基于NGBN和FCEM的復雜環境隧道施工風險評估*

卓 彬，高 昕，姜早龍,，陳大川

(1.湖南湖大建設監理有限公司，湖南 長沙 410082； 2.湖南大學土木工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

近幾年，基礎建設已逐漸成為拉動經濟增長、擴大短期有效需求和長期有效供給的重要措施。作為世界上建設隧道數量最多、發展速度最快的國家之一，完善的交通設施成為推進我國社會主義現代化建設的重要環節[1]。然而在多數隧道施工過程中，毗鄰現有建(構)筑物、地質條件差、技術不當、機械故障以及管理不到位等問題層出不窮，易導致隧道出現拱部坍塌、側壁失穩、地表沉降等安全事故，隧道施工面臨著嚴峻考驗[2-3]。因此，研究復雜環境隧道施工風險具有重要意義。

綜上所述，目前大部分隧道施工風險研究對數據依賴高，存在僅從單方面不確定風險探討各影響因素之間關系的情況，而較少關注復雜環境隧道施工全部風險因素之間的關系，忽視了風險發生可能性與其帶來的損失，不利于對隧道進行充分評估。因此，在沒有充足樣本數據的情況下，為準確評估各種風險，本文針對圍巖巖質軟、裂隙發育、邊坡穩定性差、周邊緊鄰現有通行隧道、建(構)筑物等復雜環境隧道施工風險評估問題，提出基于Noisy-or gate(MAX)貝葉斯網絡模型和模糊綜合評價法的隧道施工風險評估方法。

1 風險分析方法

1.1 貝葉斯網絡

貝葉斯網絡(Bayesian network, BN)是通過有向無環圖(directed acyclic graph, DAG)來實現多變量關系可視化的概率圖模型，對不確定性問題具有一定的表達和推理能力[13]，如圖1所示。圖模型由節點和有向邊構成，表達了變量節點間的因果和條件相關關系。有向邊出發的起點表示原因變量，稱為父節點；有向邊指向的節點為結果變量，稱為子節點[14]。

圖1 DAG示意

貝葉斯原理是BN的理論基礎。父節點X1用先驗概率表示為P(X1)，為邊緣分布函數；其余節點用條件概率表示為P(Xi|π(Xi))，為條件概率分布函數，其中π(Xi)為Xi的父節點集合[15]，如式(1)所示。若各變量之間相互獨立，n個變量的聯合概率分布P(X1,X2,…,Xn)如式(2)所示。如果每個變量節點均為二元變量，則有n個父節點的子節點需要已知2n個條件概率。

(1)

(2)

1.2 Noisy-or gate模型

在利用貝葉斯網絡進行風險推理時，最重要的是合理確定每個節點的條件概率。Noisy-or gate模型是用來描述變量間內在聯系的交互模型。模型假設：每個節點變量只有兩種狀態且各父節點之間相互獨立，即每個節點變量都可單獨致險，并不會受到其他變量的影響。因此，對于二元變量節點的條件概率如式(3)所示。

(3)

式中：xH表示事件X發生的集合，pi表示僅Xi發生時導致Y發生的概率。

但應用過程中風險事件的描述往往有多種狀態，Noisy-or gate模型計算受到限制。Noisy-MAX模型是Noisy-or gate模型的泛化表達，適用于含有多個狀態的變量節點，且多元變量的多個狀態按一定順序排列，各變量之間相互獨立。因此，對于多元變量節點的條件概率如式(4)，(5)所示。

1.3 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法(fuzzy comprehensiv-e evaluation method, FCEM)是基于模糊理論，對不確定因素量化表達的評估方法，常用于模糊問題的定量評價。首先，在確定評價因素集與評語集的基礎上，確定變量權重V。其次，利用隸屬度函數將模糊不定的變量定量表達，進而建立模糊隸屬度矩陣R。最后得出模糊綜合評價向量C，如式(6)所示。

C=V×R

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2 風險綜合評估過程

2.1 識別風險因素

《安全生產事故隱患排查治理暫行規定》中將事故隱患定義為：可能導致事故發生的人的不安全行為、設備設施的不安全狀態、運營或作業場所的不安全因素和管理上的缺陷。因此，風險因素可從人、設備、技術、環境、管理等方面考慮。同時基于全面質量管理理論，結合相關文獻[1,14,16-18]和專家咨詢，提煉出18個風險因素，從施工技術、機械、材料、環境、管理5個方面綜合考慮，進而構建了復雜環境隧道施工風險評價指標體系，如圖2所示。

圖2 復雜環境隧道施工風險評價指標體系

參考《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南(試行)》中的四級風險評價準則評估復雜環境隧道施工風險。風險評價等級Ⅰ級到Ⅳ級分別從低到高表示低度、中度、高度、極高風險，風險等級越高表示越容易造成災難性事故。風險等級劃分如表1所示。

表1 風險等級劃分

2.2 建立貝葉斯網絡模型

確定貝葉斯網絡模型包括確定網絡結構和網絡參數。為理清各風險因素之間的因果關系，本文將復雜環境隧道施工風險層次圖轉化為有向無環圖，建立了BN結構模型。由于復雜環境隧道施工風險具有偶然性和多變性，難以通過具體的數據來評定，故本文主要通過邀請業內專家的方法來確定網絡參數。風險因素X1～X5和X11～X54為二元變量，可通過Noisy-or gate模型確定條件概率；隧道施工風險為多元變量，由Noisy-MAX模型確定。

(7)

Netica由NORSYS software corp出品，是世界上應用最廣泛的BN計算軟件。本文通過此軟件建立了貝葉斯網絡模型，確定了復雜環境隧道施工的風險概率，實現了風險評估預測。

2.3 評估風險損失和確定風險值

根據模糊綜合評價法的計算思路，首先確定評價因素集，即復雜環境隧道施工風險指標集，用X={X1,X2,…,Xn}表示，其中，Xi表示第i個評價指標。其次，確定風險指標評語集，用B={B1,B2,…,Bn}表示，與風險概率相對應，本文評語集B={高度，較高，中度，低度}來描述。再次，確定風險變量權重，本文由專家經驗確定，通過1～5打分法具體表達，并進行一致性檢驗，保證評價結果無顯著差異。由于評價指標的模糊不確定性，因此本文選擇主觀經驗法來確定隸屬度向量，建立了隸屬度矩陣。最后，采用MATLAB計算復雜環境下隧道施工誘發安全事故所產生的風險損失。

風險值由風險發生概率與風險發生后果共同決定，即風險值為由貝葉斯網絡確定的風險概率P和由模糊綜合評價法確定的風險損失C的乘積，如式(8)所示。

D=P×C

(8)

3 案例分析

3.1 工程概況

張家界市西部旅游通道楊家界大道工程，南起張桑高速公路教字埡互通，北至武陵源景區楊家界門票站。全線設置教子埡和青龍埡2座連拱隧道，共463m，兩座隧道均采用臺階法復合式襯砌施工，隧道效果如圖3所示。

圖3 隧道效果

根據地質勘察結果，隧址區主要為粉質黏土、少量碎石土等。隧道洞口仰坡土體，在雨水浸潤、沖刷侵蝕作用下，易發生變形破壞，開挖后極易失穩。隧址區地表及地下水不發育，主要為溪流水、大氣降水和基巖裂隙水滲流。隧址圍巖巖體主要為強風化、中風化頁巖及粉砂巖。強風化頁巖及粉砂巖為隧道洞口段圍巖的重要組成部分，屬極軟巖，由于長期受雨水浸泡影響，強度降低，自穩能力極差。中風化頁巖及粉砂巖為洞身段圍巖的重要組成部分，巖質總體較軟，巖體完整性一般，自穩能力稍差。此類巖體在開挖受到擾動后易失穩產生崩塌。

兩條隧道周邊環境復雜多變。教字埡隧道進出口均有房屋，場地狹小，隧道頂有一中學；青龍埡隧道出口線路右側緊鄰兩處民房，分別距隧道22，52m；隧道線路左側近鄰現有襯砌無鋼筋通行隧道，兩隧道最近距離7m，最遠距離22m，且砂漿不飽滿現象嚴重；隧道進口段洞口無工作面，施工困難。

總體來看，兩隧道均存在洞口仰坡及左側邊坡坡體穩定性差，圍巖巖質軟、巖體破碎，自穩能力差等問題，無支護時拱部易坍塌，側壁易失穩。

3.2 風險概率評估

選取教子埡和青龍埡兩座連拱隧道為研究對象，邀請10位專家評估風險變量間的致險等級，進而計算每個風險因素的概率分布，利用Netica建立貝葉斯網絡進行復雜環境施工風險評估。專家構成如表2所示，其中專家水平越高評價結果越具有權威性，所占權重越大。評估結果如圖4所示。

圖4 復雜環境隧道施工風險概率

表2 專家構成

風險概率評估結果顯示，該隧道施工風險概率處于高度、中度、低度風險的可能性較大，分別達到22.6%，38.5%和32.5%。

3.3 風險損失評估和綜合評估

通過專家打分得到兩兩風險因素之間的相對重要性評定數據，進而構造判斷矩陣，借助Matlab計算得到最大特征值及風險變量權重，權重向量如表3所示，且CR均小于0.1，滿足一致性檢驗。隸屬度向量如式(9)～(14)所示。

表3 各風險因素的權重向量

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(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

根據權重向量和隸屬度向量求得張家界市西部旅游通道楊家界大道隧道工程的風險損失C=[0.062，0.251，0.420，0.267]，由此得出，隧道的風險損失為中度。

根據風險值計算公式，可求得張家界市西部旅游通道楊家界大道隧道工程的綜合風險D=[0.004，0.056 7，0.161 7，0.086 8]，各因素的風險值如表4所示，形成的折線如圖5所示。由此得出，復雜環境隧道工程施工的綜合風險為中度風險。其中，施工環境和施工技術是影響風險評級的重要因素，特別是在施工過程應多加注意不穩定的施工環境對隧道工程的影響，并提前采取相應措施，避免安全事故的發生。

表4 各因素的風險值

3.4 風險控制

針對復雜環境隧道施工風險評估等級，在施工過程中應對隧道洞內外進行觀察，對周邊位移、新建隧道進出口仰坡地表豎向變形，拱頂、地表下沉，爆破振動進行監測，根據監控量測結果，適時采取相應措施。因施工環境臨近現有通行隧道、現有民房等建(構)筑物，為高度風險。因此隧道施工宜采用水壓爆破技術來嚴控爆破參數，降低振動影響，保證現有建構筑物的安全。施工過程應按照少擾動、管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、緊襯砌、勤量測、速反饋的施工原則，盡量減輕對原有地質地貌的擾動，將超前地質預報與監測貫穿整個隧道施工過程，準確預報隧道情況，及時采取相應措施，確保隧道施工安全和結構穩定。

4 結語

隧道施工是一項受水文地質影響較大的高風險工程，面臨極大的不確定性，因此對復雜環境隧道施工風險評估方法是否合理，將直接關系到整個隧道工程的安全。本文采用BN，Noisy-or Gate模型和FCEM對張家界市西部旅游通道楊家界大道隧道工程進行風險評估，主要結論如下。

1)采用文獻查閱法，結合工程實際，建立了基于施工技術、施工機械、施工材料、施工環境和施工管理的復雜環境隧道施工風險評估指標體系，并將其轉化為有向無環圖，確定了貝葉斯網絡結構模型。

2)基于Noisy-or gate(MAX)模型確定概率參數，通過NETICA建立貝葉斯網絡，實現了復雜環境隧道施工風險評估預測。同時，基于FCEM計算風險損失，綜合考慮了風險概率和風險損失對風險值的影響。

3)結合張家界市西部旅游通道楊家界大道項目的隧道工程，利用Noisy-or gate貝葉斯網絡模型和模糊綜合評價法進行復雜環境隧道施工風險評估，評估結果與工程實際情況相符，并提出風險管控措施。

除此之外，本文建立的靜態貝葉斯網絡未考慮施工動態影響，可結合監測數據做進一步研究，使評價過程和結果更加可靠、準確。同時，風險因素往往并非完全獨立，未來可進一步考慮風險因素耦合作用，實現模型優化。