基于模糊综合分析的光坑山隧道洞口失稳风险评估

陈希茂

(中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司， 福建福州 350013)



基于模糊综合分析的光坑山隧道洞口失稳风险评估

陈希茂

(中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司， 福建福州 350013)

文章简要介绍了公路隧道安全风险评估理论，以光坑山隧道进口为例，应用模糊综合分析法对光坑山隧道进口段洞口失稳风险进行了评估，并提出降低风险的处理措施。

模糊综合分析； 洞口失稳； 风险评估

随着我国公路隧道建设的快速发展，隧道断面、长度不断加大，断层、岩爆、涌突水等不良地质灾害也屡见不鲜，可能遇到的安全风险也随之增加。目前，公路隧道安全风险评估工作还处于起步阶段，需要对公路隧道工程建设安全风险评估不断探索和完善，以期降低安全风险，减少工程事故，最终达到经济、安全、环保的目标。

1 风险评估基本理论

1.1 隧道与地下工程的风险产生机理

关于隧道与地下工程的风险产生机理有多种理论模型[1]，一般可以概括为：孕险环境与致险因子耦合作用，致使风险事故发生，进而给承载体造成损失。对隧道工程风险来说，承载体主要包括隧道、周边环境、社会群体和生态环境。

1.2 风险分析步骤

收集数据信息 、建立不确定性分析模型、对风险影响进行评价。

1.3 风险分析与评估的主要方法

专家打分方法 、故障树分析法(FTA) 、层次分析法等。

1.4 风险水平定级方法

1.4.1 风险事件发生的概率

根据《公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南(试行)》、《公路桥梁和隧道施工安全风险评估指南(试行)》[2-3]，把风险事件发生概率和对应的风险后果均划分为五个等级。

1.4.2 风险损失等级

确定风险后果的分级标准时，可以从经济损失、人员伤亡、工期延迟、环境危害等角度去考量,而经济损失又可包括建设方或承包商的经济损失。

1.4.3 风险等级的分级标准

确定了风险事故发生的概率及其后果等级，再对风险等级进行划分，从低到高依次为Ⅰ级～Ⅳ级。

1.4.4 风险处理措施

公路隧道风险的接受准则及对应的措施要求见表1。

1.5 隧道风险评估与分析的步骤及流程

其步骤主要包括如下环节：风险辨识、风险估测、风险评价、风险控制及应急预案[4]。

1.5.1 风险辨识[5]

(1)尽可能全面了解项目的具体概况。

表1 风险接受准则

(2)研究隧道实施方案，确定其在施工期间和运营期间可能出现的风险事件。

(3)根据风险的存在状态和方式，首先考虑运用定性的分析方法。

(4)创建风险结构图。

1.5.2 风险影响分析

对于主要的风险，仔细分析其发生的概率，确定由此可能出现的后果，提出风险效益的发生规律，据此确定合适的风险控制标准。

1.5.3 风险控制及对策研究

(1)风险控制标准分析：统计分析、数值分析、理论分析，确定在一定条件约束下的风险控制指标。采用定性与定量相结合的分析方法。

(2)研究制定风险的预防措施和控制办法，降低风险。

2 光坑山隧道洞口失稳风险评估实践

2.1 光坑山隧道基本情况

2.1.1 隧道概况

光坑山隧道为南平市武夷新区省道303新岭至将口大道段一级公路工程，双向六车道布置，位于福建省南平市，线路基本成南北走向。光坑山隧道左线共1 167 m，其中A1标段515 m；右线共1 191 m，其中A1标段544 m。设计行车速度80 km/h。

2.1.2 地形地貌

本隧道场址区洞身段属剥蚀丘陵地貌，进、出口处属山间冲洪积洼地与剥蚀丘陵交汇处，进、出口两侧分布有窄长冲洪积洼地。地形平坦性差，起伏不平，隧道进口端山坡的坡度主要在15°～30°之间，隧道出口端的山体坡度主要在20°～30°范围之内，沟堑较发育。涧身段地表植被发育，进口处植被不茂盛，出口处植被不发育。

2.1.3 工程地质

隧道洞身段表层为少量的坡积层(Qdl)，下伏基岩为上元古界麻源群变粒岩(Pt3my)，局部地段见有少量混合花岗岩；进洞口路面标高位于冲洪积层内，下伏基岩为上元古界麻源群变粒岩(Pt3my)；出洞口路面标高高于冲洪积层，出洞口段表层为少量的坡积层(Qdl)，下伏基岩为上元古界麻源群变粒岩(Pt3my)，岩层产状较不稳定。左、右线进洞口位于冲洪积洼地及剥蚀丘陵交汇处，围岩为第四系可塑状粉质黏土、残坡积土、残坡积土、全风化岩、散体状强风化岩、碎块状强风化岩、局部少量中风化岩，岩土结构松散，围岩级别为V级。开挖后边坡、仰坡高度较大，边坡、仰坡主要岩性为第四系粉质黏土、残坡积土及全风化岩岩体破碎，边坡总体稳定性较差。未发现滑坡等不良地质作用。

2.1.4 水文地质

该段落隧道区属于崇阳溪水系，场区附近地表水发育一般，洞身地表水较发育，水量较丰富，地下水水位埋深浅，地下水主要有以下两种类型：风化带孔隙裂隙水、基岩裂隙水。地表水发育一般，进口两侧沟谷各发育一条小溪沟，水面宽度约为0.20 m，深度在0.10～0.20 m之间，流量约450 t/d；出口左侧沟谷发育一条小溪沟，水面宽度约为0.20 m，深度在0.10～0.20 m之间，流量约530 t/d。小溪沟主要接受地下水或雨季雨水的的补给，常年性流水水源，旱季时水量不充沛。

2.2 光坑山隧道风险源辩识

通过对光坑山隧道地质情况、设计情况的分析，可判断光坑山隧道存在的主要风险事件为塌方、洞口失稳、大变形、突水涌泥、环境保护、营运安全以及结构设计等。本文仅以隧道洞口(进口)失稳的重大风险事件进行安全风险评估为例。

2.2.1 洞口失稳风险源辨识与排序

隧道进口稳定性风险源层次分析见图1。

图1 隧道进口稳定性风险源层次分析

凭借层次分析模型理论，构建B层所有元素对应目标A的判断矩阵(表2)。

表2 B层所有元素对应目标A的判断矩阵

计算可得判断矩阵λmax=8.9099

w=[0.2164,0.0836,0.1283,0.4081,0.049,0.0243,0.0336,0.0567]

CR=CI/RI=0.13/1.41=0.0921<0.1，满足一致性检验。

可见洞口失稳风险源重要度依次为：V级围岩>坡体结构松散>双侧壁导坑法>坡度15°～30°>边坡高2.5～6.8 m >地表水稍发育>年降雨量1 736 mm>植被发育。

2.2.2 洞口失稳风险评估

2.2.2.1 洞口失稳模糊综合评价

根据专家调查表，结合相似工程，经敏感性分析淘汰掉对洞口失稳影响极小的因素后，得出洞口失稳一级指标和二级指标，进行模糊综合评价(表3、表4)。隶属函数部分根据专家的经验及相似工程案例，其它部分选择梯形隶属函数。

表3 隧道进口稳定性判断矩阵

一致性比例CR=0.024<0.1，满足一致性检验。判断矩阵λmax=3.025

(1)一级评价。

利用一级评价模型，洞口总体评价单因素评价结果如下：

地形地貌A：

地质条件B：

表4 洞口失稳模糊评价指标

评价指标光坑山隧道一级指标二级指标描述地形地貌A坡高坡度7.8m,30°地表水系较发育坡体结构结构较松散、有偏压地质条件B地层岩性坡积粉质黏土及全-强风化变粒岩地质构造无影响水文条件基岩裂隙孔隙水为主气候植被C植被覆盖植被较发育降雨强度年降雨量1736mm施工设计D施工方法双侧壁导坑法勘察精度洞口布孔,相对准确支护措施大管棚、小导管

气候植被C：

施工设计D：

(2)二级评价。

利用一级评价结果，构建二级评价判断矩阵R，该段隧道塌方风险总体二级评价判断矩阵：

综合评价：

(3)评价结果分析。

将洞口段总体评价结果模糊向量单值化隧道总体评价等级见表5。

表5 隧道总体评价等级

该段总体评价值F=1×0.0617+2×0.2382+3×0.5186+4×0.1816=2.82，由此值可知，光坑山隧道进口失稳的总体模糊评价等级为Ⅲ级。

2.2.2.2 洞口失稳风险评估

综合评价，光坑山隧道进口端失稳风险的整体风险等级为III级。处于在一定条件下可接受的风险水平,但必须采取切实可行的办法来降低风险,并需要准备应急预案。隧道进口端失移风险等级见表6。

表6 光坑山隧道洞口(进口)失稳风险等级

3 结束语

由于项目对隧道风险的高度重视，采取了必要的安全控制措施与应急预案，目前该隧道已顺利贯通，洞口段施工中没有发生塌方、变形等事故。通过对光坑山隧道进口洞口失稳安全风险评估，说明了利用以层次分析法为核心的模糊综合评价法得到的评价结果和现场实际情况相符，具有一定的指导意义。该方法简单，对其他公路、铁路隧道施工安全评价也具有借鉴意义，能够被隧道施工技术管理人员所接受。

[1] 吴波.隧道施工安全风险管理研究与务实[M].北京：中国铁道出版社,2010.

[2] 中华人民共和国交通运输部.公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南[S].2011.

[3] 中华人民共和国交通运输部.公路桥梁和隧道施工安全风险评估指南(试行)[S].2011.

[4] 交通运输部工程质量监督局.公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估制度及指南解析[M].北京：人民交通出版社,2011.

[5] 欧阳刚杰.长沙市营盘路湘江水下隧道安全风险评估及控制技术研究[D].长沙：中南大学，2012.

福建省自然科学基金面上项目“岩溶及含空洞隧道地震破坏机理及控制对策研究” (项目编号：2016J01205)；中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司科技项目“城市地下空间工程安全风险管理及信息系统研究与开发”

陈希茂(1974～)，男，本科，高级工程师，注册一级建造师(市政、建筑)，从事桥梁与隧道工程施工和建设管理工作。

U458

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[定稿日期]2016-05-24