欒紹順，曲成平，王 ，張素磊

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266525)

當(dāng)前，我國的城市軌道交通建設(shè)飛速發(fā)展，截至2019年底，全國共有40個(gè)城市開通軌道交通，城市軌道交通相比2018年新增運(yùn)營里程近1200 km，運(yùn)營總里程達(dá)6700 km[1]。然而，在建設(shè)過程中，受地質(zhì)條件、勘察及設(shè)計(jì)水平、現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)及施工質(zhì)量等眾多因素的影響，地鐵施工造成地表開裂、塌陷等事故時(shí)有發(fā)生。由于地鐵建設(shè)經(jīng)常需要穿越城市繁華地段，地表上層周邊環(huán)境復(fù)雜、交通繁忙、建筑眾多，一旦引發(fā)事故，造成的后果難以想象，因此做好事故預(yù)測(cè)預(yù)防，保障城市公共安全，是目前地鐵建設(shè)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)研究的課題。

針對(duì)地鐵隧道施工擾動(dòng)造成的地表沉降以及施工過程中地表塌陷的風(fēng)險(xiǎn)研究問題，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)地層缺陷、隧道施工對(duì)地層的擾動(dòng)以及隧道施工風(fēng)險(xiǎn)分析等方面進(jìn)行了深入研究。KONG Sukmin等[2]研究認(rèn)為造成地層缺陷的一個(gè)重要因素是地下污水管線的滲漏破壞。李建設(shè)等[3-6]調(diào)查發(fā)現(xiàn)誘發(fā)地層缺陷的主要原因有管線滲漏破壞、地表車輛荷載、路基回填存在空洞、過量抽取地下水、施工擾動(dòng)等因素。CUI Qinglong等[7]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果對(duì)隧道穿越復(fù)合地層時(shí)的地表變形規(guī)律進(jìn)行了研究，并提出相應(yīng)控制措施。郭樂[8]對(duì)比數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降規(guī)律進(jìn)行了研究。在隧道施工風(fēng)險(xiǎn)分析方面，張成平等[9]通過案例調(diào)查統(tǒng)計(jì)，總結(jié)了地鐵隧道施工引發(fā)地面塌陷的致災(zāi)機(jī)制；謝洪濤等[10]分析了坍塌事故發(fā)生的原因并構(gòu)建了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的隧道施工坍塌事故診斷專家系統(tǒng)；劉保國等[11]運(yùn)用模糊網(wǎng)絡(luò)分析法對(duì)山嶺隧道進(jìn)行施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，建立了公路山嶺隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，得到整體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

國內(nèi)外專家學(xué)者們的相關(guān)研究已取得一系列有價(jià)值的研究成果，但結(jié)合國內(nèi)各大城市地鐵隧道施工引發(fā)的工程事故案例來看，以上研究大多是針對(duì)事故的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)與分析，著重于事故機(jī)制的研究，對(duì)城市地鐵隧道施工坍塌事故的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方面研究較少。為此，本文在事故案例調(diào)查統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建城市地鐵隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，參考風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系建立城市地鐵隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，經(jīng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)計(jì)算后得到隧道施工綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為類似地鐵隧道施工坍塌事故的預(yù)防提供借鑒。

1 城市地鐵隧道施工塌陷事故統(tǒng)計(jì)及主要成因分析

為調(diào)查城市地鐵隧道建設(shè)過程中地表塌陷事故占所有事故的比例及其事故成因，本文通過數(shù)據(jù)挖掘、文獻(xiàn)查閱、實(shí)地調(diào)研等方法，對(duì)近5年來城市地鐵施工事故進(jìn)行了整理與統(tǒng)計(jì)，共收集到典型事故案例93例，所得統(tǒng)計(jì)案例來源于國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部公示文件以及公開發(fā)表的相關(guān)文章和報(bào)道[12-14]。主要事故類型包括塌陷、高處墜落、物體打擊和機(jī)械傷害等，具體分布如圖1所示。

圖1 事故比例分布

統(tǒng)計(jì)調(diào)查結(jié)果表明：93起事故中數(shù)量最多的為塌陷事故，共50起，占全部事故的53.76%。塌陷事故在所有事故類型中比例最高，且所占比例是第2名高處墜落事故的4倍有余，顯然塌陷事故是我國城市地鐵施工當(dāng)前所面臨的主要事故類型。

為進(jìn)一步分析塌陷事故的發(fā)生原因，筆者對(duì)50起塌陷事故的資料進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，研究發(fā)現(xiàn)造成地面塌陷的原因主要包含隧道埋深、圍巖級(jí)別、地層缺陷、大氣降水、地下水、地下管線、路面交通荷載、施工質(zhì)量、施工經(jīng)驗(yàn)及施工管理等因素。其中自然因素單獨(dú)導(dǎo)致發(fā)生的事故僅有5起，而地鐵施工自身因素單獨(dú)造成的事故共有18起。可見，造成城市地鐵施工地表塌陷事故發(fā)生的主要因素不單在于自然因素，人為因素同樣不可忽視，因此有效避免塌陷事故發(fā)生的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確定位風(fēng)險(xiǎn)源和理清風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生機(jī)理。

2 城市地鐵隧道施工塌陷事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系

城市地鐵隧道施工過程是一個(gè)綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境影響等方面的過程。構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系首先要準(zhǔn)確地選取風(fēng)險(xiǎn)因子，而地鐵隧道施工塌陷事故的風(fēng)險(xiǎn)高低不僅由地層條件及周邊環(huán)境因素決定，而且與各項(xiàng)施工因素也息息相關(guān)。通過分析前文事故案例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在地鐵自身因素和自然因素諸多的風(fēng)險(xiǎn)源指向中，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)城市地鐵隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的影響程度，選出最具代表性的12項(xiàng)指標(biāo)作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的來源，劃分為主觀因素和客觀因素兩大類。對(duì)于城市地鐵隧道而言，隧道埋深的增加會(huì)導(dǎo)致隧道圍巖的地應(yīng)力增大，隧道變形也會(huì)相應(yīng)增大，本文隧道埋深等級(jí)的劃分以15和25 m為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；依據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)[15]，將客觀因素中圍巖級(jí)別等級(jí)分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)；施工工法的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用常見的4種淺埋暗挖法及其他工法；以是否對(duì)施工安全有利為判斷依據(jù)來確定其他各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具體分級(jí)情況見表1。依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)影響因素間的邏輯關(guān)系，構(gòu)建考慮各項(xiàng)因素的綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。

表1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)影響因素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將施工塌陷風(fēng)險(xiǎn)分為3個(gè)等級(jí)，相應(yīng)的等級(jí)評(píng)價(jià)及該風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下的應(yīng)對(duì)措施如表2所示。在地鐵隧道施工過程中，若某一風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的概率發(fā)生大幅度變化，說明此時(shí)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)發(fā)生較大變化，應(yīng)當(dāng)立即停止施工并查找原因；若各風(fēng)險(xiǎn)概率相對(duì)穩(wěn)定，則施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)較穩(wěn)定。

表2 施工坍塌風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

3 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的城市地鐵隧道施工塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

3.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)基本原理及建模方法

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種基于概率論并經(jīng)過運(yùn)算演變而來的概率圖形模型，它的本質(zhì)是一個(gè)帶有概率注釋的有向無環(huán)圖，由有向邊連接節(jié)點(diǎn)而成，節(jié)點(diǎn)表示隨機(jī)變量xi，有向邊代表各節(jié)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，通過貝葉斯定理的統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)功能來完成事故風(fēng)險(xiǎn)的診斷與推測(cè)。模型中有向邊的起始節(jié)點(diǎn)是終節(jié)點(diǎn)的稱為父節(jié)點(diǎn)，記作πi，節(jié)點(diǎn)i稱為子節(jié)點(diǎn)，無父節(jié)點(diǎn)只有子節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)稱之為根節(jié)點(diǎn)，其概率分布函數(shù)是邊緣分布函數(shù)，根節(jié)點(diǎn)的概率又稱為先驗(yàn)概率；而其他節(jié)點(diǎn)的概率函數(shù)均為條件概率分布函數(shù)，記作P(xi|xπi)，其中xπi為父節(jié)點(diǎn)變量的取值。當(dāng)根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率和其他節(jié)點(diǎn)的條件概率分布分別給定時(shí)，就可以計(jì)算包含所有節(jié)點(diǎn)的聯(lián)合概率分布：

(1)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建方法主要有專家經(jīng)驗(yàn)法和數(shù)據(jù)庫法，包括3個(gè)步驟：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)確定與取值；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建；確定節(jié)點(diǎn)的概率分布。利用專家經(jīng)驗(yàn)法確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)取值及其概率分布，可以發(fā)揮專家經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，節(jié)省時(shí)間和成本，但其結(jié)果會(huì)受到專家主觀性的局限；利用數(shù)據(jù)庫法基于數(shù)據(jù)建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其結(jié)果相對(duì)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，但取決于數(shù)據(jù)的客觀性，且需要大量科學(xué)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)支持，往往難以獲得。

3.2 建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)之前所建立的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)與取值對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中的風(fēng)險(xiǎn)因子及風(fēng)險(xiǎn)因子指標(biāo)分類，其中各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的根節(jié)點(diǎn)，兩類風(fēng)險(xiǎn)因素等級(jí)為中間子節(jié)點(diǎn)，最終的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

Netica軟件的學(xué)習(xí)功能可以對(duì)已統(tǒng)計(jì)案例數(shù)據(jù)進(jìn)行自學(xué)習(xí)，從而確定概率分布，節(jié)點(diǎn)概率也可以直接由專家經(jīng)驗(yàn)直接輸入。本文結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)法和樣本學(xué)習(xí)法，利用Netica軟件的案例學(xué)習(xí)功能，將前文統(tǒng)計(jì)的50例塌陷事故案例中的相關(guān)參數(shù)建立樣本數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行樣本數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)后得到客觀因素等級(jí)的概率分布；對(duì)于主觀因素節(jié)點(diǎn)，由于主觀因素的不確定性，采用專家經(jīng)驗(yàn)法確定其概率分布，通過向具有多年工作經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員以及相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜野l(fā)放調(diào)查問卷的方式來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，回收問卷整理得到有效的概率數(shù)據(jù)后，直接輸入到Netica軟件中，建立城市地鐵隧道施工塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)訓(xùn)練后的貝葉斯模型網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，此條件概率下的塌陷風(fēng)險(xiǎn)為Ⅰ級(jí)的概率為69.7%，Ⅱ級(jí)概率為21.9%，Ⅲ級(jí)概率為8.37%。

圖2 城市地鐵隧道施工塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

青島地鐵4號(hào)線靜港路站—沙子口站區(qū)間位于青島市嶗山區(qū)，為單洞單線區(qū)間，左線全長(zhǎng)1123.531 m，右線全長(zhǎng)1143.346 m，主要采用盾構(gòu)法施工，局部受地質(zhì)條件影響采用礦山法施工后盾構(gòu)平推通過，其中礦山法施工段里程采用臺(tái)階法施工。

當(dāng)隧道施工至ZDK25+343時(shí)，發(fā)生塌陷事故，事故發(fā)生于靜沙區(qū)間左線硬巖段，圍巖等級(jí)為V級(jí)，此處隧道凈寬7.4 m，隧頂埋深約19.6 m，拱頂上方覆土層滲透系數(shù)較大，地下水活躍，上方地表周邊地勢(shì)平坦，無構(gòu)筑物。

4.2 隧道塌陷事故原因分析

根據(jù)工程概況，將相關(guān)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)參數(shù)等客觀因素節(jié)點(diǎn)通過Netica軟件輸入到構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)專家的評(píng)審結(jié)果，將各主觀影響因素按照適中或一般輸入，得到此狀態(tài)下的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 靜沙區(qū)間施工塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)結(jié)果可得風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅰ級(jí)的概率為62.3%，Ⅱ級(jí)概率為28.4%，Ⅲ級(jí)概率為9.28%，按照風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為低風(fēng)險(xiǎn)，可以正常施工。根據(jù)水文地質(zhì)勘察報(bào)告，此段V級(jí)圍巖段隧道估算涌水量較小，但在實(shí)際施工過程中，由于降雨量的增大及地下水位的提高，掌子面出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，將涌水后的工況輸入到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4 修改后靜沙區(qū)間施工塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從最終的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果易看出，施工塌陷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Ⅲ級(jí)指標(biāo)從9.28%上升至22.4%，說明此時(shí)的隧道施工塌陷風(fēng)險(xiǎn)大幅提高，應(yīng)立即停止施工并采取應(yīng)對(duì)措施，但由于涌水突泥過程中泥漿初始速度大，沖擊壓力大，掌子面瞬間垮塌，常規(guī)的應(yīng)急預(yù)案無法應(yīng)對(duì)這種大規(guī)模高強(qiáng)度的突發(fā)事件，現(xiàn)場(chǎng)人員應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間不足，導(dǎo)致了事故的發(fā)生。

5 結(jié)論

本文在事故案例統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了城市地鐵隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，并結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系建立了城市地鐵隧道施工誘發(fā)地表塌陷風(fēng)險(xiǎn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，依據(jù)案例數(shù)據(jù)及專家經(jīng)驗(yàn)得到模型節(jié)點(diǎn)的條件概率分布，并將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型應(yīng)用到實(shí)際工程中，模型計(jì)算的結(jié)果與該事故的現(xiàn)場(chǎng)鑒定結(jié)果具有較高的吻合性。

1) 通過統(tǒng)計(jì)分析93起地鐵隧道施工事故案例，發(fā)現(xiàn)塌陷事故比例占所有事故的53.76%，從近年來的50起地鐵隧道施工塌陷案例中確定了誘發(fā)地表塌陷的風(fēng)險(xiǎn)因子及其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而建立起城市地鐵隧道施工塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，并根據(jù)最終的評(píng)價(jià)結(jié)果將風(fēng)險(xiǎn)劃分為3個(gè)等級(jí)，給出了各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下的相應(yīng)施工措施。

2) 根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系建立了城市地鐵隧道施工塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)值域與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中的風(fēng)險(xiǎn)因子及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)一一對(duì)應(yīng)，利用Netica軟件，采用樣本數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)和專家經(jīng)驗(yàn)法2種方法結(jié)合確定了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的概率分布，得到此條件概率下的塌陷風(fēng)險(xiǎn)為Ⅰ級(jí)的概率為69.7%，Ⅱ級(jí)概率為21.9%，Ⅲ級(jí)概率為8.37%。

3) 將建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于青島地鐵4號(hào)線靜沙區(qū)間ZDK25+343施工段，由于施工中遭遇地下水位上漲及涌水現(xiàn)象，經(jīng)計(jì)算后風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Ⅲ級(jí)指標(biāo)從9.28%大幅上升至22.4%，說明此時(shí)地鐵隧道施工塌陷風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增大，最終隧道掌子面出現(xiàn)涌水突泥現(xiàn)象，導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)地表塌陷，進(jìn)一步印證了模型的科學(xué)性。