鄒 超，徐林生

(重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074)

淺埋偏壓隧道的圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，且圍巖巖體松散破碎，圍巖體穩(wěn)定性較差。由于隧道偏壓嚴重，將對隧道襯砌結(jié)構(gòu)及圍巖形成不對稱的壓力，在施工過程中可能會導致冒頂、塌方等安全事故[1]。為了保障隧道施工安全，國內(nèi)外學者對隧道施工風險評估與控制作了廣泛的研究。早在2003年，國際隧道與地下空間協(xié)會就完成了隧道風險管理指南，這對控制隧道施工風險有著指導意義[2]。目前，國內(nèi)對隧道施工風險評估及控制研究才剛起步不久，程遠等提出了采用層次分析法和專家調(diào)查法相結(jié)合來對大跨徑淺埋偏壓隧道的施工過程進行風險識別[3]，劉偉通過層次分析法來分析、確定公路隧道風險因素的權(quán)重[4]，陳潔金、蘇永華、范玉祥、姚浩等[5-8]就隧道施工風險評估及控制展開了研究并取得了一系列成果。本文采用模糊數(shù)學法和層次分析法相結(jié)合的方法對隧道施工風險進行評估研究，并用于實際工程隧道的風險評估及控制研究。

1 工程概述

本文主要依托貴州正習高速公路第十八合同段天鵝穴偏壓隧道，天鵝穴隧道位于遵義市習水縣溫水鎮(zhèn)新文村。隧道按左、右線分離式設(shè)計。左線隧道里程樁號ZK126+595～ZK126+983，長388 m，屬短隧道；右線隧道里程樁號K126+585～K127+013，長428 m，屬短隧道。隧道左線最大埋深80.24 m(里程ZK126+790)，右線最大埋深 85.16 m(里程 K126+850)。

該隧道屬中低山地貌單元。山坡較緩，植被較發(fā)育。隧址區(qū)高程1 040.50～1 156.7 m，相對高差 116.2 m。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探及工程物探等成果，隧址區(qū)地層結(jié)構(gòu)簡單。地層，上覆為第四系全新統(tǒng)(Q4el+dl)粉質(zhì)黏土，下伏為三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)鈣質(zhì)頁巖，局部分布有強風化灰?guī)r。

2 施工風險評估

2.1 風險源辨識

結(jié)合現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)及其施工單位編制的施工組織設(shè)計，將工程施工過程進行工序分解。了解具體的施工工序和步驟,依據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗和相關(guān)安全規(guī)程，結(jié)合現(xiàn)場的情況，明確可能出現(xiàn)的施工風險。天鵝穴隧道可能發(fā)生的風險有：冒頂、洞口失穩(wěn)、滲漏水、巖爆、大變形、塌方和結(jié)構(gòu)損壞等。

風險源識別，通過風險源普查和工序分解確定可能導致事故和傷害的致險因子，并對其進行分析，確定潛在事故類型和致險因子，及時地制定預(yù)防措施。風險識別是風險評估中很重要的一個組成部分，要謹慎對待。風險評估小組應(yīng)由施工、監(jiān)理、設(shè)計和業(yè)主各方的相關(guān)人員組成，而不是由一兩個人或某一方獨立完成，只有這樣才能得到最貼近工程實際的辨識結(jié)果。

2.2 風險分析

在對隧道施工風險充分識別后，還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際考察情況和設(shè)計圖紙，對潛在風險因子進行分析，判斷其是否為重大風險源，決定是否應(yīng)對其做詳細評估。在隧道施工中，一般主要從地形、地質(zhì)和施工因素方面進行分析評估。采用系統(tǒng)安全工程的方法來分析事故的致險因子，以此來確定隧道施工過程出現(xiàn)的不安全因素。

2.3 風險評估

公路隧道施工安全風險評估是一個復雜的系統(tǒng)，影響因子和風險事故并沒有直接對應(yīng)的關(guān)系，評估系統(tǒng)是由多因素、多層次決定的。因而大部分影響施工安全的風險因素難以定量的用數(shù)字描述。而模糊數(shù)學可以將模糊、不清晰的問題用數(shù)學的語言去分析和解決，使定性的問題定量化。模糊評價法簡潔適用且具有系統(tǒng)性，但卻無法明確多因子的權(quán)重，而層次分析法卻能很好的確定不同因子的權(quán)重。故充分結(jié)合模糊評價法和層次分析法優(yōu)點的模糊層次分析法，是一種廣泛應(yīng)用于施工風險評估的決策方法(圖1)。

圖1 公路隧道施工安全風險評估模型

2.3.1 建立因子集和評價集

2.3.1.1 建立因子集

將對高速公路淺埋偏壓隧道的產(chǎn)生影響的因素建立一個因素集，用U來表示：

U={u1，u2，u3，…，un}

ui=(i=1,2,…n),表示各個影響因子，n表示影響因子的數(shù)量。影響因子又具有不同的模糊性狀，在應(yīng)用模糊層次分析法進行評價時，可通過隸屬函數(shù)來處理模糊性。將每個因子的影響程度分為m個等級。建立因子等級集合，

ui={ui1,ui2,ui3,…,uim}(i=1,2,…,n)

2.3.1.2 建立評價集

評價集也就是影響因子發(fā)生的概率的集合，一般采用區(qū)間取值或程序語言作為評價目標，可用五個等級來表示，V={Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級，Ⅳ級，Ⅴ級}，對應(yīng)的是{很不可能，不可能，偶然，可能，極有可能}。

2.3.2 建立單因子等級評價矩陣，確定隸屬度

根據(jù)因子集的某一元素指標對事物進行評價，建立因子集和評價集的關(guān)系。由U中的不同因素ui與其所對應(yīng)的V中的評級結(jié)果vj，建立它們之間的隸屬關(guān)系，即模糊集合R={ri1,ri2,…rim},從而建立起了單因素等級評價矩陣R。

2.3.3 確定風險指標權(quán)重值

風險指標權(quán)重值是模糊綜合評判法的一個重要依據(jù)，反映了各指標的重要程度。通常由層次分析法來確定向量，相對簡便。同時也應(yīng)滿足歸一化和非負性的條件。

(1)建立多級遞階結(jié)構(gòu)模型(圖2)。

圖2 風險評估流程

(2)構(gòu)建判斷矩陣。

運用兩兩對比的方法，對影響因子進行對比，判斷其重要性(表1)。

表1 層次分析法的因子判斷賦值

(3)計算相對權(quán)重。

①計算判斷矩陣每行所有元素的幾何平均值：

計算得到CI后，可以查隨機一致性指標RI(表2)，若CI/RI<0.1時，則矩陣符合要求，否則應(yīng)寫出新的判斷矩陣，重新進行判斷。

表2 隨機一致性指標RI

(4)模糊綜合評價。

利用單因子評價等級R及因子權(quán)重可得模糊綜合評價指標：

=(b1,b2,…,bn)

(5)評價結(jié)果。

在求得評價指標bj(j=1,2,…,m)后，運用最大隸屬度法來確定評價結(jié)果。

3 風險控制

3.1 洞口邊坡坍塌失穩(wěn)及塌方控制

在洞口施工前，應(yīng)先對邊坡、仰坡的穩(wěn)定情況進行檢測，及時清除懸石、危石，并應(yīng)保持不間斷的檢測。在隧道開挖前，應(yīng)提前對邊坡進行錨錠支護，開挖時做到“早進洞、晚出洞”，避免出現(xiàn)邊坡坡度過高，減少山體破壞，防止土體流失。

對于掌子面塌方，應(yīng)對爆破進行控制，優(yōu)化炮孔位置、炸藥用量，爆炸方式等，降低爆破對圍巖穩(wěn)定性的影響。超前支護和初期支護要及時到位，嚴格按照設(shè)計施工，加強施工過程中的動態(tài)監(jiān)測。

3.2 隧道突涌水、突泥控制

3.2.1 加強地質(zhì)預(yù)報

在施工期間，根據(jù)工程水文、地質(zhì)檢測資料，加強地表、重點斷層破碎帶的超前地質(zhì)預(yù)報工作，綜合應(yīng)用地質(zhì)雷達和紅外勘探等各種地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報方法，特別是采取有效的突水、突泥預(yù)報方法，提高地質(zhì)預(yù)報準確性，在隧道開挖前判斷發(fā)生熔巖及斷層突涌水、突泥的可能性。

3.2.2 超前預(yù)加固

在施工期間，根據(jù)工程水文、地質(zhì)檢測資料，加強對地表、重點斷層破碎帶的超前地質(zhì)預(yù)報工作，綜合應(yīng)用地質(zhì)雷達和紅外勘探等各種地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報方法。尤其是要采取有效的突涌水、突泥預(yù)報方法，提高地質(zhì)預(yù)報準確性。并在隧道開挖前，判斷發(fā)生熔巖及斷層突涌水、突泥的可能性。

3.2.3 注漿封堵

對于可能會出現(xiàn)突涌水、突泥的地段，采用超前帷幕預(yù)注漿進行封堵，確定封堵成功之后再進行施工活動，這樣能夠很大程度的控制風險。

3.3 襯砌結(jié)構(gòu)大變形控制

保證初期施工質(zhì)量，加強臨時支撐。在施工期間，可通過調(diào)整掘進參數(shù)，改良土體、注漿、對變形縫進行特殊處理等一系列措施來控制隧道結(jié)構(gòu)變形量。對于運營時期，須從砂層、軟土、注漿材料的配合比及抗液化特性等做更為深入的研究，從而來解決隧道結(jié)構(gòu)變形的問題[9]。

4 結(jié)論

為了預(yù)防防止隧道在施工過程中出現(xiàn)事故，積極利用現(xiàn)場監(jiān)控和量測數(shù)據(jù)來分析隧道圍巖穩(wěn)定性，及時調(diào)整支護參數(shù)，對施工方法動態(tài)調(diào)整，保證施工安全。在開挖前，應(yīng)對隧道洞口進行加固，做到“先加固、后開挖”的原則。合理安排施工進度，嚴格控制洞口段的開挖尺寸和炸藥使用量，確保圍巖穩(wěn)定性在可控范圍內(nèi)，確保安全。