基于ISM的山嶺公路隧道施工坍塌風險分析

摘要：以降低山嶺公路隧道坍塌風險為目的，采用解釋結構模型（ISM）分析20個坍塌風險因素之間的層次關系，建立了6級遞階結構關系。結果顯示：山嶺公路隧道坍塌事故的直接原因有：支護強度不足、施工擾動過大、施工隊伍整體狀況差;深層原因可歸為偏壓嚴重、開挖方法選擇不當、施工現場安全管理不到位、地質與設計不符等。

Abstract： For the purpose of reducing the collapse risk of mountain highway tunnels， an interpreted structural model （ISM） was used to analyze the hierarchical relationship between 20 collapse risk factors， and a 6-level hierarchical structure relationship was established. The results show that the direct causes of the collapse accident of the mountain highway tunnel are： insufficient support strength， excessive construction disturbance， and poor overall condition of the construction team. The deep-seated causes can be attributed to severe bias， improper choice of excavation methods， inadequate safety management at the construction site， and inconsistency between geology and design.

關鍵詞：山嶺公路隧道;坍塌;解釋結構模型（ISM）;風險分析

Key words： mountain highway tunnel;collapse;Interpretative Structural Model（ISM）;risk analysis

中圖分類號：U458.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）22-0050-03

0? 引言

截止2019年末[1]，全國公路隧道19067處、18966.6km，增加1329處、1730.5km，在隧道大規模建設過程中，公路隧道建設向山嶺進軍，由于地質條件、水文自然環境條件復雜，若安全防范不足，則容易導致施工事故。鄭艾辰[2]對2008-2016年間我國發生的隧道施工安全事故進行了統計，事故中以隧道坍塌最為常見，死亡人數最多;張軍偉[3]統計了2006-2016年我國隧道建設（不含地鐵隧道、市政隧道）中發生的89起事故，坍塌是隧道建設事故的主要類型。

許多學者開展了隧道施工坍塌事故風險分析方面的研究。高登[4]以上坪格隧道坍塌案例為基礎，分析了坍塌機理并提出了相應的工程處治措施;張建軍[5]調查了奧陶系淺變質板巖隧道坍塌的原因，坍塌的基本原因是不良地質結構隧道開挖極易造成大面積坍塌;坍塌的直接原因是塊石荷載超過初期支護支撐強度導致開裂，在此基礎上提出坍塌的處治方案;侯艷娟[6]結合典型事故案例統計，將隧道坍塌事故分為圍巖失穩、構造破壞和環境擾動，發現圍巖與支護之間的關系最密切，并提出了事故控制措施;蘇永華[7]結合隧道坍塌事故統計資料，確定了包含地質因素、設計施工質量等在內的6大坍塌風險因素，建立了以粗糙集與模糊重心理論為基礎的公路隧道施工期坍塌評估方法，并進行實證分析;元曉貴[8]以某工程施工隧道為研究對象，從勘察、設計、施工情況，施工方式及支護結構，地質水文因素，監控測量與地質預報和施工管理5個方面建立了因素集，對隧道施工坍塌風險進行模糊層次綜合評價。

針對隧道施工坍塌風險的研究主要是從事故的統計分析、坍塌機理分析和控制、施工坍塌風險的評價以及坍塌的關鍵因素。隧道施工坍塌是一個復雜系統，坍塌事故的造成一般是多種風險因素的耦合，對隧道施工坍塌風險進行綜合評價以及事故統計分析時，無法明確風險因素之間的關聯關系，ISM作為一種系統分析方法可以用來探討隧道施工坍塌事故的成因，進而得到風險因素間的因果關系。

1? 山嶺公路隧道施工坍塌風險因素識別

山嶺公路隧道，即公路穿越丘陵、山嶺等地形所修建的隧道，其穿越地段地質條件復雜多變，其圍巖以巖質為主。坍塌過程中常伴有突水涌泥現象，事故發生的地段多為在圍巖穩定性較差區域：如巖石風化帶、斷層破碎帶、或者其他特殊不良地質構造。這些地段巖體具有破碎、節理裂隙多、易透水、強度差等特點，由于施工環境的暴露性，一旦地下水流入破碎巖體中，使得巖體的穩定性降低，在自身重力、地下水以及施工擾動等諸多因素共同作用下打破其力學平衡，導致坍塌事故的發生。為了深入了解山嶺公路隧道施工坍塌事故的致因，從安全監督管理局網站、安全管理網收集到2008-2019年17起山嶺公路隧道施工坍塌事故調查報告，表1列出了幾起較大山嶺公路隧道施工坍塌事故調查報告的原因。

通過對山嶺公路隧道施工坍塌事故調查報告的總結并結合成因分析，從三個方面對事故原因進行分類：人的因素、地質水文因素、施工因素。

人的因素，從現場施工來看，施工現場主要包括管理人員（如項目負責人、施工負責人、安全員等）和施工人員（一線操作人員）。未進行三級教育培訓或三級教育培訓效果差，使得施工人員安全意識淡薄、自我防護能力不強，進而導致整個施工班組氛圍差，就會對施工現場環境和風險認識不足，會給施工帶來安全隱患。若管理人員對施工現場進行嚴格的安全管理，安全事故發生率會明顯降低，反之，事故發生率會提高。

施工因素，隧道施工包括開挖作業、初期支護、二次襯砌三個大的階段，也包含超前地質預報、監控量測[9]施工工序，整個施工過程都存在風險因素。為了維持圍巖的穩定，要做好隧道支護時機的選擇、強度形成的把握（如隧道開挖前的超前支護、開挖后的初期支護及緊接著施做的二次襯），施工過程中，通常超前支護不足，容易造成石塊松動導致小規模塌方發生，而初期支護強度不足可能造成嚴重的塌方事故。施工質量問題經常發生，如超挖，監控量測數據失真，信息反饋不及時，噴射混凝土不致密，噴射混凝土強度不能滿足設計要求等可能直接造成坍塌。隧道開挖后，巖體的應力重分布與開挖擾動相結合，導致圍巖變形和失穩，圍巖的原始平衡是隧道坍塌的原因和必要條件。導致圍巖受力情況（穩定性）突變的因素[10]有：開挖方法、開挖作業、斷面尺寸、超挖、工序合理性等。二襯到掌子面的距離（施工步距）與隧道整體受力有關，是影響隧道穩定性的一個重要因素。

地質水文因素，主要包括隧道所處的地形地貌特征、自然環境等。地質主要考慮圍巖級別、富水情況、特殊地質，這些因素是隧道發生坍塌事故的主要客觀條件。一般來說，隧道圍巖穩定性的一個主要因素是隧道施工中中級圍巖所占比例大小（通常坍塌地段的圍巖以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主），高級別圍巖的自穩能力很差。地下水是引起塌方的重要因素（據統計80%左右的隧道塌方都與地下水有關），主要體現在兩個方面：①地下水會進入破碎或節理發育的巖體，造成結構不穩定;②地下水使得支護結構整體強度不足。山嶺隧道中斷層破碎帶、偏壓地段居多，偏壓嚴重，隧道塌方風險增加。

2? 建立山嶺公路隧道施工坍塌風險因素ISM

2.1 ISM原理

ISM（解釋結構模型），最開始是用來分析復雜的經濟系統問題，原理是借助圖論和矩陣的相關理論，利用人們的知識和經驗描述出各種已知的關系，將復雜系統分解為若干個子系統，通過矩陣做進一步運算，最終將復雜系統轉化為一個多層遞階解釋結構模型。其基本步驟[11]如下：①確定系統要素的二元關系;②根據二元關系，做出有向圖，建立鄰接矩陣;③根據鄰接矩陣，計算得到可達矩陣;④對可達矩陣進行區域劃分，得到各要素的層級分配;⑤建立解釋結構模型。

2.2 確定風險因素

基于上文對山嶺公路隧道施工坍塌事故風險因素識別歸類，并征詢專家的意見。專家小組包括有經驗的3位教授，以及7位有隧道施工經驗的項目管理人員。通過專家們的深入分析，最終確定了造成山嶺公路隧道施工坍塌事故的20項風險因素，即Si=1，2，…，20（見表2）。

2.3 建立風險因素的鄰接矩陣

在確定了山嶺公路隧道坍塌風險因素之后，就可以對因素之間的作用關系進行分析，根據專家經驗，將20個影響因素以及結果指標坍塌事故（S21）進行關聯分析。鄰接矩陣是有向圖的一種存儲方式，按照式（1）建立風險因素之間的兩兩作用關系。如三級教育及安全培訓不夠S2會直接造成施工隊伍整體狀況差S3，則S2可達S3，相應的矩陣數值為1;再如滲水狀態S18對偏壓嚴重S19無直接影響，則S18不可達S19，相應矩陣數值為0。

深入分析20個影響因素之間的邏輯關系，建立山嶺公路隧道施工坍塌風險因素的鄰接矩陣A。

2.4 生成風險因素的可達矩陣

將鄰接矩陣A與單位矩陣I的相加，基于布爾代數的運算規則，對某一整數n做矩陣A+I的冪運算計算出可達矩陣M，M應滿足式（2）的條件。

當成立時，就得到了可達矩陣M=（A+I）n。同樣，可達矩陣中的矩陣元素1或0代表著因素之間是否可達，1為可達，兩者有直接影響，0為不可達，則Si與Sj之間無影響。計算坍塌事故風險因素的可達矩陣M如下：

2.5 劃分層級及建立解釋結構模型

可達矩陣的層級劃分是為了確定造成山嶺公路隧道施工坍塌事故的各風險因素所處的層次關系，有利于明晰各因素之間的關系。層級劃分過程如下：首先，對于得到的可達矩陣，抽取出因素所對應的行中，矩陣元素為1的列構成可達集合R（Si）;其次，抽取出因素所對應的列中，矩陣元素為1的行構成先行集合Q（Si）;最后根據判斷條件R（Si）∩Q（Si）=R（Si），找出最高級因素，并刪除，直到層級劃分結束。

依照上述過程，可以使用軟件進行計算，最終得到層級劃分：節點：L1={S21}，第2級節點：L2={S3，S12，S15}，第3級節點：L3={S1，S2，S5，S7，S13，S14}，第4級節點：L4={S4，S8，S10，S11，S19}，第5級節點L5={S16，S18，S20}，第6級節點L6={S6，S9，S17}。頂層節點表示坍塌事故風險系統中的最直接風險因素，往下每一層因素是上一層因素的原因，繼而得出（如圖2所示）的層次結構。

3? 山嶺公路隧道施工坍塌風險ISM分析

山嶺公路隧道施工坍塌風險因素ISM是一個6級遞階結構，這6個層級反映了山嶺公路隧道施工坍塌風險形成的邏輯關系。

山嶺公路隧道坍塌事故的直接原因有三個：支護強度不足、施工擾動過大、施工隊伍整體狀況差。首先，施工人員安全意識淡薄、三級教育及安全培訓不夠是造成施工隊伍整體狀況差的原因，引起施工隊伍整體狀況差的深層原因可能是施工現場安全管理不到位。其次，導致施工擾動過大的原因，其一是與施工人員相關（安全意識淡薄、三級教育及安全培訓不夠）;其二主要是開挖作業造成的，即開挖過程中循環進尺過大，使得所形成的斷面過大，隧道整體的穩定性降低。造成開挖過程中進尺過大，是由于兩方面的原因即開挖方法選擇不當和閉合周期長，閉合周期過長的原因可能是超前支護不足，而開挖方式不當與超前支護不足和偏壓的影響有關，超前支護不足主要是由于量測頻率及信息反饋不及時、圍巖強度差、滲水狀態，地質與設計不符對地下水、圍巖強度、量測情況有影響，而地質勘探與地質情況具有強關聯。則導致隧道塌方的直接風險因素施工擾動過大發生的深層原因有四個：開挖方法選擇不當、施工現場安全管理不到位、地質與設計不符、不良地質的影響。最后，初支與圍巖不密貼是造成支護強度不足的原因，深層原因可能是噴錨質量差，但是滲水狀態對噴混凝土質量具有很強的影響。所以造成山嶺公路隧道施工坍塌事故的深層原因為：施工現場安全管理不到位、地質與設計不符、開挖方法選擇不當、偏壓嚴重、不良地質的影響、噴錨質量差、滲水狀態。

4? 結語

山嶺公路隧道施工坍塌風險因素ISM以風險因素間作用關系為依托，通過案例分析、文獻研究、專家經驗量化了因素間相互關系，最終得到了坍塌事故風險因素的層次結構，明晰了因素之間的因果關系。

參考文獻：

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[3]張軍偉，陳云堯，孫毅夫，等.我國隧道施工坍塌事故分布特征分析（2006-2016）[J].災害學，2017，32（4）：132-137.

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[10]岳誠東.隧道工程施工塌方風險評估研究[D].蘭州大學，2016：17-33.

[11]胡嘉偉，彭偉，薛韋一.基于ISM法的公路隧道火災事故致因研究[J].中國安全生產科學技術，2014，10（2）：57-62.

作者簡介：吳正生（1975-），男，湖南株洲人，本科，中級職稱，研究方向為公路橋梁與隧道。