青藏高原典型隧道施工安全風險評價研究

魏利偉

摘要：針對高海拔寒區帶來的復雜施工環境、惡劣氣候條件對隧道施工的不利影響，提出對青藏高原典型隧道施工進行安全風險評價。采用模糊網絡分析法構建青藏高原典型隧道施工安全風險評價模型，通過風險因素辨識、走訪調查等方式構建安全風險評價指標體系。最后，以巴玉隧道進行實證研究，結果表明，巴玉隧道施工安全風險評價等級為高風險隧道，與實地調查情況相符，對較高風險源提出了應對措施。并為同類別的高海拔寒區隧道施工安全風險評價提供理論參考具有重要意義。

Abstract： In view of the adverse effects of complex construction environment and severe climatic conditions on tunnel construction caused by high altitude cold area， the safety risk assessment of typical tunnel construction on Qinghai-Tibet Plateau is proposed. The fuzzy network analysis method is used to construct a safety risk assessment model for typical tunnel construction in the Qinghai-Tibet Plateau. The risk risk assessment index system is constructed through risk factor identification and interview investigation. Finally， the empirical study of the Bayu tunnel shows that the construction safety risk assessment level of the Bayu tunnel is a high-risk tunnel， which is consistent with the field investigation and puts forward countermeasures for higher risk sources. It is of great significance to provide a theoretical reference for the safety risk assessment of high-altitude cold zone tunnel construction in the same category.

關鍵詞：青藏高原;安全風險評價;模糊網絡分析法;三角模糊數

Key words： Qinghai-Tibet Plateau;safety risk assessment;fuzzy network analysis method;triangular fuzzy number

中圖分類號：U455.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）16-0042-04

0? 引言

青藏高原隧道施工主要有典型的不良地質即高地應力、高地溫等;此外，青藏高原人煙稀少、高寒缺氧等自然環境因素也對該地區工程項目施工帶來了巨大的挑戰。針對高海拔寒區隧道施工安全風險評價研究，周國恩[1]通過問卷調查與ANP建立寒區隧道凍害評價指標體系，采用模糊綜合評價法建立了寒區隧道凍害風險評價模型;高焱[2]采用AHP和模糊綜合評判法建立了寒區鐵路隧道凍害評價模型;鄧攀[3]采用數值模擬指標量化和AHP建立高海拔地區隧道工程施工方案評價模型。目前對于傳統隧道施工的評價研究較多因此也取得了一些研究成果，但是對于高海拔寒區隧道施工安全風險評價研究極少。

在文獻閱讀過程中發現AHP建立的權重較多，其只考慮了每一層對上一層的影響，沒有考慮同一層之間的影響因素，因此本文為了彌補AHP確定權重的缺陷提出采用F-ANP確立指標權重，充分考慮指標間、以及每一層關聯性，有效克服AHP確立權重的缺陷。

1? 構建評價模型

模糊網絡分析法是德爾菲法、三角模糊數、網絡分析法、層次分析法、模糊綜合評價法于一體的評價方法，具體步驟如下：

①建立評價指標體系因素集B={B1，…，Bm}和評語因素集C={C1，…，Cm}，根據調查法對風險因素的各個評價指標進行模糊評價，得出B對應C模糊比較矩陣：

②F-ANP三角模糊數確定權重

1）以某元素為準則，按照其對某元素影響大小用三角模糊數進行間接優勢度比較，構造模糊比較判斷矩陣，并求出權重，建立模糊超級矩陣W;

2）將各個一級指標元素集進行兩兩模糊比較，重復1）的步驟構造因素集比較矩陣A，其中A為加權矩陣;

3）得到加權超矩陣W，即W=Wij=aijwij

4）對W求極限，即當W在t→+∞時極限存在，W∞=limWt;

5）當n趨于正無窮時，矩陣的每一列將完全一致，采用MATLAB計算G=limWn=（g1，g2，g3，…，gn-1，gn）;

6）得出風險綜合評價結果，H=G·R=（h1，h2，…，hn-1，hn）。

③青藏高原地區典型隧道施工安全風險綜合評價

1.1 青藏高原典型隧道施工安全風險評價指標體系構建

根據隧道施工風險因素辨識以及走訪調查等方式，遵循指標具有代表性、可操作性原則等構建評價指標體系，該體系共計30個二級指標，如表1所示。

1.2 隧道施工安全風險評價基本結構圖

根據青藏高原典型隧道施工安全風險因素的研究分析，發現評價指標之間是相互影響相互依賴，即各個一級指標之間、各個二級指標之間、以及一級指標與二級指標之間的關聯性，如圖1所示的網絡結構圖。

1.3 隧道施工安全風險單因素模糊評價

1.3.1 構造評語集

根據《鐵路隧道風險評估與管理暫行規程》，《公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南》等相關標準，并結合青藏高原隧道施工特征，將風險評語等級劃分為5個等級，C={C1，C2，C3，C4，C5}={高風險，較高風險，中等風險，較低風險，低風險}。

1.3.2 單因素評價

采用德爾菲法，針對每一個二級評價指標根據典型隧道施工安全風險的可能性、后果的嚴重程度以及風險發生后可控水平進行評價如表2所示。

1.3.3 模糊關系矩陣

根據表2構造單因素模糊關系矩陣，見式（2）所示，式中的20表示參加調查總人數。

1.4 F-ANP三角模糊數確定隧道施工安全風險評價指標權重

1.5 青藏高原典型隧道施工安全風險綜合評價

本文采用M（·，⊕）算子確定評估項目風險的向量元素集：H=G·R=（h1，…，h5），其中h1，…，h5是歸一化且分別對應評語集中的{高風險，較高風險，中等風險，較低風險，低風險}的程度。按照隸屬度最大原則，h中的最大值所對應的評語集的位置說明該隧道施工風險發生的可能性最大。

2? 實例分析

2.1 工程概況

巴玉隧道位于桑加峽谷區中下游段，巴玉車站至藏木車站間。隧道進口里程DK190+388，出口里程DK203+461，全長13073m，其中單線隧道12482m，雙線隧道384m，三線隧道207m，隧道最大埋深約2080m。隧址海拔平均高度為3560m。隧道縱坡為單面下坡，軌面標高3344.109～3464.081m。

2.1.1 氣象特征

加桑峽谷干旱少雨年平均氣溫8.8℃，極端最低氣溫

-17.6℃，極端最高氣溫29℃，年平均降雨量479.2mm，年最大雨量705.7mm，最大積雪厚度12cm，凍土厚度16cm。

2.1.2 地質概況

①地層巖性。隧道區覆蓋層主要為第四系碎石土，下伏基巖為中粒角閃黑云花崗巖。②地質構造。隧道于DK200+006處穿越藏木斷層，該斷層兩側均為第三紀始新世溶母棍巴單元（E2R）中粒角閃黑云花崗巖，斷層長約2.1km，破碎帶寬度10～20m，具剪張性質。節理一般延伸不遠，裂隙寬1～10mm，最大寬度15mm，多呈微張及半張開狀，局部可見充填物，節理間距多在2～4m間。③不良地質。隧道范圍主要發育的不良地質有危巖落石、巖爆、高地溫、放射性、凍害。

2.2 確定模糊關系矩陣

為了全面、系統評價巴玉隧道施工項目風險，本模型選擇設計、施工等熟悉此項目的20位相關專業人士;采用問卷調查的方式對巴玉隧道施工項目30個二級指標進行單因素評價。根據（2）式得到評價結果的模糊評價矩陣R30×5如下：

2.3 F-ANP確定權重

2.4 計算一級指標模糊權重A

2.5 加權矩陣W極限排序向量

根據歸一化極限排序向量可得，二級指標風險因素的影響權重排在前3位的為高地應力（巖爆與大變形）/高低溫（權重為0.0616），凍土/凍害（權重為0.0566），危巖落石（權重為0.0524），顯然這3個風險指標是直接影響著巴玉隧道施工項目主要風險源。

2.6 巴玉隧道施工項目的綜合評價

3? 應對措施

①高地應力（巖爆與大變形）。根據地質勘探報告，全隧正洞預計發生輕微巖爆段落長度4106m、中等巖爆段落長度5922m、強烈巖爆段落長度2214m。上軟巖大變形地段施工防止軟巖變形的技術措施有五項，主要措施是超前預支護，用短進尺、多循環、弱爆破開挖，盡量減少對圍巖的擾動，為了防止巖面對開挖面的擠入，一是預留沉落量，二是按設計做好聯合支護。

②高地溫。施工中采取加強施工通風、人員供氧、降溫通風、巖面隔離材料、超前帷幕注漿、局部徑向注漿、隔熱管排水等措施。

③凍土/凍害。凍土隧道圍巖保護，在不同季節采取不同的供熱、保溫的措施。寒季中，采用洞口保溫設施、混凝土拌和熱、生產設施保溫和結合施工通風的加熱、供熱等綜合防寒保溫體系。暖季，依據青藏高原晝夜溫差較大特點合理調整隧道施工工序，在早晨、夜晚多通風，中午高溫階段少通風或者不通風。因此，控制和調整隧道內環境溫度。

凍害防治措施，設置防寒泄水洞，地下水通過鉆孔或巖石裂隙直接進入泄水洞，排水效果理想，安全穩定，能夠消除地下水給隧道造成的凍害;隧道進出口及橫洞洞口500m范圍內側溝采用保溫水溝。

④危巖落石。

隧道進、出口段發育危巖落石，為保證施工及運營安全，施工時應結合危巖落石情況，采取清除、攔截、嵌補、支頂、設置主被動防護網等綜合防治措施。

4? 結論

本文通過對川藏線巴玉隧道施工安全風險評價得出如下結論：通過歸一化極限向量排序，二級指標風險因素的影響權重排在前3位的分別為高地應力/高低溫，凍土/凍害，危巖落石，直接影響著巴玉隧道施工的質量、進度等;并針對高風險指標因素提出對應措施。依據最大隸屬度原則hmax=0.4333，結果表明巴玉隧道施工風險項目是高風險隧道施工項目，與實地調查情況相符。

參考文獻：

[1]周國恩.基于ANP與模糊理論的寒區隧道凍害風險評估與管理研究[J].現代隧道技術，2013，50（01）：60-66.

[2]高焱，夏晶晶，耿紀瑩，周君，朱永全.基于模糊綜合評判法的寒區鐵路隧道凍害評價體系研究[J].鐵道標準設計，2018，62（07）：124-129.

[3]鄧攀.高海拔地區隧道工程施工方案評價研究[D].重慶交通大學，2015.

[4]黃俐.北京地鐵盾構施工沉降風險機理研究及評價模型構建[D].中國礦業大學（北京），2012.

[5]唐小麗.模糊網絡分析法及其在大型工程項目風險評價中的應用研究[D].南京理工大學，2007.