藍(lán)明祥

(新疆興亞工程建設(shè)有限公司，新疆 烏魯木齊　831100)

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山區(qū)長大隧道施工風(fēng)險評估與風(fēng)險控制對策

藍(lán)明祥

(新疆興亞工程建設(shè)有限公司，新疆 烏魯木齊831100)

西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)相對落后，周邊環(huán)境脆弱，交通等生活設(shè)施簡陋，高速鐵路隧道施工難度大，因此有必要對山區(qū)長大隧道進(jìn)行施工風(fēng)險評估，更新、改善施工工藝，實(shí)現(xiàn)綠色施工。以模糊綜合評估法為主線，綜合運(yùn)用了專家調(diào)查法、風(fēng)險矩陣法、風(fēng)險層次分析法，從隧道瓦斯、塌方、涌水突泥三個方面對某山區(qū)長大隧道施工風(fēng)險進(jìn)行估計取值，得出山區(qū)隧道施工風(fēng)險為高度風(fēng)險，應(yīng)對具體風(fēng)險因素采取恰當(dāng)措施，根據(jù)施工進(jìn)度更改監(jiān)測頻率，建立了山區(qū)長大隧道施工風(fēng)險評估模型，并針對性地提出風(fēng)險預(yù)防技術(shù)對策，以此進(jìn)一步提高同類型山區(qū)長大隧道工程施工風(fēng)險控制水平。

；山區(qū)；長大隧道；施工風(fēng)險；風(fēng)險評估；風(fēng)險控制；模糊綜合評價法

0　引言

近年來，國內(nèi)高速鐵路迅猛發(fā)展有目共睹，但是西部區(qū)域山區(qū)較多，經(jīng)濟(jì)相對落后，尤其是西南地區(qū)地質(zhì)條件非常復(fù)雜，建設(shè)進(jìn)度非常緩慢[1]，山區(qū)長大隧道施工更是遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，通過對山區(qū)長大隧道施工風(fēng)險進(jìn)行評估并采取有效控制措施，持續(xù)改進(jìn)施工方法，可實(shí)現(xiàn)施工預(yù)防[2]。

工程施工風(fēng)險評估研究進(jìn)展相對緩慢，隧道施工領(lǐng)域尤其如此，至70年代以后施工風(fēng)險分析才有一定進(jìn)展[3]。R.Sturk[4]對斯德哥爾摩環(huán)形公路隧道施工風(fēng)險進(jìn)行風(fēng)險識別，首次將風(fēng)險分析技術(shù)應(yīng)用于隧道施工過程，之后，B.Nilsen[5]，H.Duddeck[6]，S.D.Eskesen[7]，A.Odgard[8]等在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對不同隧道的施工風(fēng)險進(jìn)行了評估。國內(nèi)風(fēng)險管理與分析的發(fā)展起步較晚，但發(fā)展較快，李永盛等[9]在研究報告中首次在國內(nèi)對大型盾構(gòu)隧道項(xiàng)目進(jìn)行風(fēng)險評估；胡群芳和黃宏偉[10]針對地下工程建立了風(fēng)險接受準(zhǔn)則模型，國內(nèi)風(fēng)險評估有了進(jìn)一步的提高；王夢恕[11]，王學(xué)斌[12]等人也對隧道項(xiàng)目過程中的設(shè)計、施工有進(jìn)一步討論。

山區(qū)長大隧道施工相對其他地區(qū)隧道而言，施工難度大、工程地質(zhì)條件復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、周邊生態(tài)環(huán)境脆弱、交通等生活設(shè)施簡陋，因此有必要根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)對山區(qū)長大隧道施工風(fēng)險進(jìn)行評估，從而保證施工過程隨施工進(jìn)度不斷更新、補(bǔ)充、完善，持續(xù)改進(jìn)施工工藝，實(shí)現(xiàn)綠色安全施工。本文以模糊綜合評估法為主線，綜合運(yùn)用了專家調(diào)查法、風(fēng)險矩陣法、風(fēng)險層次分析法對山區(qū)長大隧道施工風(fēng)險因素的發(fā)生概率及損失嚴(yán)重性進(jìn)行估計取值，建立山區(qū)長大隧道施工風(fēng)險評估模型，并針對性地提出風(fēng)險預(yù)防技術(shù)對策，以此進(jìn)一步提高山區(qū)長大隧道工程施工風(fēng)險控制水平。

1　工程概況

某山區(qū)長大隧道施工采用“一平一斜”的輔助坑道方式，隧道洞身穿越地層為C1y～T1yn1，巖性灰?guī)r、白云巖、玄武巖和泥質(zhì)白云巖為主，穿越斷層有楊梅山—小達(dá)村斷層等3處，不良地質(zhì)現(xiàn)象為滑坡、危巖、巖堆、巖溶、煤層瓦斯及采空區(qū)、地裂縫、高地應(yīng)力及巖爆。隧區(qū)穿越巖溶深部溶蝕裂隙發(fā)育帶，隧道開挖可能遇到較大的巖溶突水。

從隧址地質(zhì)條件、巖層條件、水文條件、工程規(guī)?？芍こ痰刭|(zhì)復(fù)雜、施工安全風(fēng)險高、施工難度大、工期緊、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高、環(huán)保、水保要求高，工程難點(diǎn)主要有；①隧道穿越楊梅山—小達(dá)村斷層等3處斷層，構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜多變，容易出現(xiàn)瓦斯、危巖、巖爆等地質(zhì)現(xiàn)象，不良地質(zhì)段開挖支護(hù)困難；②隧址穿越巖溶地區(qū)，地下水極發(fā)育，易發(fā)生突水、突泥、塌方等，威脅洞內(nèi)施工人員生命安全；③為加快工期，山區(qū)長大隧道修建有平導(dǎo)及斜井2個輔助導(dǎo)坑，通風(fēng)、出渣運(yùn)輸困難。

2　風(fēng)險因素識別及權(quán)重分析

層次分析法是由美國數(shù)學(xué)家A.L.Saaty提出的風(fēng)險權(quán)重量化分析方法。根據(jù)具體問題，分解風(fēng)險問題為若干層次，然后結(jié)合專家意見在同一層次上對各因素進(jìn)行比較和計算，建立風(fēng)險判斷矩陣。假設(shè)某層有風(fēng)險因素A1，A2…An，如將Ai和Aj進(jìn)行比較，運(yùn)用1-9標(biāo)度法反映兩因素的相對重要性，若Ai與Aj相比得aij，那么Aj與Ai相比標(biāo)度值則為aji=1/aij，這樣就可以得到一個n×n的判斷矩陣A=(aij)n×n，矩陣A的最大特征值ymax，與ymax對應(yīng)的特征向量W，W的分量即為n個因素的權(quán)重。

最后通過一致性檢驗(yàn)可以衡量判斷矩陣是否相容，用一致性比例CR來判斷。

CI=(ymax-n)/(n-1)

(1)

CR=CI/RI

(2)

式(1)、(2)中：CI為一致性指標(biāo)；CR為一致性比例；ymax為最大特征值；n為矩陣階數(shù)。

平均隨機(jī)一致指標(biāo)見表1。

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)階數(shù)RI階數(shù)RI1091.4620101.4930.52111.5240.89121.5451.12131.5661.26141.5871.36151.5981.41

針對山區(qū)長大隧道施工的工程難點(diǎn)，對隧道施工風(fēng)險因素進(jìn)行識別分類，利用層次分析法將施工風(fēng)險因素分為3層，并建立判斷矩陣得出風(fēng)險因素權(quán)重值，具體見表2。

表2 隧道風(fēng)險層次分級及權(quán)重值一級二級隧道施工風(fēng)險U塌方u1w1=0.42?è???÷超前地質(zhì)預(yù)報u11(w11=0.05)斷層、巖溶、節(jié)理裂隙等特殊地質(zhì)u12(w12=0.50)地下水狀況u13(w13=0.14)隧道特征u14(w14=0.08)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計u15(w15=0.16)監(jiān)控量測設(shè)計u16(w16=0.07)瓦斯u2w2=0.17?è???÷超前地質(zhì)預(yù)報u21(w21=0.08)襯砌及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計u22(w22=0.12)通風(fēng)方案設(shè)計u23(w23=0.34)監(jiān)控量測設(shè)計u24(w24=0.03)揭煤施工情況u25(w25=0.07)火源控制措施u26(w26=0.15)爆破方式u27(w27=0.21)涌水突泥u3w3=0.41?è???÷超前地質(zhì)預(yù)報u31(w31=0.11)施工期防排水u32(w32=0.22)監(jiān)控量測設(shè)計u33(w33=0.06)超前支護(hù)及預(yù)注漿處理u34(w34=0.22)襯砌及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計u35(w35=0.14)地下水狀況u36(w36=0.25)

3　評估矩陣及子風(fēng)險水平確定

通過專家調(diào)查法對風(fēng)險因素發(fā)生概率及后果進(jìn)行打分，最后對專家調(diào)查結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，對山區(qū)長大隧道風(fēng)險發(fā)生等級和風(fēng)險損失等級確定風(fēng)險矩陣圖(表3)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[13]，風(fēng)險分為4級，每級風(fēng)險賦予一定分值(表4)，利用加權(quán)法對評判指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可得單風(fēng)險因素水平(表5)。

表3 風(fēng)險評估矩陣概率等級后果等級輕微a較大b嚴(yán)重c很嚴(yán)重d災(zāi)難性e很可能A高度高度極高極高極高可能B中度高度高度極高極高偶然C中度中度高度高度極高不可能D低度中度中度高度高度很不可能E低度低度中度中度高度

表4 風(fēng)險等級判斷標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險水平等級風(fēng)險等級指針風(fēng)險分接受準(zhǔn)則處理措施Ⅰ級(低度)10～2可忽略可不進(jìn)行處理Ⅱ級(中度)32～4可接受加強(qiáng)監(jiān)測頻率Ⅲ級(高度)54～6不期望需采取處理措施Ⅳ級(極高)76～8不可接受高度重視此類風(fēng)險

表5 塌方風(fēng)險、瓦斯風(fēng)險、涌水突泥風(fēng)險單因素風(fēng)險評價結(jié)果施工風(fēng)險風(fēng)險因素低中高極高風(fēng)險水平等級評價塌方風(fēng)險超前地質(zhì)預(yù)報0.050.470.390.093.99Ⅱ級(中度)特殊地質(zhì)0.010.190.500.305.16Ⅲ級(高度)地下水狀況0.010.160.470.355.33Ⅲ級(高度)隧道特征0.170.510.250.063.38Ⅱ級(中度)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計0.110.500.290.073.60Ⅱ級(中度)監(jiān)控量測設(shè)計0.170.500.270.053.37Ⅱ級(中度)瓦斯風(fēng)險超前地質(zhì)預(yù)報0.060.540.350.053.78Ⅱ級(中度)襯砌及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計0.160.530.240.053.33Ⅱ級(中度)通風(fēng)方案設(shè)計0.040.400.440.134.32Ⅲ級(高度)監(jiān)控量測設(shè)計0.190.500.260.053.31Ⅱ級(中度)揭煤施工情況0.070.380.390.164.24Ⅲ級(高度)火源控制措施0.050.320.410.214.56Ⅲ級(高度)爆破方式0.040.580.330.053.78Ⅱ級(中度)涌水突泥風(fēng)險超前地質(zhì)預(yù)報0.050.470.390.093.99Ⅱ級(中度)施工期防排水0.140.490.310.073.59Ⅱ級(中度)監(jiān)控量測設(shè)計0.170.500.270.053.37Ⅱ級(中度)超前支護(hù)及預(yù)注漿處理0.100.450.380.073.81Ⅱ級(中度)襯砌及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計0.100.430.330.103.75Ⅱ級(中度)地下水狀況0.010.160.470.355.33Ⅲ級(高度)

4　風(fēng)險等級評定

模糊綜合評價法采用精確的數(shù)學(xué)語言對工程項(xiàng)目的風(fēng)險模糊性進(jìn)行描述，可有效地評定施工風(fēng)險等級，其步驟一般如下：

1) 建立因素集：

(3)

式中：ui(i=1，2，…，m)可表示為施工風(fēng)險因素集合個體。

2) 建立評價集：

(4)

3) 建立因素權(quán)重集：

因素權(quán)重集是反映因素集中各影響因素對于評價對象的影響程度的大小。設(shè)各風(fēng)險因素ui(i=1，2，…，m)相應(yīng)權(quán)重ai(i=1，2，…，m)，風(fēng)險因素集：

(5)

其中ai(i=1，2，…，m)滿足歸一化條件：

(6)

R～=r11r12…r1nr21r22…r2n…………rm1rm2…rmné?êêêêêù?úúúúú

(7)

4) 初級模糊評價：

r11r12…r1nr21r22…r2n…………rm1rm2…rmné?êêêêêù?úúúúú=(b1,b2,…,bn)

(8)

其中bj(1，2，…，n)即為模糊綜合評價指標(biāo)。

5) 二級模糊綜合評價：

6) 取以bj為權(quán)數(shù)，以表4所示分值為標(biāo)準(zhǔn)對各個評價集元數(shù)加權(quán)處理，可得某風(fēng)險因素的風(fēng)險水平。

(9)

該山區(qū)隧道施工風(fēng)險水平如表6、表7所示。

表6 隧道施工初級風(fēng)險評價結(jié)果風(fēng)險因素低中高極高風(fēng)險水平等級評價塌方風(fēng)險0.050.300.420.224.61Ⅲ級(高度)瓦斯風(fēng)險0.060.450.370.114.05Ⅲ級(高度)涌水突泥風(fēng)險0.080.390.370.144.13Ⅲ級(高度)

表7 隧道整體施工風(fēng)險評價結(jié)果低中高極高風(fēng)險水平等級評價0.070.360.390.184.36Ⅲ級(高度)

5　風(fēng)險技術(shù)對策

根據(jù)規(guī)定[13]，對于中度風(fēng)險只需要加強(qiáng)監(jiān)測頻率，極高、高度風(fēng)險必須采取處理措施堅決避免風(fēng)險發(fā)生，因此確定如下風(fēng)險技術(shù)對策：

1) 山區(qū)特長隧道施工過程中塌方、瓦斯、涌水突泥均屬于高度風(fēng)險，加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報工作，對特殊地質(zhì)段應(yīng)注意施工工藝改進(jìn)。

2) Ⅴ級圍巖淺埋段，斷層破碎帶段，巖溶和高承壓水地段，施工中極易出現(xiàn)各種風(fēng)險，按設(shè)計圖紙要求施工，做到短進(jìn)尺，弱爆破，勤支護(hù)。

3) 隧道施工穿過含煤地層時，施工盡量采取斷面大的施工方法，以增大斷面面積，強(qiáng)化通風(fēng)管理，創(chuàng)造一個良好的通風(fēng)環(huán)境。

4) 在超前地質(zhì)預(yù)報的基礎(chǔ)上，可對突水涌泥事故的應(yīng)急預(yù)案處理措施進(jìn)行補(bǔ)充、完善，最大程度地降低突水涌泥事故的風(fēng)險和損失。

6　結(jié)論

1) 根據(jù)隧道工程特質(zhì)，從隧道瓦斯、塌方、涌水突泥三個方面對山區(qū)長大隧道施工風(fēng)險進(jìn)行評估，得出此山區(qū)隧道施工風(fēng)險為高度風(fēng)險，處于不期望狀態(tài)，必須采取風(fēng)險處理措施降低風(fēng)險并加強(qiáng)監(jiān)測。

2) 以模糊綜合評估法為主線，綜合運(yùn)用了專家調(diào)查法、風(fēng)險矩陣法、風(fēng)險層次分析法對貴州省艱難山區(qū)某高速鐵路特長隧道施工風(fēng)險因素的發(fā)生概率及損失嚴(yán)重性進(jìn)行估計取值。

3) 建立山區(qū)長大隧道施工風(fēng)險評估模型，并針對性地提出風(fēng)險預(yù)防技術(shù)對策，以此進(jìn)一步提高同類型山區(qū)長大隧道工程施工風(fēng)險控制水平。

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2016-02-22

藍(lán)明祥(1976-)，男，工程師，主要從事土木工程(路橋)技術(shù)工作。

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