基于改進FTA-AHP的隧道涌水事故風險評價

許 芳， 張 騫，， 張子航， 侯林艷， 梁美晨

(1.石家莊鐵道大學大型結構健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學土木工程學院，河北 石家莊 050043)

在隧道養護人員中流傳著“十隧九漏”的說法，隧道涌水可使掌子面失穩、降低混凝土質量、弱化支護底部圍巖強度、侵蝕隧道附屬設備，甚至引起地表沉降、水土流失。宜萬鐵路野三關隧道、渝懷鐵路園梁山隧道、保宜高速尚家灣隧道等[1,2]都曾發生過特大突水突泥事故，造成了極大的經濟損失和人員傷亡。因此，通過查閱大量文獻分析隧道涌水事故案例，探討事故發生機理，對今后的隧道涌水事故預防起到十分重要的作用。

國內外專家對隧道涌水事故的研究甚為廣泛。萬豪杰[3]以永順隧道為工程依托，基于專家評判法對涌水事故進行風險評價，并確定了各段涌水的風險級別。周宗青等[4]基于兩個隧道工程案例采用一種改進的屬性區間識別方法評價了隧道突涌水風險，并與隧道實際突涌水情況進行對比，檢驗了方法的有效性。李朝陽[5]采用GA-BP神經網絡、貝葉斯網絡方法對隧道突涌水風險進行了評價。賈冰等[6]基于生態安全理論，評價了隧道涌水對生態環境的影響。許增光等[7]以實際工程案例為基礎，運用云模型對該隧道涌水的風險性進行評價。徐青[8]基于動態故障樹理論，構建了涌水事故動態故障樹模型。

事故樹方法作為安全工程中最基礎、可靠的方法，已普遍應用多個領域，但其主觀性較強，得出的結果與實際情況有一定的偏差[9]。本文以川藏鐵路米林隧道為工程依托，基于一種改進的FTA-AHP方法對隧道涌水事故進行安全評價。本文的創新之處在于運用客觀的概率計算方法求取各事件的概率，很大程度上排除了主觀因素的干擾，提高準確性。

1 工程概況

米林隧道位于藏南谷地高山區，是川藏鐵路拉林段修建過程中的重難點工程。隧道全長11 560 m，平均海拔3 100 m，最大埋深為1 200 m，圍巖主要為Ⅱ、Ⅲ級圍巖，采用新奧法施工。應用聚能水壓光面爆破技術進行鉆爆。

隧道基巖裸露，斷裂構造發育，節理裂隙發育。該地區屬于亞熱帶、熱帶季風性氣候，溫暖潮濕，降雨量大，年均降水量超過9 000 mm。地表水以溝水為主，地下水的補給主要依靠降水及地表水流入。經實際工程計算分析，米林隧道的日最大涌水量達3萬m3。

2 隧道涌水事故樹分析

2.1 建立隧道涌水事故樹分析圖

通過查閱大量文獻資料并對近幾年隧道特大突涌水事故的分析，根據米林隧道的實際工程概況，構建了以“隧道涌水事故”為頂上事件的事故樹如圖1，各基本事件具體含義見表1。

圖1 隧道涌水事故樹

表1 隧道涌水事故基本事件

2.2 隧道涌水事故樹定性分析

2.2.1 最小徑集分析

?

通過成功樹計算出隧道涌水事故樹的最小徑集有5個，為：

最小徑集代表了系統的安全性，為控制事故的發生提供了依據。

2.2.2 結構重要度分析

相比于最小割集，最小徑集僅有5個，數量較少，故采用最小徑集來計算事故樹的結構重要度更加容易。根據公式：

(1)

式中：I(Xi)為基本事件Xi的結構重要度；k為最小徑集總數；Er為第r個最小徑集；mr為第r個最小徑集Er中含有的基本事件數。根據公式(1)計算得到：

I(X10)=I(X11)=I(X12)=I(X13)=I(X14)=

I(X20)=I(X21)=I(X22)=I(X23)=

I(X24)=I(X25)=I(X26)=I(X27)=

I(X1)=I(X2)=I(X3)=I(X4)=I(X5)=

經過計算，結構重要度的排序為：I(X16)=I(X17)>I(X18)=I(X19)>I(X10)=I(X11)=I(X12)=I(X13)=I(X14)=I(X15)>I(X7)=I(X8)=I(X9)>I(X20)=I(X21)=I(X22)=I(X23)=I(X24)=I(X25)=I(X26)=I(X27)=I(X28)=I(X29)>I(X1)=I(X2)=I(X3)=I(X4)=I(X5)=I(X6)

如果僅依據以上結果進行判斷，發現：X16、X17以及X18、X19對頂上事件的影響程度都很大，很多事件的結構重要度都相同，很難具體判斷對事件影響較大或較小的因素。

3 隧道涌水事故層次分析

3.1 建立層次結構模型

根據隧道涌水事故的事故樹分析建立層次分析結構模型，以隧道涌水事故為目標層A，結構內在因素、人為因素、施工技術、環境因素以及管理因素為準則層B，基本事件為指標層C，繪制層次分析結構模型如表2所示。

表2 隧道涌水事故層次分析法模型

3.2 判斷矩陣的建立

由于結構重要度和權值具有一致性，利用基本事件的結構重要度來構造判斷矩陣。通過各基本事件結構重要度分母求得分母的最小公倍數L。判別因子即為最小公倍數L與每個基本事件結構重要度的乘積。每個準則層因素由一定數量的指標層因素組成，其判別因子可以用每個準則層中所含指標層各因素判別因子的和表示，判別因子之間的兩兩比較采用四舍五入近似到整數[10]。將準則層影響因素的判別因子兩兩對比得出準則層判斷矩陣，同理求出各指標層判斷矩陣。基本事件的結構重要度和判別因子如表3所示。

表3 基本事件對應結構重要度及判別因子

準則層中各影響因素的判別因子為所含指標層全部判斷因子之和，計算求得B1、B2、B3、B4、B5的判別因子分別為125、139、123、405、108，將準則層

影響因素的判別因子兩兩對比得出準則層判斷矩陣，同理求出各指標層判斷矩陣，示例矩陣見表4。

表4 A-B判斷矩陣

3.3 判斷矩陣一致性檢驗及權重計算

根據構建的判斷矩陣，利用MATLAB計算最大特征值及特征向量，計算一致性指標CI值及隨機一致性比率CR。

當CR<0.1時，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的；CR>0.1時，認為判斷矩陣不符合一致性要求，需要進行調整直到滿足一致性要求為止。經過計算發現所構造判斷矩陣的CR都小于0.1，一致性可接受。由于本部分的計算過程較簡單且重復性較大，不再一一列出。各指標的匯總結果見表5。

3.4 結果分析

導致隧道發生涌水事故的因素有很多，從準則層層次單排序判斷矩陣可知，導致米林隧道涌水事故的環境因素所占權重最大為0.428 5。

從表5可知，在眾多的基本原因事件中，環境因素中的強降雨、溝水流入和結構內在因素中的斷層構造發育是最主要的因素，環境因素中的地下徑流分布廣泛是第二重要因素，環境因素中的溫度變化大、濕度變化大以及上覆荷載情況變化復雜是第三重要因素。施工企業應根據評價結果保證勘察資料的準確性，嚴格按照合理的設計方案施工。施工作業人員、監測技術人員及管理人員應時刻保持警惕心理，要能夠辨識危險、規避危險。

表5 層次總排序

4 結論

(1)導致隧道發生涌水災害的因素繁多，采用改進的FTA-AHP法，彌補了結構重要度分級不明顯的缺陷，增加了客觀性，能將隧道突涌水災害的多種影響因素及各因素間的關系直觀、系統地展現，是分析隧道涌水事故比較有效的方法。

(2)通過評價米林隧道涌水事故發現，環境因素是影響涌水事故的關鍵因素，基本事件中強降雨、溝水流入、斷層構造發育以及地下徑流分布廣泛對事故的發生造成很大影響。

(3)針對類似地質地貌復雜、施工技術受限、不可預見因素較多的隧道，為了減少涌水事故的發生，設計單位應該更加重視環境因素，施工企業應及時制定相關的應急管理方案，防患于未然。