基于模糊理論的隧道施工安全風險因素控制

(電子科技大學成都學院經濟管理與工程系，四川 成都611731)

0 引言

隧道工程施工是鐵路和公路施工中的一個重要環節，如果不能保證隧道在施工過程中的安全，則將導致重大的人員財產損失。故而，切實有效地隧道施工安全管理是保證隧道施工工程安全的必要保證。而要制定隧道施工的安全風險控制措施，就需要先對隧道施工安全風險進行評估，國內外許多學者在隧道的安全評估方面獲得了大量的研究成果。

目前，國內外對于隧道安全管理的研究都是集中在風險辨識、評估的研究上。劉輝選擇公路隧道作為研究對象，為其建立了安全評價指標體系，運用模糊綜合評價法進行了整體評價，為公路隧道的安全施工提供了科學依據[1]。張鴻運用多層次多目標模糊優選模型，建立了隧道施工安全監督二級動態評估預警模型[2]。Ondrej Nyvlt等人運用風險概率評價理論對公路隧道進行了研究，指出在施工中洞口段存在較高風險，在施工中要注意該段的施工安全管理[3]。

本文將運用模糊數學對隧道施工安全風險因素進行評估，評判出每種風險對隧道安全的影響情況，并就各因素的風險程度進行排序，進而制定相應的應對措施。

1 工程概況

隧道位于我國西部山區，隧址處地勢險峻且海拔高，隧道的主洞長7 079 m。隧道內部的斷裂結構比較發育，屬于地震發震構造。隧道的基本烈度等級為Ⅷ度等級。隧道內的巖體完整性系數KC為0.39，隧道埋深為700 m，隧道跨度為9 m。隧道的氣候屬于高原高寒氣候，全年氣溫差距小，日溫差較大；隧道日照較充足，太陽輻射強烈，全年降水集中；全年的積雪和結冰時間較長，全年平均霧日為5～6 d，月平均霧日在0.2～0.8 d之間，東、西口月最多霧日在4 d左右。隧址處水資源豐富，地下水可通過降雨、雪水融化等方式進行補充。

2 隧道施工安全風險因素

隧道施工中的風險事件主要有：危巖崩塌、洞口失穩、塌方、涌突水(泥)、巖爆、瓦斯災害、高原反應、泥石流及次生災害等。而引起巖爆、洞口失穩、塌方等風險事件發生的原因一般是地質條件、自然條件、隧道結構、勘察設計、施工技術、施工管理和監控量測幾個方面。本文構建了基于這7個第一層影響因素的評估模型，如表1所示。

表1 隧道施工安全風險評判指標層級結構模型

3 隧道施工安全風險因素評估

3.1 評估程序

本文在進行隧道安全進行評估時，采用的是圖1中的基本程序。

3.2 風險評估維度權重

本文中主要是針對影響因素對隧道的安全風險發生概率大小和風險發生后果2個指標維度來進行評估。所謂的發生概率大小即該影響因素導致隧道發生事故的可能性大??；風險發生后果即該影響因素導致隧道發生事故后造成的人員、財產和環境方面的損失。通過對比這2個維度的相對重要性，有風險發生概率和風險發生后果的判斷矩陣，如表2所示。

圖1 隧道評估的基本程序

表2 判斷矩陣

3.3 模糊評估矩陣

一般地，隸屬度的確定方法有隸屬度函數、模糊統計法等。其中，比較典型的隸屬度函數有三角形分布、梯形分布、正態型分布等。本文將從定性、定量2個方面來確定指標風險的隸屬情況，定量主要采用的是梯形分布函數，分為偏大型、中間型、偏小型、介于偏大型和中間型之間和介于偏小型和中間型之間5類。

本文選取的指標中，確定隧道風險發生概率隸屬度時，由于巖石完整性系數、隧道跨度、隧道長度和隧道埋深這4個指標可以獲得相應的數據資料，故可用梯形分布來確定隸屬度(見表1)。

由于其他風險因素缺乏相應的數據支持，根據梯形分布的隸屬度函數和Karwowski[4]等提出的隸屬度函數，結合具體工程概況，該隧道的風險模糊評價矩陣如表4所示。

表3 隧道施工安全風險部分因素等級劃分

表4 隧道施工安全的模糊評價矩陣

表4(續)

3.4 計算風險指數

在本文中，建立了5分制等級的評價標準來標度每個風險的大小。用E來表示，有E={1，2，3，4，5}，數字1、2、3、4、5分別表示隧道風險發生的級別是很小、小、中等、高和很高。按照先計算各風險的隸屬度矩陣、再歸一化處理確定風險的隸屬度，最后確定各風險的評價程度等級的分析步驟，可以算得各指標因素最終排序情況，詳見表5。

表5 風險隸屬度及風險指數

從表5中可以看出，影響隧道安全風險最主要的因素為A21溫度與氣壓，A14斷層構造，A11圍巖等級，A32隧道埋深等。在本隧道的施工中要注重對這幾個影響因素的控制，保證隧道施工過程中的安全。

4 風險因素應對措施

前段中分析得出本隧道施工中影響最大的幾個風險因素，下面將針對這幾個因素制定相應的控制措施，從而保證隧道施工中的安全性。

1)本隧道在施工中溫度與氣壓的影響主要表現為高寒和缺氧。對于高寒，在隧道設計時就要采用保暖設計，保證隧道不受凍害；在施工過程中，施工人員要做好保暖措施，保證施工人員不受凍害，施工的機械也要進行維護，保證機械設施不受嚴寒的影響，能正常使用。另一方面，施工人員長期處于低氣壓，低含氧量的環境中，身體狀況會十分糟糕，可以考慮在辦公區、生活區配置人工制氧設備以及在隧道的進出口設置流動醫療站，對施工人員進行定期體檢，保障施工人員的安全健康。

2)隧道斷層構造、圍巖等級和隧道埋深等指標主要引起的事故是隧道的塌方以及隧道洞口的失穩，針對隧道的塌方和失穩主要有以下方式：施工中加強超前地質預報和監控量測，及時準確地反饋信息，及時修正支護參數并指導施工。通過施工異常信息的反饋，應采取有效措施避免塌方事故的發生。針對隧道洞口失穩可以考慮在初期支護過程中輔以鋼架和超前支護；在施工中避開雨季，保留原山體植被，防止地表水對隧道洞口沖刷。隧道洞口充分貫徹“早進晚出”的原則，盡量降低邊坡和仰坡的開挖高度，對開挖的邊坡和仰坡采用噴錨防護，確保施工期邊坡和仰坡的穩定。

5 結語

本文采用模糊數學對隧道施工過程中可能引起安全事故的影響因素進行了排序，在明確了影響隧道施工安全的主要影響因素后，制定了相應的風險控制措施，對保證隧道施工的安全具有實際意義。