基于監控量測的鐵路隧道動態風險評估

楊 卓 劉 振 付 磊

(江蘇省建筑工程質量檢測中心有限公司，江蘇南京 210028)

隨著國內交通建設的快速發展，地下工程也得到了越來越多的應用。隧道工程作為地下工程的一部分，其發展規模也越來越大。隧道工程建設具有投資大、施工周期長、施工技術復雜以及地質狀況不確定性等特點，是一項高風險建設工程。近年來，在國內外隧道建設過程中出現了多起事故，如2010年7月廣西南寧賓陽縣境內鐵路隧道坍塌事故、2011年4月甘肅山丹鐵路隧道塌方事故等，這些事故給國家造成了巨大的經濟損失和極大的社會負面影響。國際隧道協會［1］撰寫了Guideliness for Tunneling Risk Management，為隧道工程的風險管理提供了一整套相對完善的方法和參照的標準。陳潔金等［2］采用層次分析法對隧道工程進行風險評估。總的來看，靜態的風險分析方法在隧道工程中的應用仍舊占據主流，從而不能及時分析出隧道施工過程中的風險變化，施工安全難以保證。因此，如何有針對性的建立隧道工程的動態評估體系，是一項急需解決的問題。

1 隧道動態風險評估

隧道動態風險評估流程如圖1所示。本文將風險評估與施工量測體系相結合，實時反映施工過程中的風險狀況，通過對監控量測項目的數據采集及處理，從而得到工程整體靜態風險指數，伴隨施工的進行，監控量測隨之跟進，風險指數隨之變化，實現施工動態風險評估。圖1中的收集工程資料包括工程背景、可行性研究報告、勘察資料、設計資料等;風險事故識別包括風險事故原因、風險發生工況、風險事故損失后果等;風險的處理包括改變設計方法或施工工藝等。

圖1 動態風險評估流程

2 施工過程風險評價模型建立

2.1 風險評價體系

風險分析及識別其本質是通過對風險的識別、估計，從而找到影響風險發生的致險因子，本文根據《鐵路隧道監控量測技術規程》［3］中對監控量測項目和技術要求的規定，并結合隧道施工方法新奧法的施工工藝特點及相應鐵路隧道工程的實例，從中選擇出相應的量測項目作為風險分析一級指標:地質狀況觀測、隧道斷面位移、地表沉降(針對隧道淺埋段)、錨桿軸力等。根據量測的內容進而得到相應二級指標，其風險分析指標體系如表1所示。

表1 風險分析指標體系

風險指標確定之后，結合相關資料，建立風險指標評價體系，如表2所示。其中，隧道斷面位移、地表沉降、錨桿軸力評價指標做量綱一處理，即:A21/A，A22/A，A31/A，A為位移允許值;A41/D，A42/D，A43/D，D為錨桿設計軸力值。

表2 風險指標評價體系

2.2 指標因素權重確定

山嶺鐵路隧道基于監控量測的動態風險評估風險因素權值分析基于層次分析法，采用Saaty教授建議的判斷矩陣An×n，采用軟件計算其最大特征值及因素權向量，進一步得到隨機一致性比率。一級指標的層次分析評判矩陣如表3所示。

表3 一級指標層次分析取值表

表3可構造判斷矩陣。

矩陣A的最大特征值:λmax=4.000 3，對應的歸一化后的特征向量:

不一致程度的指標CI=(λmax－n)/(n－1)=0.000 1

隨機一致性比率 CR=CI/RI=0.000 1＜0.1，符合一致性要求。

通過相同方法即可計算出二級指標的權重系數，計算結果如表4所示。

表4 風險指標權重表

2.3 風險接受準則

山嶺鐵路隧道工程施工期間的工程風險是否可以接受以及接受程度直接決定著如何采取風險控制措施，風險估計需預先制定相應的風險接受準則，本文參考《鐵路隧道風險評估暫行規定(報批稿)》［4］，給出動態風險指數與風險接受準則，如表5所示。

表5 動態風險指數與風險準則

2.4 動態風險指數分析

參考相關文獻［5］，動態風險指數P大小能夠反映出相應的施工時的風險，動態風險指數P由下式計算:

其中，Pi為各評價指標的風險指數;ωi為各評價指標的權重;Pij為各評價指標對應的監控量測結果得分;ωij為各評價指標對應的監控量測結果的權重。

3 工程應用

某隧道采用雙線分修，全長約20 m;隧道穿越地段圍巖等級分布為Ⅲ級，Ⅳ級，Ⅴ級。隧道進口山體走向北東南西向，山脊狹窄，地形坡度在30°～55°，上陡下緩，溝谷切割深度為500 m～1 500 m，多為“V”形谷。隧道越嶺段主要包含非碳酸鹽地層，地下水以基巖裂隙水為主。

2014年7月，某隧道右線按本文所述的動態風險評估模型，將量測數據處理，得到動態風險指數，7月～9月風險指數動態變化圖如圖2所示。

圖2 某隧道的7月~9月風險指數動態變化圖

從圖2可以看出，隧道開挖施工過程中風險等級一直處于中度到高度，根據現場情況和隧道勘察地質報告判斷，主要是因為該開挖施工段處于斷層上，圍巖破碎，節理裂隙發育，圍巖穩定性較差，呈碎石狀，有掉塊，隧道開挖存在較大安全風險。

4 結語

本文將監控量測和風險評估相結合，結合鐵路隧道工程實例和新奧法施工量測特點，確定動態風險分析指標，并采用層次分析法確定動態風險分析各指標的權重。通過相應的資料匯總統計分析，得到其施工過程中的動態風險指數。該動態風險分析方法對其施工過程中的風險進行識別、分析，并與施工方法結合運用，能夠降低施工風險，值得借鑒。