山嶺公路隧道施工安全動態風險評估方法研究

劉冠男，王玉田，姜福香，崔佳慶

(青島理工大學 土木工程學院 青島市 266033)

0 引言

山嶺公路隧道施工中存在諸多不確定性風險因素且這些風險因素多呈現出隱蔽性高、破壞性強、動態演變快等特性，造成山嶺公路隧道施工安全事故頻發，給國家和人民的生命財產造成了嚴重的損失[1]。為了減少山嶺公路隧道施工安全事故，有必要對其開展施工安全風險評估工作。

國內外學者在隧道施工風險評估領域開展了大量研究工作，其研究成果可分為，靜態風險評估和動態風險評估兩類。如：王迎超[2]采用層次分析法對山嶺公路隧道塌方事故影響因素進行敏感性分析，為山嶺隧道塌方的預防和治理提供了有效依據。R.Stuzk, L.OIsson, J.Jonsson[3-4]引入事故樹法，建立了一套適用于公路隧道施工的風險評價體系。吳賢國[5]在地鐵隧道施工中引入了云模型，提高了風險評估結果的準確性。郝銀[6]將監控量測手段與事故樹法相結合，建立了基于新奧法監控量測的動態風險評估指標體系，實現了對隧道施工風險等級的動態分析。李利平[7]根據監控量測動態信息，確定出了隧道施工突涌水風險評估指標的綜合權重，實現了對隧道突涌水動態風險的標準化評價。

總的來說，目前隧道施工安全風險評估工作主要以靜態分析為主，難以掌控和動態跟蹤隧道施工安全風險，無法對隧道施工安全狀態作出準確評估。而動態風險評估雖處在探索階段，但該評估模式依據監控量測手段反饋的隧道施工動態信息，實現對隧道施工安全風險的動態分析，在該模式下能夠及時發現和預防隧道施工中存在的風險隱患。

鑒于此，依托抓馬山山嶺公路隧道，在以往隧道施工靜態風險分析中引入監控量測手段，共同識別山嶺公路隧道施工安全風險因素，確定出山嶺公路隧道施工安全動態風險評估指標體系。借助監控量測手段實現對各風險評估指標數據的實時采集、分析、處理，得到各評估指標施工狀態隨施工進程的動態變化情況，進而實現對山嶺公路隧道總體施工安全風險等級的動態修正，旨在為山嶺公路隧道施工安全動態風險評估提供參考。

1 山嶺公路隧道施工安全動態風險評估模型的建立

1.1 動態風險評估指標體系的確定

山嶺公路隧道施工安全風險評估的首要工作是識別風險因素，旨在找出引發山嶺公路隧道施工安全事故的影響因素，進而建立山嶺公路隧道施工安全風險評估指標體系。在閱讀國內外相關文獻的基礎上，結合隧道新奧法監控量測的特點，將監控量測項目地質狀況、隧道斷面位移、地表沉降、錨桿軸力確定為山嶺公路隧道施工安全一級動態風險評估指標，對于每個一級風險評估指標，根據監控量測內容又包含對應的二級風險評估指標，詳見表1。

表1 山嶺公路隧道動態風險評估指標體系

1.2 風險評估指標初始權重的確定

采用層次分析法[8]，確定表1中各風險評估指標的初始權重，僅以計算A1中A11～A14評估指標初始權重為例，依據層次分析法1～9相對重要程度，建立A11～A14風險評估指標的判斷矩陣M。

(1)計算可得，判斷矩陣M的最大特征值λmax=4.025，對應的歸一化特征向量為

w=(0.276，0.131，0.049，0.544)

(2)為了反映判斷矩陣M與一致性的接近程度，計算偏離一致性指標CI值

(3)由隨機一致性指標RI取值表確定出一致性指標RI=0.90

(4)計算一致性指標CR值

故山嶺公路隧道A11～A14風險評估指標的初始權重分別為0.276、0.131、0.049、0.544，同理，其他風險評估指標的初始權重見表2。

1.3 動態風險評估指標施工狀態的確定

參考相關文獻[9-10]，并結合隧道監控量測規范和相關專家意見，對各風險評估指標施工狀態進行定量化分析，建立了表3中各風險評估指標施工狀態等級及施工風險狀態評判標準?；诒O控量測手段，對表1中各風險評估指標進行實時數據采集、分析、處理，最終將數據處理結果與表3中評判標準對比，確定出各風險評估指標的施工狀態等級。

表2 山嶺公路隧道施工安全風險評估指標初始權重

表3 山嶺公路隧道施工安全動態風險評估指標施工狀態等級劃分

在確定出山嶺公路隧道施工安全動態風險評估指標施工狀態等級后，為了通過監控量測手段實時準確地反映出各評估指標的施工狀態隨施工進程動態變化的特性，需要制定各風險評估指標施工狀態值賦分區間。參考《公路隧道設計規范》、結合現場調研情況、專家建議及文中建立的山嶺公路隧道施工安全動態風險評估模型對各風險評估指標施工狀態采用百分制賦分模式，通過對各風險評估指標施工狀態采用多次不同的賦分試算，發現對各風險評估指標施工狀態采取以下賦分區間時與山嶺公路隧道實際施工安全狀態更符合。本文僅以A12、A21、A31、A41四個風險評估指標為例，對其狀態值賦分標準進行闡述，具體見表4。

表4 山嶺公路隧道施工施工安全動態風險評估指標施工狀態賦分區間描述

注：L、M、Z分別為隧道開挖后引起的拱頂位移、代表位移及拱頂錨桿軸力

為方便監控量測數據同表3中風險評判標準對比，將表1中隧道斷面位移、地表沉降、錨桿軸力風險評價指標做定量化處理，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。

1.4 動態風險評估指標狀態權重的確定

狀態變權原理是汪培莊[11]最早提出的動態風險評估理論，認為風險評估指標的權重隨其狀態的變化而變化，是對以往靜態風險評估方法的修正和完善。隨后，李洪興[12]提出了狀態變權的公理化定義，進一步完善了狀態變權理論。目前山嶺公路隧道采用的狀態權重公式為：

(1)

其中Wj(X)為各風險評估指標對應的狀態權重值，wj為風險評估指標的初始權重值，xj為風險評估指標的施工狀態歸一化值，α為狀態變權均衡系數，當α取1/2時，狀態變權效果最明顯，此時狀態權重公式為：

(2)

將各風險評估指標的監控量測數據處理后，分別同表3和表4中評判標準對比，進而確定出各風險評估指標的施工狀態值，對其歸一化處理，得到各風險評估指標的施工狀態歸一化值xj，同時將層次分析法中確定的各風險評估指標初始權重值wj，一起代入式(2)，確定出各風險評估指標對應的狀態權重值Wj(X)。

1.5 動態風險估計模型的建立

風險估計是對各風險評估指標引發風險概率及風險損失進行估計。參考風險概率等級表和風險損失等級表[13-14]，同時結合現場調研情況及相關專家意見，分別對山嶺公路隧道施工安全風險概率及風險損失進行估計。

咨詢m個相關專家，分別參考風險概率等級表中A、B、C、D、E風險概率等級及風險損失等級表中1、2、3、4、5風險損失等級分別就風險評估指標j的風險概率隸屬度和風險損失隸屬度進行估計，然后，統計m個專家對j發生概率隸屬度及損失隸屬度估計結果，最后，得出j的風險概率隸屬度模糊集和風險損失隸屬度模糊集，分別見式(3)和式(4)。

(3)

(4)

(5)

mpkj和mckj為分別在A、B、C、D、E風險概率等級上的專家頻數和1、2、3、4、5風險損失等級上的專家頻數，mpj和mcj分別指對j發生概率估計及發生損失估計的專家總人數。

1.6 模糊綜合評價

在確定山嶺公路隧道總體施工安全風險等級時，需要對各風險評估指標進行模糊評價，先從二級評估指標開始，將二級指標的風險概率模糊評價結果及風險損失模糊評價結果進行組合，求出每個二級風險評估指標的評價指標Rj=(r1r2r3r4r5)，采用加權平均法，將二級風險評估指標的評價指標Rj中的5個元素與表5中的等級指針依次相乘，確定出每個二級風險評估指標對應的風險等級。

將率屬于相同一級風險評估指標的評價指標構成模糊關系評判矩陣R=(R1R2…Rj)，從而一級風險評估指標的模糊關系評判矩陣為：B=Wj(X)R=(W1(X)W2(X)…Wj(X))(R1R2…Rj)=(b1b2…bj)

按照上述確定二級風險評估指標風險等級的方法，確定出每個一級風險評估指標對應的風險等級，最終確定出山嶺公路隧道總體施工安全風險等級。

由表5可見，風險等級越高，代表山嶺公路隧道當前施工風險越大。

表5 風險水平分級

2 工程實例分析

抓馬山山嶺公路隧道位于山東省青島市黃島區西郭村-宋家塋村，穿越S7603高速公路，全隧屬于分離式隧道，采用新奧法施工。隧址區地形起伏大，地勢中間高、兩端低，主要地貌為剝蝕殘丘。隧道穿越地段圍巖等級以Ⅳ、Ⅴ級為主，巖層多為強風化巖和中風化巖，巖體破碎，地下水以基巖風化裂隙水為主，自穩能力差。因此，有必要借助監控量測手段，建立動態風險評估模型，反映各風險評估指標的施工狀態，通過分析評估指標施工狀態對其權重的影響，實現對施工風險的動態分析。

由于山嶺公路隧道施工安全風險評估指標施工狀態隨施工進程不斷變化，致使山嶺公路隧道的權重及總體施工安全風險等級也在不斷變化。為了反映各風險評估指標施工狀態及山嶺公路隧道總體施工安全風險等級隨施工進程動態變化的特性，監控量測應每天跟進。為方便后續風險評估工作的開展，對各風險評估指標實行每天監測，連續監測1周，統計各風險評估指標施工狀態及山嶺公路隧道總體施工安全風險等級在1周內的變化情況。2019年4月1日至4月7日，對抓馬山山嶺公路隧道左線ZK5+310～ZK5+495標段各風險評估指標監控量測1周，按建立的山嶺公路隧道施工安全動態風險評估模型，依據監控量測手段對各風險評估指標實行實時數據采集、分析、處理，然后參照表3和表4施工狀態評判標準，得到各評估指標連續1周的施工狀態值，制成圖1風險評估指標施工狀態動態變化圖。并將各評估指標1周的施工狀態值分別代入式(2)中狀態變權公式，得到各評估指標對應的7個狀態權重值。最后按照上述評估流程對各評估指標進行風險估計和模糊綜合評價，確定出山嶺公路隧道在連續1周內的總體施工安全動態風險等級，并在圖2中繪制出山嶺公路隧道總體施工安全動態風險等級變化圖。

圖1 風險評估指標施工狀態動態變化圖

圖2 山嶺公路隧道總體施工安全動態風險等級變化圖

從圖1和圖2中可清晰地看出各評估指標的施工狀態及山嶺公路隧道總體施工安全風險等級在1周內的動態變化情況。圖1中在4.4日評估指標A11、A12施工狀態值都小于60，根據現場施工情況分析，4.4日開挖山體處在斷層上，掌子面圍巖強度低且破碎嚴重，自穩能力差，稍有擾動，容易在開挖中出現塌方事故，監控量測手段反映出的A11、A12評估指標的施工狀態等級較高。故4.4日圖2中山嶺公路隧道總體施工安全風險等級為4級，在1周內最大，施工安全風險較高，應采取相應的風險控制措施。鑒于此，將山嶺公路隧道總體施工安全動態風險等級施工信息及時反饋給業主和施工單位，在最大程度上減少和規避施工安全事故。

3 結論

隧道施工中風險評估指標施工狀態隨施工進程不斷變化，導致隧道總體施工安全風險等級也在不斷變化，通過監控量測手段不僅可以及時準確地反映出風險評估指標施工狀態隨施工進程不斷變化的動態信息，還可實現對隧道總體施工安全風險等級的動態修正，進而實現對隧道施工安全風險的動態分析。結果表明，該動態風險評估方法具有時效性和應用性，對于減少山嶺公路隧道施工安全事故具有明顯作用，值得推廣應用。