基于模糊理論的閩北山嶺隧道洞口段施工風險評估研究

[摘要]隧道洞口段是隧道工程的咽喉，也是塌方事故多發地段，若施工過程中處理不當，輕則難以進洞，重則山體塌方，故在隧道施工前對洞口段的各風險元素評估意義重大。結合京臺高速公路南平段某工程實例，建立隧道洞口段模糊理論綜合評估模型，并確定各風險元素對洞口施工影響，并制定了相應的施工措施，經實踐證明相關措施可行，以期為今后同類隧道工程施工提供參考和借鑒。

[關鍵詞]模糊綜合評佑模型；隧道洞口段；風險元素 文章編號：2095-4085（2018）05-0070-03

隧道洞口是施工事故的多發段，因此在隧道正式進洞前，有必要通過整理隧道洞口段圖紙及相關資料，通過分析洞口段的風險元素，采用模糊數學分析方法，建立風險模糊層次綜合評估模型對隧道洞口段進行風險評估。美國著名學者Zadeh最早提出模糊理論，目前已廣泛應用于各類模糊性較強、準確性較難把握的數據處理項目中，包含模糊數學、模糊系統、不確定性和信息、模糊決策等分支，并且分支并非獨立，而是有緊密聯系。其具體流程如圖1。

1 工程概況

洋后隧道位于福建省南平市洋后鎮路尾村東北部山區，屬剝蝕丘陵地貌單元，圍巖松散、地勢陡峭，地表水系發達。隧道成洞面洞頂覆蓋厚度約2～6m穿過斷層，同時出口段有較大的偏壓力，仰坡坡面坡度1：0.5，采用噴射C20砼10cm厚，Ф22mm的長3.5m的砂漿錨桿間距120cm×120cm，ф6mm鋼筋網間距20cm防護，左線進口樁號Z3K53+875，出口樁號Z3K54+325，長450m：右線進口樁號K53+900，出口樁號K54+337，長437m，屬于短隧道。隧道左右洞均位于直線上，左右洞縱坡均為-2.50%，設計采用進小凈距-分離式雙洞布置。

2 隧道洞口段風險元素大小確定

2.1 確立評判元素集及構造矩陣

通過對洋后隧道地質及周邊水系情況、勘察設計情況的分析，可判斷該隧道洞口存在的主要風險為山體滑坡、大變形引起的塌方、突水涌泥以及運營期間安全事故等風險事件。綜合考慮將洋后隧道洞口段的評價體系分為：U={U1，U2，U3，U4，U5}={開挖支護形式（CD法）、地質及周邊環境（地形地貌）、圍巖類別、施工隊伍能力、降雨情況（閩北地區雨季影響）}合計5個。同時根據評價指標體系所確定的各元素之間的關系，將下一層元素對上一層準則元素的重要程度進行比較，其中程度按照9個等級確認（表1）。

本文主要采用云算子軟件來對模糊綜合評估模型計算，并確保判斷矩陣的一致前提下，進行最大特征值及權重計算。故根據模糊綜合評估模型，建立分層元素對應U的矩陣表2。

計算可得該模型的最大特征值λmax=5.2625

因為判斷矩陣模型人為因素占的比重較大，經常會出現判斷不一致情況，故需對模型進行驗證，具體步驟如下。

步驟一：計算一致性指標公式

步驟二：根據朱訓生主編，《工程管理的模糊分析》，上海交通大學出版社（2004.10），P58。查找出的薩迪教授平均隨機一致性指標RI（表3）。

本文模型為5階矩陣，故RI=1.12

步驟三：計算一致性指標CR，根據公式計算出

故得出本文所建矩陣模型的一致性是可以接受的。

2.2 確立各元素權重值

計算元素的權重是以模型矩陣為基礎，來確定各元素的影響程度大小，一般有小二乘法、特征根法、上三角元素法等。本文采用特征根法，其公式如下。

根據公式分別求出

進一步求出各元素所占比重為

元素1：開挖支護形式（CD法）

元素2：地質及周邊環境（地形地貌）

元素3：圍巖類別

元素4：施工隊伍能力

元素5：降雨情況（閩北地區雨季影響）

由此得出洋后隧道洞口風險元素影響程度大小為：開挖支護形式（CD法）>降雨情況（閩北地區雨季影響）>地質及周邊環境（地形地貌）>圍巖類別>施工隊伍能力。

3 對策與建議

（1）針對該工程風險元素最大的開挖支護形式（CD法）采取措施為：改善開挖方式，原隧道開挖CD法步距過長，初期襯砌較滯后，建議采用進一步縮短開挖步距（即0.5m～0.7m每循環），并進洞后抓緊施做仰拱，是應對洞口變形的合理方法。

（2）針對該工程風險元素降雨情況（閩北地區雨季影響）采取措施為：因福建閩北地區雨季時間有5個月之長，且在每年的雨季的6月份至8月份期間會伴有數個臺風登陸或影響；故降雨情況成為閩北地區隧道洞口影響較大的風險元素。為確保洋后隧道洞口施工質量與安全，務必精心組織力量，合理安排施工程序，在實際施工過程中為確保在雨季安全施工，將原設計明洞外移5m，通過增長明洞長度，做到盡可能的不破壞原地貌，可以有效減少對隧道洞口仰坡的擾動。同時將原設計厚度2.5m套拱局部增加為3.8m，并在洞口底部增加厚度3.2m的片石混凝土擋墻進行防護，以抵擋隧道拱腳產生側向位移力。

（3）針對該工程風險元素地質及周邊環境（地形地貌）采取措施為：由于洋后隧道洞口段成洞面覆蓋厚度約2～6m穿過斷層，同時出口段有較大的偏壓力，極易產生塌方。為此務必優化洞口的支護，盡快釋放偏壓應力，宜采用先放后抗、多重支護、變形留足、先柔后剛、逐漸約束圍巖變形的施工原則。

（4）針對該工程風險元素圍巖類別采取措施：由于洋后隧道洞口的掌子面圍巖軟弱，且屬剝蝕丘陵地貌單元，遇水時會軟化形成塑性變和流變，圍巖強度減弱，導致隧道拱部支護會出現裂縫。為避免事故發生，在隧道進洞前對掌子面臨時封閉，并局部進行注漿加固；通過對洞口軟弱圍巖注漿加固處理，有效改善節理裂隙發育段，使隧道洞口頂部及兩側提高了抗壓強度和粘接性，最終實現安全施工的目的。

（5）針對該工程風險元素施工隊伍能力采取措施為：在隧道施工準備階段，檢查相關單位及人員的安全生產許可證、特種作業資格證等證件；以及檢查各項保證體系、安全生產責任制以及各項規章制度建立情況等。在隧道實施階段，應檢查隧道安全生產、文明施工等落實情況；定期檢查施工現場各項指標是否符合安全標準要求；并加強隧道安全施工的理論知識與實踐經驗相結合（如對隧道作業務工人員的安全生產培訓、應急演練等）。

通過對洋后隧道洞口風險元素充分分析，并對施工過程中可能出現的問題制定出相應的控制措施，以及嚴格按照制定的措施將各工序、環節的落實到位，最終洋后隧道順利進洞，且隧道施工過程中質量整體可控。

4 結語

（1）本文結合閩北地區隧道洞口段風險元素，建立五個風險元素的模糊層次綜合評估模型，對閩北地區隧道洞口段詳細闡述了風險元素的內涵、辨識、估計等內容，根據現場調查及分析結果總結了閩北地區隧道洞口段風險元素為：開挖支護形式（CD法）、降雨情況（閩北地區雨季影響）、地質及周邊環境（地形地貌）、圍巖類別、施工隊伍能力等五個。

（2）本文運用閩北地區隧道洞口段塌方風險模糊層次綜合評估模型對五個風險元素進行分析計算，并運用模糊理論的矩陣確定各元素影響權重，最終得出目前閩北地區隧道洞口段風險較大的元素主要為：開挖支護形式（CD法）、降雨情況（閩北地區雨季影響）、地質及周邊環境（地形地貌）。

（3）針對建立的評估模型對洋后隧道洞口段風險因素分析，制定了與之對應的施工措施，經實踐證明相關措施可行，以期為今后同類隧道工程施工提供參考和借鑒。

參考文獻：

[1]宋曉秋.模糊數學原理與方法[M].北京：中國礦業大學出版社，1999：201-204.

[2]朱訓生.工程管理的模糊分析[M].上海交通大學出版社，2004：58-59.

[3]王余鵬.北京西站B號標段地鐵開挖工序對鄰近建筑影響[D].大連：大連交通大學，2010.

[4]袁龍.基于模糊層次綜合評估法的隧道洞口段塌方風險評估[D].西安：長安大學，2010.