基于層次分析法的鐵路隧道巖溶風(fēng)險評估與處理措施研究

廖 欣

(中國石油西南油氣田公司規(guī)劃計劃處，四川成都610051)

鐵路隧道工程具有施工技術(shù)復(fù)雜、施工項目多、不可預(yù)見風(fēng)險因素多和所處介質(zhì)復(fù)雜多變等特點，是一項高風(fēng)險建設(shè)工程［1］。2002年到2006年，國家鐵路正線延展里程由8.4萬公里增加到9萬公里，增長7.3%;國家鐵路復(fù)線里程由2.3萬公里增加到2.5萬公里，增長9.1%［2］。

目前，國內(nèi)外風(fēng)險評估在工程中的研究也日趨深入，Einstein H H［3］指出了隧道工程風(fēng)險分析的特點和理念，用可靠度方法對巖石隧道進(jìn)行風(fēng)險分析。國際隧道協(xié)會［4］頒布的Guidelines for Tunneling Risk Management，為隧道工程風(fēng)險管理提供了參照標(biāo)準(zhǔn)。黃宏偉等［5］通過工程實例，對地鐵工程施工過程中的風(fēng)險因素進(jìn)行了識別，用專家調(diào)查法和層次__模糊綜合評判法對地鐵工程施工期風(fēng)險進(jìn)行了評估。本文通過綜合利用層次分析法(AHP)［6］、專家調(diào)查法建立了風(fēng)險評價指標(biāo)體系，對宜萬鐵路某隧道遭遇巖溶的風(fēng)險進(jìn)行了評估，并根據(jù)評估結(jié)果提出了建議措施。實踐表明，該評估方法及指標(biāo)體系為鐵路隧道遇到巖溶時的風(fēng)險評估提供了科學(xué)、可行的思路與方法。

1 工程概況

該隧道為宜萬線某雙線繞行隧道，最大線間距約250 m，全長908 m，最大埋深約140 m。隧道位于某復(fù)背斜北翼，背斜核部為寒武系地層，兩翼為奧陶系及志留系地層。主要出露奧陶系灰?guī)r，灰色～灰黃色，強(qiáng)～弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎。該隧道穿越的地層均為可溶巖，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，位于巖溶發(fā)育垂直滲流帶內(nèi)，發(fā)育的溶蝕裂隙、溶蝕管道向深性較好。隧道范圍地處單面山坡，地表水排泄條件好，多經(jīng)山澗峽谷匯集流向附近河流。地下水主要為巖溶水、基巖裂隙水，主要靠降雨補(bǔ)給。

地質(zhì)勘探顯示該隧道某段為大型充填性溶洞，溶腔沿線路縱向長約69 m，拱頂以上溶腔高度最大約為25 m，軌面以下溶腔深度最大約為31 m。溶腔填充物為細(xì)砂，稍濕，中密為主，部分松散。隧道位于垂直巖溶帶，發(fā)育的溶蝕裂隙、溶蝕管道向深性較好，在降雨入滲后承接過路水，形成局部突水突泥的風(fēng)險較大。

2 巖溶風(fēng)險評估

針對巖溶隧道風(fēng)險的實際情況，首先利用專家咨詢與事故統(tǒng)計分析的方法建立風(fēng)險指標(biāo)體系，并結(jié)合專家調(diào)查和層次分析得出指標(biāo)體系各層權(quán)重，然后利用專家經(jīng)驗對底層因素進(jìn)行評價，計算出巖溶風(fēng)險發(fā)生概率，最后結(jié)合《鐵路隧道風(fēng)險評估與管理暫行規(guī)定》［7］的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定風(fēng)險應(yīng)對措施。

2.1 建立巖溶風(fēng)險指標(biāo)體系

在對巖溶形成機(jī)理、力學(xué)行為以及隧道工程概況仔細(xì)分析以后，建立了巖溶風(fēng)險指標(biāo)體系，如表1所示。

?

?

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

風(fēng)險指標(biāo)體系確定后，需對同一層的各風(fēng)險元素進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣。判斷矩陣是由專家評判組討論形成，評判組成員由隧道設(shè)計專家、地勘專家、施工專家和高層領(lǐng)導(dǎo)組成，在對隧道工程和巖溶情況非常了解的基礎(chǔ)上，評價者將各層風(fēng)險因素兩兩比較構(gòu)造出判斷矩陣。采用這種方式，以對邏輯風(fēng)險因素兩兩進(jìn)行比較為例，其判斷矩陣為:

同理，可得到因素層風(fēng)險因素各自的判斷矩陣 B1、B2、B3。

2.3 計算判斷矩陣的特征向量

層次分析法關(guān)于權(quán)重的計算可采用本征向量法、最小平方權(quán)法、冪法(特征向量法)、和法、方根法等方法來確定，本工程采用方根法對風(fēng)險指標(biāo)體系中風(fēng)險因素的權(quán)重進(jìn)行計算。下面以計算矩陣A的特征向量WA為例:

2.4 一致性檢驗

在對系統(tǒng)要素進(jìn)行相對重要性判斷時，由于運(yùn)用的主要是專家的經(jīng)驗知識，因而不可能完全準(zhǔn)確的判斷出aij的值，而只能對其進(jìn)行估計，因此必須進(jìn)行相容性和誤差分析，據(jù)此定義相容性指標(biāo)。

首先計算相容性指標(biāo)C.I.=λmax－n/n－1，其中最大特征值，(［AW］i為矩陣［AW］的第 i個分量)。

再計算一致性比率 C.R.=C.I./R.I.，其中 R.I.為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，是根據(jù)足夠多個隨機(jī)發(fā)生的樣本矩陣計算的一致性指標(biāo)的平均值。R.I.的值如表2所示。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

若一致性指標(biāo)C.R.＜0.10，則認(rèn)為矩陣中各參數(shù)具有滿意的一致性，權(quán)重向量W可以接受，否則計算結(jié)果無效，需重新進(jìn)行判斷。

采用上述的方法計算出 WA=0.03，WB1=0.06，WB2=0.08，WB3=0.04，WB4=0.06，一致性判斷均滿足要求。

2.5 評估結(jié)果

利用專家經(jīng)驗，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)、設(shè)計、施工和檢測情況，評價出因素層對相應(yīng)邏輯層風(fēng)險因素的概率貢獻(xiàn)值(表1)，再結(jié)合權(quán)重系數(shù)，由下向上計算出巖溶風(fēng)險發(fā)生的概率P，計算公式為

式中，PI為上層風(fēng)險因素概率值，Pij為下層風(fēng)險因素概率值，Wij為第i層第j個風(fēng)險因素的權(quán)重系數(shù)，且

通過以上方法，計算出巖溶風(fēng)險發(fā)生的概率P=0.051，結(jié)合《鐵路隧道風(fēng)險評估與管理暫行規(guī)定》中概率等級標(biāo)準(zhǔn)可知，該隧道可能發(fā)生巖溶風(fēng)險，概率等級為4，需要采取有效措施降低該風(fēng)險。

3 風(fēng)險應(yīng)對措施

結(jié)合該隧道工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及溶腔充填物的形態(tài)、規(guī)模，通過專家組的綜合研究，決定在隧道溶腔及影響段采取掛Φ6(20 cm×20 cm)鋼筋網(wǎng)、噴射20 cm厚混凝土、全環(huán)梅花形布置3 m中空注漿錨桿(1.0 m×1.0 m)的支護(hù)方法，同時利用I16型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)。在以上支護(hù)方法的基礎(chǔ)上，施工期間還對超前地質(zhì)預(yù)報和加固措施進(jìn)行了改進(jìn)，具體如下。

3.1 超前支護(hù)

為確保施工期間及后期運(yùn)營的安全，充填性溶腔段決定全部采用3 m超前帷幕注漿進(jìn)行加固，并針對各種情況采取不同的超前支護(hù)措施。

(1)施工揭示為塊石土段落，采用Φ42超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)，小導(dǎo)管長3.5 m，環(huán)向間距40 cm，縱向間距2.0 m/環(huán);

(2)施工揭示為細(xì)砂段落，采用Φ76，厚5 mm超前管棚注漿預(yù)支護(hù)，管棚10～15 m/環(huán);

(3)施工揭示為碎石土加細(xì)砂段落，采用Φ42超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)，小導(dǎo)管長4～6 m，環(huán)向間距20 cm，縱向間距2.0 m/環(huán)。

3.2 隧底加固

隧道底部為溶腔淤泥填充物段落，經(jīng)專家討論決定采取樁基承臺、樁基托梁進(jìn)行隧底加固，以減少施工期和運(yùn)營期的沉降，保證線路平順度。

樁基、承臺以及托梁施工前要加強(qiáng)帷幕注漿效果的檢查;加強(qiáng)隧道初期支護(hù)的監(jiān)控量測，及時采用臨時仰拱封閉措施。根據(jù)該溶洞遇到的地質(zhì)情況，制定應(yīng)對措施如下:

(1)隧底溶腔發(fā)育較深段落，采用樁基承臺結(jié)構(gòu)。樁基采用25Φ1.25 m的鉆孔灌注樁，樁間距4.3 m×3.7 m(橫×縱)，總樁長496.3 m。承臺應(yīng)分段施工，承臺開挖時應(yīng)將初期支護(hù)延長至承臺底并及時封閉;

(2)隧底巖溶發(fā)育較淺段落，隧底采用C25混凝土換填加固;

(3)隧底巖溶發(fā)育較深且位于單側(cè)，采用樁基托梁通過。樁基采用Φ1.5 m的鉆孔灌注樁，采用C25鋼筋混凝土，主筋為Φ26鋼筋，保護(hù)層厚度為60 mm，主筋伸入托梁1 000 mm，樁長18 m。

4 結(jié)束語

(1)實踐證明應(yīng)用層次分析(AHP)、專家調(diào)查等方法，建立有效的風(fēng)險指標(biāo)體系，來評估巖溶風(fēng)險是合理可行的;

(2)在隧道工程施工期針對典型風(fēng)險進(jìn)行評估，并有針對性的制定應(yīng)對措施，提高隧道施工階段的整體安全水平，可使工程得以順利進(jìn)行;

(3)對巖溶風(fēng)險的處理，實踐表明，做好超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測，加強(qiáng)超前支護(hù)、鋼架支撐、錨網(wǎng)噴防護(hù)，進(jìn)行頂部回填和隧底加固等一系列措施對降低風(fēng)險有著非常重要的作用。

［1］錢七虎，戎曉力.中國地下工程安全風(fēng)險管理的現(xiàn)狀、問題及相關(guān)建議［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008(4):649－655

［2］鄭健.中國鐵路發(fā)展規(guī)劃與建設(shè)實踐［J］.城市交通，2010(1)

［3］EINSTEIN H H.Risk and risk analysis in rock engineering［J］.Tunneling and Underground Space Technology，1996，2(11):141－155

［4］ESKESEN S D，TENGBORG P，KAMPMANN J，et al.Guidelines for tunnelling risk management:international tunnelling association，working group No.2［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2004，19(3):217 －237

［5］王巖，黃宏偉.地鐵區(qū)間隧道安全評估的層次模糊綜合評判法［J］.地下空間，2004(3):301 －305

［6］許樹柏.實用決策方法——層次分析法原理［M］.天津大學(xué)出版社，1988

［7］鐵建設(shè)［2007］200號鐵路隧道風(fēng)險評估與管理暫行規(guī)定［S］