高黎穎 溫雄飛

(中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢中南有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

重大水利水電工程建設(shè)施工中，時(shí)常要穿山越嶺，地形復(fù)雜，開(kāi)挖隧道過(guò)程中經(jīng)常遇到地質(zhì)情況較差、圍巖不穩(wěn)定的現(xiàn)象，施工過(guò)程存在著極大風(fēng)險(xiǎn)，常見(jiàn)的事故類型有物體打擊、坍塌、涌水、淹溺、中毒和窒息等。肖堯等[1]運(yùn)用WBS-RBS對(duì)引水隧洞施工中存在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別與量化，利用CSRAM對(duì)巖爆、涌水等關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了分析。陳誠(chéng)[2]利用功效系數(shù)法，選取了地質(zhì)環(huán)境特征、自然因素和勘察設(shè)計(jì)作為隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，以引水隧洞為例進(jìn)行建模分析。馬婷婷等[3]對(duì)南水北調(diào)的南干渠隧洞采用風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)矩陣法對(duì)主要的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和分級(jí)，提出了相應(yīng)的建議措施。江時(shí)雨等[4]采用AHP和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)水下隧道涌水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)分析。上述研究，對(duì)隧道施工過(guò)程中存在的涌水和塌方風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了深入研究和討論，但在定量分析過(guò)程中存在取值不客觀或樣本偏少的現(xiàn)象，且未對(duì)可能導(dǎo)致的事故進(jìn)行深入探討。

鑒于此，本文通過(guò)擴(kuò)大參與人員多樣性和樣本量，進(jìn)一步細(xì)化研究對(duì)象，采用DEMATEL風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，以硬梁包水電站工程為例，進(jìn)行定量和定性分析，細(xì)化風(fēng)險(xiǎn)控制措施，為工程后續(xù)安全管理提供參考。

1 DEMATEL簡(jiǎn)介

采用DEMATEL法分析產(chǎn)生的各風(fēng)險(xiǎn)子因素之間的相關(guān)影響關(guān)系，具體步驟如下[5-6]：

a.構(gòu)建各因素之間的直接影響矩陣A：

(1)

其中，aij表示因素i對(duì)因素j的直接影響程度；n為因素?cái)?shù)量。

b.規(guī)范化直接影響矩陣A，得矩陣B：

(2)

c.計(jì)算得到綜合影響矩陣R：

R=B+B2+…+Bn=(rij)n×n

(3)

當(dāng)n充分大時(shí)，可采用R=B(E-B)-1進(jìn)行近似計(jì)算，其中，E為單位矩陣。

d.計(jì)算影響度U、被影響度X、中心度Y和原因度Z：

(4)

其中，Ui為系統(tǒng)中第i個(gè)影響因素對(duì)其他影響因素的綜合影響值；Xj為其他影響因素對(duì)第j個(gè)影響因素的綜合影響值；中心度Y表示該因素在系統(tǒng)中的重要程度；原因度Z表示該因素與該因素與其他因素的因果邏輯關(guān)系程度，為正成為原因因素，為負(fù)成為結(jié)果因素。

繪制因素的原因—結(jié)果圖，據(jù)此得到各因素的重要性排序。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

以公司承建的硬梁包水電站為例，其中5號(hào)施工支洞洞口底板高程為1255.0m，洞身全長(zhǎng)1187.36m，軸線方向變化為N55°E～NE88°，洞身段主要為花崗巖，0+090.0—1+104.84段為微新巖體，呈次塊狀—鑲嵌狀結(jié)構(gòu)，局部存在巖脈破碎帶、斷層及裂隙密集帶，圍巖總體為Ⅲ類，局部為Ⅳ、Ⅴ類。

根據(jù)工程實(shí)際情況，該水電站在隧洞施工過(guò)程中面臨的最大風(fēng)險(xiǎn)為坍塌和涌水，選擇這兩種風(fēng)險(xiǎn)作為風(fēng)險(xiǎn)分析對(duì)象。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與分解

RBS(風(fēng)險(xiǎn)分解結(jié)構(gòu))分解法由WBS(工作分解結(jié)構(gòu))原理衍化而來(lái)，將風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)作為導(dǎo)向，將工作自上而下逐層分解，直到將項(xiàng)目分解為一個(gè)合適的工作單元，更容易識(shí)別項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)[7]，將其運(yùn)用到隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)分析中，可以分解得到風(fēng)險(xiǎn)子因素。

通過(guò)翻閱隧洞勘測(cè)設(shè)計(jì)文件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題以及相關(guān)文獻(xiàn)資料[8-12]，對(duì)坍塌和涌水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分解，構(gòu)建RBS分解樹(shù)，得到風(fēng)險(xiǎn)子因素，見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 坍塌風(fēng)險(xiǎn)RBS分解樹(shù)

圖2 涌水風(fēng)險(xiǎn)RBS分解樹(shù)

2.3 風(fēng)險(xiǎn)分析

運(yùn)用李克特量表法，將各子因素之間的互相影響程度量化，見(jiàn)表1[5]。

表1 各子因素影響程度量化值

選取施工單位25人、設(shè)計(jì)單位5人、監(jiān)理單位15人發(fā)放問(wèn)卷調(diào)查表，根據(jù)表1判斷mij和nij。回收問(wèn)卷調(diào)查表45份，經(jīng)分析，其中有效問(wèn)卷36份，據(jù)此形成坍塌和涌水風(fēng)險(xiǎn)的直接影響矩陣A1和A2。

根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算得到規(guī)范化矩陣B和綜合影響矩陣R，根據(jù)式(4)計(jì)算得到各風(fēng)險(xiǎn)子因素影響度U、被影響度X、中心度Y和原因度Z，由于篇幅所限，不在此一一計(jì)算列明。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制了坍塌風(fēng)險(xiǎn)—中心度圖和涌水風(fēng)險(xiǎn)原因—中心度圖，見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 坍塌風(fēng)險(xiǎn)原因—中心度

圖4 涌水風(fēng)險(xiǎn)原因—中心度

由圖3和圖4可以得到如下結(jié)論：

a.在坍塌風(fēng)險(xiǎn)中，地震作用m5對(duì)其他風(fēng)險(xiǎn)子因素的影響最大，是重點(diǎn)控制子因素，但由于地震無(wú)法精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，且控制難度極大，屬于偶發(fā)因素，不予考慮。與地質(zhì)結(jié)構(gòu)符合程度m7對(duì)其他風(fēng)險(xiǎn)子因素的影響僅次于地震作用，屬于重點(diǎn)控制子因素。因此，在施工過(guò)程中需要通過(guò)加強(qiáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)，探明現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)和圍巖實(shí)際情況，重點(diǎn)了解實(shí)際地質(zhì)結(jié)構(gòu)與前期資料的符合程度。超前支護(hù)與襯砌類型m14、監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)頻率m15、監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置m16容易受到其他風(fēng)險(xiǎn)子因素的影響，在施工過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)注意，如有偏差及時(shí)調(diào)整。

b.在涌水風(fēng)險(xiǎn)中，不良地質(zhì)n2容易對(duì)其他風(fēng)險(xiǎn)子因素產(chǎn)生影響，是控制重點(diǎn)，因此需要結(jié)合勘測(cè)設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)等手段，提前發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)段，做好預(yù)警與排險(xiǎn)工作。監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)頻率n9、監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置n10容易受到其他風(fēng)險(xiǎn)子因素的影響，在施工過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)注意，如有偏差及時(shí)調(diào)整。

3 隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)控制

3.1 坍塌風(fēng)險(xiǎn)控制

根據(jù)上述分析，與地質(zhì)結(jié)構(gòu)符合程度容易對(duì)其他因素產(chǎn)生影響，超前支護(hù)與襯砌類型容易受到其他因素的影響。因此，在實(shí)際施工過(guò)程中，重點(diǎn)對(duì)這兩類因素進(jìn)行了控制[13]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及地質(zhì)勘探資料，施工支洞局部洞段圍巖裂隙及斷層較為發(fā)育，為有效保證施工支洞的施工質(zhì)量和安全，杜絕圍巖塌方等重大事故的產(chǎn)生，避免造成工期、人員和設(shè)備損失，安全順利地通過(guò)不良地質(zhì)洞段，主要采取了如下措施：

a.加強(qiáng)不良地質(zhì)洞段的超前地質(zhì)預(yù)測(cè)。通過(guò)已開(kāi)挖揭露圍巖情況及時(shí)進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，判明不良地質(zhì)洞段的準(zhǔn)確位置、產(chǎn)狀及影響范圍，然后有針對(duì)性地確定安全有效的施工方案。

b.加強(qiáng)不良地質(zhì)洞段開(kāi)挖的超前支護(hù)。超前支護(hù)采用超前錨桿或注漿小導(dǎo)管的形式，超前錨桿直徑28mm，長(zhǎng)6m，環(huán)向間距50cm，注漿小導(dǎo)管采用無(wú)縫加工，單根長(zhǎng)4.5m，環(huán)向間距30cm。

c.開(kāi)挖遵行“短進(jìn)尺，弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤觀測(cè)”的原則進(jìn)行。

d.如遇較大斷層情況制定專門(mén)應(yīng)用方案。

混凝土噴護(hù)根據(jù)開(kāi)挖揭露的圍巖情況適時(shí)進(jìn)行支護(hù)，對(duì)Ⅲ類圍巖進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，因地質(zhì)條件較好，混凝土噴護(hù)施工可滯后于開(kāi)挖掌子面一段距離進(jìn)行。對(duì)于Ⅳ、Ⅴ類圍巖及地質(zhì)條件較差的洞段，為確保洞室圍巖的穩(wěn)定性和施工安全，開(kāi)挖采取短進(jìn)尺，噴混施工及時(shí)跟上。采用“先注漿后插桿”施工工藝，施工工藝流程見(jiàn)圖5。

圖5 “先注漿后插桿”施工工藝流程

3.2 涌水風(fēng)險(xiǎn)控制

根據(jù)前述分析，不良地質(zhì)容易影響其他因素，監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)頻率、監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置容易受到其他風(fēng)險(xiǎn)子因素的影響。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，施工支洞局部洞段滲水較大，后續(xù)可能在施工過(guò)程中發(fā)生涌水和突水的情況，為確保能有效處置險(xiǎn)情，擬采用“截、堵、引、排”的綜合治理措施對(duì)涌水和突水進(jìn)行控制，具體措施如下：

a.緊密與設(shè)計(jì)方地質(zhì)人員配合，密切觀察掌子面的滲水變化情況，及時(shí)向監(jiān)理工程師反饋，對(duì)于可能引發(fā)地下涌水部位加強(qiáng)觀測(cè)，對(duì)于可能產(chǎn)生涌水的部位觀測(cè)地下水的活動(dòng)規(guī)律，測(cè)定漏水量、壓力，防止突然涌水。

b.對(duì)于探測(cè)或推測(cè)存在較大涌水或滲水部位，根據(jù)四方意見(jiàn)按實(shí)際情況制定應(yīng)對(duì)方案。

c.對(duì)于滲水較大部位，在洞壁設(shè)置排水孔，引排水流。如通過(guò)引排無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制滲水量，則采用超前灌漿等手段對(duì)滲水進(jìn)行封堵，超前灌漿采用水玻璃+水泥漿的手段施工。

d.涌水、滲水引排措施為：對(duì)于滲水較大部位，在掌子面設(shè)置集水坑，用潛水泵將滲水集中抽排至開(kāi)挖支護(hù)施工過(guò)程中開(kāi)挖的分級(jí)集水池中。將滲水通過(guò)分級(jí)抽排自洞內(nèi)排向洞外。

4 結(jié) 論

a.利用RBS分解樹(shù)，得到了隧洞施工過(guò)程中存在的各類風(fēng)險(xiǎn)子因素，根據(jù)問(wèn)卷調(diào)查和DEMATEL法，分析了各風(fēng)險(xiǎn)子因素之間的互相影響程度，定量地反映出施工過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)和重點(diǎn)控制要求。

b.結(jié)合DEMATEL法分析結(jié)果，對(duì)坍塌風(fēng)險(xiǎn)和施工風(fēng)險(xiǎn)根據(jù)不同影響因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)采取了相應(yīng)控制措施，取得了較好的控制效果，為后續(xù)施工處理蝕變巖積累了經(jīng)驗(yàn)。

c.為進(jìn)一步做好隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)控制，需要提前做好人—材—機(jī)—環(huán)—管的總體協(xié)調(diào)，不僅要重視施工技術(shù)的應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，也要重視人—管—環(huán)的影響和應(yīng)急預(yù)案的應(yīng)用。