基于TSP的隧道施工風險評估

呂擎峰，霍振升，趙彥旭，姜璐莎

(1.蘭州大學西部災害與環境力學教育部重點實驗室，蘭州 730000;2.中鐵二十一局集團有限公司，蘭州 730000)

鐵路隧道建設是復雜的、大型的地下隱蔽工程，具有不可預見因素多、施工時效性強和施工環境惡劣等特點。鐵路隧道本身開挖斷面大，若圍巖級別高，則會導致在施工期存在眾多不安全因素，安全管理難度極大。鐵路隧道工程項目風險具有模糊性和偶然性，使其在設計、施工以及決策等方面會遇到各種困難與阻力，因此對鐵路隧道施工階段的風險因素進行有效的評估，從而保證施工安全進行已經成為一個不可或缺的環節[1]。

Einstein.H.H(1974)在研究硬巖隧道的工期和投資風險問題時采用風險評估理論，建立了一種適用于硬巖隧道的基于計算機模擬的隧道工期與成本模型[2]；B.Nilsen(1999)為了估算出海底隧道事故的發生概率從而來控制風險，提出了引入Lichtenberg方法來開展定性風險評估方法，并建立了適用于海底隧道工程風險評估的框架圖[3]。R.Sturk等(1996)以公路隧道修建為風險評估對象開展了風險評估研究，考慮了眾多不確定性因素，分析目標包括了安全風險、投資風險以及環境風險，是一套比較完整的風險評估系統[4]。我國在隧道及地下工程的風險評估方面的研究起步較晚，范益群(2000)基于可靠度理論，提出了地下結構的抗風險設計概念，計算出基坑、隧道等地下結構風險發生的概率，定性評價風險造成的損失，并提出改進的層次分析方法[5-17]；王志國(2004)通過結合故障樹分析和模糊綜合評判分析建立了組合分析法，并對抽油泵進行了可靠性分析[8]。溫世儒(2012)通過GPR地質雷達超前預報與層次分析法結合對隧道進行了風險評估。

目前的風險分析方法主要基于地質資料和工程措施為主，存在基礎資料不確定性和數據的欠真實性。而超前地質預報能夠準確識別施工期的風險源，為模糊綜合評價法的權重賦值提供可靠依據，所以基于TSP的隧道施工風險評估能夠更好確定風險等級，并對風險提供合理的處治措施。

以成昆鐵路峨米段鄧家灣鐵路隧道為依托，利用TSP超前地質預報方法，判別掌子面前方圍巖中所存在的不安全因素，利用模糊綜合評估法對不安全因素開展分析與評估，從而明確具體的施工風險因素及其風險等級。同時，結合鄧家灣勘察報告并征求專家意見對掌子面前方相同段落進行傳統的風險分析與預測，對兩種評估方法得到的風險因素以及風險等級與隧道開挖的實際情況進行比較，從而得出對比性的結果。

1 鄧家灣隧道概況

鄧家灣隧道位于喜德西—冕寧區間，進口里程D2K372+305，出口里程DK381+695，全長9390 m，雙線隧道。進口接短路基，出口緊鄰孫水河雙線特大橋。另外喜德西車站渡線深入進口端，線路縱坡為2.5‰/575 m、11.1‰/778 m、11.9‰/8897 m的單面下坡。洞身均通過花崗巖地層，植被發育，進、出口地形較陡，全隧發育有4條斷層，隧道最大埋深約700 m。

鄧家灣隧道進口D2K372+489～D2K372+519段和D2K372+715～D2K372+757這兩段地質構造復雜，受長期地質構造影響，巖體完整性差，為散體結構，節理、裂隙比較發育，無自穩能力，開挖時若沒有及時支護極易發生塌方；地下水多儲存于節理、裂隙密集地段，以基巖裂隙水為主。在施工時容易遇到掉塊、塌方和涌水等風險因素。所以合理準確地對風險因素進行風險評估是其關鍵內容。

2 TSP超前地質預報結論

D2K372+489～D2K372+509段，節理不發育，巖體強風化，強度較低，該段巖體地下水較發育。D2K372+489～D2K372+493范圍內和D2K372+507～D2K372+509范圍內存在軟弱結構面，且賦含一定地下水。建議圍巖等級為V級。D2K372+509～D2K372+519段，巖體完整性較差，節理裂隙發育，巖體強度增大，該段巖體地下水不發育。建議圍巖等級為V級。

D2K372+715～D2K372+757段，巖體完整性差，節理裂隙較發育，巖體較破碎，該段巖體整體處于滲水或者潮濕狀態，尤其在D2K372+734～D2K372+736有軟弱面存在。建議圍巖等級為IV級。

3 模糊綜合評價模型的建立

3.1 基于TSP的隧道施工風險評估方法

利用TSP 303系統在鄧家灣隧道采集炮數據，然后進行數據分析，從而預報出掌子面前方的斷層破碎帶等風險因素，然后采用模糊綜合評估方法，確定隧道掌子面前方風險因素等級評估矩陣，確定概率等級以及風險因素權重，進行總體評估從而確定施工風險等級，進而采取合理措施降低風險，保證施工順利進行。TSP與模糊綜合評價的關系如圖1所示。

圖1 TSP超前預報與模糊評價的關系

3.2 構造風險因素集A和風險評價集B

根據高速鐵路隧道施工風險評價指標體系，結合鄧家灣隧道該段落實際情況，將隧道風險集合中的風險因素表示為A1，A2，A3，A4，A5，即

A={A1，A2，A3，A4，A5}

(1)

其中，A1表示施工中可能遇到的坍塌；A2表示施工中可能發生的突泥；A3表示施工中可能發生的突水或涌水；A4表示施工中可能遇到的圍巖大變形；A5表示施工中可能發生的弱巖爆。

評價集合指的是由所有情況的風險評價結果所組成的集合，表示為

B={B1，B2，B3，…}

(2)

對于鄧家灣隧道預測段落，根據高速鐵路隧道施工風險評價指標體系，將施工階段遇到的風險的等級分為5個等級，即：依次為

B={B1，B2，B3，B4，B5}

(3)

其中，B1表示極低風險；B2表示低風險；B3表示中度風險；B4表示高風險；B5表示極高風險。

3.3 明確風險因素的權重

權重集合指的是不同的因素對于同一風險所產生的貢獻不一致，也就是說不同的因素對一個風險的影響程度存在差異。模糊綜合評價的核心步驟是將風險事件進行兩兩對比，根據風險事件的重要性大小從而在一個標度表中進行仿數量化。該標度表采用1～9標度原則(表1)。依照風險因素評判矩陣及風險因素權重的準則，對兩種隧道風險因素構建判斷矩陣，然后再求權重向量[18]，表示為

W={W1，W2，W3，W4，W5}

(4)

對“判斷矩陣”進行一致性檢驗的步驟如下。

(1)計算該判斷矩陣的最大特征值λmax

(5)

式中λmax——判斷矩陣的最大特征根；

n——判斷矩陣的行數；

M——判斷矩陣程序W為判斷矩陣的特征向量；

(MW)i——向量MW的第i個元素。

表1 1～9標度兩兩比較原則

(2)進行一致性檢驗

進行一致性檢驗時首先計算CR值，CR的計算公式如下

(6)

(7)

式中，RI為平均隨機一致性指標，如表2所示。當CR≤1.0時，認為判斷矩陣具有較滿意的一致性；若不滿足，則應該對矩陣進行調整。

表2 平均隨機一致性指標RI的取值

3.3.1 專家評估法構建判斷矩陣

將專業地質工作者工程經驗以及鄧家灣隧道勘察報告相綜合，分析出在掌子面前方該段落在施工時可能遇到坍塌、突泥、突水、弱巖爆或圍巖大變形不安全因素，在隧道前期勘察以及施工中編寫的掌子面地質素描等資料精確的情況下，工程經驗豐富的專業地質工作者一般能識別出掌子面前方等級較高的風險事件。然而大部分施工或者技術人員缺乏一定的地質經驗或者能力不足，無法準確識別出五種風險因素之間的重要性排序。

針對這種情況，在D2K372+489～D2K372+519段拿其中一種可能發生的情形進行分析，也就是認為這5種風險的重要性排列依次為突水、突泥、坍塌、弱巖爆、圍巖大變形。因此，風險因素的第一判斷矩陣如表3所示。

表3 風險因素第一判斷矩陣

表3的判斷矩陣進行權重運算，求得：權重向量W={0.126，0.258，0.505，0.041，0.071}；最大特征值λmax=5.427，一致性指標

(8)

查表得RI為1.12，求得一致性比例

(9)

一致性檢驗符合。

同樣，在D2K372+715～D2K372+757段對其中一種可能發生的情形進行分析，也就是認為這5種風險的重要性排序依次為弱巖爆、圍巖大變形、突水、突泥、坍塌。因此，該段風險因素的第一判斷矩陣如表4所示。

表4 風險因素第一判斷矩陣

表4的判斷矩陣進行權重運算，求得：權重向量W={0.043，0.107，0.194，0.195，0.460}；最大特征值λmax=5.413，一致性指標

(10)

查表得RI為1.12，求得一致性比例

(11)

一致性檢驗符合。

3.3.2 根據TSP超前地質預報成果成立判斷矩陣

結合已有勘察報告，分析TSP超前地質預報結果可見，鄧家灣進口D2K372+489～D2K372+493范圍內和D2K372+507～D2K372+509范圍內坍塌和突水是該段落的主要潛在風險，在施工中如果不及時采取支護措施極有可能發生，造成不必要的損失。這5種風險的重要性大小排序依次為坍塌、突水、圍巖大變形、突泥、弱巖爆。此時該段風險因素的第二判斷矩陣如表5所示。

表5 風險因素第二判斷矩陣

對表5的判斷矩陣進行運算，求得：權重向量W={0.523，0.081，0.232，0.126，0.038}；最大特征值λmax=5.338，一致性指標

(12)

查表得RI為1.12，求得一致性比例

(13)

一致性檢驗符合。

同樣結合已有勘察資料，分析TSP超前地質預報結果可見，鄧家灣進口D2K372+715～D2K372+757范圍內坍塌和突水是該段落的主要潛在危險因素。這5種風險因素的重要性排序依次為坍塌、突水、突泥、圍巖大變形、弱巖爆。該段風險因素的第二判斷矩陣如表6所示。

表6 風險因素第二判斷矩陣

對表6的判斷矩陣進行運算，求得：權重向量W={0.523，0.078，0.126，0.233，0.039}；最大特征值λmax=5.321，一致性指標

(14)

查表得RI為1.12，求得一致性比例

(15)

一致性檢驗符合。

3.4 明確風險因素的隸屬度

所謂風險隸屬度，指的是風險事件對于風險水平的隸屬關系，即：該風險事件屬于何種風險水平。

(1)確定風險事件影響后果C

風險事件影響后果C的估算方法如表7所示。

表7 風險事件影響后果C的估算方法

(2)確定風險事件發生概率

風險事件發生概率P的估算方法如表8所示。

表8 風險事件發生概率P的估值方法

(3)隸屬函數的確定

按照梯形分布，對施工風險進行分級，共分為5級：依次為“極低風險”、“低風險”、“中度風險”、“高風險”、“極高風險”。梯形分布函數計算公式如式(16)所示

(16)

式(16)中a，b都取正值。

該分段函數的表達式如表9所示。

表9 隸屬函數分段表達式

(4)隸屬度值的確定

確定隸屬度值的時候，將風險事件影響后果C的估計值和發生概率P的估計值相乘，然后將相乘后的值代入到隸屬函數中，從而得到相應的隸屬度值。最終形成一個施工期風險評判矩陣。

將已有勘察報告和專業地質工程師長年工程經驗結合分析，鄧家灣進口D2K372+489～D2K372+493范圍內和D2K372+507～D2K372+509段在施工時期可能會遇到坍塌、突水、突泥、弱巖爆或圍巖大變形。然而五種風險因素的發生概率及影響后果的取值存在多種情況。現在只取其中一種可能的情況進行分析，表10列出該段所有指標的第一隸屬度。

表10 所有指標的第一隸屬度

鄧家灣進口D2K372+715～D2K372+757段在施工時期也可能會遇到坍塌、突水、突泥、弱巖爆或圍巖大變形風險。同樣只取其中一種可能發生的情形進行分析，表11列出在該段所有指標的第一隸屬度。

表11 所有指標的第一隸屬度

而由TSP超前預報的結論可知，坍塌和突水在D2K372+489～D2K372+493范圍內和D2K372+507～D2K372+509范圍內發生的概率最大。表12列出該段各指標的第二隸屬度。

表12 所有指標的第二隸屬度

同樣由TSP超前預報的結論可知，坍塌和突水在D2K372+715～D2K372+757范圍內發生的概率最大。表13列出該段各指標的第二隸屬度。

表13 所有指標的第二隸屬度

3.5 模糊綜合運算

精準的運算后，得到風險評價結果，記為N

N=W×R

在鄧家灣進口D2K372+489～D2K372+493范圍內和D2K372+507～D2K372+509段將專家評估法和基于TSP超前地質預報的風險評估結果表示為N1和N2，如下

[0.329，0.672，0，0，0]

(17)

[0.081，0.396，0.523，0，0]

(18)

由最大隸屬度原則進行分析處理，結果如表14所示。

表14 基于主觀評估法所得結論

根據N2，隧道風險等級如表15表示。

表15 基于TSP所得結果

同樣，在鄧家灣進口D2K372+715～D2K372+757段將專家評估法和基于TSP超前地質預報的風險評估結果表示為N3和N4，如下

[0.567，0.432，0，0，0]

(19)

[0.078，0.272，0.649，0，0]

(20)

根據最大隸屬度原則，分析N3，結果如表16所示。

表16 基于主觀評估法所得結論

根據N4，隧道風險等級如表17表示。

表17 基于TSP所得結果

隧道掘進結果顯示，基于TSP超前預報進行的隧道風險評估的結論基本正確。

在D2K372+489～D2K372+509段巖體地下水較發育。在D2K372+489～D2K372+493范圍內和D2K372+507～D2K372+509范圍內存在軟弱結構面，且賦含一定地下水。D2K372+509～D2K372+519段，巖體完整性較差，節理裂隙發育。因為現場施工人員和隧道技術員在結合TSP地質超前預報的風險評估結果后，及時采取了相關的風險規避舉措，并將圍巖級別由Ⅳ級降低到Ⅴ級，在施工中并未出現大的坍塌，僅產生了小部分圍巖溜滑。然而，如果按照專家評估法所得結論，而未采取相關的風險規避舉措或者采取的支護措施不能對圍巖進行合理支護，則在施工時極易產生大規模的掉塊甚至出現垮塌。

在D2K372+715～D2K372+757段，巖體完整性差，節理裂隙較發育，巖體較破碎，且該段巖體整體處于滲水或者潮濕狀態，尤其在D2K372+734～D2K372+736有軟弱面存在。因為現場施工人員在結合TSP地質超前預報的風險評估結果后，及時采取了相關的風險規避舉措，并將圍巖級別由Ⅲ級降低到IV級，并采取及時支護，在施工中并未出現坍塌，施工井然有序進行。然而，如果按照專家評估法所得結論，按照Ⅲ級圍巖施工開挖，采取的支護措施不能恰當對圍巖進行合理支護，則在施工時極易產生大規模的圍巖掉塊甚至坍塌。

4 結語

采用基于TSP超前地質預報的施工風險評估，準確找出風險源，確定風險級別，從而采取合理措施降低風險，在一定程度上避免專家調查等主觀方法的盲目性和模糊性，使得最終的評估結果與實際開挖情況更加契合，為隧道安全高效施工開挖提供更精確的保證，從而也提高了隧道施工風險評估的準確性，可以在鐵路隧道施工風險評估中運用。