劉 恒,劉 春,周義舒
(重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,重慶401331)
隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速發(fā)展,在工程實際中越來越多的淺埋偏壓隧道呈現(xiàn)于隧道工作者的面前。由于淺埋偏壓隧道洞身段圍巖巖體結(jié)構(gòu)特征較為復(fù)雜,隧道開挖過程中圍巖應(yīng)力及周圍變形較大,很難保證巖體穩(wěn)定性,極易引發(fā)冒頂、坍塌等工程事故,對于施工人員生命和財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅并嚴(yán)重影響施工進度,所以對于淺埋偏壓隧道段的風(fēng)險研究顯得尤為重要。
國內(nèi)外學(xué)者對隧道風(fēng)險評估均開展了研究工作,從理論方法、數(shù)學(xué)模型到程序設(shè)計和開發(fā)等方面都有涉及,且取得了一定的研究和技術(shù)成果。自20 世紀(jì)70年代美國Einstein.H.H 等最先在地下空間工程與隧道中引入風(fēng)險分析概念[1],自此歐美國家在隧道風(fēng)險評價與風(fēng)險管理等方面開展了大量研究工作。我國地下空間工程與隧道風(fēng)險評估研究起步較晚,但隨著我國地下空間大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用,隧道風(fēng)險評估工作也得到了廣泛關(guān)注。毛儒[2]引入風(fēng)險指數(shù)法在隧道工程風(fēng)險評估中應(yīng)用的思想,得到許多隧道工作者認(rèn)可和應(yīng)用,此后很多學(xué)者運用數(shù)學(xué)模型開展研究隧道風(fēng)險評估工作。陳潔金等[3]采用模糊層次綜合評判法對隧道施工塌方開展了風(fēng)險評估工作,分析各影響因素與塌方發(fā)生概率之間的隸屬函數(shù),并綜合確定評價指標(biāo)的權(quán)重,從而建立塌方風(fēng)險模糊層次評估模型。顧偉紅等[4]運用系統(tǒng)工程解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)結(jié)合模糊故障樹模型方法對鐵路黃土隧道塌方事故進行風(fēng)險分析,兩種模型相結(jié)合,從定性定量的角度對隧道施工風(fēng)險規(guī)律特征進行了描述。雷剛等[5]以青島地鐵青人區(qū)間為依托,采用層次分析法開展了風(fēng)險評估工作,得出了危險因素的風(fēng)險指數(shù)并對各項風(fēng)險源提出了相應(yīng)的防范措施。宋平原[6]以某工程為背景,利用可拓模型并結(jié)合層次分析法對隧道洞口段進行了風(fēng)險評估,該評估模型成功地應(yīng)用于實際工程中。Sun 等[7]基于模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合以往數(shù)據(jù)、專家評價、概率分布、差異分析、敏感性分析,提出了隧道塌方風(fēng)險綜合評估方法。
上述研究都是以隧道施工過程狀態(tài)為初始時間線開展分析并評價系統(tǒng)整體的風(fēng)險等級,提出綜合防范措施[8-11],而對隧道施工風(fēng)險評估的研究對象及影響系統(tǒng)安全的關(guān)鍵因素沒有進行具體的過程描述。本文從安全系統(tǒng)的理論和觀點出發(fā),對隧道施工過程的危險因素采用PHA 法進行系統(tǒng)地描述和分析,充分采取與綜合各專家、管理人員意見后,得出LEC 評價分值表,找出危險性分值最高的因素,對風(fēng)險分析的結(jié)果進一步運用AHP 法進行風(fēng)險評價。由權(quán)重值的定量結(jié)果得到關(guān)鍵因素,提出具體的防范措施,實現(xiàn)合理且完整的隧道施工風(fēng)險評估過程。
人和隧道位于重慶市云陽縣境內(nèi),為單線雙洞隧道。隧道進口段位于巖堆上,地形高陡,中心里程為DK788+144,全長8292m。本文選取人和隧道線路DK792+100~DK792+300 段,該段巖層分布主要為泥質(zhì)砂巖塊石,碎石約占60%,粒徑10~20cm 居多,塊石約占20%,粒徑20~100cm,余為巖質(zhì)角礫及粉質(zhì)黏土填充,厚5~15cm。隧道洞身圍巖為侏羅系上沙溪廟組(J2s)和下沙溪廟組(J2xs)泥巖夾砂巖、砂巖。隧道巖層總體單斜,產(chǎn)狀變化較大,傾角較緩,巖層走向與線路夾角一般為4°~41°,傾向線路左側(cè),在橫斷面視傾角14°~22°,隧道洞身右側(cè)存在地形偏壓。
在隧道建設(shè)工程中風(fēng)險評估是不可或缺的一個環(huán)節(jié),其中風(fēng)險分析[12]是風(fēng)險評估的首要內(nèi)容以及關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過開展風(fēng)險評估工作,辨識隧道施工過程中的風(fēng)險因素,識別風(fēng)險發(fā)生的潛在規(guī)律,從而正確把握風(fēng)險發(fā)生的實質(zhì),降低風(fēng)險演變?yōu)槭鹿实目赡苄?,確保施工過程中的人員和財產(chǎn)安全。
根據(jù)人和隧道的施工設(shè)計、安全技術(shù)、安全文件等資料,依據(jù)相關(guān)法律法規(guī)結(jié)合人和隧道線路DK792+100~DK792+300 段地質(zhì)特征,對人和隧道施工進行預(yù)先危險性分析如表1。
表1 人和隧道施工預(yù)先危險性分析
表2 危險性等級分布表
由于預(yù)先危險性分析法確定的危險等級是根據(jù)專家對類似工程風(fēng)險的經(jīng)驗判斷帶有人為的主觀性,不能很好地反映風(fēng)險事件的危險性。因此,決定采用作業(yè)條件危險性評價(LEC)法重新定量分析上述表格中的危險等級,給出科學(xué)合理的定量分析過程。
作業(yè)條件危險性評價(LEC)法,主要是通過安全指標(biāo)定量分析研究工作人員在施工作業(yè)中的風(fēng)險性,以三種安全指標(biāo)值的乘積得出的數(shù)值來對比評價工作的危險性。這三種指標(biāo)分別是:L(likelihood,偏壓隧道施工中風(fēng)險事件發(fā)生的可能性)、E(exposure,隧道作業(yè)人員暴露于危險環(huán)境中的頻率)和C(criticality,風(fēng)險事件導(dǎo)致事故后造成的后果)。根據(jù)風(fēng)險事件在隧道工程中的實際情況,給出三個因素的分值,作為自變量。作業(yè)條件的危險性D(danger)作為應(yīng)變量,其與三個因素的函數(shù)關(guān)系式為:
由上述函數(shù)關(guān)系式,充分整合專家意見分值,計算出風(fēng)險因素的危險性分值,按分值大小與危險性程度等級表進行對比,得出危險程度。
偏壓隧道施工作業(yè)條件中的各項分值如表3-表6。
根據(jù)上述函數(shù)關(guān)系式及表格結(jié)合現(xiàn)場技術(shù)人員的咨詢及相關(guān)專家的意見,充分綜合考量后對人和隧道施工PHA 中的危險因素的危險等級重新進行定量分析計算,分析結(jié)果如表7。
表3 偏壓隧道施工中風(fēng)險事件發(fā)生的可能性分值(L)
表4 隧道作業(yè)人員暴露于危險環(huán)境中的頻率(E)
表6 危險性程度等級
表7 偏壓隧道施工作業(yè)條件危險性評價
通過運用PHA-LEC 法[13]對人和隧道施工過程進行了風(fēng)險分析,其中危險等級最高的為隧洞原巖應(yīng)力變化失衡,其危險性分值為1440,是其他危險性因素分值的幾倍之多,因此針對隧道施工影響原巖應(yīng)力變化失衡的因素應(yīng)開展進一步分析。本文采用層次分析法對影響圍巖應(yīng)力穩(wěn)定性的各因素加以權(quán)重數(shù)量化的描述,更深層次的挖掘影響偏壓隧道工程圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。對于偏壓隧道施工過程中其他危險因素也不可忽略,在開發(fā)設(shè)計、專項檢查、日常維護等過程中工作人員、管理人員、技術(shù)人員應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)安全規(guī)定、設(shè)計要求,落實到位具體安全責(zé)任,保證隧道施工安全標(biāo)準(zhǔn)化、細(xì)則化,盡最大限度減少因人為失誤導(dǎo)致隧道施工過程中事故發(fā)生的可能性。
由上述風(fēng)險分析已給出偏壓隧道施工過程中風(fēng)險因素的危險等級,針對隧洞原巖應(yīng)力失衡開展風(fēng)險評價,找出影響隧洞圍巖應(yīng)力穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。本文采用層次分析法(AHP)對影響偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性的因素進行分析,從工程地質(zhì)、工程技術(shù)、巖體力學(xué)特征三個方面考慮,計算得到各因素對于總目標(biāo)的權(quán)重值并進行排序,根據(jù)得到的結(jié)果做出相應(yīng)的風(fēng)險評價,實現(xiàn)對上述定性事故定量分析的過程,找出影響偏壓隧道洞身段圍巖應(yīng)力失穩(wěn)變化的關(guān)鍵因素并提出相應(yīng)建議。
(1)根據(jù)層次分析法的理論知識結(jié)合人和隧道特殊段的地質(zhì)特征,從工程地質(zhì)、工程技術(shù)、巖體力學(xué)特征三個方面構(gòu)建層次遞階結(jié)構(gòu)模型,如圖1。
圖1 偏壓隧道圍巖變化失穩(wěn)層次結(jié)構(gòu)模型
(2)根據(jù)偏壓隧道圍巖變化失穩(wěn)層次結(jié)構(gòu)模型,依據(jù)相關(guān)專家意見對比得到因素間的相對重要性,構(gòu)造判斷矩陣。對于判斷矩陣中各因素之間的相對重要性比較采用標(biāo)度法表示,具體含義如表8 所示。構(gòu)造判斷矩陣G-C如表9。
表8 判斷矩陣標(biāo)度含義
(3)層次單排序是構(gòu)造判斷矩陣G-C 對于目標(biāo)層而言各因素的單層權(quán)重。由公式3 對列向量歸一化,再由公式4 及公式5 求行和并歸一化,即可求得準(zhǔn)則層C 中各因素的權(quán)重向量wi。
表9 判斷矩陣G-C
對于判斷矩陣G-C 計算得其權(quán)重向量為:
(4)根據(jù)公式(5)計算判斷矩陣最大特征值λmax。
求得λmax=3.0539。
判斷矩陣的一致性是通過一致性比例CR 來檢驗的,其計算公式如下:
其中RI 代表隨機一致性指標(biāo),其具體數(shù)值含義是根據(jù)以往研究者得到的結(jié)論,經(jīng)過學(xué)者檢驗使用得到大眾普遍認(rèn)可。具體賦值含義如表10。
表10 隨機一致性指標(biāo)RI
當(dāng)CR<0.1 時,可以判斷矩陣具有一致性,如若CR>0.1 則該判斷矩陣不具有一致性,需要對其中的數(shù)據(jù)重新判斷,采取多位專家意見,確定合理的指標(biāo)數(shù)值。有上述公式,經(jīng)計算得到判斷矩陣G-C 的一致性比例CR=0.0465<0.1,滿足一致性。
表11 判斷矩陣C1-P
表12 判斷矩陣C2-P
(5)同理,可計算方案層P 各因素對于準(zhǔn)則層C 的層次單排序,見表11-13。
表13 判斷矩陣C3-P
對上述三個判斷矩陣的一致性進行檢驗,計算得到CR,其計算結(jié)果如表14 所示。
表14 判斷矩陣一致性檢驗結(jié)果
上述結(jié)果已表明層次單排序的權(quán)值,根據(jù)各指標(biāo)層的單層排序權(quán)值可以計算出方案層中的每一個因素對于目標(biāo)層相對重要性的總權(quán)重,計算結(jié)果如表15 所示。
表15 影響因素層次總排序
層次分析結(jié)果表明,巖體結(jié)構(gòu)特征所占權(quán)重最大,分值為0.2924。其次分別是地應(yīng)力、巖體強度,權(quán)重值分別為0.2296、0.1681。由于隧道工程要穿越的地段早已形成固有的巖體結(jié)構(gòu)及地質(zhì)特征,且考慮到環(huán)境資源、路線長度等實際影響,在正式施工前一定要預(yù)先做好地質(zhì)勘察工作,詳細(xì)了解隧道周圍的巖體結(jié)構(gòu)特征及地形地貌,特別是軟弱、破碎巖層的具體位置。所以針對隧道工程安全施工的關(guān)鍵應(yīng)該是在固有的地形地貌上分析其復(fù)雜的地質(zhì)特征從而找出應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)特征的施工方法及安全決策。而僅次于這三個因素的是施工方法,居于總排序的第四位,其權(quán)重值達(dá)到了0.0946。說明施工方法也是影響偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性的一個重要因素,且可根據(jù)項目工程地段的固有地質(zhì)特征選用合理可行的施工方案是人為可控的,并在遵循自然規(guī)律的前提下充分發(fā)揮人的主觀能動性符合人類社會發(fā)展規(guī)律。
基于上述隧道施工風(fēng)險評估過程,從安全系統(tǒng)優(yōu)化角度對人和隧道施工方法及安全控制措施進行科學(xué)選擇和評價,具體防范措施及建議如下:
(1)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計要求可采用超前小導(dǎo)管、超前周邊注漿等預(yù)加固措施,向設(shè)計、建設(shè)單位及時反饋,確保預(yù)加固效果明顯。
(2)充分保護隧洞圍巖穩(wěn)定性,采用人-機結(jié)合的方式進行開挖,臨近隧道輪廓線時人工開挖。
(3)為保證施工安全,軟弱、破碎圍巖淺埋偏壓段,開挖時嚴(yán)格采用控制變形相對較好的施工方法,如CD 法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。
(4)根據(jù)不同的施工方法及圍巖特性,選擇合理的支護類型、支護參數(shù),嚴(yán)格控制支護閉合時間及開挖循環(huán)進尺,確保施工安全。
(5)配備專業(yè)人員進行隧道支護、沉降、變形等監(jiān)控量測工作,及時向相關(guān)部門反應(yīng)情況,提前做好防護工作。
本文以人和隧道為工程研究背景,開展隧道施工系統(tǒng)風(fēng)險評估工作,綜合分析偏壓隧道施工過程風(fēng)險因素,本文得到的主要結(jié)論如下:
(1)運用PHA-LEC 法識別出隧道施工過程危險因素并對各項因素評估危險性分值。分析結(jié)果表明隧道施工過程狀態(tài)中最主要的危險因素為隧洞原巖應(yīng)力變化失衡,其危險性分值遠(yuǎn)高于其他因素。
(2)利用層次分析法進一步評價影響隧洞圍巖應(yīng)力穩(wěn)定性的各指標(biāo)因素,其中,巖石強度、巖體結(jié)構(gòu)特征及地應(yīng)力是影響圍巖失穩(wěn)的前三位重要因素,施工方法是偏壓隧道施工過程中圍巖應(yīng)力變化失穩(wěn)的第四位重要因素??紤]到前三位固有因素對本隧道產(chǎn)生的不可避免影響,故設(shè)計合理可行的施工方案才是本隧道施工過程中的關(guān)鍵可控因素。
(3)本文通過預(yù)先危險性分析、作業(yè)條件危險性分析結(jié)合層次分析法對隧道施工狀態(tài)開展了科學(xué)完整的風(fēng)險評估工作。評估過程中對各項風(fēng)險因素均提出了相應(yīng)的防范措施,如短開挖,強支護,勤監(jiān)測等,同時對危險性最大的因素,即隧洞原巖應(yīng)力失衡提出了相應(yīng)的防范策略,以達(dá)到施工安全的目的。