基于PHA-LEC 結合層次分析法的隧道施工風險評估*

劉 恒，劉 春，周義舒

（重慶科技學院 安全工程學院，重慶401331）

1 概述

隨著我國交通基礎設施建設迅速發展，在工程實際中越來越多的淺埋偏壓隧道呈現于隧道工作者的面前。由于淺埋偏壓隧道洞身段圍巖巖體結構特征較為復雜，隧道開挖過程中圍巖應力及周圍變形較大，很難保證巖體穩定性，極易引發冒頂、坍塌等工程事故，對于施工人員生命和財產安全造成嚴重威脅并嚴重影響施工進度，所以對于淺埋偏壓隧道段的風險研究顯得尤為重要。

國內外學者對隧道風險評估均開展了研究工作，從理論方法、數學模型到程序設計和開發等方面都有涉及，且取得了一定的研究和技術成果。自20 世紀70年代美國Einstein.H.H 等最先在地下空間工程與隧道中引入風險分析概念[1]，自此歐美國家在隧道風險評價與風險管理等方面開展了大量研究工作。我國地下空間工程與隧道風險評估研究起步較晚，但隨著我國地下空間大規模開發應用，隧道風險評估工作也得到了廣泛關注。毛儒[2]引入風險指數法在隧道工程風險評估中應用的思想，得到許多隧道工作者認可和應用，此后很多學者運用數學模型開展研究隧道風險評估工作。陳潔金等[3]采用模糊層次綜合評判法對隧道施工塌方開展了風險評估工作，分析各影響因素與塌方發生概率之間的隸屬函數，并綜合確定評價指標的權重，從而建立塌方風險模糊層次評估模型。顧偉紅等[4]運用系統工程解釋結構模型（ISM）結合模糊故障樹模型方法對鐵路黃土隧道塌方事故進行風險分析，兩種模型相結合，從定性定量的角度對隧道施工風險規律特征進行了描述。雷剛等[5]以青島地鐵青人區間為依托，采用層次分析法開展了風險評估工作，得出了危險因素的風險指數并對各項風險源提出了相應的防范措施。宋平原[6]以某工程為背景，利用可拓模型并結合層次分析法對隧道洞口段進行了風險評估，該評估模型成功地應用于實際工程中。Sun 等[7]基于模糊貝葉斯網絡并結合以往數據、專家評價、概率分布、差異分析、敏感性分析，提出了隧道塌方風險綜合評估方法。

上述研究都是以隧道施工過程狀態為初始時間線開展分析并評價系統整體的風險等級，提出綜合防范措施[8-11]，而對隧道施工風險評估的研究對象及影響系統安全的關鍵因素沒有進行具體的過程描述。本文從安全系統的理論和觀點出發，對隧道施工過程的危險因素采用PHA 法進行系統地描述和分析，充分采取與綜合各專家、管理人員意見后，得出LEC 評價分值表，找出危險性分值最高的因素，對風險分析的結果進一步運用AHP 法進行風險評價。由權重值的定量結果得到關鍵因素，提出具體的防范措施，實現合理且完整的隧道施工風險評估過程。

2 人和隧道工程概況

人和隧道位于重慶市云陽縣境內，為單線雙洞隧道。隧道進口段位于巖堆上，地形高陡，中心里程為DK788+144，全長8292m。本文選取人和隧道線路DK792+100～DK792+300 段，該段巖層分布主要為泥質砂巖塊石，碎石約占60%，粒徑10～20cm 居多，塊石約占20%，粒徑20～100cm，余為巖質角礫及粉質黏土填充，厚5～15cm。隧道洞身圍巖為侏羅系上沙溪廟組（J2s）和下沙溪廟組（J2xs）泥巖夾砂巖、砂巖。隧道巖層總體單斜，產狀變化較大，傾角較緩，巖層走向與線路夾角一般為4°～41°，傾向線路左側，在橫斷面視傾角14°～22°，隧道洞身右側存在地形偏壓。

3 人和隧道施工風險評估

3.1 隧道施工風險評估概述

在隧道建設工程中風險評估是不可或缺的一個環節，其中風險分析[12]是風險評估的首要內容以及關鍵環節。通過開展風險評估工作，辨識隧道施工過程中的風險因素，識別風險發生的潛在規律，從而正確把握風險發生的實質，降低風險演變為事故的可能性，確保施工過程中的人員和財產安全。

3.2 人和隧道施工預先危險性分析

根據人和隧道的施工設計、安全技術、安全文件等資料，依據相關法律法規結合人和隧道線路DK792+100～DK792+300 段地質特征，對人和隧道施工進行預先危險性分析如表1。

表1 人和隧道施工預先危險性分析

表2 危險性等級分布表

3.3 偏壓隧道施工作業條件危險性評價

由于預先危險性分析法確定的危險等級是根據專家對類似工程風險的經驗判斷帶有人為的主觀性，不能很好地反映風險事件的危險性。因此，決定采用作業條件危險性評價（LEC）法重新定量分析上述表格中的危險等級，給出科學合理的定量分析過程。

作業條件危險性評價（LEC）法，主要是通過安全指標定量分析研究工作人員在施工作業中的風險性，以三種安全指標值的乘積得出的數值來對比評價工作的危險性。這三種指標分別是：L（likelihood，偏壓隧道施工中風險事件發生的可能性）、E（exposure，隧道作業人員暴露于危險環境中的頻率）和C（criticality，風險事件導致事故后造成的后果）。根據風險事件在隧道工程中的實際情況，給出三個因素的分值，作為自變量。作業條件的危險性D（danger）作為應變量，其與三個因素的函數關系式為：

由上述函數關系式，充分整合專家意見分值，計算出風險因素的危險性分值，按分值大小與危險性程度等級表進行對比，得出危險程度。

偏壓隧道施工作業條件中的各項分值如表3-表6。

根據上述函數關系式及表格結合現場技術人員的咨詢及相關專家的意見，充分綜合考量后對人和隧道施工PHA 中的危險因素的危險等級重新進行定量分析計算，分析結果如表7。

表3 偏壓隧道施工中風險事件發生的可能性分值（L）

表4 隧道作業人員暴露于危險環境中的頻率（E）

表6 危險性程度等級

表7 偏壓隧道施工作業條件危險性評價

通過運用PHA-LEC 法[13]對人和隧道施工過程進行了風險分析，其中危險等級最高的為隧洞原巖應力變化失衡，其危險性分值為1440，是其他危險性因素分值的幾倍之多，因此針對隧道施工影響原巖應力變化失衡的因素應開展進一步分析。本文采用層次分析法對影響圍巖應力穩定性的各因素加以權重數量化的描述，更深層次的挖掘影響偏壓隧道工程圍巖穩定性的關鍵因素。對于偏壓隧道施工過程中其他危險因素也不可忽略，在開發設計、專項檢查、日常維護等過程中工作人員、管理人員、技術人員應嚴格遵守相關安全規定、設計要求，落實到位具體安全責任，保證隧道施工安全標準化、細則化，盡最大限度減少因人為失誤導致隧道施工過程中事故發生的可能性。

4 人和隧道施工風險評價

由上述風險分析已給出偏壓隧道施工過程中風險因素的危險等級，針對隧洞原巖應力失衡開展風險評價，找出影響隧洞圍巖應力穩定性的關鍵因素。本文采用層次分析法（AHP）對影響偏壓隧道圍巖穩定性的因素進行分析，從工程地質、工程技術、巖體力學特征三個方面考慮，計算得到各因素對于總目標的權重值并進行排序，根據得到的結果做出相應的風險評價，實現對上述定性事故定量分析的過程，找出影響偏壓隧道洞身段圍巖應力失穩變化的關鍵因素并提出相應建議。

4.1 層次分析法（AHP）步驟

（1）根據層次分析法的理論知識結合人和隧道特殊段的地質特征，從工程地質、工程技術、巖體力學特征三個方面構建層次遞階結構模型，如圖1。

圖1 偏壓隧道圍巖變化失穩層次結構模型

（2）根據偏壓隧道圍巖變化失穩層次結構模型，依據相關專家意見對比得到因素間的相對重要性，構造判斷矩陣。對于判斷矩陣中各因素之間的相對重要性比較采用標度法表示，具體含義如表8 所示。構造判斷矩陣G-C如表9。

表8 判斷矩陣標度含義

（3）層次單排序是構造判斷矩陣G-C 對于目標層而言各因素的單層權重。由公式3 對列向量歸一化，再由公式4 及公式5 求行和并歸一化，即可求得準則層C 中各因素的權重向量wi。

表9 判斷矩陣G-C

對于判斷矩陣G-C 計算得其權重向量為：

（4）根據公式（5）計算判斷矩陣最大特征值λmax。

求得λmax=3.0539。

判斷矩陣的一致性是通過一致性比例CR 來檢驗的，其計算公式如下：

其中RI 代表隨機一致性指標，其具體數值含義是根據以往研究者得到的結論，經過學者檢驗使用得到大眾普遍認可。具體賦值含義如表10。

表10 隨機一致性指標RI

當CR<0.1 時，可以判斷矩陣具有一致性，如若CR>0.1 則該判斷矩陣不具有一致性，需要對其中的數據重新判斷，采取多位專家意見，確定合理的指標數值。有上述公式，經計算得到判斷矩陣G-C 的一致性比例CR=0.0465<0.1，滿足一致性。

表11 判斷矩陣C1-P

表12 判斷矩陣C2-P

（5）同理，可計算方案層P 各因素對于準則層C 的層次單排序，見表11-13。

表13 判斷矩陣C3-P

對上述三個判斷矩陣的一致性進行檢驗，計算得到CR，其計算結果如表14 所示。

表14 判斷矩陣一致性檢驗結果

4.2 AHP 評價結果分析

上述結果已表明層次單排序的權值，根據各指標層的單層排序權值可以計算出方案層中的每一個因素對于目標層相對重要性的總權重，計算結果如表15 所示。

表15 影響因素層次總排序

層次分析結果表明，巖體結構特征所占權重最大，分值為0.2924。其次分別是地應力、巖體強度，權重值分別為0.2296、0.1681。由于隧道工程要穿越的地段早已形成固有的巖體結構及地質特征，且考慮到環境資源、路線長度等實際影響，在正式施工前一定要預先做好地質勘察工作，詳細了解隧道周圍的巖體結構特征及地形地貌，特別是軟弱、破碎巖層的具體位置。所以針對隧道工程安全施工的關鍵應該是在固有的地形地貌上分析其復雜的地質特征從而找出應對復雜地質特征的施工方法及安全決策。而僅次于這三個因素的是施工方法，居于總排序的第四位，其權重值達到了0.0946。說明施工方法也是影響偏壓隧道圍巖穩定性的一個重要因素，且可根據項目工程地段的固有地質特征選用合理可行的施工方案是人為可控的，并在遵循自然規律的前提下充分發揮人的主觀能動性符合人類社會發展規律。

5 防范策略

基于上述隧道施工風險評估過程，從安全系統優化角度對人和隧道施工方法及安全控制措施進行科學選擇和評價，具體防范措施及建議如下：

（1）按照相關標準及設計要求可采用超前小導管、超前周邊注漿等預加固措施，向設計、建設單位及時反饋，確保預加固效果明顯。

（2）充分保護隧洞圍巖穩定性，采用人-機結合的方式進行開挖，臨近隧道輪廓線時人工開挖。

（3）為保證施工安全，軟弱、破碎圍巖淺埋偏壓段，開挖時嚴格采用控制變形相對較好的施工方法，如CD 法或雙側壁導坑法施工。

（4）根據不同的施工方法及圍巖特性，選擇合理的支護類型、支護參數，嚴格控制支護閉合時間及開挖循環進尺，確保施工安全。

（5）配備專業人員進行隧道支護、沉降、變形等監控量測工作，及時向相關部門反應情況，提前做好防護工作。

6 結論

本文以人和隧道為工程研究背景，開展隧道施工系統風險評估工作，綜合分析偏壓隧道施工過程風險因素，本文得到的主要結論如下：

（1）運用PHA-LEC 法識別出隧道施工過程危險因素并對各項因素評估危險性分值。分析結果表明隧道施工過程狀態中最主要的危險因素為隧洞原巖應力變化失衡，其危險性分值遠高于其他因素。

（2）利用層次分析法進一步評價影響隧洞圍巖應力穩定性的各指標因素，其中，巖石強度、巖體結構特征及地應力是影響圍巖失穩的前三位重要因素，施工方法是偏壓隧道施工過程中圍巖應力變化失穩的第四位重要因素。考慮到前三位固有因素對本隧道產生的不可避免影響，故設計合理可行的施工方案才是本隧道施工過程中的關鍵可控因素。

（3）本文通過預先危險性分析、作業條件危險性分析結合層次分析法對隧道施工狀態開展了科學完整的風險評估工作。評估過程中對各項風險因素均提出了相應的防范措施，如短開挖，強支護，勤監測等，同時對危險性最大的因素，即隧洞原巖應力失衡提出了相應的防范策略，以達到施工安全的目的。