基于AHP-模糊綜合法的淺埋隧道施工風險評估

李得昌，楊新安，王樹杰

（同濟大學城市軌道與鐵道工程系，上海 200092）

基于AHP-模糊綜合法的淺埋隧道施工風險評估

李得昌，楊新安，王樹杰

（同濟大學城市軌道與鐵道工程系，上海 200092）

淺埋隧道受地質、地形、環境的影響，在施工中容易發生邊坡坍塌、塌方（冒頂）、山體開裂、變形失穩等風險，結合寧安城際鐵路隧道分析了淺埋隧道施工安全、工期、環境風險。介紹了基于AHP（層次分析法）的改進模糊綜合法進行淺埋隧道施工風險評估的基本原理和步驟，建立了淺埋隧道施工風險層次分析模型，采用改進的模糊數構建風險發生可能性判斷矩陣。最后通過風險系數確定了寧安城際鐵路鐘鳴一號淺埋隧道施工風險等級，結合隧道施工特點及風險評估結果，提出典型風險控制措施。

淺埋隧道；層次分析；模糊綜合法；風險評估

淺埋隧道較為常見，通常在隧道兩端、沖溝段常為淺埋。淺埋隧道覆蓋層薄、土質松散、圍巖結構承載能力差，工程風險高。偏壓、不良地質條件及外界環境的影響，會導致風險發生的概率增大，處理不當極易發生塌方、冒頂、山體開裂等風險。這些風險給工程帶來了巨大的損失，造成很壞的社會影響，因此有必要對淺埋隧道施工風險進行研究，做到防患于未然［1］。由于地下空間的復雜性，隧道施工風險具有隨機性和模糊性的特點［2］，難以用準確的量化數據表達，以概率、統計資料、專家評判為基礎的單一定性分析方法難以準確評估風險對施工造成的影響。基于AHP的改進模糊綜合法通過引入量化的計算方式，能準確分析風險發生的概率與后果等級，對淺埋隧道安全施工意義重大。本文以寧安城際鐵路鐘鳴一號隧道為例，分析了淺埋隧道施工期存在的風險，采用了基于AHP的改進模糊綜合法對鐘鳴一號隧道施工期風險進行評估，提出典型風險控制措施，為淺埋隧道施工風險管理提供參考依據。

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1 工程概況

寧安城際鐵路是連接南京與安慶的重要客運通道，全長257 km，設計速度300 km·h-1，途徑平原與丘陵地帶，地勢起伏較大，全線有鐘鳴一號、鐘鳴二號、大金山、紅旗一號等8座新建隧道，各隧道都有不同長度的淺埋段。鐘鳴一號隧道是寧安城際鐵路的重點工程，起訖里程為DK139+970～DK140+716，設計全長746 m，單洞雙線隧道，全線淺埋。隧道位于長江沖積平原丘陵地段，地貌主要為剝蝕丘陵、崗地及沖積平原區。丘陵地區地形起伏大，溝谷較發育，溝谷區隧道最大埋深僅3 m。隧道全線穿越Ⅴ級圍巖，地表主要覆蓋粉質粘土夾碎石，下伏第四系強風化沉積巖，基巖出露少，地表植被較發育。地下水主要為基巖裂隙水，不發育，隧道洞身位于地下水位以下，降雨后有滲透現象。

2 淺埋隧道施工風險

1）洞口明挖段。全線隧道進、出口明挖段邊坡最高處達20 m，邊坡坡度大（1∶0.75），且地表覆蓋全風化粉質黏土風化層，地質條件差，易發生邊坡垮塌。鐘鳴一號隧道進口明暗交界處仰坡坡度大，地表覆蓋為中更新統冰水沉積層粉質粘土及含圓礫粉質粘土，土質松軟，遇水易軟化，不穩定，易發生坍塌。

2）洞口淺埋暗挖段。全線隧道進、出口淺埋暗挖段地質條件差，多數隧道洞身上覆粘土、粗圓礫土、石英長斑巖，深約3～12.5 m，穩定性差。鐘鳴一號隧道出口偏壓段圍巖受力不對稱，隧道成拱效果差，初期支護完成前，在圍巖側向壓力下，覆蓋層薄的一側洞身易出現坍塌，形成“神仙洞［3］”。

2）洞身塌方（冒頂）風險控制措施。圍巖較差的淺埋暗挖段加強超前支護，采用40 m長管棚，并進行注漿，同時配合施作超前小導管，對管棚至開挖輪廓線內圍巖進行支護。開挖過程中嚴格控制爆破及開挖進尺，仰拱及時閉合，二襯緊跟，控制預留變形量，同時加強監控量測。在淺埋偏壓段，優化施工工法，優先采用CD法進行施工，施工從偏壓較大的一側開始。

鐘鳴一號隧道洞身上覆地層軟弱，裂隙多，圍巖級別低，隧道頂部掉塊嚴重；隧道洞身位于地下水位以下，受地下水的影響，粉質黏土和全風化層易變形，向洞室臨空面擠出；雨天施工時地下水豐富，土體易滲漏，容易造成圍巖內細顆粒的大量流失，極易發生塌方，引起洞壁失穩和地表沉陷。

3）洞身暗挖段。由洞室開挖后上覆巖（土）體形成自然平衡拱（坍落拱）高度計算公式［4］（見式（1））可知，寧安城際鐵路鐘鳴一號隧道的最大塌落拱高度為15.3 m，大于隧道埋深。

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式中：H為隧道塌落拱高度；B為隧道寬度；h為遂道高度；φ為土體內摩擦角；f為巖石堅固系數。

1）在水利工程應用中特殊用途的纖維混凝土的設計等級一般在C30以上，本試驗中混凝土的抗壓強度設計等級為C40，主要原材料包括聚丙烯短纖維、高效減水劑、膠凝材料（水泥、粉煤灰等）、細骨料（天然砂）和二級配的粗骨料等。依據《水工混凝土配合比設計規程》（DLT5330-2015），得出試驗所需混凝土配合比基本參數范圍。

風險發生后果損失值打分時，風險造成財產損失、人員傷亡等參考《鐵路隧道風險評估暫行規定鐵建設（2007）200號》［12］所述風險后果等級劃分標準評定。

3 基于AHP的改進模糊綜合法的隧道風險評估

施工風險是一個由相互關聯的、眾多的水文地質因素構成的復雜系統，風險評估是對風險因素的系統分析。淺埋隧道施工期風險因素復雜、眾多且重要程度不一，常采用概率法并以試驗、統計資料和專家評判為基礎，依靠宏觀定性的地質分析方法進行評估，會出現較大的主觀偏差，不能客觀、全面、系統地評價淺埋隧道的風險［6］。

基于AHP［7］（層次分析法）的改進模糊綜合法按照一定規律將施工風險因素之間的相互關系層次化，結合模糊理論［8-9］引入改進的模糊數，對風險因素重要度進行量化分析，最后綜合風險等級評判標準，對目標風險進行等級評定。主要有以下幾個步驟：1建立風險評估指標體系；2建立風險評價指標的層次模型；3構建風險發生可能性模糊判斷矩陣；4風險因素權重計算；5綜合風險等級評定。

本節結合鐘鳴一號隧道施工期風險評估介紹該方法在淺埋隧道風險評估中的應用。

3.1 建立風險評估指標體系

鐘鳴一號隧道施工存在的主要風險有安全風險、工期風險與環境風險，造成這些風險的因素有塌方、山體開裂變形、邊坡坍塌、施工機械故障、山體塌陷、植被破壞、天氣變化等，以此建立鐘鳴一號隧道風險評估指標體系，見表1。其項目階段為施工階段，目標風險為安全、工期、環境。

表1 鐘鳴一號隧道風險評估指標體系Tab.1 Risk assessment index system of Zhongming No.1 tunnel

3.2 建立風險評價指標的層次模型

從評估結果看，鐘鳴一號淺埋隧道屬高風險隧道，施工中必須采取控制措施降低風險，減少損失。施工總體按照“短進尺、弱爆破、臺階開挖、超前支護、早閉合、二襯緊跟、監控量測”的總體原則進行，典型風險控制措施如下所述：

圖1 風險分析層次模型Fig.1 Hierarchical model of risk analysis

3）各層次風險發生可能性權重計算結果。