梁文輝

佛嶺隧道豎井建設(shè)期安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

梁文輝

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

佛嶺隧道豎井由于其構(gòu)造的特殊性，再加上所處地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，在建設(shè)過程中存在大量的安全風(fēng)險(xiǎn)。文章通過查閱資料并結(jié)合工程實(shí)踐，建立了佛嶺隧道豎井施工階段主要安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的指標(biāo)體系，采用層次分析法與專家打分法相結(jié)合對(duì)各單因素進(jìn)行綜合，得出準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的概率等級(jí)指標(biāo)。通過計(jì)算分析，得出佛嶺隧道豎井施工階段安全風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)綜合評(píng)定值，針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)事件，提出降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的措施。

隧道工程；豎井；安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

1　工程概況

1.1豎井的布置

豎井的布設(shè)主要根據(jù)隧道長(zhǎng)度、地形、地質(zhì)、水文及環(huán)境影響等條件，結(jié)合營(yíng)運(yùn)通風(fēng)、棄渣等的需求綜合考慮。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，五臺(tái)至盂縣高速公路佛嶺隧道豎井采用單一豎井地上風(fēng)機(jī)房方案。佛嶺隧道位于五臺(tái)縣陳家莊鄉(xiāng)至盂縣梁家寨間牛道嶺處，設(shè)計(jì)為左右線分離式。起訖樁號(hào)為ZK12+570～ZK21+373（K12+555～K21+360），左（右）洞全長(zhǎng)8 803（8 805）m，左（右）洞體最大埋深758.203（761.616）m。佛嶺隧道豎井位于左右線之間，左（右）線樁號(hào)為ZK16+416.4（K16+420），豎井埋深432 m，半徑5.25 m，周長(zhǎng)32.99 m，面積86.59 m2，其規(guī)模為全國(guó)前列。豎井平面布置圖如圖1所示。

圖1　佛嶺隧道豎井平面布置圖（單位：cm）

1.2水文、地質(zhì)條件

佛嶺隧道總體走向近南北向，隧道圍巖主要由第4系全新統(tǒng)沖洪積（Q4el+pl）黃土狀土、卵石，第4系中更新統(tǒng)（Q2eol）黃土、殘坡積（Q2el+dl）碎石，寒武系中統(tǒng)張夏組（∈2Z）泥質(zhì)條帶灰?guī)r、寒武系下統(tǒng)饅頭毛莊組（∈1m-mz）泥質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)砂巖及石英砂巖，太古界龍華河群翻梁溝組（Arlnf）混合花崗片麻巖和太古界龍華河群輝理組（Arlnh）黑云斜長(zhǎng)片麻巖等構(gòu)成。佛嶺隧道豎井處屬于構(gòu)造剝蝕中山區(qū)，山勢(shì)陡峻，基巖裸露，地形整體上呈一鼻狀山脈。

項(xiàng)目區(qū)地下水類型屬變質(zhì)巖類裂隙水，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，含水巖組主要由太古界龍華河群會(huì)理組（Arlnh）黑云斜長(zhǎng)角閃片麻巖及混合花崗片麻巖等組成，區(qū)內(nèi)地下水依據(jù)儲(chǔ)存空間類型可分為風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水。豎井正常涌水量為136.77 m3/d，豎井穩(wěn)定水位為97.2 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高為1 080.80 m。最大涌水量為547.08 m3/d。屬于弱富水區(qū)，地下水出水狀態(tài)以淋雨?duì)顬橹鳎植繒?huì)產(chǎn)生涌流狀出水。

2　豎井重大安全風(fēng)險(xiǎn)分類分析與評(píng)估

2.1風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估的主要方法［1］

本文采用專家打分法對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)源（準(zhǔn)則層）之間的相對(duì)關(guān)系及各致險(xiǎn)因子（指標(biāo)層）之間的相對(duì)關(guān)系進(jìn)行分析，同時(shí)給出各指標(biāo)概率等級(jí)；通過層次分析法得到指標(biāo)層各致險(xiǎn)因子權(quán)重值，計(jì)算得出準(zhǔn)則層概率等級(jí)，最終獲得佛嶺隧道豎井施工階段安全風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)綜合評(píng)定值。

2.1.1 專家打分法

專家打分法是通過匿名方式征詢有關(guān)專家的意見，對(duì)專家意見進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、處理、分析和歸納，客觀地綜合多數(shù)專家經(jīng)驗(yàn)與主觀判斷，經(jīng)多輪意見征詢、反饋和調(diào)整后，得出每項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)數(shù)與等級(jí)值，從而求出該項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素的得分。

針對(duì)佛嶺隧道豎井存在的復(fù)雜地質(zhì)問題，對(duì)隧道涌水突泥、井口失穩(wěn)、塌方等重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了辨識(shí)與評(píng)估，建立專家調(diào)查表，對(duì)佛嶺隧道豎井存在的主要風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查表共發(fā)放14份，主要針對(duì)與設(shè)計(jì)階段存在密切關(guān)系的設(shè)計(jì)院、從事過相關(guān)工程的施工單位和高?？蒲袉挝贿M(jìn)行，收到有效調(diào)查表13份。

調(diào)查專家的信息如下：

（1）職稱：教授或教授級(jí)高工5人、副教授或高工7人、工程師1人（根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，相關(guān)專家基本具有副高級(jí)職稱以上，相關(guān)理論知識(shí)過硬）；

（2）年齡：＞60歲1人、50～60歲6人、40～50歲5人、30～40歲1人（大部分專家處在40～60歲，為單位中層領(lǐng)導(dǎo)）；

（3）相關(guān)專家對(duì)工程風(fēng)險(xiǎn)理論及方法的熟悉程度情況：從事該方向1人、非常了解4人、比較了解7人、了解一點(diǎn)1人；

（4）相關(guān)專家工作單位情況：設(shè)計(jì)單位7人、施工單位2人、高?；蚩蒲袉挝?人（本次調(diào)查主要選取設(shè)計(jì)單位和高?？蒲袉挝坏南嚓P(guān)專家，主要考慮對(duì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行評(píng)估，偏重于設(shè)計(jì)的理論與實(shí)踐）；

（5）相關(guān)專家從事隧道專業(yè)時(shí)間：＞20年8人、15～20年2人、10～15年2人、5～10年1人（相關(guān)專家從事隧道專業(yè)基本都在10 年以上，經(jīng)驗(yàn)豐富，滿足調(diào)查要求）。

2.1.2 層次分析法（AHP）

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP）是對(duì)一些較為復(fù)雜、較為模糊的問題作出決策的簡(jiǎn)易方法，它特別適用于那些難于完全定量分析的問題。它是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T. L. Saaty 教授于70年代初期提出的一種簡(jiǎn)便、靈活而又實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法。該方法能把定性因素定量化，并能在一定程度上檢驗(yàn)和減少主觀影響，使評(píng)價(jià)更趨科學(xué)化。該方法通過風(fēng)險(xiǎn)因素間的兩兩比較，形成判斷矩陣，從而計(jì)算同層風(fēng)險(xiǎn)因素的相對(duì)權(quán)重。分析過程如下：

（1）首先要把問題條理化、層次化，構(gòu)造出一個(gè)有層次的結(jié)構(gòu)模型。在這個(gè)模型下，復(fù)雜問題被分解為元素的組成部分。這些元素又按其屬性及關(guān)系形成若干層次。上一層次的元素作為準(zhǔn)則對(duì)下一層次有關(guān)元素起支配作用。

遞階層次結(jié)構(gòu)中的層次數(shù)與問題的復(fù)雜程度及需要分析的詳盡程度有關(guān)，一般遞階層次數(shù)不受限制。每一層次中各元素所支配的元素一般不要超過9個(gè)。這是因?yàn)橹涞脑剡^多會(huì)給兩兩比較判斷帶來困難。

（2）明確分析問題，劃分和選定有關(guān)風(fēng)險(xiǎn)因素，建立風(fēng)險(xiǎn)因素分層結(jié)構(gòu)，從而可以得到一個(gè)n×n的判斷矩陣。

（3）計(jì)算判斷矩陣的最大特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量，分量即相應(yīng)n個(gè)因素的權(quán)重。

（4）因?yàn)榕袛嗑仃嚥捎脙蓛杀容^得到，未必滿足等式aiajk=aik。因此，需要采用一個(gè)一致性指標(biāo)CI=ymax-n/（n-1），來衡量由于矩陣不相容所造成的最大特征值和特征向量的誤差。當(dāng)判斷完全一致時(shí)，CI=0，一般只要CR=CI/RI＜0.1，就認(rèn)為這個(gè)判斷可以滿意了。平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值如表1所示。

把所求出的各子因素與相對(duì)危害程度統(tǒng)一起來，就可求出工作包風(fēng)險(xiǎn)處于高、中、低各等級(jí)的概率值的大小，由此可判斷工作包的風(fēng)險(xiǎn)程度。

表1　平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值

層次分析法處理問題的程序與管理者的思維程序、分析解決問題的思路一致。在考慮過程中采用專家評(píng)判，并用定量原則檢驗(yàn)這一評(píng)判的重要性，最后綜合成整個(gè)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)，既有定性分析，又有定量結(jié)果，為管理者提供了一個(gè)全面了解項(xiàng)目全過程中風(fēng)險(xiǎn)情況的機(jī)會(huì)，使其決策更為科學(xué)化。

2.2豎井重大安全風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估［2］

2.2.1 豎井重大風(fēng)險(xiǎn)分析

考慮到佛嶺隧道豎井埋深深、直徑大的特點(diǎn)，通過工程類比，確定其施工階段主要風(fēng)險(xiǎn)。受到各種客觀條件的限制，不可能將各種評(píng)價(jià)指標(biāo)全部反映到豎井風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估中，必須選取對(duì)風(fēng)險(xiǎn)起控制作用的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，忽略對(duì)其影響較小的次要評(píng)價(jià)指標(biāo)，參照豎井風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)研究，分別建立評(píng)估指標(biāo)體系，如表2、表3所示。

表2　佛嶺隧道豎井施工階段主要安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

2.2.2 權(quán)重計(jì)算

（1）涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

佛嶺隧道豎井涌水突泥的風(fēng)險(xiǎn)性與降水、斷層破碎帶、承壓水、開挖進(jìn)尺、施工方案、支護(hù)參數(shù)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等因素有關(guān)。建立層次分析法的判斷矩陣，判斷矩陣如表4～表6所示。

B判斷矩陣一致性比例：0/0.58＜0.1，因此，矩陣滿足一致性判斷。對(duì)總目標(biāo)的權(quán)重為0.5。

C判斷矩陣一致性比例：0.04/0.90＜0.1，因此，矩陣滿足一致性判斷。對(duì)總目標(biāo)的權(quán)重為0.5。

涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)各因素的權(quán)重如表7所示。

表3　佛嶺隧道豎井施工階段各安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

表4　B、C層對(duì)A1的判斷矩陣

表5　B層判斷矩陣

表6　C層判斷矩陣

表7　涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)各因素的權(quán)重表

根據(jù)各個(gè)因素的權(quán)重和專家對(duì)各個(gè)指標(biāo)的概率等級(jí)打分情況，求出涌水突泥的概率等級(jí)值。如表8所示。

（2）井口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

佛嶺隧道豎井井口失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)性與隧道的區(qū)域地質(zhì)、軟弱夾層、降水、斷層破碎帶、位置選擇、支護(hù)參數(shù)、施工方案等因素有關(guān)。建立層次分析法的判斷矩陣，判斷矩陣如表9～表11所示。

表8　涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)確定

表9　B、C層對(duì)A2的判斷矩陣

表10　B層判斷矩陣

表11　C層判斷矩陣

B判斷矩陣一致性比例：0.010 3/0.90＜0.1，因此，矩陣滿足一致性判斷。對(duì)總目標(biāo)的權(quán)重為0.5。

C判斷矩陣一致性比例：0.00915/0.58＜0.1，因此，矩陣滿足一致性判斷。對(duì)總目標(biāo)的權(quán)重為0.5。

井口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)各因素的權(quán)重如表12所示。

表12　井口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)各因素的權(quán)重表

根據(jù)各因素的權(quán)重和專家對(duì)各指標(biāo)的概率等級(jí)打分情況，求出井口失穩(wěn)的概率等級(jí)值如表13所示。

表13　井口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)確定

（3）塌方風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

佛嶺隧道豎井塌方的風(fēng)險(xiǎn)性與隧道的區(qū)域地質(zhì)、軟弱夾層、涌水、斷層破碎帶、襯砌結(jié)構(gòu)、斷面形式、開挖方式、支護(hù)參數(shù)、監(jiān)控量測(cè)、施工方案、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等因素有關(guān)。建立層次分析法的判斷矩陣如表14～表16所示。

表14　B、C層對(duì)A2的判斷矩陣

表15　B層判斷矩陣

表16　C層判斷矩陣

B判斷矩陣一致性比例：0.00 347/0.90＜0.1，因此，矩陣滿足一致性判斷。對(duì)總目標(biāo)的權(quán)重為0.444。

C判斷矩陣一致性比例：0.010 7/1.32＜0.1，因此，矩陣滿足一致性判斷。對(duì)總目標(biāo)的權(quán)重為0.556。

塌方風(fēng)險(xiǎn)各因素的權(quán)重如表17所示。

根據(jù)各個(gè)因素的權(quán)重和專家對(duì)各個(gè)指標(biāo)的概率等級(jí)打分情況，求出塌方的概率等級(jí)值如表18所示。

2.2.3 佛嶺隧道豎井施工階段主要安全風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）佛嶺隧道豎井施工階段安全風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)的確定

建立準(zhǔn)則層的判斷矩陣如表19所示。

表17　塌方風(fēng)險(xiǎn)各因素的權(quán)重表

表18　塌方風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)確定

表19　A層對(duì)O的判斷矩陣

O判斷矩陣一致性比例：0.067 8/0.58＜0.1，因此，矩陣滿足一致性判斷。

根據(jù)各個(gè)因素的權(quán)重和專家對(duì)各個(gè)指標(biāo)的概率等級(jí)打分情況，求出施工階段塌方風(fēng)險(xiǎn)的概率等級(jí)值，如表20所示。

表20　佛嶺隧道豎井施工階段安全風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)確定

（2）佛嶺隧道豎井施工階段安全風(fēng)險(xiǎn)的確定

獲得綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為2.009 2，后果等級(jí)評(píng)定為為3級(jí)（嚴(yán)重的），由專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［2］可知，評(píng)估結(jié)果為3級(jí)，為高度風(fēng)險(xiǎn)，需制定風(fēng)險(xiǎn)消減措施的等級(jí)。

3　結(jié)論

通過查閱資料并結(jié)合工程實(shí)踐，建立了佛嶺隧道豎井施工階段主要風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的指標(biāo)體系，采用層次分析法對(duì)各單因素進(jìn)行綜合，得出準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的概率等級(jí)指標(biāo)。

本文通過層次分析計(jì)算可知：井口失穩(wěn)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率最大，塌方風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率較小，涌水突泥影響最小。涌水突泥的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，施工方案、斷層破碎帶、承壓水、開挖進(jìn)尺因素為主要風(fēng)險(xiǎn)因素；井口失穩(wěn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，位置選擇、斷層破碎帶、降水因素為主要風(fēng)險(xiǎn)因素；塌方的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，斷層破碎帶、開挖方式、軟弱夾層因素為主要風(fēng)險(xiǎn)因素。通過對(duì)佛嶺隧道豎井施工階段主要風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，得出其發(fā)生概率等級(jí)指標(biāo)為3，對(duì)應(yīng)的概率區(qū)間為：0.1%≤P＜1%（偶爾發(fā)生的），損失等級(jí)為3級(jí)（嚴(yán)重的），得出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為3級(jí)，為高度風(fēng)險(xiǎn)，需制定風(fēng)險(xiǎn)消減措施的等級(jí)。

針對(duì)井口失穩(wěn)和塌方高風(fēng)險(xiǎn)事件，本文建議采取如下措施對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制，降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：

（1）佛嶺隧道豎井施工過程中井口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較高，要注意引入第三方監(jiān)測(cè)，對(duì)井口周邊圍巖、山體、地表進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)控量測(cè)［3］，控制施工過程中對(duì)圍巖的擾動(dòng)；對(duì)井內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行收斂變形和應(yīng)力監(jiān)測(cè)，控制可能出現(xiàn)的井口支護(hù)結(jié)構(gòu)在圍巖變形作用下出現(xiàn)的剪切破壞。

（2）佛嶺隧道豎井施工過程中塌方風(fēng)險(xiǎn)較高，要注意加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確把握前方圍巖情況；及時(shí)根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果和出現(xiàn)的異常情況，調(diào)整支護(hù)形式，確保施工過程安全，制定塌方緊急預(yù)案；加強(qiáng)施工質(zhì)量檢測(cè)工作，確保施工質(zhì)量；對(duì)豎井結(jié)構(gòu)進(jìn)行收斂變形和應(yīng)力監(jiān)測(cè)，控制可能出現(xiàn)的有害變形，及時(shí)采取措施進(jìn)行控制。

［1］交通運(yùn)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制度及指南解析［M］.北京：人民交通出版社，2011：52-54.

［2］方碧濱.公路隧道施工中的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及防范對(duì)策［J］.公路交通技術(shù)，2014（5）：123-128.

［3］JTG T D70-2010公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.

Safety Risk Assessment for Foling Tunnel Shaft Construction

Liang Wenhui
（Shanxi Provincial Survey and Design Institute of Communications， Taiyuan 030012， China）

There were a large number of security risks in the process of construction of Foling tunnel shaft， due to the particularity of its structure， combined with the complexity of geological environment. In this article， the main safety risk assessment index system was established in the Foling tunnel shaft construction stage according to reference information and engineering practice. By combining expert scoring method and analytic hierarchy process， single factor was evaluated synthetically， and then criterion layer and target layer of the probability index were concluded. The comprehensive evaluation value on the Foling tunnel shaft construction safety risk probability level was calculated and analyzed. The measures to reduce the risk level were put forward for high risk events.

tunnel engineering； shaft； safety risk assessment

U455.8

A

1672-9889（2015）06-0059-05

梁文輝（1982-），男，山西長(zhǎng)治人，工程師，主要從事隧道設(shè)計(jì)工作。

（2015-03-11）