基于層次分析法的鐵路隧道巖溶風險評估與處理措施研究

廖 欣

(中國石油西南油氣田公司規劃計劃處，四川成都610051)

鐵路隧道工程具有施工技術復雜、施工項目多、不可預見風險因素多和所處介質復雜多變等特點，是一項高風險建設工程［1］。2002年到2006年，國家鐵路正線延展里程由8.4萬公里增加到9萬公里，增長7.3%;國家鐵路復線里程由2.3萬公里增加到2.5萬公里，增長9.1%［2］。

目前，國內外風險評估在工程中的研究也日趨深入，Einstein H H［3］指出了隧道工程風險分析的特點和理念，用可靠度方法對巖石隧道進行風險分析。國際隧道協會［4］頒布的Guidelines for Tunneling Risk Management，為隧道工程風險管理提供了參照標準。黃宏偉等［5］通過工程實例，對地鐵工程施工過程中的風險因素進行了識別，用專家調查法和層次__模糊綜合評判法對地鐵工程施工期風險進行了評估。本文通過綜合利用層次分析法(AHP)［6］、專家調查法建立了風險評價指標體系，對宜萬鐵路某隧道遭遇巖溶的風險進行了評估，并根據評估結果提出了建議措施。實踐表明，該評估方法及指標體系為鐵路隧道遇到巖溶時的風險評估提供了科學、可行的思路與方法。

1 工程概況

該隧道為宜萬線某雙線繞行隧道，最大線間距約250 m，全長908 m，最大埋深約140 m。隧道位于某復背斜北翼，背斜核部為寒武系地層，兩翼為奧陶系及志留系地層。主要出露奧陶系灰巖，灰色～灰黃色，強～弱風化，節理裂隙較發育，巖體破碎。該隧道穿越的地層均為可溶巖，巖溶強烈發育，位于巖溶發育垂直滲流帶內，發育的溶蝕裂隙、溶蝕管道向深性較好。隧道范圍地處單面山坡，地表水排泄條件好，多經山澗峽谷匯集流向附近河流。地下水主要為巖溶水、基巖裂隙水，主要靠降雨補給。

地質勘探顯示該隧道某段為大型充填性溶洞，溶腔沿線路縱向長約69 m，拱頂以上溶腔高度最大約為25 m，軌面以下溶腔深度最大約為31 m。溶腔填充物為細砂，稍濕，中密為主，部分松散。隧道位于垂直巖溶帶，發育的溶蝕裂隙、溶蝕管道向深性較好，在降雨入滲后承接過路水，形成局部突水突泥的風險較大。

2 巖溶風險評估

針對巖溶隧道風險的實際情況，首先利用專家咨詢與事故統計分析的方法建立風險指標體系，并結合專家調查和層次分析得出指標體系各層權重，然后利用專家經驗對底層因素進行評價，計算出巖溶風險發生概率，最后結合《鐵路隧道風險評估與管理暫行規定》［7］的相關標準制定風險應對措施。

2.1 建立巖溶風險指標體系

在對巖溶形成機理、力學行為以及隧道工程概況仔細分析以后，建立了巖溶風險指標體系，如表1所示。

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2.2 構造判斷矩陣

風險指標體系確定后，需對同一層的各風險元素進行兩兩比較，構造判斷矩陣。判斷矩陣是由專家評判組討論形成，評判組成員由隧道設計專家、地勘專家、施工專家和高層領導組成，在對隧道工程和巖溶情況非常了解的基礎上，評價者將各層風險因素兩兩比較構造出判斷矩陣。采用這種方式，以對邏輯風險因素兩兩進行比較為例，其判斷矩陣為:

同理，可得到因素層風險因素各自的判斷矩陣 B1、B2、B3。

2.3 計算判斷矩陣的特征向量

層次分析法關于權重的計算可采用本征向量法、最小平方權法、冪法(特征向量法)、和法、方根法等方法來確定，本工程采用方根法對風險指標體系中風險因素的權重進行計算。下面以計算矩陣A的特征向量WA為例:

2.4 一致性檢驗

在對系統要素進行相對重要性判斷時，由于運用的主要是專家的經驗知識，因而不可能完全準確的判斷出aij的值，而只能對其進行估計，因此必須進行相容性和誤差分析，據此定義相容性指標。

首先計算相容性指標C.I.=λmax－n/n－1，其中最大特征值，(［AW］i為矩陣［AW］的第 i個分量)。

再計算一致性比率 C.R.=C.I./R.I.，其中 R.I.為平均隨機一致性指標，是根據足夠多個隨機發生的樣本矩陣計算的一致性指標的平均值。R.I.的值如表2所示。

表2 平均隨機一致性指標

若一致性指標C.R.＜0.10，則認為矩陣中各參數具有滿意的一致性，權重向量W可以接受，否則計算結果無效，需重新進行判斷。

采用上述的方法計算出 WA=0.03，WB1=0.06，WB2=0.08，WB3=0.04，WB4=0.06，一致性判斷均滿足要求。

2.5 評估結果

利用專家經驗，結合現場地質、設計、施工和檢測情況，評價出因素層對相應邏輯層風險因素的概率貢獻值(表1)，再結合權重系數，由下向上計算出巖溶風險發生的概率P，計算公式為

式中，PI為上層風險因素概率值，Pij為下層風險因素概率值，Wij為第i層第j個風險因素的權重系數，且

通過以上方法，計算出巖溶風險發生的概率P=0.051，結合《鐵路隧道風險評估與管理暫行規定》中概率等級標準可知，該隧道可能發生巖溶風險，概率等級為4，需要采取有效措施降低該風險。

3 風險應對措施

結合該隧道工程地質、水文地質條件以及溶腔充填物的形態、規模，通過專家組的綜合研究，決定在隧道溶腔及影響段采取掛Φ6(20 cm×20 cm)鋼筋網、噴射20 cm厚混凝土、全環梅花形布置3 m中空注漿錨桿(1.0 m×1.0 m)的支護方法，同時利用I16型鋼鋼架加強支護。在以上支護方法的基礎上，施工期間還對超前地質預報和加固措施進行了改進，具體如下。

3.1 超前支護

為確保施工期間及后期運營的安全，充填性溶腔段決定全部采用3 m超前帷幕注漿進行加固，并針對各種情況采取不同的超前支護措施。

(1)施工揭示為塊石土段落，采用Φ42超前小導管注漿預支護，小導管長3.5 m，環向間距40 cm，縱向間距2.0 m/環;

(2)施工揭示為細砂段落，采用Φ76，厚5 mm超前管棚注漿預支護，管棚10～15 m/環;

(3)施工揭示為碎石土加細砂段落，采用Φ42超前小導管注漿預支護，小導管長4～6 m，環向間距20 cm，縱向間距2.0 m/環。

3.2 隧底加固

隧道底部為溶腔淤泥填充物段落，經專家討論決定采取樁基承臺、樁基托梁進行隧底加固，以減少施工期和運營期的沉降，保證線路平順度。

樁基、承臺以及托梁施工前要加強帷幕注漿效果的檢查;加強隧道初期支護的監控量測，及時采用臨時仰拱封閉措施。根據該溶洞遇到的地質情況，制定應對措施如下:

(1)隧底溶腔發育較深段落，采用樁基承臺結構。樁基采用25Φ1.25 m的鉆孔灌注樁，樁間距4.3 m×3.7 m(橫×縱)，總樁長496.3 m。承臺應分段施工，承臺開挖時應將初期支護延長至承臺底并及時封閉;

(2)隧底巖溶發育較淺段落，隧底采用C25混凝土換填加固;

(3)隧底巖溶發育較深且位于單側，采用樁基托梁通過。樁基采用Φ1.5 m的鉆孔灌注樁，采用C25鋼筋混凝土，主筋為Φ26鋼筋，保護層厚度為60 mm，主筋伸入托梁1 000 mm，樁長18 m。

4 結束語

(1)實踐證明應用層次分析(AHP)、專家調查等方法，建立有效的風險指標體系，來評估巖溶風險是合理可行的;

(2)在隧道工程施工期針對典型風險進行評估，并有針對性的制定應對措施，提高隧道施工階段的整體安全水平，可使工程得以順利進行;

(3)對巖溶風險的處理，實踐表明，做好超前地質預報和監控量測，加強超前支護、鋼架支撐、錨網噴防護，進行頂部回填和隧底加固等一系列措施對降低風險有著非常重要的作用。

［1］錢七虎，戎曉力.中國地下工程安全風險管理的現狀、問題及相關建議［J］.巖石力學與工程學報，2008(4):649－655

［2］鄭健.中國鐵路發展規劃與建設實踐［J］.城市交通，2010(1)

［3］EINSTEIN H H.Risk and risk analysis in rock engineering［J］.Tunneling and Underground Space Technology，1996，2(11):141－155

［4］ESKESEN S D，TENGBORG P，KAMPMANN J，et al.Guidelines for tunnelling risk management:international tunnelling association，working group No.2［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2004，19(3):217 －237

［5］王巖，黃宏偉.地鐵區間隧道安全評估的層次模糊綜合評判法［J］.地下空間，2004(3):301 －305

［6］許樹柏.實用決策方法——層次分析法原理［M］.天津大學出版社，1988

［7］鐵建設［2007］200號鐵路隧道風險評估與管理暫行規定［S］