呂擎峰，霍振升，趙彥旭，姜璐莎

(1.蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000;2.中鐵二十一局集團(tuán)有限公司，蘭州 730000)

鐵路隧道建設(shè)是復(fù)雜的、大型的地下隱蔽工程，具有不可預(yù)見(jiàn)因素多、施工時(shí)效性強(qiáng)和施工環(huán)境惡劣等特點(diǎn)。鐵路隧道本身開挖斷面大，若圍巖級(jí)別高，則會(huì)導(dǎo)致在施工期存在眾多不安全因素，安全管理難度極大。鐵路隧道工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)具有模糊性和偶然性，使其在設(shè)計(jì)、施工以及決策等方面會(huì)遇到各種困難與阻力，因此對(duì)鐵路隧道施工階段的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行有效的評(píng)估，從而保證施工安全進(jìn)行已經(jīng)成為一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)[1]。

Einstein.H.H(1974)在研究硬巖隧道的工期和投資風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題時(shí)采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論，建立了一種適用于硬巖隧道的基于計(jì)算機(jī)模擬的隧道工期與成本模型[2]；B.Nilsen(1999)為了估算出海底隧道事故的發(fā)生概率從而來(lái)控制風(fēng)險(xiǎn)，提出了引入Lichtenberg方法來(lái)開展定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，并建立了適用于海底隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的框架圖[3]。R.Sturk等(1996)以公路隧道修建為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)象開展了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，考慮了眾多不確定性因素，分析目標(biāo)包括了安全風(fēng)險(xiǎn)、投資風(fēng)險(xiǎn)以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，是一套比較完整的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)[4]。我國(guó)在隧道及地下工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的研究起步較晚，范益群(2000)基于可靠度理論，提出了地下結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)概念，計(jì)算出基坑、隧道等地下結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，定性評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)造成的損失，并提出改進(jìn)的層次分析方法[5-17]；王志國(guó)(2004)通過(guò)結(jié)合故障樹分析和模糊綜合評(píng)判分析建立了組合分析法，并對(duì)抽油泵進(jìn)行了可靠性分析[8]。溫世儒(2012)通過(guò)GPR地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)與層次分析法結(jié)合對(duì)隧道進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

目前的風(fēng)險(xiǎn)分析方法主要基于地質(zhì)資料和工程措施為主，存在基礎(chǔ)資料不確定性和數(shù)據(jù)的欠真實(shí)性。而超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能夠準(zhǔn)確識(shí)別施工期的風(fēng)險(xiǎn)源，為模糊綜合評(píng)價(jià)法的權(quán)重賦值提供可靠依據(jù)，所以基于TSP的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能夠更好確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)提供合理的處治措施。

以成昆鐵路峨米段鄧家灣鐵路隧道為依托，利用TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，判別掌子面前方圍巖中所存在的不安全因素，利用模糊綜合評(píng)估法對(duì)不安全因素開展分析與評(píng)估，從而明確具體的施工風(fēng)險(xiǎn)因素及其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。同時(shí)，結(jié)合鄧家灣勘察報(bào)告并征求專家意見(jiàn)對(duì)掌子面前方相同段落進(jìn)行傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析與預(yù)測(cè)，對(duì)兩種評(píng)估方法得到的風(fēng)險(xiǎn)因素以及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與隧道開挖的實(shí)際情況進(jìn)行比較，從而得出對(duì)比性的結(jié)果。

1 鄧家灣隧道概況

鄧家灣隧道位于喜德西—冕寧區(qū)間，進(jìn)口里程D2K372+305，出口里程DK381+695，全長(zhǎng)9390 m，雙線隧道。進(jìn)口接短路基，出口緊鄰孫水河雙線特大橋。另外喜德西車站渡線深入進(jìn)口端，線路縱坡為2.5‰/575 m、11.1‰/778 m、11.9‰/8897 m的單面下坡。洞身均通過(guò)花崗巖地層，植被發(fā)育，進(jìn)、出口地形較陡，全隧發(fā)育有4條斷層，隧道最大埋深約700 m。

鄧家灣隧道進(jìn)口D2K372+489～D2K372+519段和D2K372+715～D2K372+757這兩段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，受長(zhǎng)期地質(zhì)構(gòu)造影響，巖體完整性差，為散體結(jié)構(gòu)，節(jié)理、裂隙比較發(fā)育，無(wú)自穩(wěn)能力，開挖時(shí)若沒(méi)有及時(shí)支護(hù)極易發(fā)生塌方；地下水多儲(chǔ)存于節(jié)理、裂隙密集地段，以基巖裂隙水為主。在施工時(shí)容易遇到掉塊、塌方和涌水等風(fēng)險(xiǎn)因素。所以合理準(zhǔn)確地對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是其關(guān)鍵內(nèi)容。

2 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論

D2K372+489～D2K372+509段，節(jié)理不發(fā)育，巖體強(qiáng)風(fēng)化，強(qiáng)度較低，該段巖體地下水較發(fā)育。D2K372+489～D2K372+493范圍內(nèi)和D2K372+507～D2K372+509范圍內(nèi)存在軟弱結(jié)構(gòu)面，且賦含一定地下水。建議圍巖等級(jí)為V級(jí)。D2K372+509～D2K372+519段，巖體完整性較差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體強(qiáng)度增大，該段巖體地下水不發(fā)育。建議圍巖等級(jí)為V級(jí)。

D2K372+715～D2K372+757段，巖體完整性差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，該段巖體整體處于滲水或者潮濕狀態(tài)，尤其在D2K372+734～D2K372+736有軟弱面存在。建議圍巖等級(jí)為IV級(jí)。

3 模糊綜合評(píng)價(jià)模型的建立

3.1 基于TSP的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

利用TSP 303系統(tǒng)在鄧家灣隧道采集炮數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而預(yù)報(bào)出掌子面前方的斷層破碎帶等風(fēng)險(xiǎn)因素，然后采用模糊綜合評(píng)估方法，確定隧道掌子面前方風(fēng)險(xiǎn)因素等級(jí)評(píng)估矩陣，確定概率等級(jí)以及風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重，進(jìn)行總體評(píng)估從而確定施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，進(jìn)而采取合理措施降低風(fēng)險(xiǎn)，保證施工順利進(jìn)行。TSP與模糊綜合評(píng)價(jià)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 TSP超前預(yù)報(bào)與模糊評(píng)價(jià)的關(guān)系

3.2 構(gòu)造風(fēng)險(xiǎn)因素集A和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)集B

根據(jù)高速鐵路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合鄧家灣隧道該段落實(shí)際情況，將隧道風(fēng)險(xiǎn)集合中的風(fēng)險(xiǎn)因素表示為A1，A2，A3，A4，A5，即

A={A1，A2，A3，A4，A5}

(1)

其中，A1表示施工中可能遇到的坍塌；A2表示施工中可能發(fā)生的突泥；A3表示施工中可能發(fā)生的突水或涌水；A4表示施工中可能遇到的圍巖大變形；A5表示施工中可能發(fā)生的弱巖爆。

評(píng)價(jià)集合指的是由所有情況的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果所組成的集合，表示為

B={B1，B2，B3，…}

(2)

對(duì)于鄧家灣隧道預(yù)測(cè)段落，根據(jù)高速鐵路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將施工階段遇到的風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)分為5個(gè)等級(jí)，即：依次為

B={B1，B2，B3，B4，B5}

(3)

其中，B1表示極低風(fēng)險(xiǎn)；B2表示低風(fēng)險(xiǎn)；B3表示中度風(fēng)險(xiǎn)；B4表示高風(fēng)險(xiǎn)；B5表示極高風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 明確風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重

權(quán)重集合指的是不同的因素對(duì)于同一風(fēng)險(xiǎn)所產(chǎn)生的貢獻(xiàn)不一致，也就是說(shuō)不同的因素對(duì)一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度存在差異。模糊綜合評(píng)價(jià)的核心步驟是將風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行兩兩對(duì)比，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)事件的重要性大小從而在一個(gè)標(biāo)度表中進(jìn)行仿數(shù)量化。該標(biāo)度表采用1～9標(biāo)度原則(表1)。依照風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)判矩陣及風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重的準(zhǔn)則，對(duì)兩種隧道風(fēng)險(xiǎn)因素構(gòu)建判斷矩陣，然后再求權(quán)重向量[18]，表示為

W={W1，W2，W3，W4，W5}

(4)

對(duì)“判斷矩陣”進(jìn)行一致性檢驗(yàn)的步驟如下。

(1)計(jì)算該判斷矩陣的最大特征值λmax

(5)

式中λmax——判斷矩陣的最大特征根；

n——判斷矩陣的行數(shù)；

M——判斷矩陣程序W為判斷矩陣的特征向量；

(MW)i——向量MW的第i個(gè)元素。

表1 1～9標(biāo)度兩兩比較原則

(2)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

進(jìn)行一致性檢驗(yàn)時(shí)首先計(jì)算CR值，CR的計(jì)算公式如下

(6)

(7)

式中，RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，如表2所示。當(dāng)CR≤1.0時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣具有較滿意的一致性；若不滿足，則應(yīng)該對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)整。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的取值

3.3.1 專家評(píng)估法構(gòu)建判斷矩陣

將專業(yè)地質(zhì)工作者工程經(jīng)驗(yàn)以及鄧家灣隧道勘察報(bào)告相綜合，分析出在掌子面前方該段落在施工時(shí)可能遇到坍塌、突泥、突水、弱巖爆或圍巖大變形不安全因素，在隧道前期勘察以及施工中編寫的掌子面地質(zhì)素描等資料精確的情況下，工程經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)地質(zhì)工作者一般能識(shí)別出掌子面前方等級(jí)較高的風(fēng)險(xiǎn)事件。然而大部分施工或者技術(shù)人員缺乏一定的地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)或者能力不足，無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別出五種風(fēng)險(xiǎn)因素之間的重要性排序。

針對(duì)這種情況，在D2K372+489～D2K372+519段拿其中一種可能發(fā)生的情形進(jìn)行分析，也就是認(rèn)為這5種風(fēng)險(xiǎn)的重要性排列依次為突水、突泥、坍塌、弱巖爆、圍巖大變形。因此，風(fēng)險(xiǎn)因素的第一判斷矩陣如表3所示。

表3 風(fēng)險(xiǎn)因素第一判斷矩陣

表3的判斷矩陣進(jìn)行權(quán)重運(yùn)算，求得：權(quán)重向量W={0.126，0.258，0.505，0.041，0.071}；最大特征值λmax=5.427，一致性指標(biāo)

(8)

查表得RI為1.12，求得一致性比例

(9)

一致性檢驗(yàn)符合。

同樣，在D2K372+715～D2K372+757段對(duì)其中一種可能發(fā)生的情形進(jìn)行分析，也就是認(rèn)為這5種風(fēng)險(xiǎn)的重要性排序依次為弱巖爆、圍巖大變形、突水、突泥、坍塌。因此，該段風(fēng)險(xiǎn)因素的第一判斷矩陣如表4所示。

表4 風(fēng)險(xiǎn)因素第一判斷矩陣

表4的判斷矩陣進(jìn)行權(quán)重運(yùn)算，求得：權(quán)重向量W={0.043，0.107，0.194，0.195，0.460}；最大特征值λmax=5.413，一致性指標(biāo)

(10)

查表得RI為1.12，求得一致性比例

(11)

一致性檢驗(yàn)符合。

3.3.2 根據(jù)TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果成立判斷矩陣

結(jié)合已有勘察報(bào)告，分析TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果可見(jiàn)，鄧家灣進(jìn)口D2K372+489～D2K372+493范圍內(nèi)和D2K372+507～D2K372+509范圍內(nèi)坍塌和突水是該段落的主要潛在風(fēng)險(xiǎn)，在施工中如果不及時(shí)采取支護(hù)措施極有可能發(fā)生，造成不必要的損失。這5種風(fēng)險(xiǎn)的重要性大小排序依次為坍塌、突水、圍巖大變形、突泥、弱巖爆。此時(shí)該段風(fēng)險(xiǎn)因素的第二判斷矩陣如表5所示。

表5 風(fēng)險(xiǎn)因素第二判斷矩陣

對(duì)表5的判斷矩陣進(jìn)行運(yùn)算，求得：權(quán)重向量W={0.523，0.081，0.232，0.126，0.038}；最大特征值λmax=5.338，一致性指標(biāo)

(12)

查表得RI為1.12，求得一致性比例

(13)

一致性檢驗(yàn)符合。

同樣結(jié)合已有勘察資料，分析TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果可見(jiàn)，鄧家灣進(jìn)口D2K372+715～D2K372+757范圍內(nèi)坍塌和突水是該段落的主要潛在危險(xiǎn)因素。這5種風(fēng)險(xiǎn)因素的重要性排序依次為坍塌、突水、突泥、圍巖大變形、弱巖爆。該段風(fēng)險(xiǎn)因素的第二判斷矩陣如表6所示。

表6 風(fēng)險(xiǎn)因素第二判斷矩陣

對(duì)表6的判斷矩陣進(jìn)行運(yùn)算，求得：權(quán)重向量W={0.523，0.078，0.126，0.233，0.039}；最大特征值λmax=5.321，一致性指標(biāo)

(14)

查表得RI為1.12，求得一致性比例

(15)

一致性檢驗(yàn)符合。

3.4 明確風(fēng)險(xiǎn)因素的隸屬度

所謂風(fēng)險(xiǎn)隸屬度，指的是風(fēng)險(xiǎn)事件對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)水平的隸屬關(guān)系，即：該風(fēng)險(xiǎn)事件屬于何種風(fēng)險(xiǎn)水平。

(1)確定風(fēng)險(xiǎn)事件影響后果C

風(fēng)險(xiǎn)事件影響后果C的估算方法如表7所示。

表7 風(fēng)險(xiǎn)事件影響后果C的估算方法

(2)確定風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率

風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率P的估算方法如表8所示。

表8 風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率P的估值方法

(3)隸屬函數(shù)的確定

按照梯形分布，對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí)，共分為5級(jí)：依次為“極低風(fēng)險(xiǎn)”、“低風(fēng)險(xiǎn)”、“中度風(fēng)險(xiǎn)”、“高風(fēng)險(xiǎn)”、“極高風(fēng)險(xiǎn)”。梯形分布函數(shù)計(jì)算公式如式(16)所示

(16)

式(16)中a，b都取正值。

該分段函數(shù)的表達(dá)式如表9所示。

表9 隸屬函數(shù)分段表達(dá)式

(4)隸屬度值的確定

確定隸屬度值的時(shí)候，將風(fēng)險(xiǎn)事件影響后果C的估計(jì)值和發(fā)生概率P的估計(jì)值相乘，然后將相乘后的值代入到隸屬函數(shù)中，從而得到相應(yīng)的隸屬度值。最終形成一個(gè)施工期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判矩陣。

將已有勘察報(bào)告和專業(yè)地質(zhì)工程師長(zhǎng)年工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合分析，鄧家灣進(jìn)口D2K372+489～D2K372+493范圍內(nèi)和D2K372+507～D2K372+509段在施工時(shí)期可能會(huì)遇到坍塌、突水、突泥、弱巖爆或圍巖大變形。然而五種風(fēng)險(xiǎn)因素的發(fā)生概率及影響后果的取值存在多種情況?，F(xiàn)在只取其中一種可能的情況進(jìn)行分析，表10列出該段所有指標(biāo)的第一隸屬度。

表10 所有指標(biāo)的第一隸屬度

鄧家灣進(jìn)口D2K372+715～D2K372+757段在施工時(shí)期也可能會(huì)遇到坍塌、突水、突泥、弱巖爆或圍巖大變形風(fēng)險(xiǎn)。同樣只取其中一種可能發(fā)生的情形進(jìn)行分析，表11列出在該段所有指標(biāo)的第一隸屬度。

表11 所有指標(biāo)的第一隸屬度

而由TSP超前預(yù)報(bào)的結(jié)論可知，坍塌和突水在D2K372+489～D2K372+493范圍內(nèi)和D2K372+507～D2K372+509范圍內(nèi)發(fā)生的概率最大。表12列出該段各指標(biāo)的第二隸屬度。

表12 所有指標(biāo)的第二隸屬度

同樣由TSP超前預(yù)報(bào)的結(jié)論可知，坍塌和突水在D2K372+715～D2K372+757范圍內(nèi)發(fā)生的概率最大。表13列出該段各指標(biāo)的第二隸屬度。

表13 所有指標(biāo)的第二隸屬度

3.5 模糊綜合運(yùn)算

精準(zhǔn)的運(yùn)算后，得到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，記為N

N=W×R

在鄧家灣進(jìn)口D2K372+489～D2K372+493范圍內(nèi)和D2K372+507～D2K372+509段將專家評(píng)估法和基于TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表示為N1和N2，如下

[0.329，0.672，0，0，0]

(17)

[0.081，0.396，0.523，0，0]

(18)

由最大隸屬度原則進(jìn)行分析處理，結(jié)果如表14所示。

表14 基于主觀評(píng)估法所得結(jié)論

根據(jù)N2，隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)如表15表示。

表15 基于TSP所得結(jié)果

同樣，在鄧家灣進(jìn)口D2K372+715～D2K372+757段將專家評(píng)估法和基于TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表示為N3和N4，如下

[0.567，0.432，0，0，0]

(19)

[0.078，0.272，0.649，0，0]

(20)

根據(jù)最大隸屬度原則，分析N3，結(jié)果如表16所示。

表16 基于主觀評(píng)估法所得結(jié)論

根據(jù)N4，隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)如表17表示。

表17 基于TSP所得結(jié)果

隧道掘進(jìn)結(jié)果顯示，基于TSP超前預(yù)報(bào)進(jìn)行的隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)論基本正確。

在D2K372+489～D2K372+509段巖體地下水較發(fā)育。在D2K372+489～D2K372+493范圍內(nèi)和D2K372+507～D2K372+509范圍內(nèi)存在軟弱結(jié)構(gòu)面，且賦含一定地下水。D2K372+509～D2K372+519段，巖體完整性較差，節(jié)理裂隙發(fā)育。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)施工人員和隧道技術(shù)員在結(jié)合TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果后，及時(shí)采取了相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避舉措，并將圍巖級(jí)別由Ⅳ級(jí)降低到Ⅴ級(jí)，在施工中并未出現(xiàn)大的坍塌，僅產(chǎn)生了小部分圍巖溜滑。然而，如果按照專家評(píng)估法所得結(jié)論，而未采取相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避舉措或者采取的支護(hù)措施不能對(duì)圍巖進(jìn)行合理支護(hù)，則在施工時(shí)極易產(chǎn)生大規(guī)模的掉塊甚至出現(xiàn)垮塌。

在D2K372+715～D2K372+757段，巖體完整性差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，且該段巖體整體處于滲水或者潮濕狀態(tài)，尤其在D2K372+734～D2K372+736有軟弱面存在。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)施工人員在結(jié)合TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果后，及時(shí)采取了相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避舉措，并將圍巖級(jí)別由Ⅲ級(jí)降低到IV級(jí)，并采取及時(shí)支護(hù)，在施工中并未出現(xiàn)坍塌，施工井然有序進(jìn)行。然而，如果按照專家評(píng)估法所得結(jié)論，按照Ⅲ級(jí)圍巖施工開挖，采取的支護(hù)措施不能恰當(dāng)對(duì)圍巖進(jìn)行合理支護(hù)，則在施工時(shí)極易產(chǎn)生大規(guī)模的圍巖掉塊甚至坍塌。

4 結(jié)語(yǔ)

采用基于TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，準(zhǔn)確找出風(fēng)險(xiǎn)源，確定風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，從而采取合理措施降低風(fēng)險(xiǎn)，在一定程度上避免專家調(diào)查等主觀方法的盲目性和模糊性，使得最終的評(píng)估結(jié)果與實(shí)際開挖情況更加契合，為隧道安全高效施工開挖提供更精確的保證，從而也提高了隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性，可以在鐵路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中運(yùn)用。