陳希茂

(中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司， 福建福州 350013)

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基于模糊綜合分析的光坑山隧道洞口失穩(wěn)風險評估

陳希茂

(中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司， 福建福州 350013)

文章簡要介紹了公路隧道安全風險評估理論，以光坑山隧道進口為例，應用模糊綜合分析法對光坑山隧道進口段洞口失穩(wěn)風險進行了評估，并提出降低風險的處理措施。

模糊綜合分析； 洞口失穩(wěn)； 風險評估

隨著我國公路隧道建設的快速發(fā)展，隧道斷面、長度不斷加大，斷層、巖爆、涌突水等不良地質(zhì)災害也屢見不鮮，可能遇到的安全風險也隨之增加。目前，公路隧道安全風險評估工作還處于起步階段，需要對公路隧道工程建設安全風險評估不斷探索和完善，以期降低安全風險，減少工程事故，最終達到經(jīng)濟、安全、環(huán)保的目標。

1 風險評估基本理論

1.1 隧道與地下工程的風險產(chǎn)生機理

關于隧道與地下工程的風險產(chǎn)生機理有多種理論模型[1]，一般可以概括為：孕險環(huán)境與致險因子耦合作用，致使風險事故發(fā)生，進而給承載體造成損失。對隧道工程風險來說，承載體主要包括隧道、周邊環(huán)境、社會群體和生態(tài)環(huán)境。

1.2 風險分析步驟

收集數(shù)據(jù)信息 、建立不確定性分析模型、對風險影響進行評價。

1.3 風險分析與評估的主要方法

專家打分方法 、故障樹分析法(FTA) 、層次分析法等。

1.4 風險水平定級方法

1.4.1 風險事件發(fā)生的概率

根據(jù)《公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南(試行)》、《公路橋梁和隧道施工安全風險評估指南(試行)》[2-3]，把風險事件發(fā)生概率和對應的風險后果均劃分為五個等級。

1.4.2 風險損失等級

確定風險后果的分級標準時，可以從經(jīng)濟損失、人員傷亡、工期延遲、環(huán)境危害等角度去考量,而經(jīng)濟損失又可包括建設方或承包商的經(jīng)濟損失。

1.4.3 風險等級的分級標準

確定了風險事故發(fā)生的概率及其后果等級，再對風險等級進行劃分，從低到高依次為Ⅰ級～Ⅳ級。

1.4.4 風險處理措施

公路隧道風險的接受準則及對應的措施要求見表1。

1.5 隧道風險評估與分析的步驟及流程

其步驟主要包括如下環(huán)節(jié)：風險辨識、風險估測、風險評價、風險控制及應急預案[4]。

1.5.1 風險辨識[5]

(1)盡可能全面了解項目的具體概況。

表1 風險接受準則

(2)研究隧道實施方案，確定其在施工期間和運營期間可能出現(xiàn)的風險事件。

(3)根據(jù)風險的存在狀態(tài)和方式，首先考慮運用定性的分析方法。

(4)創(chuàng)建風險結構圖。

1.5.2 風險影響分析

對于主要的風險，仔細分析其發(fā)生的概率，確定由此可能出現(xiàn)的后果，提出風險效益的發(fā)生規(guī)律，據(jù)此確定合適的風險控制標準。

1.5.3 風險控制及對策研究

(1)風險控制標準分析：統(tǒng)計分析、數(shù)值分析、理論分析，確定在一定條件約束下的風險控制指標。采用定性與定量相結合的分析方法。

(2)研究制定風險的預防措施和控制辦法，降低風險。

2 光坑山隧道洞口失穩(wěn)風險評估實踐

2.1 光坑山隧道基本情況

2.1.1 隧道概況

光坑山隧道為南平市武夷新區(qū)省道303新嶺至將口大道段一級公路工程，雙向六車道布置，位于福建省南平市，線路基本成南北走向。光坑山隧道左線共1 167 m，其中A1標段515 m；右線共1 191 m，其中A1標段544 m。設計行車速度80 km/h。

2.1.2 地形地貌

本隧道場址區(qū)洞身段屬剝蝕丘陵地貌，進、出口處屬山間沖洪積洼地與剝蝕丘陵交匯處，進、出口兩側(cè)分布有窄長沖洪積洼地。地形平坦性差，起伏不平，隧道進口端山坡的坡度主要在15°～30°之間，隧道出口端的山體坡度主要在20°～30°范圍之內(nèi)，溝塹較發(fā)育。澗身段地表植被發(fā)育，進口處植被不茂盛，出口處植被不發(fā)育。

2.1.3 工程地質(zhì)

隧道洞身段表層為少量的坡積層(Qdl)，下伏基巖為上元古界麻源群變粒巖(Pt3my)，局部地段見有少量混合花崗巖；進洞口路面標高位于沖洪積層內(nèi)，下伏基巖為上元古界麻源群變粒巖(Pt3my)；出洞口路面標高高于沖洪積層，出洞口段表層為少量的坡積層(Qdl)，下伏基巖為上元古界麻源群變粒巖(Pt3my)，巖層產(chǎn)狀較不穩(wěn)定。左、右線進洞口位于沖洪積洼地及剝蝕丘陵交匯處，圍巖為第四系可塑狀粉質(zhì)黏土、殘坡積土、殘坡積土、全風化巖、散體狀強風化巖、碎塊狀強風化巖、局部少量中風化巖，巖土結構松散，圍巖級別為V級。開挖后邊坡、仰坡高度較大，邊坡、仰坡主要巖性為第四系粉質(zhì)黏土、殘坡積土及全風化巖巖體破碎，邊坡總體穩(wěn)定性較差。未發(fā)現(xiàn)滑坡等不良地質(zhì)作用。

2.1.4 水文地質(zhì)

該段落隧道區(qū)屬于崇陽溪水系，場區(qū)附近地表水發(fā)育一般，洞身地表水較發(fā)育，水量較豐富，地下水水位埋深淺，地下水主要有以下兩種類型：風化帶孔隙裂隙水、基巖裂隙水。地表水發(fā)育一般，進口兩側(cè)溝谷各發(fā)育一條小溪溝，水面寬度約為0.20 m，深度在0.10～0.20 m之間，流量約450 t/d；出口左側(cè)溝谷發(fā)育一條小溪溝，水面寬度約為0.20 m，深度在0.10～0.20 m之間，流量約530 t/d。小溪溝主要接受地下水或雨季雨水的的補給，常年性流水水源，旱季時水量不充沛。

2.2 光坑山隧道風險源辯識

通過對光坑山隧道地質(zhì)情況、設計情況的分析，可判斷光坑山隧道存在的主要風險事件為塌方、洞口失穩(wěn)、大變形、突水涌泥、環(huán)境保護、營運安全以及結構設計等。本文僅以隧道洞口(進口)失穩(wěn)的重大風險事件進行安全風險評估為例。

2.2.1 洞口失穩(wěn)風險源辨識與排序

隧道進口穩(wěn)定性風險源層次分析見圖1。

圖1 隧道進口穩(wěn)定性風險源層次分析

憑借層次分析模型理論，構建B層所有元素對應目標A的判斷矩陣(表2)。

表2 B層所有元素對應目標A的判斷矩陣

計算可得判斷矩陣λmax=8.9099

w=[0.2164,0.0836,0.1283,0.4081,0.049,0.0243,0.0336,0.0567]

CR=CI/RI=0.13/1.41=0.0921<0.1，滿足一致性檢驗。

可見洞口失穩(wěn)風險源重要度依次為：V級圍巖>坡體結構松散>雙側(cè)壁導坑法>坡度15°～30°>邊坡高2.5～6.8 m >地表水稍發(fā)育>年降雨量1 736 mm>植被發(fā)育。

2.2.2 洞口失穩(wěn)風險評估

2.2.2.1 洞口失穩(wěn)模糊綜合評價

根據(jù)專家調(diào)查表，結合相似工程，經(jīng)敏感性分析淘汰掉對洞口失穩(wěn)影響極小的因素后，得出洞口失穩(wěn)一級指標和二級指標，進行模糊綜合評價(表3、表4)。隸屬函數(shù)部分根據(jù)專家的經(jīng)驗及相似工程案例，其它部分選擇梯形隸屬函數(shù)。

表3 隧道進口穩(wěn)定性判斷矩陣

一致性比例CR=0.024<0.1，滿足一致性檢驗。判斷矩陣λmax=3.025

(1)一級評價。

利用一級評價模型，洞口總體評價單因素評價結果如下：

地形地貌A：

地質(zhì)條件B：

表4 洞口失穩(wěn)模糊評價指標

評價指標光坑山隧道一級指標二級指標描述地形地貌A坡高坡度7.8m,30°地表水系較發(fā)育坡體結構結構較松散、有偏壓地質(zhì)條件B地層巖性坡積粉質(zhì)黏土及全-強風化變粒巖地質(zhì)構造無影響水文條件基巖裂隙孔隙水為主氣候植被C植被覆蓋植被較發(fā)育降雨強度年降雨量1736mm施工設計D施工方法雙側(cè)壁導坑法勘察精度洞口布孔,相對準確支護措施大管棚、小導管

氣候植被C：

施工設計D：

(2)二級評價。

利用一級評價結果，構建二級評價判斷矩陣R，該段隧道塌方風險總體二級評價判斷矩陣：

綜合評價：

(3)評價結果分析。

將洞口段總體評價結果模糊向量單值化隧道總體評價等級見表5。

表5 隧道總體評價等級

該段總體評價值F=1×0.0617+2×0.2382+3×0.5186+4×0.1816=2.82，由此值可知，光坑山隧道進口失穩(wěn)的總體模糊評價等級為Ⅲ級。

2.2.2.2 洞口失穩(wěn)風險評估

綜合評價，光坑山隧道進口端失穩(wěn)風險的整體風險等級為III級。處于在一定條件下可接受的風險水平,但必須采取切實可行的辦法來降低風險,并需要準備應急預案。隧道進口端失移風險等級見表6。

表6 光坑山隧道洞口(進口)失穩(wěn)風險等級

3 結束語

由于項目對隧道風險的高度重視，采取了必要的安全控制措施與應急預案，目前該隧道已順利貫通，洞口段施工中沒有發(fā)生塌方、變形等事故。通過對光坑山隧道進口洞口失穩(wěn)安全風險評估，說明了利用以層次分析法為核心的模糊綜合評價法得到的評價結果和現(xiàn)場實際情況相符，具有一定的指導意義。該方法簡單，對其他公路、鐵路隧道施工安全評價也具有借鑒意義，能夠被隧道施工技術管理人員所接受。

[1] 吳波.隧道施工安全風險管理研究與務實[M].北京：中國鐵道出版社,2010.

[2] 中華人民共和國交通運輸部.公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南[S].2011.

[3] 中華人民共和國交通運輸部.公路橋梁和隧道施工安全風險評估指南(試行)[S].2011.

[4] 交通運輸部工程質(zhì)量監(jiān)督局.公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估制度及指南解析[M].北京：人民交通出版社,2011.

[5] 歐陽剛杰.長沙市營盤路湘江水下隧道安全風險評估及控制技術研究[D].長沙：中南大學，2012.

福建省自然科學基金面上項目“巖溶及含空洞隧道地震破壞機理及控制對策研究” (項目編號：2016J01205)；中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司科技項目“城市地下空間工程安全風險管理及信息系統(tǒng)研究與開發(fā)”

陳希茂(1974～)，男，本科，高級工程師，注冊一級建造師(市政、建筑)，從事橋梁與隧道工程施工和建設管理工作。

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[定稿日期]2016-05-24