復雜地質條件下隧道施工風險管理

1 引言

隨著我國基礎交通設施的快速發展， 高速公路和鐵路的建設重點從城鄉逐漸向山區地區轉移， 山嶺隧道的建設也迎來了新的建設高潮。 在山嶺隧道施工中，由于受到地質環境復雜、施工條件差、建設周期長等因素的影響，容易發生涌水突泥、巖爆、高地溫、瓦斯爆炸、隧道冒頂等工程事故，施工難度大，風險高[1]。 解決隧道施工風險難題已經成為專家學者們研究的重點領域。

從隧道施工風險管理問題的提出到隧道施工風險管理體系的完善構建，國內外許多學者在其中做出了許多貢獻。R.Sturk[2]等首次將安全風險管理分析技術應用在斯德哥爾摩公路隧道；李忠[3]以蘭州九洲大斷面隧道工程為依托，將靜態與動態施工風險管理有效結合， 建立了具有代表性的市政大斷面隧道施工風險管理模式；柳尚[4]為研究復雜地質情況下隧道全過程施工風險管理，通過建立動態安全風險控制機制，研發了濟南東二環高速隧道項目風險決策系統。

本文以山嶺某隧道為依托，綜合考慮該隧道瓦斯氣體、溶洞、公路下穿等條件，基于WBS-RBS 理論，對隧道風險源識別，建立WBS-RBS 矩陣對隧道風險因素進行定性分析，建立復雜地質條件下隧道動態風險管理模型。

2 工程背景

該隧道為正線雙線隧道，隧道進口里程DK83+040，出口里程DK93+834，隧道全長10 794 m，最大埋深350 m。 隧道工程地質條件較復雜，不良地質與特殊巖土發育，隧道DK84+000～DK90+378 段局部夾煤線、炭質頁巖地層，根據地勘資料顯示可能會遇到瓦斯等有害氣體。 另外，隧道DK83+075～DK84+012、DK90+375 ～DK91+644、DK92+865～DK93+834 段均存在巖溶地質，開挖過程中可能發生突水、突泥等風險。 進口DK83+040～DK83+250 段下穿在建高速公路，施工難度大，工程風險高。

3 WBS和RBS風險分析原理

WBS-RBS 是以分解分析法為出發點[5]，將涉及多個變量的大型復雜系統劃分為多個單元進行研究， 便于后期整理分析數據結構。 分解分析法由風險分解結構（RBS）和工作分解結構（WBS）組成，將工作分解結構樹狀圖與風險分解結構樹狀圖分解交叉，得到關于潛在風險因素的WBS-RBS 矩陣，對矩陣中的每一個組合進行拆解分析，歸納梳理潛在風險源，便于隧道施工時分配和配置資源。

4 復雜地質條件下隧道WBS-RBS模型建立與分析

4.1 隧道施工階段WBS模型建立

WBS 模型是基于系統原理，將工作內容從總體到局部進行拆解分析， 模型結構層次根據問題的復雜程度或系統大小決定。 高速公路隧道的壽命周期包括前期計劃選線階段、勘查設計階段、施工階段、后期運營階段，計劃選線階段主要包括路線定位和可行性研究，施工階段主要包括項目招投標、征地拆遷、施工和竣工驗收，運營維護階段包括生產運營與道路維修。 復雜山嶺隧道全過程施工階段工作分解結構如圖1 所示。

圖1 山嶺隧道施工階段工作分解結構圖

4.2 隧道施工階段RBS模型建立

RBS 模型是指項目風險結構層次組成的一種結構圖像，考慮到該隧道瓦斯氣體、周圍下穿公路、隧道涌水和溶洞等多種施工風險因素，根據該隧道現場施工情況，從現場施工技術人員、機械配套情況、施工方案、外界及洞內環境對風險源進行樹狀圖分析，得到的隧道風險分解結構樹如圖2 所示。

圖2 隧道風險分解結構樹

4.3 復雜地質條件下隧道WB S-RBS耦合矩陣建立與分析

以工作分解結構樹施工階段的8 個作業活動為列，以工作分解結構樹（RBS）的10 個風險因素為行，建立復雜地質及環境條件下隧道WBS-RBS 耦合矩陣。當產生施工風險時取值為1，不產生施工風險時取值為0。 耦合矩陣結構如表1 所示。

表1 復雜地質情況下隧道WBS-RBS耦合矩陣

從表1 中可以看出， 將多種風險因素下隧道施工潛在安全風險歸類， 以該隧道溶洞段施工潛在風險為案例，對WBS-RBS 耦合矩陣進行說明。W11R22：制訂的溶洞段施工方案不合理；W31R22：溶洞段爆破方案設計不合理，在距離溶洞附近15 m 開始采用微震爆破+人工開挖方式，減少對溶洞處圍巖擾動；W32R22：溶洞段采用“人工+ 機械開挖”方式不合理；W41R22：溶洞段超前支護或掌子面加固方案不適合，超前小導管打入角度或管棚支護時機與現場情況不匹配；W42R22： 溶洞段初期支護的拱架規格或設計混凝土厚度不滿足變形要求；W51R22：超前地質預報精確度不足，對掌子面前方溶洞距離或溶洞大小的判斷不準確。

5 隧道風險度計算理論及風險度評價

隧道風險控制需要監控設備和人員投入， 為控制風險成本，考慮隧道動態施工對施工安全的影響，引入風險量化常用指標——風險度來對隧道施工安全等級進行判斷。 風險等級包括風險發生概率的等級和事故發生后的經濟損失的等級。因此， 風險度R 的大小近似等于風險發生概率和經濟損失的最大似然估計值，計算表達式為：

式中，P 為風險概率測度；S 為事故發生后經濟損失程度；下角a 為事件已經發生。

為求得Pa和Sa數值，需要通過對引發隧道安全事故的因素進行風險度量，為解決這一問題需要引入熵權系數。 根據隧道選址區地質條件、周圍環境、現場施工條件等進行風險源辨識歸類，建立風險因素集合U={u1，u2，…，un}和事故發生概率及風險評價集合V={v1，v2，…，vn}。 在經過專家對風險因素U的集合進行評審后，得到關于F（V）的映射：U-F（V），F（V）為V 的模糊集， 評價所以潛在風險因素后就能得到關于風險集合U 的隸屬矩陣K，其表達式如（4）所示，則風險發生概率矩陣和風險損失矩陣分別為Kp和Ks。

然后，由隸屬度矩陣計算風險因素熵值ei和權值函數φi，其中，rij∈F（V）。

式中，n 為隸屬矩陣行數；rij為隸屬矩陣中的任意一個元素；m為隸屬矩陣列數。

通過式（2）和式（3）可計算出風險因素熵權值。 將風險概率矩陣Kp帶入式（2）和式（3）可求出風險因素權向量A={φ1，φ2，…，φn}，評判集合V 的權重由隧道工程領域專家和技術人員調查結果確定權重，表達式為B={β1，β2，…，βn}，由此計算出隧道發生概率測度表達式為Pa=AKpBT（BT為專家和技術人員確定權重行列式的轉置），同理可計算隧道風險事故發生后的損失的表達式為Ca=AˉKcBˉ（Aˉ為風險后果損失時的權重值； Bˉ為評判集合各指標的權重值；Kc為損傷隸屬度矩陣），將得到的Pa和Ca帶入式（1）可以計算出某一施工階段隧道風險度數值，通過風險度數值判定風險等級，指導現場施工。

6 結語

1）依托山嶺某隧道施工階段的風險因素，基于WBS-RBS理論對隧道風險源進行識別分析， 建立了WBS-RBS 耦合矩陣，定性分析了隧道巖溶段施工風險因素影響。