基于優度可拓學評價法的偏壓隧道施工病害風險評價

陸忠廖

(廣西壯族自治區田東公路管理局，廣西 百色 533000)

0 引言

近十幾年我國隧道施工技術發展迅猛。為了減輕大范圍地表開挖帶來的不利影響，常在覆蓋層淺的地方采用暗挖法進行隧道施工。在工程上，將埋深小于自然平衡拱高度的隧道稱為淺埋隧道。淺埋偏壓隧道具有圍巖巖體松散破碎、節理裂隙非常發育、圍巖體不穩定等特征，但可以大規模節約建設成本。當淺埋隧道沿山或沿河邊修建時，由于隧道左右側地形的不對稱性，造成圍巖周圍應力分布不均，形成隧道的淺埋偏壓段。淺埋偏壓大跨度隧道在開挖過程中經常會出現冒頂、塌方、突水等不良災害，在運營過程中可能出現滲水等不良病害。因此，淺埋偏壓大跨度隧道的圍巖穩定性分析與施工過程中的風險評估成為亟需解決的問題。

本文依托百色市八陽溝隧道工程，介紹和分析了施工時遇到的主要病害或問題；同時，基于可拓學的原理，針對隧道風險評估體系，建立優度可拓評價法模型，對隧道施工中遇到的定性指標進行量化預處理和比較；然后根據淺埋偏壓隧道風險評估模型，應用于隧道施工安全風險管理及事故預測，促進隧道施工安全防治，及時采取預防措施；最后通過監測結果驗證處理方案的科學有效性，從而為避免或處治類似地質情況下隧道洞口段初期支護的變形提供借鑒。

1 工程概況

八陽溝隧道位于百色市西林縣東南部，八達林場西南約1 km。隧道長565 m，為單拱隧道。隧道入口位于K2+205，出口位于K2+770，設計高程776.915 m，埋深最大約為71 m，雙向四車道，坡比2.00%。

隧道地形是山體結構侵蝕、邊坡切割。隧道出入口皆靠近山體緩坡處，坡度較小，隧道入口段坡度約20°～30°，出口段坡度約15°～25°。隧道地面標高處于780～853 m區間，相對高差約70 m。

地層巖性上，根據鉆探資料顯示，部分隧道基巖裸露。土體部分主要為泥沙礫石和含碎石粉質黏土，基巖為灰綠色鈣質泥巖、粉砂巖、上三疊系碎屑巖等。

地質構造上，該隧道位于南嶺緯向構造帶南部，經過早期構造運動、構造轉換、演化分布形成，東西向構造格架為主要特征。

斷層類似褶皺，部分重疊，褶皺被斷層破壞，保存不完整。在近東西方向，大多數東部地區的平面折角一般都很低，遠<50°，兩翼是不對稱的；次生褶皺發育良好，為不對稱或反向小褶皺。

水文地質環境一般，經工程地質調繪，隧道區溝谷內平時有少量徑流，地表水量受大氣降雨量大小影響較大。于隧道K2+235右側45 m有一泉眼QYR2，為基巖裂隙出水，常年有水，流量小，枯季約0.03 L/s，豐季約0.25 L/s；于隧道K2+610左側145 m有一泉眼QYR3，為基巖裂隙出水，常年有水，流量小，枯季約0.01 L/s，豐季約0.2 L/s。

2 八陽溝隧道施工遇到主要病害或問題

八陽溝隧道進洞口K2+215～K2+305段屬于Ⅳ、Ⅴ圍巖，經過現場實際勘測埋深為6～31 m，為淺埋地段。該段自然山體為“Ⅴ”字型沖溝，自然坡度為30°左右。右側埋深偏薄，巖石風化強烈，自然穩定性差，為了隧道進口質量及施工安全，已對進口右側進行山體反壓，使隧道兩側壓力平衡。

八陽溝隧道進洞口K2+215～K2+305段屬于淺埋地段，右側埋深偏薄，巖石風化強烈，自然穩定差，為了隧道進口質量及施工安全，對進口右側進行山體反壓，使隧道兩側壓力平衡。為保證回填的土體與原坡面形成整體，在洞頂鋪滿φ42×4 mm小導管進行注漿結巖，每根長4.5 m，并在回填土體坡面進行砂漿錨桿、掛網及噴射混凝土加固。

八陽溝隧道出口端K2+685～K2+760洞頂自然山體右高左低因此發生偏移產生偏壓，造成洞內K2+710～K2+750段右側拱頂及周邊初期支護受到右側壓力的擠壓，經檢測顯示，該段最大沉降值達到了69 cm，平均值為30 cm，已經無法保證二次襯砌的厚度。為了隧道質量及施工安全，對左側進行山體反壓，使隧道兩側壓力平衡；拆除原有的初期支護，鑿除C20噴射混凝土，重新進行初期支護施工。八陽溝隧道K2+713～K2+593地質超前預報結論如表1所示。

表1 八陽溝隧道K2+713～K2+593地質超前預報結論表

3 淺埋偏壓隧道風險評估實例

為了綜合評價一個對象的長處和短處，采用不同的方法、策略等都會造成優點和缺點失衡的問題，為了克服這個問題，需要綜合考慮正反兩方面的因素。優度可拓評價法是綜合多種衡量條件對某一對象、方法、策略等的優劣程度進行綜合評價的實用方法。[1]在這一領域，優度可拓評價法是利用相關函數計算，具有評價所需測量程度的精確優勢。

與傳統的評估方法相比，優度可拓評價法是基于研究區間的一種評價方法，克服了矛盾因素與指標選擇之間的關系，也可以轉化風險之間的關聯關系，效果更為實際。本文通過建立優度可拓評價法模型研究了淺埋偏壓隧道的潛在施工風險，確定風險指標的權重，對淺埋偏壓隧道進行了風險綜合評價。[2]

3.1 確定評價指標及隧道風險評估等級

突水、塌方事故是淺埋偏壓隧道面臨的高風險隧道施工事故之一。因此，在項目風險評估的初期階段就要針對該施工發生風險進行評估，這也將是下一階段施工建設成功的重要基礎。結合現行規范及相關設計文件，總結八陽溝隧道的各部分風險判斷，通過和相似的項目進行類分析[3]，得到八陽溝隧道各部分的初步風險評估結果見表2。

表2 八陽溝隧道初始風險評估結果表

由表2可知：根據《隧道風險評估與管理暫行規定》對八陽溝隧道進行風險評估和管理，導致各種風險因素的事故發生概率分別為1到5表示“不可能”“偶然”“可能”“較高可能”和“極大可能”等風險指標，風險后果分類標準劃分為“極高(一級)”“高(二級)”“中(三級)”和“低(四級)”四個等級。

初步評估認為，八陽溝隧洞施工區風險較高，初期8個風險因素主要集中在進口斜坡段和淺埋段，由于該隧道位于地下水循環區和喀斯特溶洞區，地質環境異常導致水(泥漿)突涌，其中隧道穿越泥巖突涌危險區加之紅石巖高殘水率(高殘泥率)導致危險程度高度集中。

綜上所述，典型的隧道風險事件包括突水、崩塌、洞內泥石流等，主要是由斷裂帶和巖性土接觸帶導致地下水異常造成的。

3.2 定性指標量化處理

采用優度可拓評價法要求評價的數據是可靠的，評價指標可以是離散的，但必須具有可代表性，數據需要有一定的規律性。因此，優度可拓評價法作為一種綜合評價方法，可根據其對數據質量的要求，對風險指標體系進行量化處理。淺埋偏壓隧道的風險評價指標體系如圖1所示[4]。

圖1 淺埋偏壓隧道風險評價指標體系示意圖

對于偏壓率C1，風險劃分情況見表3。

表3 偏壓率C1風險評估指標表

對于地質情況C2，風險劃分情況見表4。

表4 地質情況C2風險評估指標表

對于含水情況C3，結合開挖掌子面或勘察資料來表征，風險劃分情況見表5。

表5 含水情況C3風險評估指標表

對于淺埋大小情況C4，以上覆巖層厚度來表征，根據太沙基公式分界標準見表6。

表6 淺埋大小情況C4風險評估指標表

對于巖體完整性指標C5，參考工程巖體分級相關規范。具體情況見表7。

表7 巖體完整性指標C5風險評估指標表

對于巖層產狀C6，以巖體的主要結構面產狀的傾角來表示，見表8。

表8 巖層產狀C6風險評估指標表

對于層面與層間裂隙C7，一般而言，層面與層間裂隙很發育部位處地下水活躍，隧道穿過此類巖層易產生坍塌或突水突泥等事故。具體情況見表9。

表9 層面與層間裂隙C7風險評估指標表

對于圍巖級別C8，評價標準見表10。

表10 圍巖級別C8風險評價指標表

在隧道風險評估過程中，可以邀請一定數量的有經驗的專家對備選隧道施工方案進行比較，同時施工現場技術人員也可以對每個非定量指標進行評分。考慮到不同的評估人經驗不同，需要考慮加權平均數。

3.3 風險評估指標的量綱統一

首先需要對評價指標進行量綱統一化的量化處理，處理方法如下：[5]

根據八陽溝隧道超前地質預報顯示，DK2+205～DK2+770段為富水地段，地質條件復雜，喀斯特地貌較明顯。隧道巖性以塊狀風化片麻巖為主，巖體破碎、節理發育、存在球狀風化，其洞頂板自穩性差。相應的八陽溝隧道風險評估指標的量綱統一后數據如表11所示。

表11 隧道風險評估指標歸一化處理表

3.4 確定淺埋偏壓隧道的風險指標評估權重

每個指標的重要性可以通過對評估對象的權重系數的度量來表示，指標數據越接近極值，說明隧道風險因素對施工的干擾程度越高，權重也就越大。[6]

Step1：根據層次分析法(AHP)，權重系數的計算如下：

wi=[0.134 0.105 0.149 0.157 0.145 0.035 0.148 0.127]

Step2：對隧道風險評估各評價指標的相關程度進行計算。結果如下：

Step3：計算隧道風險評估指標與風險后果等級之間的相關性：

kij=[-0.604 -0.515 0.047 0.240]

Step4：計算結果顯示隧道風險等級為二級，即“高風險”等級，表明隧道塌方風險較高。

3.5 評估結果分析

(1)基于可拓學的原理，針對隧道風險評估體系，建立優度可拓評價法模型，對隧道施工遇到的定性指標進行量化預處理和比較。(2)分析確定出淺埋偏壓隧道風險因素集，包括偏差率、地質條件、水情、埋深、巖體的完整性、圍巖級別等。(3)對定性指標做定量化處理并對評價指標進行歸一化預處理，從而使得評估指標具有可比性。

綜上所述，結合施工現場反饋信息，該計算結果顯示的風險等級可以定義為非常高的風險等級，與推斷結果基本一致。結果表明該方法具有一定的可預測性。

4 結語

(1)對淺埋偏壓隧道進行了風險分析，包括偏差率、地質條件、水情、埋深、巖體的完整性、圍巖級別等。基于可拓學的原理，針對隧道風險評估體系，建立優度可拓評價法模型，對隧道施工遇到的定性指標進行量化預處理和比較。

(2)結合八陽溝隧道施工實例，其風險評估結果顯示隧道風險等級為二級，即“高風險”等級，表明隧道發生塌方風險較高。根據實際地質的反饋，這種風險如果不及時采取措施，是非常危險的。

(3)建立淺埋偏壓隧道風險評估模型，應用于隧道施工安全風險管理及事故預測，如突水概率、泥石流和山體滑坡概率，降低隧道施工事故風險，促進隧道施工安全規范，及時采取預防措施等。

(4)從檢測數據結合該處的地質資料，K2+105～K2+770范圍內圍巖以強風化鈣質泥巖、粉砂巖為主，巖體破碎，裂隙破碎帶較發育，潮濕，圍巖穩定性和完整性差，施工中應注意加強支護和防排水工作，防止拱部掉塊。