基于模糊綜合分析的光坑山隧道洞口失穩(wěn)風險評估

陳希茂

(中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司， 福建福州 350013)

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基于模糊綜合分析的光坑山隧道洞口失穩(wěn)風險評估

陳希茂

(中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司， 福建福州 350013)

文章簡要介紹了公路隧道安全風險評估理論，以光坑山隧道進口為例，應用模糊綜合分析法對光坑山隧道進口段洞口失穩(wěn)風險進行了評估，并提出降低風險的處理措施。

模糊綜合分析； 洞口失穩(wěn)； 風險評估

隨著我國公路隧道建設的快速發(fā)展，隧道斷面、長度不斷加大，斷層、巖爆、涌突水等不良地質(zhì)災害也屢見不鮮，可能遇到的安全風險也隨之增加。目前，公路隧道安全風險評估工作還處于起步階段，需要對公路隧道工程建設安全風險評估不斷探索和完善，以期降低安全風險，減少工程事故，最終達到經(jīng)濟、安全、環(huán)保的目標。

1 風險評估基本理論

1.1 隧道與地下工程的風險產(chǎn)生機理

關于隧道與地下工程的風險產(chǎn)生機理有多種理論模型[1]，一般可以概括為：孕險環(huán)境與致險因子耦合作用，致使風險事故發(fā)生，進而給承載體造成損失。對隧道工程風險來說，承載體主要包括隧道、周邊環(huán)境、社會群體和生態(tài)環(huán)境。

1.2 風險分析步驟

收集數(shù)據(jù)信息 、建立不確定性分析模型、對風險影響進行評價。

1.3 風險分析與評估的主要方法

專家打分方法 、故障樹分析法(FTA) 、層次分析法等。

1.4 風險水平定級方法

1.4.1 風險事件發(fā)生的概率

根據(jù)《公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南(試行)》、《公路橋梁和隧道施工安全風險評估指南(試行)》[2-3]，把風險事件發(fā)生概率和對應的風險后果均劃分為五個等級。

1.4.2 風險損失等級

確定風險后果的分級標準時，可以從經(jīng)濟損失、人員傷亡、工期延遲、環(huán)境危害等角度去考量,而經(jīng)濟損失又可包括建設方或承包商的經(jīng)濟損失。

1.4.3 風險等級的分級標準

確定了風險事故發(fā)生的概率及其后果等級，再對風險等級進行劃分，從低到高依次為Ⅰ級～Ⅳ級。

1.4.4 風險處理措施

公路隧道風險的接受準則及對應的措施要求見表1。

1.5 隧道風險評估與分析的步驟及流程

其步驟主要包括如下環(huán)節(jié)：風險辨識、風險估測、風險評價、風險控制及應急預案[4]。

1.5.1 風險辨識[5]

(1)盡可能全面了解項目的具體概況。

表1 風險接受準則

(2)研究隧道實施方案，確定其在施工期間和運營期間可能出現(xiàn)的風險事件。

(3)根據(jù)風險的存在狀態(tài)和方式，首先考慮運用定性的分析方法。

(4)創(chuàng)建風險結(jié)構(gòu)圖。

1.5.2 風險影響分析

對于主要的風險，仔細分析其發(fā)生的概率，確定由此可能出現(xiàn)的后果，提出風險效益的發(fā)生規(guī)律，據(jù)此確定合適的風險控制標準。

1.5.3 風險控制及對策研究

(1)風險控制標準分析：統(tǒng)計分析、數(shù)值分析、理論分析，確定在一定條件約束下的風險控制指標。采用定性與定量相結(jié)合的分析方法。

(2)研究制定風險的預防措施和控制辦法，降低風險。

2 光坑山隧道洞口失穩(wěn)風險評估實踐

2.1 光坑山隧道基本情況

2.1.1 隧道概況

光坑山隧道為南平市武夷新區(qū)省道303新嶺至將口大道段一級公路工程，雙向六車道布置，位于福建省南平市，線路基本成南北走向。光坑山隧道左線共1 167 m，其中A1標段515 m；右線共1 191 m，其中A1標段544 m。設計行車速度80 km/h。

2.1.2 地形地貌

本隧道場址區(qū)洞身段屬剝蝕丘陵地貌，進、出口處屬山間沖洪積洼地與剝蝕丘陵交匯處，進、出口兩側(cè)分布有窄長沖洪積洼地。地形平坦性差，起伏不平，隧道進口端山坡的坡度主要在15°～30°之間，隧道出口端的山體坡度主要在20°～30°范圍之內(nèi)，溝塹較發(fā)育。澗身段地表植被發(fā)育，進口處植被不茂盛，出口處植被不發(fā)育。

2.1.3 工程地質(zhì)

隧道洞身段表層為少量的坡積層(Qdl)，下伏基巖為上元古界麻源群變粒巖(Pt3my)，局部地段見有少量混合花崗巖；進洞口路面標高位于沖洪積層內(nèi)，下伏基巖為上元古界麻源群變粒巖(Pt3my)；出洞口路面標高高于沖洪積層，出洞口段表層為少量的坡積層(Qdl)，下伏基巖為上元古界麻源群變粒巖(Pt3my)，巖層產(chǎn)狀較不穩(wěn)定。左、右線進洞口位于沖洪積洼地及剝蝕丘陵交匯處，圍巖為第四系可塑狀粉質(zhì)黏土、殘坡積土、殘坡積土、全風化巖、散體狀強風化巖、碎塊狀強風化巖、局部少量中風化巖，巖土結(jié)構(gòu)松散，圍巖級別為V級。開挖后邊坡、仰坡高度較大，邊坡、仰坡主要巖性為第四系粉質(zhì)黏土、殘坡積土及全風化巖巖體破碎，邊坡總體穩(wěn)定性較差。未發(fā)現(xiàn)滑坡等不良地質(zhì)作用。

2.1.4 水文地質(zhì)

該段落隧道區(qū)屬于崇陽溪水系，場區(qū)附近地表水發(fā)育一般，洞身地表水較發(fā)育，水量較豐富，地下水水位埋深淺，地下水主要有以下兩種類型：風化帶孔隙裂隙水、基巖裂隙水。地表水發(fā)育一般，進口兩側(cè)溝谷各發(fā)育一條小溪溝，水面寬度約為0.20 m，深度在0.10～0.20 m之間，流量約450 t/d；出口左側(cè)溝谷發(fā)育一條小溪溝，水面寬度約為0.20 m，深度在0.10～0.20 m之間，流量約530 t/d。小溪溝主要接受地下水或雨季雨水的的補給，常年性流水水源，旱季時水量不充沛。

2.2 光坑山隧道風險源辯識

通過對光坑山隧道地質(zhì)情況、設計情況的分析，可判斷光坑山隧道存在的主要風險事件為塌方、洞口失穩(wěn)、大變形、突水涌泥、環(huán)境保護、營運安全以及結(jié)構(gòu)設計等。本文僅以隧道洞口(進口)失穩(wěn)的重大風險事件進行安全風險評估為例。

2.2.1 洞口失穩(wěn)風險源辨識與排序

隧道進口穩(wěn)定性風險源層次分析見圖1。

圖1 隧道進口穩(wěn)定性風險源層次分析

憑借層次分析模型理論，構(gòu)建B層所有元素對應目標A的判斷矩陣(表2)。

表2 B層所有元素對應目標A的判斷矩陣

計算可得判斷矩陣λmax=8.9099

w=[0.2164,0.0836,0.1283,0.4081,0.049,0.0243,0.0336,0.0567]

CR=CI/RI=0.13/1.41=0.0921<0.1，滿足一致性檢驗。

可見洞口失穩(wěn)風險源重要度依次為：V級圍巖>坡體結(jié)構(gòu)松散>雙側(cè)壁導坑法>坡度15°～30°>邊坡高2.5～6.8 m >地表水稍發(fā)育>年降雨量1 736 mm>植被發(fā)育。

2.2.2 洞口失穩(wěn)風險評估

2.2.2.1 洞口失穩(wěn)模糊綜合評價

根據(jù)專家調(diào)查表，結(jié)合相似工程，經(jīng)敏感性分析淘汰掉對洞口失穩(wěn)影響極小的因素后，得出洞口失穩(wěn)一級指標和二級指標，進行模糊綜合評價(表3、表4)。隸屬函數(shù)部分根據(jù)專家的經(jīng)驗及相似工程案例，其它部分選擇梯形隸屬函數(shù)。

表3 隧道進口穩(wěn)定性判斷矩陣

一致性比例CR=0.024<0.1，滿足一致性檢驗。判斷矩陣λmax=3.025

(1)一級評價。

利用一級評價模型，洞口總體評價單因素評價結(jié)果如下：

地形地貌A：

地質(zhì)條件B：

表4 洞口失穩(wěn)模糊評價指標

評價指標光坑山隧道一級指標二級指標描述地形地貌A坡高坡度7.8m,30°地表水系較發(fā)育坡體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)較松散、有偏壓地質(zhì)條件B地層巖性坡積粉質(zhì)黏土及全-強風化變粒巖地質(zhì)構(gòu)造無影響水文條件基巖裂隙孔隙水為主氣候植被C植被覆蓋植被較發(fā)育降雨強度年降雨量1736mm施工設計D施工方法雙側(cè)壁導坑法勘察精度洞口布孔,相對準確支護措施大管棚、小導管

氣候植被C：

施工設計D：

(2)二級評價。

利用一級評價結(jié)果，構(gòu)建二級評價判斷矩陣R，該段隧道塌方風險總體二級評價判斷矩陣：

綜合評價：

(3)評價結(jié)果分析。

將洞口段總體評價結(jié)果模糊向量單值化隧道總體評價等級見表5。

表5 隧道總體評價等級

該段總體評價值F=1×0.0617+2×0.2382+3×0.5186+4×0.1816=2.82，由此值可知，光坑山隧道進口失穩(wěn)的總體模糊評價等級為Ⅲ級。

2.2.2.2 洞口失穩(wěn)風險評估

綜合評價，光坑山隧道進口端失穩(wěn)風險的整體風險等級為III級。處于在一定條件下可接受的風險水平,但必須采取切實可行的辦法來降低風險,并需要準備應急預案。隧道進口端失移風險等級見表6。

表6 光坑山隧道洞口(進口)失穩(wěn)風險等級

3 結(jié)束語

由于項目對隧道風險的高度重視，采取了必要的安全控制措施與應急預案，目前該隧道已順利貫通，洞口段施工中沒有發(fā)生塌方、變形等事故。通過對光坑山隧道進口洞口失穩(wěn)安全風險評估，說明了利用以層次分析法為核心的模糊綜合評價法得到的評價結(jié)果和現(xiàn)場實際情況相符，具有一定的指導意義。該方法簡單，對其他公路、鐵路隧道施工安全評價也具有借鑒意義，能夠被隧道施工技術管理人員所接受。

[1] 吳波.隧道施工安全風險管理研究與務實[M].北京：中國鐵道出版社,2010.

[2] 中華人民共和國交通運輸部.公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南[S].2011.

[3] 中華人民共和國交通運輸部.公路橋梁和隧道施工安全風險評估指南(試行)[S].2011.

[4] 交通運輸部工程質(zhì)量監(jiān)督局.公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估制度及指南解析[M].北京：人民交通出版社,2011.

[5] 歐陽剛杰.長沙市營盤路湘江水下隧道安全風險評估及控制技術研究[D].長沙：中南大學，2012.

福建省自然科學基金面上項目“巖溶及含空洞隧道地震破壞機理及控制對策研究” (項目編號：2016J01205)；中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司科技項目“城市地下空間工程安全風險管理及信息系統(tǒng)研究與開發(fā)”

陳希茂(1974～)，男，本科，高級工程師，注冊一級建造師(市政、建筑)，從事橋梁與隧道工程施工和建設管理工作。

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[定稿日期]2016-05-24