上得到的一種狀態(tài)權(quán)重。由于施工中常權(quán)重未考慮施工狀態(tài)的影響，因而難以真實(shí)反映隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)變化[5]。因而，動(dòng)態(tài)權(quán)重本質(zhì)上是對常權(quán)重的動(dòng)態(tài)修正。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)動(dòng)態(tài)權(quán)重的實(shí)現(xiàn)

風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)動(dòng)態(tài)權(quán)重內(nèi)容包括：建立隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系；確定常權(quán)重；監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的采集及回歸分析；確定風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的施工狀態(tài)；確定風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的動(dòng)態(tài)權(quán)重；確定隧道總體施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級。

2 隧道施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估模型的建立

2.1 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系的建立

對以往隧道施工中常見突發(fā)事故影響因素歸納總結(jié)，結(jié)合表1中量測項(xiàng)目及現(xiàn)場調(diào)研情況，建立了表2中隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系。

表1 新奧法施工常用量測項(xiàng)目

表2 隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系

2.2 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)常權(quán)重的確定

按照靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估模式，采用層次分析法，構(gòu)造判斷矩陣等，確定出表2中各風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的常權(quán)重，見表3。

表3 隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)常權(quán)重

2.3 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的采集及回歸分析

監(jiān)控量測數(shù)據(jù)包含風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的位移、應(yīng)力及位移速率。由于監(jiān)控量測數(shù)據(jù)在采集過程中可能會(huì)受到人為操作、讀數(shù)錯(cuò)誤、測量設(shè)備精度不高等偶然因素的影響，加之施工中溫度、壓強(qiáng)等隨機(jī)因素也不可避免地會(huì)對圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力產(chǎn)生影響。因而，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)受外界因素的影響較大，致使監(jiān)控量測信息難以真實(shí)反映圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力情況。此外監(jiān)控量測數(shù)據(jù)具有離散型，沒有規(guī)律性可言，不利于對圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移及應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析。因此，為減少上述因素對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的影響，同時(shí)更好地反映圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移及應(yīng)力規(guī)律，指導(dǎo)后續(xù)隧道開挖施工，需要對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)回歸分析[6]。

通常采用指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、雙曲線函數(shù)，對監(jiān)控量測位移進(jìn)行回歸分析。由于采集的監(jiān)控量測應(yīng)力數(shù)據(jù)上下波動(dòng)，嘗試對相鄰天數(shù)間的應(yīng)力值采用移動(dòng)平均的方法進(jìn)行回歸分析。監(jiān)控量測位移速率則通過位移回歸曲線中點(diǎn)的斜率來反映。

2.3.1監(jiān)控量測位移回歸分析

(1)建立位移-時(shí)間坐標(biāo)系，繪制監(jiān)控量測位移數(shù)據(jù)對應(yīng)的點(diǎn)，得到散點(diǎn)圖。

(2)將散點(diǎn)圖繪制成光滑曲線，使曲線盡可能貼近所有點(diǎn)。

(3)根據(jù)步驟(2)中曲線的形狀，選擇下列函數(shù)曲線作為回歸分析函數(shù)。

(1)

式中：t為時(shí)間；μ(t)為位移量；e為自然對數(shù)函數(shù)的底數(shù)；A、B為回歸系數(shù)，根據(jù)監(jiān)控量測的時(shí)間及位移，通過最小二乘法求出。

假定對圍巖的位移連續(xù)監(jiān)測n天，其量測時(shí)間及位移分別為：

t1,t2,t3,…,ti,…,tn

μ1,μ2,μ3,…μi,...,μn

式中：ti為監(jiān)測的第i天，μi為第i天的監(jiān)測位移值，n為監(jiān)測天數(shù)。A、B確定后，代入式(1)中，得到回歸分析函數(shù)[7]。

2.3.2監(jiān)控量測應(yīng)力回歸分析

監(jiān)控量測的應(yīng)力曲線上下波動(dòng)，假定對錨桿應(yīng)力連續(xù)測量n天，應(yīng)力隨時(shí)間變化情況如下：

t1,t2,t3,…,ti,…,tn

σ1,σ2,σ3,…,σi,...,σn

按公式(2)，從t2天的量測應(yīng)力值算起，對應(yīng)力依次進(jìn)行移動(dòng)平均回歸分析：

(2)

式中：ti為監(jiān)測的第i天；σi為i天的監(jiān)測應(yīng)力值；n為監(jiān)測天數(shù)。

2.3.3監(jiān)控量測位移速率回歸分析

監(jiān)控量測位移速率則通過位移回歸曲線中點(diǎn)的斜率來反映位移速率與量測時(shí)間的關(guān)系。

2.4 風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)施工狀態(tài)的確定

為使監(jiān)控量測的施工信息準(zhǔn)確反映出隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的施工狀態(tài)，通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)、咨詢專家等，制定了表4風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)施工狀態(tài)等級評判標(biāo)準(zhǔn)。將回歸分析后的結(jié)果與表4對比，確定出各風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的施工狀態(tài)等級。

為確定風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的施工狀態(tài)，對其制定了賦分區(qū)間，作為風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)施工狀態(tài)定量分析的依據(jù)。參考《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》、結(jié)合專家意見，多次對各風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的施工狀態(tài)賦分試算，試算表明對各指標(biāo)的施工狀態(tài)進(jìn)行如下賦分區(qū)間時(shí)更合理。僅以A12、A21、A31、A41為例，見表5。

表4 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)施工狀態(tài)等級劃分

表5 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)施工狀態(tài)賦分區(qū)間描述

為方便A2、A3、A4回歸分析后的結(jié)果與表4對比，對其進(jìn)行量綱處理，即A21/U、A22/U、A31/U，U為位移允許值，A41/D、A42/D、A43/D，D為錨桿軸力允許值。

2.5 風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)動(dòng)態(tài)權(quán)重的確定

研究表明隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的權(quán)重與各指標(biāo)的施工狀態(tài)緊密有關(guān)。由于常權(quán)重難以真實(shí)反映出隧道施工安全狀態(tài)。因此，借助狀態(tài)變權(quán)理論[11]確定出各評估指標(biāo)的權(quán)重。由于各風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的施工狀態(tài)不斷變化，導(dǎo)致各評估指標(biāo)的權(quán)重也在變化，故狀態(tài)變權(quán)理論確定的權(quán)重本質(zhì)是動(dòng)態(tài)權(quán)重。

狀態(tài)權(quán)重公式(3)綜合考慮了各評估指標(biāo)間的相對重要程度及施工狀態(tài)兩個(gè)因素對風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)權(quán)重的影響。

(3)

式中：Wij為第j個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)在第i天時(shí)的狀態(tài)權(quán)重；wij為第j個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)在第i天時(shí)的常權(quán)重；xij為第j個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)在第i天時(shí)的施工狀態(tài)值，α為狀態(tài)變權(quán)均衡系數(shù)，通常取1/2，此時(shí)式(3)為：

(4)

xij可通過第j個(gè)指標(biāo)在第i天的監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸分析后的結(jié)果分別與表4及表5對比后確定出，與wij一起代入式(4)得到Wij。

2.6 確定隧道總體施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級

根據(jù)隧道各評估指標(biāo)動(dòng)態(tài)權(quán)重，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)因素隸屬度及模糊綜合評價(jià)法，參考表6風(fēng)險(xiǎn)水平分級及表7風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則確定出隧道總體施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級情況制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

3 工程實(shí)例分析

為驗(yàn)證提出的基于動(dòng)態(tài)權(quán)重的隧道施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估方法能否全程動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤和掌控隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)，將理論分析應(yīng)用于XX隧道施工中。

表6 風(fēng)險(xiǎn)水平分級

表7 風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則

XX隧道屬小凈距分離式隧道，圍巖等級主要為Ⅲ、Ⅳ級，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖層多為中風(fēng)化巖，巖體風(fēng)化較弱，自穩(wěn)能力差。因此，有必要在隧道施工中構(gòu)建其動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估模型，確定出隧道施工風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)權(quán)重，達(dá)到對隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)分析的目的。

在XX隧道施工中先根據(jù)其圍巖情況、節(jié)理裂隙發(fā)育、施工狀況等信息識(shí)別出隧道施工中的風(fēng)險(xiǎn)因素，以建立出XX隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)，進(jìn)而按照層次分析法確定出XX隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的常權(quán)重值wij。

按照提供的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)回歸分析方法，先對各評估指標(biāo)對應(yīng)的監(jiān)控量測信息不間斷地采集1周，然后分別對風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的位移和應(yīng)力采用提供的方法進(jìn)行回歸分析，以使監(jiān)控量測數(shù)據(jù)更加真實(shí)反映出XX隧道的圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移及應(yīng)力規(guī)律，指導(dǎo)后續(xù)XX隧道開挖施工。

將XX隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)回歸分析后的結(jié)果分別與表4及表5對比，實(shí)現(xiàn)對各指標(biāo)施工狀態(tài)的定量分析，以確定出XX隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的施工狀態(tài)值xij在連續(xù)1周內(nèi)的數(shù)據(jù)變化情況，并繪制于表8中。為確定各評估指標(biāo)的狀態(tài)權(quán)重值，可將1周內(nèi)各指標(biāo)對應(yīng)的常權(quán)重值wij及施工狀態(tài)值xij一起代入式(4)，確定出各評估指標(biāo)的動(dòng)態(tài)權(quán)重值Wij在連續(xù)1周內(nèi)的數(shù)據(jù)變化情況，并繪制于表9中。

結(jié)合靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估流程，采用上述模糊綜合評價(jià)法對XX隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，參考表6和表7中風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得出1周內(nèi)XX隧道的總體施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級，并繪制于圖1。

表8 XX隧道風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)施工狀態(tài)值

表9 XX隧道風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)動(dòng)態(tài)權(quán)重值

圖1 XX隧道總體施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級隨時(shí)間變化圖

表8中第4天A11及A12的施工狀態(tài)值出現(xiàn)了大幅度變化，經(jīng)調(diào)查第4天圍巖在開挖時(shí)開挖斷面不穩(wěn)定，出現(xiàn)了塌方。而表9及圖1中第4天對應(yīng)的隧道風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)動(dòng)態(tài)權(quán)重值和隧道總體施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級在這一周內(nèi)也顯示最大，表明第4天隧道開挖時(shí)存在施工安全風(fēng)險(xiǎn)，出現(xiàn)隧道施工安全事故的概率較大，在開挖斷面時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控措施。

提出的基于動(dòng)態(tài)權(quán)重的隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估方法在XX隧道工程中的應(yīng)用表明，提供的隧道施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估方法確定出的XX隧道總體施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果與對XX隧道進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研的施工安全風(fēng)險(xiǎn)狀況基本一致，對于后期XX隧道斷面開挖中全方位掌控和動(dòng)態(tài)跟蹤施工風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到規(guī)避施工安全風(fēng)險(xiǎn)、降低XX隧道施工安全事故突發(fā)率起到了良好的指導(dǎo)作用，并能為此類隧道施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估提供借鑒。

4 結(jié)論

隧道施工中風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)權(quán)重是反映隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)的重要參數(shù)，因此合理確定出風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的權(quán)重對于減少隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。依托監(jiān)控量測及回歸分析等方式可使監(jiān)控量測信息更加真實(shí)反映出隧道施工中圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移及應(yīng)力規(guī)律，對于后續(xù)隧道開挖施工起到了指導(dǎo)作用。