孫豐森，王海亮，張 勇，蔣克文

(1.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院,山東 青島 266590;2.青島市政空間開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限責(zé)任公司城軌分公司,山東 青島 266000)

據(jù)統(tǒng)計(jì),在建的青島膠州灣二隧是開(kāi)挖規(guī)模世界最大、長(zhǎng)度世界最長(zhǎng)、穿越大規(guī)模斷層的斷面面積世界最大的海底公路隧道,也是世界上第一座超大直徑盾構(gòu)隧道與大斷面鉆爆法隧道對(duì)接的海底隧道,隧道在海域?qū)⒋┰揭?guī)模較大的區(qū)域性滄口斷裂帶,施工過(guò)程將面臨突涌水、坍塌、海水倒灌的風(fēng)險(xiǎn),具有建設(shè)難度極大、風(fēng)險(xiǎn)極高的特點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在對(duì)隧道及地下工程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和評(píng)估時(shí),大多采用專家調(diào)查法、層析分析法或模糊層次分析法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析法和事故樹(shù)分析法[1-2],一般的層次分析法也需要用到專家調(diào)查法,不同專家因?yàn)檎J(rèn)知水平差異給出的結(jié)果可能不一致,即層次分析法進(jìn)行一致性檢驗(yàn)不通過(guò),這時(shí)就需要將調(diào)查表返回給專家進(jìn)行調(diào)整。另外海底隧道鉆爆法施工不同階段風(fēng)險(xiǎn)因素存在著互相關(guān)聯(lián),貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析法考慮到了風(fēng)險(xiǎn)因素的這種交互影響,但是它沒(méi)有考慮到風(fēng)險(xiǎn)因素的另一個(gè)特定,即模糊性。模糊數(shù)學(xué)能夠在一定程度上反映專家對(duì)客觀事物評(píng)價(jià)的不確定性,只使用這種能考慮到專家對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的不確定性,但卻沒(méi)有考慮到風(fēng)險(xiǎn)因素間的交互影響。

本文將直覺(jué)模糊集理論(IFS)[3]與質(zhì)量功能展開(kāi)理論(QFD)[4]相結(jié)合,建立基于直覺(jué)模糊質(zhì)量功能展開(kāi)(IFQFD)的海底隧道鉆爆法施工風(fēng)險(xiǎn)排序模型,根據(jù)專家評(píng)價(jià)結(jié)果,將自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為模糊數(shù)學(xué),集成膠州灣二隧鉆爆法施工各階段事故風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重矩陣、施工各階段與風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)聯(lián)矩陣以及風(fēng)險(xiǎn)因素自相關(guān)矩陣,根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重得分對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行排序,提出膠州灣二遂現(xiàn)場(chǎng)施工風(fēng)險(xiǎn)分析及控制措施,為膠州灣二遂施工安全提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

青島膠州灣二隧工程主線全長(zhǎng)17.47 km,隧道布置方式為主隧道雙向六車道,中間一條服務(wù)隧道,其中主隧道長(zhǎng)14.37 km(海域段9.95 km+陸域段4.42 km)。

隧道段采用明挖、鉆爆(西側(cè))與盾構(gòu)(東側(cè))的組合工法施工。本工程第TJ-01—TJ-04共4個(gè)標(biāo)段為鉆爆法施工,青島端的第TJ-05,TJ-06標(biāo)段為盾構(gòu)法施工,其中鉆爆法施工段單向總長(zhǎng)9 942 m,占暗挖隧道全長(zhǎng)(13 195 m)的75.35%,海域鉆爆段單向長(zhǎng)7 094.5 m,占鉆爆法隧道施工的71.35%,占暗挖隧道總長(zhǎng)的53.76%。

2 膠州灣二隧鉆爆法施工風(fēng)險(xiǎn)排序

構(gòu)建基于IFQFD的海底隧道鉆爆法施工風(fēng)險(xiǎn)因素排序模型,大體可以按以下幾個(gè)步驟進(jìn)行:確定研究范圍,將海底隧道鉆爆法施工劃分為不同施工階段,辨識(shí)風(fēng)險(xiǎn)因素,這些工作也屬于構(gòu)建模型前期準(zhǔn)備工作。然后根據(jù)階段劃分和風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)結(jié)果建立施工風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)量屋;邀請(qǐng)業(yè)內(nèi)專家就不同施工階段風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重、風(fēng)險(xiǎn)因素間相關(guān)度及施工階段與風(fēng)險(xiǎn)因素的關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià),再將自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為模糊數(shù),根據(jù)直覺(jué)模糊層次分析法計(jì)算權(quán)重;對(duì)不同專家評(píng)價(jià)的各施工階段與風(fēng)險(xiǎn)因素的關(guān)系矩陣風(fēng)險(xiǎn)因素自相關(guān)矩陣進(jìn)行集結(jié);根據(jù)集結(jié)后的施工階段權(quán)重矩陣、風(fēng)險(xiǎn)因素自相關(guān)矩陣及施工階段與風(fēng)險(xiǎn)因素的關(guān)系矩陣求出各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重,并進(jìn)行綜合排序[5]。

2.1 構(gòu)建海底隧道鉆爆法施工風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)量屋

“質(zhì)量屋”(House of Quality,簡(jiǎn)稱HOQ),是用來(lái)強(qiáng)調(diào)QFD中各成分的互相聯(lián)系及內(nèi)在聯(lián)系的模型,這是QFD方法的最重要的功能,也是用于本文風(fēng)險(xiǎn)管理最主要的部分,即通過(guò)該模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能夠綜合考慮不同階段風(fēng)險(xiǎn)因素互相聯(lián)系及內(nèi)部聯(lián)系。

首先利用WBS-魚(yú)刺圖法,將膠州灣二隧鉆爆法施工分為5個(gè)主要的施工階段和20個(gè)具體的事故風(fēng)險(xiǎn)因素(見(jiàn)表1),再以5個(gè)施工階段為左墻、20個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素為天花板、各施工階段與風(fēng)險(xiǎn)因素的關(guān)系矩陣為房間主體、風(fēng)險(xiǎn)因素自相關(guān)矩陣為天花板等構(gòu)建海底隧道鉆爆法施工風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)量屋如圖1所示。

表1 海底隧道鉆爆法施工安全風(fēng)險(xiǎn)清單

2.2 計(jì)算施工各階段事故風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重

對(duì)于海底隧道施工的不同階段,風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率和導(dǎo)致的損失嚴(yán)重性大有不同,領(lǐng)域內(nèi)的專家評(píng)價(jià)時(shí)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí),對(duì)不同階段安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行比較并賦值,然后根據(jù)IFAHP進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。

2.2.1 構(gòu)造直覺(jué)模糊判斷矩陣

2.2.2 一致性檢驗(yàn)和修正

(1)

(2)

(3)

2.2.3 施工各階段事故風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重計(jì)算

根據(jù)相同的方法對(duì)E(2)～E(5)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)并修正[10],分別計(jì)算由5名專家評(píng)價(jià)得出的事故風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重矩陣wc(1)～wc(5),然后通過(guò)IFPA算子式[11]集結(jié)5個(gè)權(quán)重矩陣,得到海底隧道鉆爆法施工各階段事故風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重矩陣:

wg=[(0.06,0.94)(0.27,0.72)(0.28,0.72)(0.21,0.77)(0.13,0.86)]。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)因素排序

由5名專家分別對(duì)膠州灣二隧鉆爆法施工5個(gè)階段與20個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素之間的關(guān)聯(lián)性,以及20個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的自相關(guān)性進(jìn)行判斷,此部分由于風(fēng)險(xiǎn)因素多數(shù)據(jù)量大,僅列出第一位專家給出的5個(gè)施工階段與風(fēng)險(xiǎn)因素間的關(guān)聯(lián)性評(píng)價(jià),用自然語(yǔ)言的字母縮寫(xiě)表示為表2所示結(jié)果[12]。對(duì)專家給出的5個(gè)關(guān)系矩陣和5個(gè)自相關(guān)矩陣,分別使用IFPA算子進(jìn)行集結(jié),得出關(guān)系矩陣WH=hip5×20,以及風(fēng)險(xiǎn)因素自相關(guān)矩陣WR=rpq20×20。

表2 施工各階段與各風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)聯(lián)度

2.4 風(fēng)險(xiǎn)因素排序

將以上計(jì)算得到的三個(gè)矩陣相乘,即wgWHWR=wR可以求得各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重矩陣wR=(wp)1×20。利用直覺(jué)模糊數(shù)得分函數(shù)式s(a)=μa-va對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重進(jìn)行計(jì)算,得到風(fēng)險(xiǎn)因素綜合排序如表3所示。

表3 膠州灣二隧鉆爆法施工風(fēng)險(xiǎn)因素排序

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果和綜合排序可知,風(fēng)險(xiǎn)因素排序在前10位的依次為:c2,c5,a5,d2,e2,a6,c3,c4,a2。

3 膠州灣二遂鉆爆法施工風(fēng)險(xiǎn)控制

前10位風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重的排序中,海底隧道鉆爆法開(kāi)挖階段占了4個(gè),接近前10位的40%,在該階段出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的概率和損失最大,是風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的主要階段,這與前文描述的規(guī)劃勘察階段及設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)在此階段的積累效應(yīng)一致。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)排序結(jié)果,本文對(duì)排名靠前幾的風(fēng)險(xiǎn)因素結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)工況給出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施,降低膠州灣二隧鉆爆法施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 斜/豎井爆破施工控制

兩豎井周邊170 m范圍內(nèi)有大小建筑物7棟,50 m～60 m范圍有建構(gòu)筑物4棟,其中最危險(xiǎn)的是水平距離55 m的磚混結(jié)構(gòu)建筑望海賓館。根據(jù)GB 6722—2014爆破安全規(guī)程的有關(guān)規(guī)定其振速要求不超過(guò)1.5 cm/s,由于該建筑屬于磚混結(jié)構(gòu)且已建成時(shí)間超過(guò)20 a,因此綜合考慮后施工單位規(guī)定其爆破振速不超過(guò)1.0 cm/s。兩豎井周邊100 m范圍內(nèi)有黃島輸油管道、通信管線(光纖)、10 kV電力管線、消防管道等9種地下管線,其中保護(hù)要求較嚴(yán)格的是直線距離55 m的燃?xì)夤芫€及直線距離58 m的信號(hào)基站,其最大振速要求不超過(guò)0.5 cm/s。

1)將安全爆破施工放在第一位,以《爆破安全規(guī)程》及爆破參數(shù)設(shè)計(jì)圖表為依據(jù),編制經(jīng)濟(jì)合理、切實(shí)可行的爆破方案。

2)嚴(yán)格執(zhí)行日循環(huán)進(jìn)尺0.75 m的要求,豎井炮孔為豎直方向,鉆孔完成后必須及時(shí)對(duì)炮孔進(jìn)行封堵,否則松動(dòng)爆破可能轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)拋擲爆破。

3)嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)強(qiáng)度、飛散物、沖擊波的危害以及減少對(duì)地層的擾動(dòng)。

4)對(duì)周邊管線及建構(gòu)筑物,遵循保護(hù)對(duì)象距離最近及最弱原則。

5)要充分考慮周圍環(huán)境條件、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件以及現(xiàn)有施工設(shè)備,合理選擇技術(shù)參數(shù),爭(zhēng)取“安全、優(yōu)質(zhì)、高效、低耗”完成本工程。

3.2 隧道開(kāi)挖爆破風(fēng)險(xiǎn)控制

爆破是隧道施工中最常見(jiàn)的施工過(guò)程,對(duì)其施工方式進(jìn)行控制能有效地預(yù)防塌方的出現(xiàn)。在爆破前,可采取淺孔爆破或松動(dòng)爆破的方式,這能在一定程度上降低爆破振動(dòng)的影響范圍,使隧道的爆破施工在更正確的方位進(jìn)行施工。與此同時(shí),還要嚴(yán)格把控爆破的炸藥使用量,這是隧道施工安全的重要保證。

穿越斷裂帶施工期間采用控制爆破如光面爆破技術(shù)或預(yù)裂爆破技術(shù),減少圍巖松馳圈的厚度,保護(hù)隧道圍巖及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。控制超欠挖的重點(diǎn)是控制鉆孔精度、爆破技術(shù)和施工管理:

1)改變“寧超勿欠”的傳統(tǒng)觀念,樹(shù)立“少超少欠”的觀點(diǎn)。

2)提高鉆孔技術(shù)水平,使用鑿巖臺(tái)車代替人工鉆孔。

3)進(jìn)一步解決好爆破技術(shù)參數(shù)的合理配置。

4)在控制隧道超欠挖中,建立一個(gè)比較完善、系統(tǒng)的質(zhì)量保證體系,對(duì)作業(yè)全過(guò)程及相關(guān)因素實(shí)行嚴(yán)格科學(xué)的管理是非常重要和必要的。

5)提高放線精度:采取全站儀控制隧道掘進(jìn)方向,提高中線和標(biāo)高的精度;提高輪廓線放線精度;提高作業(yè)人員的操作水平。

6)在施工中,緊跟開(kāi)挖面對(duì)圍巖進(jìn)行觀測(cè)描述,并對(duì)圍巖的節(jié)理裂隙狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè),據(jù)此調(diào)整爆破參數(shù)和施工方法或采取局部?jī)?nèi)移炮眼、局部空孔不裝藥、加密炮眼、局部調(diào)整起爆順序等輔助措施。

爆破后除了檢查爆破效果的工作人員,炮煙消散前禁止其他人員立即進(jìn)入爆破區(qū)。加強(qiáng)通風(fēng),主線豎井貫通后應(yīng)通過(guò)豎井給主線工作面通風(fēng),改善洞內(nèi)通風(fēng)。

4 結(jié)論

1)本研究將改進(jìn)的質(zhì)量功能展開(kāi)(QFD)方法首次應(yīng)用在海底隧道鉆爆法施工風(fēng)險(xiǎn)因素排序中,建立海底隧道施工風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)量屋,構(gòu)建基于直覺(jué)模糊質(zhì)量功能展開(kāi)(IFQFD)的風(fēng)險(xiǎn)排序模型。該模型運(yùn)用符合客觀情況的直覺(jué)模糊集理論,集成海底隧道鉆爆法施工各階段事故風(fēng)險(xiǎn)重要度、施工各階段風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重以及風(fēng)險(xiǎn)因素之間關(guān)聯(lián)度,使海底隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素排序更加合理[13]。

2)采用基于直覺(jué)模糊質(zhì)量功能展開(kāi)法(IFQFD)對(duì)5個(gè)施工階段的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)因素主要有10個(gè),隧道開(kāi)挖階段占4個(gè),斜/豎井施工階段占3個(gè),說(shuō)明這兩個(gè)階段的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率比較大,產(chǎn)生的損失最嚴(yán)重,因此在鉆爆法施工過(guò)程中需要進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

3)針對(duì)膠州灣二隧鉆爆法施工最突出的風(fēng)險(xiǎn)因素:松動(dòng)爆破、光面爆破和預(yù)裂爆破等風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)措施,有利于降低膠州灣二隧鉆爆法施工安全事故的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率。