公路隧道施工全過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)分析與反饋設(shè)計(jì)

朱長(zhǎng)勝

（南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京 210019）

隨著我國(guó)基礎(chǔ)交通設(shè)施建設(shè)的不斷完善，公路工程的建設(shè)步伐也日益加快。在山區(qū)公路設(shè)計(jì)時(shí)，往往會(huì)采用隧道工程來(lái)提高公路指標(biāo)、降低開(kāi)挖工程量、節(jié)約建設(shè)用地等。公路隧道結(jié)構(gòu)受力特性較為復(fù)雜，在建設(shè)期間如果施工風(fēng)險(xiǎn)因素控制不當(dāng)可能造成工期推遲、工程返工等問(wèn)題，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致隧道運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)較大安全事故。因此，研究公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)分析與反饋設(shè)計(jì)具有十分重要的工程意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員針對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)分析和反饋設(shè)計(jì)展開(kāi)了一些研究，如李濤等[1]以濟(jì)南大嶺隧道為研究對(duì)象，運(yùn)用FAHP模糊綜合評(píng)判法確定了超大斷面隧道地風(fēng)險(xiǎn)演化機(jī)理和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并利用編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件，可以對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警；柳尚等[2]依托濟(jì)南東南二環(huán)高速公路，對(duì)在建隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了調(diào)查總結(jié)，提出了隧道安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)理念和風(fēng)險(xiǎn)決策系統(tǒng)，對(duì)隧道的施工起到了積極推動(dòng)作用；周子健等[3]分析了公路隧道風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生機(jī)理，并基于“新奧法”和監(jiān)控量測(cè)技術(shù)，建立了隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，同時(shí)結(jié)合隧道風(fēng)險(xiǎn)分析方法，總結(jié)了隧道動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)的步驟、關(guān)鍵點(diǎn)等，在工程實(shí)踐中取得了良好的成效。

1 公路隧道特點(diǎn)及施工風(fēng)險(xiǎn)體系

1.1 依托工程特點(diǎn)

文章依托項(xiàng)目為某公路隧道，其全長(zhǎng)3.824km，設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí)，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。該項(xiàng)目席家梁隧道穿越粉質(zhì)黏土（Q4dl）、黃土（Q2+3al+pl）、砂質(zhì)泥巖（N）、砂巖（N），巖性較軟弱，抗風(fēng)化能力較差，屬軟弱圍巖，遇水易軟化、崩解。該隧道左線起訖樁號(hào)為ZK1+328～ZK5+152，右線起訖樁號(hào)為YK1+305～YK5+139，且洞口淺埋地段存在偏壓現(xiàn)象。該公路隧道地質(zhì)條件較為復(fù)雜，勘察作業(yè)受到一定的限制，使得隧道建設(shè)可能存在較大的不確定性、高風(fēng)險(xiǎn)等。為了降低隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生事故的可能性，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，并制定相應(yīng)的處治措施。

1.2 隧道風(fēng)險(xiǎn)體系

一般而言，風(fēng)險(xiǎn)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的發(fā)展、演化才可能導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)事件，因此將公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)分為風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生、風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展、風(fēng)險(xiǎn)演化三大類(lèi)。其中，風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生不僅是風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展和風(fēng)險(xiǎn)演化地前提條件，還是公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。

2 公路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序及分析方法

2.1 隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序

公路隧道項(xiàng)目在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，應(yīng)綜合考慮不同施工階段的施工技術(shù)、施工特點(diǎn)等因素，正確地展開(kāi)風(fēng)險(xiǎn)定義、辨識(shí)、評(píng)估、決策等工作。公路隧道項(xiàng)目施工時(shí)會(huì)存在許多不可預(yù)見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)因素（包括自然因素和人為因素），這些風(fēng)險(xiǎn)因素會(huì)出現(xiàn)在隧道施工全過(guò)程，因此公路隧道施工更注重全過(guò)程動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理。在隧道風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)管理期間，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)地全部風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，并針對(duì)可能產(chǎn)生的問(wèn)題制訂相應(yīng)方案。公路隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估內(nèi)容主要包括風(fēng)險(xiǎn)因素預(yù)分析、風(fēng)險(xiǎn)因素監(jiān)控及動(dòng)態(tài)評(píng)估、動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)方案和施工方法等，其工作流程如圖1所示：

圖1 公路隧道風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估步驟

2.2 隧道風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估方法

公路隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法可分為定性分析和定量分析兩大類(lèi)，文章針對(duì)專家調(diào)查法、模糊評(píng)判、層次分析法展開(kāi)了詳細(xì)探討。

（1）專家調(diào)查法。專家調(diào)查法（德?tīng)栰撤ǎ┮话闶峭ㄟ^(guò)書(shū)面形式來(lái)咨詢多名相關(guān)專家的意見(jiàn)，在向?qū)＜易稍冎皯?yīng)當(dāng)明確施工風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，相關(guān)專家要匿名對(duì)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)表觀點(diǎn)，然后由技術(shù)人員匯總專家意見(jiàn)，以全面準(zhǔn)確判定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及相應(yīng)的處理措施。該方法具有簡(jiǎn)單、實(shí)用、分析問(wèn)題深入等優(yōu)勢(shì)，但是往往缺乏數(shù)據(jù)支撐，受專家經(jīng)驗(yàn)的局限性影響較大。

（2）模糊綜合評(píng)判法。模糊綜合評(píng)判法是基于“模糊數(shù)學(xué)理論”，選擇定義在概率空間地模糊數(shù)代表概率，以失效可能性表示失效概率。該方法權(quán)衡能夠權(quán)衡公路隧道各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)因素，并給定了兩個(gè)有限論域（其中U表示模糊綜合評(píng)判因素集合，V表示評(píng)語(yǔ)集合），具體如下：

（3）層次分析法。層次分析法（簡(jiǎn)稱VHP）能將復(fù)雜的問(wèn)題分解成若干個(gè)層次，且各個(gè)層次影響因素對(duì)隧道施工的影響因素均可以進(jìn)行量化。其主要分析步驟為確定判斷矩陣→計(jì)算矩陣特征值和特征向量→進(jìn)行歸一化檢驗(yàn)。

2.3 隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

公路隧道建設(shè)期間，風(fēng)險(xiǎn)事故的存在會(huì)對(duì)工程或周邊環(huán)境產(chǎn)生一定程度的損傷，此時(shí)可以根據(jù)事故后果及發(fā)生概率來(lái)建立動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)。目前，風(fēng)險(xiǎn)矩陣是最常用風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)方法，具體如表1所示（其中P代表施工風(fēng)險(xiǎn)可能發(fā)生的概率）。

表1 公路隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)

3 公路隧道動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)

3.1 隧道動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)依據(jù)

所謂公路隧道動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)就是實(shí)時(shí)采集施工過(guò)程中的信息，并對(duì)信息及時(shí)進(jìn)行分析以確定設(shè)計(jì)施工方案是否可行。開(kāi)展隧道動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)期間，一方面可以根據(jù)隧道施工進(jìn)度，及時(shí)辨識(shí)風(fēng)險(xiǎn)，靈活地調(diào)整設(shè)計(jì)方案，使得隧道施工更加符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，以確保隧道施工安全性；另一方面，能夠幫助隧道勘察設(shè)計(jì)提高設(shè)計(jì)圖紙質(zhì)量控制水平，改善其設(shè)計(jì)理念，從而更好將隧道設(shè)計(jì)方案與工程實(shí)踐密切結(jié)合。目前，國(guó)內(nèi)外隧道動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)依據(jù)主要包括隧道開(kāi)挖掌子面地質(zhì)條件、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)報(bào)告、監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)等。其中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可采用地質(zhì)雷達(dá)法、TGP法、TSP法、超前水平鉆等，監(jiān)控量測(cè)必須包括對(duì)地表下沉、周邊收斂、拱頂下沉，其他的選測(cè)項(xiàng)目可依據(jù)隧道開(kāi)挖情況有的放矢。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)以上數(shù)據(jù)綜合判隧道支護(hù)穩(wěn)定情況，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)事故，并及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)隧道工程的動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)和信息化施工。

3.2 隧道動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)程序

公路隧道動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)步驟要從隧道風(fēng)險(xiǎn)分析和動(dòng)態(tài)方案設(shè)計(jì)兩個(gè)方面入手，即首先對(duì)隧道可能存在風(fēng)險(xiǎn)信息進(jìn)行采集，隨后判斷風(fēng)險(xiǎn)因素是否安全。如果不存在安全隱患，則繼續(xù)施工。反之，應(yīng)當(dāng)改善施工方法或變更施工圖紙，具體流程如圖2所示。

在公路隧道動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)期間，各參建單位應(yīng)當(dāng)密切聯(lián)系，充分實(shí)現(xiàn)各類(lèi)數(shù)據(jù)和信息得共享。隧道反饋設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)以施工單位、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)控單位為主導(dǎo)，由建設(shè)單位負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各方關(guān)系。即監(jiān)控單位先根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)隧道施工會(huì)出現(xiàn)的隱患提出施工建議，隨后由建設(shè)單位根據(jù)監(jiān)控報(bào)告組織設(shè)計(jì)單位和施工單位進(jìn)行會(huì)審，最后由設(shè)計(jì)單位判定施工圖紙是否需要進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。

3.3 隧道動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)關(guān)鍵

圖2 公路隧道動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)步驟

（1）隧道反饋設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析。公路隧道反饋設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)根據(jù)隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果有針對(duì)性地來(lái)實(shí)施。其工作難點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：第一，開(kāi)挖隧道現(xiàn)場(chǎng)圍巖等級(jí)與勘察報(bào)告給出的圍巖等級(jí)相差較大，應(yīng)當(dāng)根據(jù)修正后的圍巖級(jí)別重新選擇支護(hù)類(lèi)型及開(kāi)挖方法；第二，隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到預(yù)警時(shí)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)，并優(yōu)化施工方案，如果需要對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，可利用反分析方法確定圍巖應(yīng)力；第三，重視超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，提前給出隧道施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案。

（2）隧道反饋設(shè)計(jì)修正方法。公路隧道反饋設(shè)計(jì)一般采用力學(xué)分析法和工程類(lèi)比法對(duì)原有設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)刈兏Ｆ渲校W(xué)分析法是利用理論計(jì)算來(lái)確定圍巖襯砌參數(shù)，并以監(jiān)控信息基礎(chǔ)，通過(guò)反演算法得到與開(kāi)挖隧道相匹配的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。同時(shí)，在對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)展力學(xué)計(jì)算時(shí)，必須先清除其應(yīng)力分布規(guī)律，然后在根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算原理進(jìn)行動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)。工程類(lèi)比法是根據(jù)監(jiān)控單位提供的信息，將開(kāi)挖中隧道與已建成圍巖等級(jí)相近隧洞展開(kāi)對(duì)比分析。

4 結(jié)論

文章對(duì)某公路隧道項(xiàng)目隧道風(fēng)險(xiǎn)體系、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分、動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)步驟及關(guān)鍵環(huán)節(jié)等展開(kāi)了詳細(xì)的研究，主要得到以下結(jié)論：（1）公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)分為風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生、風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展、風(fēng)險(xiǎn)演化三大類(lèi)，其中風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生既是風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展和風(fēng)險(xiǎn)演化地前提條件，又是隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)難點(diǎn)；（2）公路隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估內(nèi)容主要包括風(fēng)險(xiǎn)因素預(yù)分析、風(fēng)險(xiǎn)因素監(jiān)控及動(dòng)態(tài)評(píng)估、動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)方等，可以通過(guò)專家調(diào)查法、模糊評(píng)判、層次分析法等實(shí)施；（3）隧道動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)依據(jù)主要包括隧道開(kāi)挖掌子面地質(zhì)條件、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)報(bào)告、監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)等；（4）公路隧道動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)時(shí)可從隧道風(fēng)險(xiǎn)分析和動(dòng)態(tài)方案設(shè)計(jì)兩個(gè)方面入手，并以施工單位、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)控單位為主導(dǎo)，采用力學(xué)分析法和工程類(lèi)比法進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工。