孫瑞義, 黃 帥

(1.京昆高速鐵路西昆有限公司，重慶 400020；2.中山大學智能工程學院，廣州 510006)

山嶺是中國主要地貌特征之一，山地、高原和丘陵約占陸地面積的67%。在國家“八縱八橫”的中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃的背景下，山嶺隧道將廣泛存在[1-3]。不同于城市地鐵隧道，山嶺隧道的隱蔽性、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、施工條件惡劣、山區(qū)自然災(zāi)害易發(fā)等不確定性更為顯著，這為大大增加了山嶺隧道的施工風險，對于隧道施工安全的要求也更為嚴苛[4-5]。為保證山嶺隧道的安全建設(shè)以及運營維護，開展風險評估及管理方面的研究勢在必行。近年來，工程界對于工程風險管理理論的研究與應(yīng)用越來越關(guān)注，在隧道工程方面，行業(yè)內(nèi)相繼發(fā)布了《鐵路隧道風險評估與管理暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)〔2007〕200號)、《關(guān)于鐵路高風險隧道安全管理工作的實施意見》(工管質(zhì)〔2011〕36號)等一系列規(guī)范指南，為隧道工程的施工風險提供解決方案[6]。

目前常用的風險評價方法主要分為定性分析與定量分析兩種，定性分析由于其不能量化施工風險的缺點通常不被工程上直接采用，定量分析包括：概率分析法[7]、故障樹分析法[8]、蒙特卡羅模擬法[9]、層次分析法[10-11]、模糊綜合評判[12-13]等。針對隧道工程施工的風險評估問題，中外諸多學者展開研究。黃磊[7]將非精確概率引入隧道施工風險評估中，與傳統(tǒng)的精確該概率方法相比，該方法能更準確地反映隧道施工的風險等級。Ding等[14]針對上海地鐵隧道病害構(gòu)建了故障樹，對隧道病害基本事件的概率重要性進行了分析。然而，概率分析法與故障樹分析法共同的局限性在于對樣本數(shù)量的要求較高，對于一些復(fù)雜的大型隧道工程通常無法滿足其風險評估的要求。劉燦等[15]建立熵權(quán)-改進灰色關(guān)聯(lián)的公路隧道塌方風險評價模型，并針對在建公路隧道的塌方風險進行了驗證。Wu等[16]提出了一種新的隧道巖爆預(yù)測概率模型，采用蒙特卡洛法得到了得到巖爆預(yù)測等級的分布函數(shù)，實現(xiàn)了巖爆風險的定量評價。蒙特卡洛法需要大量隨機樣本進行模擬，由于隧道工程施工風險影響因素的復(fù)雜性，該方法計算效率較低，在工程上難以適用。針對山嶺隧道的施工風險，其影響因素較多，其所處環(huán)境復(fù)雜，層次分析法其特點在于將復(fù)雜性問題進行簡單化分解，通過邏輯關(guān)系構(gòu)建各個因素的層次結(jié)構(gòu)，可定量描述風險[10]，但單一的層次分析法在構(gòu)建判斷矩陣時受主觀因素影響較大。山嶺隧道的施工風險影響因素以及評價指標具有顯著的不確定性和模糊性，模糊綜合評判法基于數(shù)學中隸屬函數(shù)可對其進行量化分析。

綜上所述，對于山嶺隧道的施工風險這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)，目前缺乏一種兼顧邏輯性、系統(tǒng)性以及復(fù)雜性的隧道施工風險量化方法，且在進行隧道風險評估后缺乏相應(yīng)施工風險控制措施。有鑒于此，現(xiàn)在已有方法的基礎(chǔ)上，將層次分析法與模糊綜合評判法結(jié)合，在充分認識山嶺隧道施工風險影響因素多樣性的基礎(chǔ)上，建立復(fù)雜山嶺隧道的風險評估模型。依托懷邵衡鐵路蒼稼嶺隧道工程進行應(yīng)用研究，分析山嶺隧道的施工風險水平以及影響因素，并針對隧道施工風險評估結(jié)果研究風險應(yīng)對措施。

1 復(fù)雜山嶺隧道風險評估模型

1.1 模型構(gòu)建流程

基于層次分析法與模糊綜合評判法結(jié)合構(gòu)建復(fù)雜山嶺隧道的風險評估模型，其流程如圖1所示，將主要步驟簡述如下：

(1)根據(jù)因素屬性建立山嶺隧道風險的層次結(jié)構(gòu)模型。

(2)建立因素集以及評價集。

(3)選擇隸屬度函數(shù)，并進行隸屬度計算。

(4)進行因素的權(quán)重計算。

(5)基于權(quán)重及隸屬度進行風險模糊評價。

(6)綜合評估。

圖1 山嶺隧道風險評估模型構(gòu)建流程圖Fig.1 Flow chart of mountain tunnel risk assessment model construction

1.2 構(gòu)建層次分析模型

山嶺隧道由于其所處環(huán)境惡劣，地質(zhì)、水文條件復(fù)雜，隧道的風險評價指標具有模糊性與復(fù)雜性。在進行隧道風險評估前，需要根據(jù)山嶺隧道施工風險因素的屬性構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型?；谧R別出的風險因素的等級，將影響山嶺隧道安全狀態(tài)的評價指標分為三個級別[6]，山嶺隧道層次分析結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(1)目標層：山嶺隧道施工風險。

(2)準則層：由影響山嶺隧道安全的因素組成，包括地質(zhì)因素(U1)、設(shè)計因素(U2)、施工因素(U3)。

(3)方案層：由對準則層因素有影響的指標組成。包括圍巖級別(u11)、斷層破碎帶(u12)、地下水(u13)、不良地質(zhì)(u14)、常規(guī)設(shè)計(u21)、監(jiān)控量測設(shè)計(u22)、技術(shù)水平(u31)、管理水平(u32)。

圖2 山嶺隧道風險層次分析結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of risk hierarchy analysis of mountain tunnel

1.3 因素權(quán)重計算

因素集中不同因素對于評價指標的影響程度是不同的，在數(shù)學上可以描述為不同因素對于評價指標的權(quán)重不同。權(quán)重的計算是確定風險事件等級的一個重要指標，它反映的是在風險評估中各風險因素的相對重要程度。通常采用層次分析法進行權(quán)重的計算。通過對同層元素的兩兩分析比較，確定相對重要度，構(gòu)造判斷矩陣[17]。假定同層間有n個因素A1,A2,…,An，用1～9及其倒數(shù)的比例標度aij表征Ai與Aj的相對重要性，其具體意義[11]如表2所示。

表1 分值相對重要性意義Table 1 Meaning of scale value for relative importance

判斷矩陣A表示為

(1)

式(1)中：aij=1/aji。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：w=[w1,w2,…,wn]T表示權(quán)重集；(Aw)i表示向量Aw的第i個元素；n表示判斷矩陣階數(shù)。RI(average random consistency index)表示平均隨機一致性指標，CR(consistent ratio)表示一致性比率，CR<0.10才能通過一致性檢驗。

1.4 隸屬度計算

隸屬度是模糊評價函數(shù)中的概念，用于表征事件屬于某個集合的程度。在進行隸屬度計算前需要構(gòu)建因素集與評價集，因素集U由能夠影響山嶺隧道安全的各個因素組成，U=(u1,u2,…,un)，n表示所選取影響因素的個數(shù)。為表征上述因素集中各元素發(fā)生風險的概率，采用5個等級，表示為V={v1,v2,v3,v4,v5}={低風險，較低風險，中等風險，較高風險，高風險}。然后每個風險概率等級用線性函數(shù)定性化確定，得到風險概率的定量指標區(qū)間，具體表示為

(7)

為了計算影響因素的隸屬度，必須先確定隸屬度函數(shù)，所謂隸屬度函數(shù)是用來表示影響因素與評價等級之間定量關(guān)系的數(shù)學表達式。典型的隸屬度函數(shù)有三角形分布、梯形分布、拋物型分布、正態(tài)型分布、Cauchy型分布、嶺型分布[6]。選用梯形隸屬函數(shù)建立隸屬函數(shù)，計算事件評價等級的隸屬度。圖3所示為選用的梯形隸屬度函數(shù)的函數(shù)圖像，共有5條折線(V1～V5)，分別表示5個評價等級{v1,v2,v3,v4,v5}下的隸屬度函數(shù)。

圖3 梯形隸屬度函數(shù)Fig.3 Trapezoid membership function

1.5 風險概率模糊評價

為針對風險概率進行模糊估計，基于隸屬函數(shù)建立評價矩陣，評價矩陣表示為

(8)

式(8)中：rij表示因素集U中第i個因素對評價集中第j個等級的隸屬度。

為反映各因素的綜合影響，將基于層次分析法得出的各因素的權(quán)重集和基于模糊運算得出的評價矩陣相結(jié)合，實現(xiàn)風險概率的模糊估計，即

(C1,C2,…,Ck)

(9)

(10)

1.6 評價結(jié)果

模糊綜合評價向量C是一個模糊向量，考慮到實際的評判結(jié)果總是清晰的，需對所得向量進行集化，以確定綜合評估級別。集化的方法主要有兩種：①最大隸屬度法；②中位數(shù)法。選用最大隸屬度法，取模糊綜合評價向量C中最大隸屬度Cl對應(yīng)的評價集作為最終的評價結(jié)果[6]，即

(11)

2 應(yīng)用實例分析

2.1 工程概況

懷邵衡鐵路沿線地處湖南懷化、邵陽、衡陽地區(qū)地處湘西地段的懷邵衡鐵路蒼稼嶺隧道全長7 976 m，是全線重難點工程之一。蒼稼嶺隧道工作區(qū)內(nèi)交通不便。隧道總體沿北西走向，隧道北西起于邵陽市洞口縣市月溪鄉(xiāng)大涼山村，南東止于洞口縣長塘鄉(xiāng)長塘村，進口里程DK76+343，出口里程DK84+319，為單洞雙線隧道，最大埋深540 m。本隧道設(shè)1座斜井(斗三沖)，斜井長1 437 m；出口段設(shè)橫洞1座，長330 m。

2.2 風險識別

根據(jù)勘察資料初步對本隧道工程進行風險源識別，總結(jié)如下：

(1)DK76+315～DK76+430：隧道入口淺埋，表層為第四系坡殘積粉質(zhì)黏土，厚0～2 m；全—強風化層較厚，巖土力學性質(zhì)和整體穩(wěn)定性差，圍巖易坍塌，淺埋段易出現(xiàn)地表下沉(陷)或塌至地表。

(2)DK76+430～DK80+550：構(gòu)造侵蝕中低山，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖土力學性質(zhì)和整體穩(wěn)定性較差，遇水易軟化；該段通過地層為頁巖氣儲集層，為瓦斯工區(qū)。

(3)DK76+430～DK79+710段圍巖整體穩(wěn)定性較差，拱部無支護時，可產(chǎn)生較大的坍塌，側(cè)壁有時失去穩(wěn)定，建議支護襯砌及時跟進，并采取防滲導(dǎo)流措施。

(4)DK82+100～DK84+325：隧道出口表層為第四系坡殘積粉質(zhì)黏土，全風化-強風化，淺埋，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖土力學性質(zhì)和整體穩(wěn)定性差。

綜上所述，開展懷邵衡鐵路蒼稼嶺隧道的施工風險分析十分必要。在進行風險識別的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家評價意見將懷邵衡鐵路蒼稼嶺隧道的施工風險因素及相應(yīng)參數(shù)列舉如表2所示，因數(shù)參數(shù)取值按式(7)進行選取。

表2 風險因素參數(shù)值及工程實況Table 2 Risk factor parameter values and engineering facts

2.3 綜合風險評價

將建立的復(fù)雜山嶺隧道風險評估模型應(yīng)用于懷邵衡鐵路蒼稼嶺隧道。該隧道工程地質(zhì)方面主要風險源在于出入口部分圍巖級別較低，巖性不足，存在坍塌風險，且斷層節(jié)理較為發(fā)育，不利于隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且部分開挖區(qū)域有瓦斯氣體分布。有鑒于此，表3給出了地質(zhì)因素U1下方案層因素的兩兩比較判別矩陣，并根據(jù)式(2)～式(4)進行了相對權(quán)重的求解，結(jié)果列于表3中。根據(jù)式(5)和式(6)求出CI=0.012 2，CR=0.013 5<0.1，滿足一致性檢驗。

對于設(shè)計因素U2和施工因素U3的相對權(quán)重計算，其過程與U1一致，設(shè)計因素中常規(guī)設(shè)計包涵隧道埋深、開挖進尺以及相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，其對隧道工程的風險影響最為直接。將設(shè)計因素和施工因素的權(quán)重計算結(jié)果分別列于表4和表5中，U2和U3的方案層因素均滿足一致性檢驗。

在完成方案層因素的相對權(quán)重求解的基礎(chǔ)上，針對準則層因素的相對權(quán)重進行求解，結(jié)果如表6所示。得出CI=0.018，CR=0.032<0.1，滿足一致性檢驗。

表3 地質(zhì)因素權(quán)重計算表Table 3 Calculation of Geological factors weight

表4 設(shè)計因素權(quán)重計算表Table 4 Calculation of design factor weight

表5 施工因素權(quán)重計算表Table 5 Calculation of construction factor weight

表6 準則層權(quán)重計算表Table 6 Calculation of criteria level weight calculation

將表3～表6的各個影響因素相對權(quán)重總結(jié)繪制在圖4中。

圖4 隧道風險影響因素相對權(quán)重綜合Fig.4 Relative weights of factors affecting tunnel risk

將表2中方案層因素的參數(shù)值，代入圖3給出的隸屬度函數(shù)中進行模糊計算，得出二級指標的風險概率的評價矩陣為

將表3～5中算出的二級指標的相對權(quán)重向量，即w1=[0.508 3 0.145 4 0.055 5 0.290 8]、w2=[0.8 0.2]、w3=[0.75 0.25]與上面求出的評價矩陣R1、R2、R3一起代入式(9)中，可以求出一級模糊綜合評價結(jié)果，即

C1=[0 0.501 2 0.169 1 0.329 7 0]；

C2=[0 0 0 0.84 0.16]；

C2=[0 0 0 0.775 0.225]。

進而，一級模糊評價矩陣為

將表6中的二級權(quán)重值W=(0.109 5 0.581 60.309 0)代入進行二級模糊綜合評價，得到二級評價計算結(jié)果為

C=[0 0.054 9 0.018 5 0.764 1 0.162 5]。

根據(jù)最大隸屬度原則，確定Cmax=C3=0.076 41，即蒼稼嶺隧道的風險等級被評價為v4(較高風險)，結(jié)果與工程實際情況相吻合，蒼稼嶺隧道在施工圖階段的風險評估中也被確定為Ⅰ級風險，屬懷邵衡鐵路工程的高風險區(qū)域，這驗證了建立的復(fù)雜山嶺隧道風險評估模型的有效性。

3 山嶺隧道施工風險應(yīng)對措施

通過將建立的復(fù)雜山嶺隧道風險評估模型應(yīng)用于懷邵衡鐵路蒼稼嶺隧道工程中，從地質(zhì)、設(shè)計、施工這三個方面分析該隧道工程的施工風險，蒼稼嶺隧道工程通過的地層中存在4條較大的斷層以及瓦斯區(qū)域，分析其施工過程中可能出現(xiàn)的災(zāi)害主要有塌方、涌水及瓦斯爆炸三種。針對上述三種施工風險災(zāi)害，提出具體應(yīng)對措施[18]如下：

(1)塌方風險。①洞口淺埋段施工方法可采用四步中隔壁(center diaphragm, CD)法施工，洞身宜采用臺階法；②加強超前支護，洞口段采用超前長管棚支護，洞身段采用超前小導(dǎo)管注漿加固；③嚴格控制開挖進尺。

(2)涌水風險。①加強超前地質(zhì)預(yù)報，主要探明地下水水量和水壓，以及斷層破碎帶的巖性；②采用周邊注漿和上半斷面注漿，個別地段采用帷幕注漿，以控制地下水涌出量，防止突泥突水；③進出口地段采用順坡排水。

(3)瓦斯風險。①加強超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報、加強瓦斯檢測，有效預(yù)防工程風險；②對瓦斯工區(qū)襯砌按瓦斯隧道進行處理；③隧道施工時應(yīng)加強通風排水，防止瓦斯聚積。

4 結(jié)論

基于層次分析法與模糊綜合評判法建立了復(fù)雜山嶺隧道的風險評估模型，并在懷邵衡鐵路蒼稼嶺隧道工程中進行了應(yīng)用，主要結(jié)論如下：

(1)構(gòu)建的風險評估模型能針對考慮多種復(fù)雜因素影響的隧道工程進行計算，過程簡便，適用于工程實際。

(2)運用建立的山嶺隧道風險評估模型對懷邵衡鐵路蒼稼嶺隧道工程進行初步風險評估，得出施工風險為v4(較高風險)，與工程實際情況相吻合。

(3)基于風險評價結(jié)果進一步分析得出蒼稼嶺隧道工程的主要風險災(zāi)害為塌方、涌水、瓦斯三種，提出了針對性的應(yīng)對措施，進行施工風險管控，保障安全施工。