軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

余少華,嚴(yán) 江

(江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,江西 南昌 330000)

我國(guó)隧道工程的建設(shè)相對(duì)較為復(fù)雜,不僅是因?yàn)槭┕ち鞒痰姆爆?這在一定程度上也是因?yàn)閺?fù)雜地質(zhì)、地形所造成的[1]。軟弱圍巖由于強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等,導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈變形甚至破壞,嚴(yán)重影響隧道施工和安全,對(duì)于隧道的建設(shè),尤其是偏壓連拱隧道的施工形成了一定的阻礙。為降低施工過(guò)程中的事故發(fā)生概率以及自然災(zāi)害的損壞范圍,需要構(gòu)建全覆蓋式、系統(tǒng)的施工風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型[2]。傳統(tǒng)的施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型一般是單向的,對(duì)于隧道工程內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患可以進(jìn)行快速處理,但是在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中,極容易受到工程變更或者外部因素的影響,導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果不精準(zhǔn)與不可靠[3]。因此,構(gòu)建了軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型。考慮到最終預(yù)測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性和安全性,需要選擇較為真實(shí)的施工環(huán)境,根據(jù)實(shí)際的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)逐步構(gòu)建更加靈活、多變的風(fēng)險(xiǎn)施工結(jié)構(gòu),有針對(duì)性地調(diào)整實(shí)際的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)流程,更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)匕芽厥┕ぜ?xì)節(jié),以此來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)實(shí)際的施工風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型的應(yīng)用能力,為后續(xù)的施工處理提供參考依據(jù)[4-5]。

1 構(gòu)建偏壓連拱隧道風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型

1.1 提取風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)因素

在完成對(duì)軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建之前,需要先針對(duì)實(shí)際的工程施工需求及標(biāo)準(zhǔn),提取對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)因素。通常情況下,風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)一般具有較強(qiáng)的針對(duì)性,對(duì)于隧道施工的不同位置,所獲取的數(shù)值信息也是不同的,需要有針對(duì)性地進(jìn)行處理和提取。大致可以分為施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、材料運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)三種。所提取的分類(lèi)因素如表1所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)因素設(shè)定表

在完成對(duì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)因素的設(shè)定之后,接下來(lái)根據(jù)實(shí)際的施工需求,對(duì)相應(yīng)的施工預(yù)測(cè)區(qū)域做出劃分。這部分可以從多個(gè)角度更改預(yù)測(cè)的方向,將單因素的提取與施工的各個(gè)環(huán)節(jié)相融合,為后續(xù)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建提供參考。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)制定

在完成隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)因素提取之后,需要結(jié)合實(shí)際的施工需求及標(biāo)準(zhǔn),制定風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。常規(guī)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)一般是依據(jù)工程的安全等級(jí)由低到高依次劃定的,雖然可以完成預(yù)期的執(zhí)行目標(biāo),但是針對(duì)于復(fù)雜的施工環(huán)境,極容易受到外部因素的影響,導(dǎo)致預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)差異,出現(xiàn)預(yù)測(cè)等級(jí)混亂的問(wèn)題。因此,需要根據(jù)施工隧道不同的狀態(tài)及現(xiàn)狀,構(gòu)建對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)化風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。利用突變級(jí)數(shù)法,計(jì)算出歸一風(fēng)險(xiǎn)均值,具體如公式(1)所示

G=β2+(γ1×0.5η)×γ1γ2

(1)

式中:G為歸一風(fēng)險(xiǎn)均值;β為偏差系數(shù);γ1為單向預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn);γ2為預(yù)測(cè)誤差;η為隧道覆蓋區(qū)域,m2。

隨后,將得出的歸一風(fēng)險(xiǎn)均值作為分級(jí)預(yù)測(cè)的極限標(biāo)準(zhǔn),再結(jié)合該隧道的風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)等級(jí),調(diào)整分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的變動(dòng)區(qū)間,具體如表2所示。

表2 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)變動(dòng)區(qū)間設(shè)定表

最后,根據(jù)該隧道的建設(shè)需求及標(biāo)準(zhǔn),調(diào)整分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合歸一化處理模式和模糊綜合評(píng)價(jià)法,測(cè)定出核心的分級(jí)預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。

這部分需要注意的是,分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定一般是針對(duì)不同區(qū)域的,所以存在差異也是正常的,在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果匯總的過(guò)程中,結(jié)合統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)比照,以對(duì)應(yīng)的比例縮小實(shí)際的預(yù)測(cè)差值,確保風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)、可靠即可。

1.3 隧道監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)布設(shè)

在完成對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定之后,接下來(lái)根據(jù)隧道的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)軟弱圍巖偏壓連拱隧道修建的延伸方向,設(shè)定軟弱圍巖偏壓連拱隧道監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。這部分主要是利用監(jiān)測(cè)控制節(jié)點(diǎn),采集匯總實(shí)時(shí)的軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工數(shù)據(jù),以此來(lái)為后續(xù)的預(yù)測(cè)工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。利用模糊綜合評(píng)價(jià)法在隧道中構(gòu)建一個(gè)標(biāo)定隧道監(jiān)測(cè)空間,在隧道上方的承壓截面上做出標(biāo)記,并測(cè)算監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的距離,具體如公式(2)所示。

(2)

式中:U為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的距離,m;v為標(biāo)記點(diǎn)有效半徑,m;Ψ1為預(yù)設(shè)覆蓋范圍,m2;Ψ2為監(jiān)測(cè)半徑,m;I為距離誤差系數(shù),無(wú)量綱。

通過(guò)上述計(jì)算,最終可以得出實(shí)際的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間距離。結(jié)合得出的結(jié)果,依據(jù)預(yù)測(cè)的范圍,對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的距離進(jìn)行多方位調(diào)整,根據(jù)隧道施工量以及路段的變化,做出監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)記與監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián),以此采集軟弱圍巖偏壓連拱隧道相關(guān)數(shù)據(jù),此處以隧道左線沖溝地段縱斷面為例,具體如圖1所示。

圖1 隧道左線沖溝地段地質(zhì)縱斷面

根據(jù)圖1,可以完成對(duì)隧道左線沖溝地段地質(zhì)縱斷面的分析和研究。根據(jù)隧道中此路段的風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀,布設(shè)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),對(duì)其余的隧道路段做出標(biāo)記,完成數(shù)據(jù)采集環(huán)境的搭建。

1.4 梯形風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)矩陣構(gòu)建

在完成對(duì)軟弱圍巖偏壓連拱隧道監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的布設(shè)之后,接下來(lái)結(jié)合軟弱圍巖偏壓連拱隧道的施工需求及標(biāo)準(zhǔn),逐步構(gòu)建梯形風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)矩陣。這部分可以采用熵權(quán)及模糊綜合評(píng)判法,測(cè)定出模型組建的基礎(chǔ)數(shù)值及信息,提升軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度與效率。

通常情況下,對(duì)于軟弱圍巖偏壓連拱隧道的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)是較為復(fù)雜的,需要考慮到周?chē)P(guān)聯(lián)工程的情況,也要提前對(duì)隧道外部的承壓能力調(diào)研,分析隧道坍塌的概率。完成基礎(chǔ)工作的處理之后,接下來(lái)針對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、勘察設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、施工風(fēng)險(xiǎn)以及材料控制風(fēng)險(xiǎn)等,設(shè)定對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)矩陣的層級(jí)。進(jìn)行主觀預(yù)測(cè)權(quán)重的計(jì)算,具體如公式(3)所示。

(3)

式中:D為主觀預(yù)測(cè)權(quán)重;m為自然風(fēng)險(xiǎn)概率,%;n為定向評(píng)語(yǔ)集,個(gè);π為風(fēng)險(xiǎn)歸類(lèi)差值。通過(guò)上述計(jì)算,最終可以得出實(shí)際的主觀預(yù)測(cè)權(quán)重。結(jié)合得出的主觀預(yù)測(cè)權(quán)重,可以分析出模型內(nèi)部的預(yù)測(cè)偏重比例,并對(duì)預(yù)測(cè)整體結(jié)構(gòu)做出有效調(diào)整。針對(duì)此時(shí)隧道修建情況的變化,對(duì)存在的隱藏風(fēng)險(xiǎn)做出描述,獲取基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值,具體如表3所示。

表3 基礎(chǔ)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值設(shè)定表

根據(jù)表3,可以完成對(duì)基礎(chǔ)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值的設(shè)定與比照調(diào)整。隨后,需要結(jié)合工程進(jìn)度的推進(jìn),更改模型整體的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)范圍以及區(qū)域,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)處理。這部分需要注意的是,為增強(qiáng)實(shí)際的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)效果,降低總體的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)誤差,可以在每一個(gè)調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)范圍時(shí)構(gòu)建一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)評(píng)語(yǔ)集,針對(duì)地勢(shì)以及路段的變化,更改、調(diào)整矩陣中的預(yù)測(cè)指標(biāo)項(xiàng)目。結(jié)合施工中存在風(fēng)險(xiǎn)的大小,逐步進(jìn)行對(duì)應(yīng)預(yù)測(cè)等級(jí)的進(jìn)一步劃分。根據(jù)預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)所收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),將預(yù)測(cè)目標(biāo)依據(jù)梯形的框架排布,具體如圖2所示。

圖2 梯形風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)矩陣結(jié)構(gòu)圖示

根據(jù)圖2,可以完成對(duì)梯形風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)矩陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。根據(jù)隧道施工路段的不同狀態(tài)和需求,調(diào)整對(duì)應(yīng)區(qū)域監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的布置和設(shè)定,為預(yù)測(cè)矩陣的應(yīng)用構(gòu)建一個(gè)動(dòng)態(tài)化的環(huán)境,結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法完成梯形風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)矩陣的設(shè)計(jì)。

1.5 隨機(jī)森林實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

在完成對(duì)梯形風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)矩陣的構(gòu)建之后,結(jié)合實(shí)際的需求和標(biāo)準(zhǔn),接下來(lái)可以采用隨機(jī)森林預(yù)測(cè)法實(shí)現(xiàn)隧道預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建。以江西省萍鄉(xiāng)中環(huán)路安源隧道項(xiàng)目作為測(cè)試的對(duì)象,該隧道位于我國(guó)的東南部,地處國(guó)家級(jí)森林公園,地質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)的軟弱圍巖區(qū)域。經(jīng)過(guò)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn),隧道的修建位置地表還被古樟樹(shù)群所圍繞。隧道的中心位置地勢(shì)較高,與煤礦采空區(qū)及巷道相互依托,平截面和縱斷面兩部分多處交叉增加了隧道的外部承壓。

安源隧道位于萍鄉(xiāng)市安源區(qū)安源鎮(zhèn)安源煤礦附近,為一連拱式隧道,其起止樁號(hào)為K6+514～K6+660,隧道長(zhǎng)度為146 m,凈空為2×13.25 m×5 m,該隧道屬于公路短隧道。隧址區(qū)屬于低山丘陵區(qū),地質(zhì)條件復(fù)雜,施工安全風(fēng)險(xiǎn)高,施工難度大。該隧道整體處于邊坡偏壓淺埋區(qū)域,內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為緊密,設(shè)定的隧道預(yù)埋深度為35 m,側(cè)方承壓結(jié)構(gòu)的深度為15 m,內(nèi)部構(gòu)建為三車(chē)道的連拱隧道,隧道整體的內(nèi)置跨度已可以達(dá)到31 m,是我國(guó)建設(shè)程度十分復(fù)雜的偏壓連拱隧道。

隨著隧道的修建進(jìn)度,調(diào)整實(shí)際監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置,利用隨機(jī)森林算法模式實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化預(yù)測(cè)。軟弱圍巖偏壓連拱隧道分為幾個(gè)部分,關(guān)聯(lián)相同區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn),在實(shí)際的軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)過(guò)程中,隨機(jī)挑選一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),采集其中的相關(guān)數(shù)據(jù),結(jié)合Bootstrap重抽樣法進(jìn)行隨機(jī)測(cè)定和決策性的數(shù)據(jù)集構(gòu)建,在標(biāo)定的范圍之內(nèi),獲取模型的數(shù)據(jù)集單元,在不同的路段環(huán)境下,測(cè)定出實(shí)際的預(yù)測(cè)不平衡系數(shù),具體如表4所示。

表4 不同路段預(yù)測(cè)不平衡系數(shù)表

根據(jù)表4,可以完成對(duì)不同路段預(yù)測(cè)不平衡系數(shù)的分析與獲取。隨后,結(jié)合隨機(jī)路段不平衡系數(shù)的變化,測(cè)定出預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度,細(xì)化預(yù)測(cè)模型的實(shí)際執(zhí)行能力,最終實(shí)現(xiàn)軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建。

2 結(jié)果分析

隨機(jī)選取4個(gè)基本路段,測(cè)定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型的真實(shí)誤報(bào)率,具體如公式(4)所示。

L=μs2×(o1-so2)

(4)

式中:L為風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型的真實(shí)誤報(bào)率,%;μ為模型靈敏度,是單位時(shí)間內(nèi)輸出的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果;s為預(yù)測(cè)均值;o1為特異值;o2為隨機(jī)差值。

通過(guò)上述計(jì)算,最終可以得出實(shí)際的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型真實(shí)誤報(bào)率,對(duì)獲取的結(jié)果比照分析,具體如表5所示。

表5 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析表

根據(jù)表5可知,經(jīng)過(guò)4個(gè)路段的測(cè)定分析,最終得出的軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型誤報(bào)率均控制在10%以下,表明在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中,該模型的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)能力較強(qiáng),誤差小,更為可控,具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)模型的優(yōu)越性,將傳統(tǒng)模型作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法,比較了不同模型的預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度,結(jié)果如表6所示。

表6 不同模型預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度比較結(jié)果

分析表6中的數(shù)據(jù)可知,所設(shè)計(jì)模型的軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度最大值為92.4%,平均值為91.8%,最小值為91.1%;傳統(tǒng)的軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度最大值為85.6%,平均值為84.8%,最小值為83.3%;綜合分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,所設(shè)計(jì)模型的預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)模型,說(shuō)明利用該模型可以得出精準(zhǔn)的軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果。

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,比較了所設(shè)計(jì)模型與傳統(tǒng)模型的軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)耗時(shí),結(jié)果如表7所示。

表7 不同模型預(yù)測(cè)耗時(shí)比較結(jié)果

分析表7中的結(jié)果可知,所設(shè)計(jì)模型與傳統(tǒng)模型對(duì)于不同測(cè)試路段的軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)耗時(shí)存在一定的差異性,其中設(shè)計(jì)模型的軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)耗時(shí)最大值為59.3 ms,平均值為58.2 ms,最小值為56.7 ms;傳統(tǒng)模型的軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)耗時(shí)最大值為155.6 ms,平均值為139.8 ms,最小值為124.9 ms;與設(shè)計(jì)模型相比,傳統(tǒng)模型的預(yù)測(cè)耗時(shí)很長(zhǎng),說(shuō)明這種模型的執(zhí)行效率不高,而利用所設(shè)計(jì)模型可以快速獲取軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果,整體預(yù)測(cè)效率較高,實(shí)際應(yīng)用效果較好。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,完成了對(duì)軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建的分析與驗(yàn)證,主要結(jié)合真實(shí)的施工場(chǎng)景,通過(guò)調(diào)整對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)指標(biāo)體系,歸納與提取總結(jié)隱藏的風(fēng)險(xiǎn)因素,完成對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的歸類(lèi)。與此同時(shí),針對(duì)此基礎(chǔ),進(jìn)行預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和重置,從多個(gè)方面進(jìn)一步克服傳統(tǒng)預(yù)測(cè)模型存在的偏倚問(wèn)題,保證軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果變得更加真實(shí)可靠,為隧道施工營(yíng)造一個(gè)更為安全、穩(wěn)定的環(huán)境,保證軟弱圍巖偏壓連拱隧道施工的安全順利進(jìn)行。