基于TSP的隧道施工風(fēng)險評估

呂擎峰，霍振升，趙彥旭，姜璐莎

(1.蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室，蘭州 730000;2.中鐵二十一局集團有限公司，蘭州 730000)

鐵路隧道建設(shè)是復(fù)雜的、大型的地下隱蔽工程，具有不可預(yù)見因素多、施工時效性強和施工環(huán)境惡劣等特點。鐵路隧道本身開挖斷面大，若圍巖級別高，則會導(dǎo)致在施工期存在眾多不安全因素，安全管理難度極大。鐵路隧道工程項目風(fēng)險具有模糊性和偶然性，使其在設(shè)計、施工以及決策等方面會遇到各種困難與阻力，因此對鐵路隧道施工階段的風(fēng)險因素進行有效的評估，從而保證施工安全進行已經(jīng)成為一個不可或缺的環(huán)節(jié)[1]。

Einstein.H.H(1974)在研究硬巖隧道的工期和投資風(fēng)險問題時采用風(fēng)險評估理論，建立了一種適用于硬巖隧道的基于計算機模擬的隧道工期與成本模型[2]；B.Nilsen(1999)為了估算出海底隧道事故的發(fā)生概率從而來控制風(fēng)險，提出了引入Lichtenberg方法來開展定性風(fēng)險評估方法，并建立了適用于海底隧道工程風(fēng)險評估的框架圖[3]。R.Sturk等(1996)以公路隧道修建為風(fēng)險評估對象開展了風(fēng)險評估研究，考慮了眾多不確定性因素，分析目標(biāo)包括了安全風(fēng)險、投資風(fēng)險以及環(huán)境風(fēng)險，是一套比較完整的風(fēng)險評估系統(tǒng)[4]。我國在隧道及地下工程的風(fēng)險評估方面的研究起步較晚，范益群(2000)基于可靠度理論，提出了地下結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)險設(shè)計概念，計算出基坑、隧道等地下結(jié)構(gòu)風(fēng)險發(fā)生的概率，定性評價風(fēng)險造成的損失，并提出改進的層次分析方法[5-17]；王志國(2004)通過結(jié)合故障樹分析和模糊綜合評判分析建立了組合分析法，并對抽油泵進行了可靠性分析[8]。溫世儒(2012)通過GPR地質(zhì)雷達超前預(yù)報與層次分析法結(jié)合對隧道進行了風(fēng)險評估。

目前的風(fēng)險分析方法主要基于地質(zhì)資料和工程措施為主，存在基礎(chǔ)資料不確定性和數(shù)據(jù)的欠真實性。而超前地質(zhì)預(yù)報能夠準(zhǔn)確識別施工期的風(fēng)險源，為模糊綜合評價法的權(quán)重賦值提供可靠依據(jù)，所以基于TSP的隧道施工風(fēng)險評估能夠更好確定風(fēng)險等級，并對風(fēng)險提供合理的處治措施。

以成昆鐵路峨米段鄧家灣鐵路隧道為依托，利用TSP超前地質(zhì)預(yù)報方法，判別掌子面前方圍巖中所存在的不安全因素，利用模糊綜合評估法對不安全因素開展分析與評估，從而明確具體的施工風(fēng)險因素及其風(fēng)險等級。同時，結(jié)合鄧家灣勘察報告并征求專家意見對掌子面前方相同段落進行傳統(tǒng)的風(fēng)險分析與預(yù)測，對兩種評估方法得到的風(fēng)險因素以及風(fēng)險等級與隧道開挖的實際情況進行比較，從而得出對比性的結(jié)果。

1 鄧家灣隧道概況

鄧家灣隧道位于喜德西—冕寧區(qū)間，進口里程D2K372+305，出口里程DK381+695，全長9390 m，雙線隧道。進口接短路基，出口緊鄰孫水河雙線特大橋。另外喜德西車站渡線深入進口端，線路縱坡為2.5‰/575 m、11.1‰/778 m、11.9‰/8897 m的單面下坡。洞身均通過花崗巖地層，植被發(fā)育，進、出口地形較陡，全隧發(fā)育有4條斷層，隧道最大埋深約700 m。

鄧家灣隧道進口D2K372+489～D2K372+519段和D2K372+715～D2K372+757這兩段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，受長期地質(zhì)構(gòu)造影響，巖體完整性差，為散體結(jié)構(gòu)，節(jié)理、裂隙比較發(fā)育，無自穩(wěn)能力，開挖時若沒有及時支護極易發(fā)生塌方；地下水多儲存于節(jié)理、裂隙密集地段，以基巖裂隙水為主。在施工時容易遇到掉塊、塌方和涌水等風(fēng)險因素。所以合理準(zhǔn)確地對風(fēng)險因素進行風(fēng)險評估是其關(guān)鍵內(nèi)容。

2 TSP超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)論

D2K372+489～D2K372+509段，節(jié)理不發(fā)育，巖體強風(fēng)化，強度較低，該段巖體地下水較發(fā)育。D2K372+489～D2K372+493范圍內(nèi)和D2K372+507～D2K372+509范圍內(nèi)存在軟弱結(jié)構(gòu)面，且賦含一定地下水。建議圍巖等級為V級。D2K372+509～D2K372+519段，巖體完整性較差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體強度增大，該段巖體地下水不發(fā)育。建議圍巖等級為V級。

D2K372+715～D2K372+757段，巖體完整性差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，該段巖體整體處于滲水或者潮濕狀態(tài)，尤其在D2K372+734～D2K372+736有軟弱面存在。建議圍巖等級為IV級。

3 模糊綜合評價模型的建立

3.1 基于TSP的隧道施工風(fēng)險評估方法

利用TSP 303系統(tǒng)在鄧家灣隧道采集炮數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)分析，從而預(yù)報出掌子面前方的斷層破碎帶等風(fēng)險因素，然后采用模糊綜合評估方法，確定隧道掌子面前方風(fēng)險因素等級評估矩陣，確定概率等級以及風(fēng)險因素權(quán)重，進行總體評估從而確定施工風(fēng)險等級，進而采取合理措施降低風(fēng)險，保證施工順利進行。TSP與模糊綜合評價的關(guān)系如圖1所示。

圖1 TSP超前預(yù)報與模糊評價的關(guān)系

3.2 構(gòu)造風(fēng)險因素集A和風(fēng)險評價集B

根據(jù)高速鐵路隧道施工風(fēng)險評價指標(biāo)體系，結(jié)合鄧家灣隧道該段落實際情況，將隧道風(fēng)險集合中的風(fēng)險因素表示為A1，A2，A3，A4，A5，即

A={A1，A2，A3，A4，A5}

(1)

其中，A1表示施工中可能遇到的坍塌；A2表示施工中可能發(fā)生的突泥；A3表示施工中可能發(fā)生的突水或涌水；A4表示施工中可能遇到的圍巖大變形；A5表示施工中可能發(fā)生的弱巖爆。

評價集合指的是由所有情況的風(fēng)險評價結(jié)果所組成的集合，表示為

B={B1，B2，B3，…}

(2)

對于鄧家灣隧道預(yù)測段落，根據(jù)高速鐵路隧道施工風(fēng)險評價指標(biāo)體系，將施工階段遇到的風(fēng)險的等級分為5個等級，即：依次為

B={B1，B2，B3，B4，B5}

(3)

其中，B1表示極低風(fēng)險；B2表示低風(fēng)險；B3表示中度風(fēng)險；B4表示高風(fēng)險；B5表示極高風(fēng)險。

3.3 明確風(fēng)險因素的權(quán)重

權(quán)重集合指的是不同的因素對于同一風(fēng)險所產(chǎn)生的貢獻不一致，也就是說不同的因素對一個風(fēng)險的影響程度存在差異。模糊綜合評價的核心步驟是將風(fēng)險事件進行兩兩對比，根據(jù)風(fēng)險事件的重要性大小從而在一個標(biāo)度表中進行仿數(shù)量化。該標(biāo)度表采用1～9標(biāo)度原則(表1)。依照風(fēng)險因素評判矩陣及風(fēng)險因素權(quán)重的準(zhǔn)則，對兩種隧道風(fēng)險因素構(gòu)建判斷矩陣，然后再求權(quán)重向量[18]，表示為

W={W1，W2，W3，W4，W5}

(4)

對“判斷矩陣”進行一致性檢驗的步驟如下。

(1)計算該判斷矩陣的最大特征值λmax

(5)

式中λmax——判斷矩陣的最大特征根；

n——判斷矩陣的行數(shù)；

M——判斷矩陣程序W為判斷矩陣的特征向量；

(MW)i——向量MW的第i個元素。

表1 1～9標(biāo)度兩兩比較原則

(2)進行一致性檢驗

進行一致性檢驗時首先計算CR值，CR的計算公式如下

(6)

(7)

式中，RI為平均隨機一致性指標(biāo)，如表2所示。當(dāng)CR≤1.0時，認(rèn)為判斷矩陣具有較滿意的一致性；若不滿足，則應(yīng)該對矩陣進行調(diào)整。

表2 平均隨機一致性指標(biāo)RI的取值

3.3.1 專家評估法構(gòu)建判斷矩陣

將專業(yè)地質(zhì)工作者工程經(jīng)驗以及鄧家灣隧道勘察報告相綜合，分析出在掌子面前方該段落在施工時可能遇到坍塌、突泥、突水、弱巖爆或圍巖大變形不安全因素，在隧道前期勘察以及施工中編寫的掌子面地質(zhì)素描等資料精確的情況下，工程經(jīng)驗豐富的專業(yè)地質(zhì)工作者一般能識別出掌子面前方等級較高的風(fēng)險事件。然而大部分施工或者技術(shù)人員缺乏一定的地質(zhì)經(jīng)驗或者能力不足，無法準(zhǔn)確識別出五種風(fēng)險因素之間的重要性排序。

針對這種情況，在D2K372+489～D2K372+519段拿其中一種可能發(fā)生的情形進行分析，也就是認(rèn)為這5種風(fēng)險的重要性排列依次為突水、突泥、坍塌、弱巖爆、圍巖大變形。因此，風(fēng)險因素的第一判斷矩陣如表3所示。

表3 風(fēng)險因素第一判斷矩陣

表3的判斷矩陣進行權(quán)重運算，求得：權(quán)重向量W={0.126，0.258，0.505，0.041，0.071}；最大特征值λmax=5.427，一致性指標(biāo)

(8)

查表得RI為1.12，求得一致性比例

(9)

一致性檢驗符合。

同樣，在D2K372+715～D2K372+757段對其中一種可能發(fā)生的情形進行分析，也就是認(rèn)為這5種風(fēng)險的重要性排序依次為弱巖爆、圍巖大變形、突水、突泥、坍塌。因此，該段風(fēng)險因素的第一判斷矩陣如表4所示。

表4 風(fēng)險因素第一判斷矩陣

表4的判斷矩陣進行權(quán)重運算，求得：權(quán)重向量W={0.043，0.107，0.194，0.195，0.460}；最大特征值λmax=5.413，一致性指標(biāo)

(10)

查表得RI為1.12，求得一致性比例

(11)

一致性檢驗符合。

3.3.2 根據(jù)TSP超前地質(zhì)預(yù)報成果成立判斷矩陣

結(jié)合已有勘察報告，分析TSP超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果可見，鄧家灣進口D2K372+489～D2K372+493范圍內(nèi)和D2K372+507～D2K372+509范圍內(nèi)坍塌和突水是該段落的主要潛在風(fēng)險，在施工中如果不及時采取支護措施極有可能發(fā)生，造成不必要的損失。這5種風(fēng)險的重要性大小排序依次為坍塌、突水、圍巖大變形、突泥、弱巖爆。此時該段風(fēng)險因素的第二判斷矩陣如表5所示。

表5 風(fēng)險因素第二判斷矩陣

對表5的判斷矩陣進行運算，求得：權(quán)重向量W={0.523，0.081，0.232，0.126，0.038}；最大特征值λmax=5.338，一致性指標(biāo)

(12)

查表得RI為1.12，求得一致性比例

(13)

一致性檢驗符合。

同樣結(jié)合已有勘察資料，分析TSP超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果可見，鄧家灣進口D2K372+715～D2K372+757范圍內(nèi)坍塌和突水是該段落的主要潛在危險因素。這5種風(fēng)險因素的重要性排序依次為坍塌、突水、突泥、圍巖大變形、弱巖爆。該段風(fēng)險因素的第二判斷矩陣如表6所示。

表6 風(fēng)險因素第二判斷矩陣

對表6的判斷矩陣進行運算，求得：權(quán)重向量W={0.523，0.078，0.126，0.233，0.039}；最大特征值λmax=5.321，一致性指標(biāo)

(14)

查表得RI為1.12，求得一致性比例

(15)

一致性檢驗符合。

3.4 明確風(fēng)險因素的隸屬度

所謂風(fēng)險隸屬度，指的是風(fēng)險事件對于風(fēng)險水平的隸屬關(guān)系，即：該風(fēng)險事件屬于何種風(fēng)險水平。

(1)確定風(fēng)險事件影響后果C

風(fēng)險事件影響后果C的估算方法如表7所示。

表7 風(fēng)險事件影響后果C的估算方法

(2)確定風(fēng)險事件發(fā)生概率

風(fēng)險事件發(fā)生概率P的估算方法如表8所示。

表8 風(fēng)險事件發(fā)生概率P的估值方法

(3)隸屬函數(shù)的確定

按照梯形分布，對施工風(fēng)險進行分級，共分為5級：依次為“極低風(fēng)險”、“低風(fēng)險”、“中度風(fēng)險”、“高風(fēng)險”、“極高風(fēng)險”。梯形分布函數(shù)計算公式如式(16)所示

(16)

式(16)中a，b都取正值。

該分段函數(shù)的表達式如表9所示。

表9 隸屬函數(shù)分段表達式

(4)隸屬度值的確定

確定隸屬度值的時候，將風(fēng)險事件影響后果C的估計值和發(fā)生概率P的估計值相乘，然后將相乘后的值代入到隸屬函數(shù)中，從而得到相應(yīng)的隸屬度值。最終形成一個施工期風(fēng)險評判矩陣。

將已有勘察報告和專業(yè)地質(zhì)工程師長年工程經(jīng)驗結(jié)合分析，鄧家灣進口D2K372+489～D2K372+493范圍內(nèi)和D2K372+507～D2K372+509段在施工時期可能會遇到坍塌、突水、突泥、弱巖爆或圍巖大變形。然而五種風(fēng)險因素的發(fā)生概率及影響后果的取值存在多種情況。現(xiàn)在只取其中一種可能的情況進行分析，表10列出該段所有指標(biāo)的第一隸屬度。

表10 所有指標(biāo)的第一隸屬度

鄧家灣進口D2K372+715～D2K372+757段在施工時期也可能會遇到坍塌、突水、突泥、弱巖爆或圍巖大變形風(fēng)險。同樣只取其中一種可能發(fā)生的情形進行分析，表11列出在該段所有指標(biāo)的第一隸屬度。

表11 所有指標(biāo)的第一隸屬度

而由TSP超前預(yù)報的結(jié)論可知，坍塌和突水在D2K372+489～D2K372+493范圍內(nèi)和D2K372+507～D2K372+509范圍內(nèi)發(fā)生的概率最大。表12列出該段各指標(biāo)的第二隸屬度。

表12 所有指標(biāo)的第二隸屬度

同樣由TSP超前預(yù)報的結(jié)論可知，坍塌和突水在D2K372+715～D2K372+757范圍內(nèi)發(fā)生的概率最大。表13列出該段各指標(biāo)的第二隸屬度。

表13 所有指標(biāo)的第二隸屬度

3.5 模糊綜合運算

精準(zhǔn)的運算后，得到風(fēng)險評價結(jié)果，記為N

N=W×R

在鄧家灣進口D2K372+489～D2K372+493范圍內(nèi)和D2K372+507～D2K372+509段將專家評估法和基于TSP超前地質(zhì)預(yù)報的風(fēng)險評估結(jié)果表示為N1和N2，如下

[0.329，0.672，0，0，0]

(17)

[0.081，0.396，0.523，0，0]

(18)

由最大隸屬度原則進行分析處理，結(jié)果如表14所示。

表14 基于主觀評估法所得結(jié)論

根據(jù)N2，隧道風(fēng)險等級如表15表示。

表15 基于TSP所得結(jié)果

同樣，在鄧家灣進口D2K372+715～D2K372+757段將專家評估法和基于TSP超前地質(zhì)預(yù)報的風(fēng)險評估結(jié)果表示為N3和N4，如下

[0.567，0.432，0，0，0]

(19)

[0.078，0.272，0.649，0，0]

(20)

根據(jù)最大隸屬度原則，分析N3，結(jié)果如表16所示。

表16 基于主觀評估法所得結(jié)論

根據(jù)N4，隧道風(fēng)險等級如表17表示。

表17 基于TSP所得結(jié)果

隧道掘進結(jié)果顯示，基于TSP超前預(yù)報進行的隧道風(fēng)險評估的結(jié)論基本正確。

在D2K372+489～D2K372+509段巖體地下水較發(fā)育。在D2K372+489～D2K372+493范圍內(nèi)和D2K372+507～D2K372+509范圍內(nèi)存在軟弱結(jié)構(gòu)面，且賦含一定地下水。D2K372+509～D2K372+519段，巖體完整性較差，節(jié)理裂隙發(fā)育。因為現(xiàn)場施工人員和隧道技術(shù)員在結(jié)合TSP地質(zhì)超前預(yù)報的風(fēng)險評估結(jié)果后，及時采取了相關(guān)的風(fēng)險規(guī)避舉措，并將圍巖級別由Ⅳ級降低到Ⅴ級，在施工中并未出現(xiàn)大的坍塌，僅產(chǎn)生了小部分圍巖溜滑。然而，如果按照專家評估法所得結(jié)論，而未采取相關(guān)的風(fēng)險規(guī)避舉措或者采取的支護措施不能對圍巖進行合理支護，則在施工時極易產(chǎn)生大規(guī)模的掉塊甚至出現(xiàn)垮塌。

在D2K372+715～D2K372+757段，巖體完整性差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，且該段巖體整體處于滲水或者潮濕狀態(tài)，尤其在D2K372+734～D2K372+736有軟弱面存在。因為現(xiàn)場施工人員在結(jié)合TSP地質(zhì)超前預(yù)報的風(fēng)險評估結(jié)果后，及時采取了相關(guān)的風(fēng)險規(guī)避舉措，并將圍巖級別由Ⅲ級降低到IV級，并采取及時支護，在施工中并未出現(xiàn)坍塌，施工井然有序進行。然而，如果按照專家評估法所得結(jié)論，按照Ⅲ級圍巖施工開挖，采取的支護措施不能恰當(dāng)對圍巖進行合理支護，則在施工時極易產(chǎn)生大規(guī)模的圍巖掉塊甚至坍塌。

4 結(jié)語

采用基于TSP超前地質(zhì)預(yù)報的施工風(fēng)險評估，準(zhǔn)確找出風(fēng)險源，確定風(fēng)險級別，從而采取合理措施降低風(fēng)險，在一定程度上避免專家調(diào)查等主觀方法的盲目性和模糊性，使得最終的評估結(jié)果與實際開挖情況更加契合，為隧道安全高效施工開挖提供更精確的保證，從而也提高了隧道施工風(fēng)險評估的準(zhǔn)確性，可以在鐵路隧道施工風(fēng)險評估中運用。