基于貝葉斯網絡的城市地鐵隧道施工誘發地表塌陷風險研究

欒紹順，曲成平，王 ，張素磊

(青島理工大學 土木工程學院，青島 266525)

當前，我國的城市軌道交通建設飛速發展，截至2019年底，全國共有40個城市開通軌道交通，城市軌道交通相比2018年新增運營里程近1200 km，運營總里程達6700 km[1]。然而，在建設過程中，受地質條件、勘察及設計水平、現場施工經驗及施工質量等眾多因素的影響，地鐵施工造成地表開裂、塌陷等事故時有發生。由于地鐵建設經常需要穿越城市繁華地段，地表上層周邊環境復雜、交通繁忙、建筑眾多，一旦引發事故，造成的后果難以想象，因此做好事故預測預防，保障城市公共安全，是目前地鐵建設應當重點研究的課題。

針對地鐵隧道施工擾動造成的地表沉降以及施工過程中地表塌陷的風險研究問題，國內外學者對地層缺陷、隧道施工對地層的擾動以及隧道施工風險分析等方面進行了深入研究。KONG Sukmin等[2]研究認為造成地層缺陷的一個重要因素是地下污水管線的滲漏破壞。李建設等[3-6]調查發現誘發地層缺陷的主要原因有管線滲漏破壞、地表車輛荷載、路基回填存在空洞、過量抽取地下水、施工擾動等因素。CUI Qinglong等[7]基于現場監控量測結果對隧道穿越復合地層時的地表變形規律進行了研究，并提出相應控制措施。郭樂[8]對比數值計算和現場實際監測結果，對盾構隧道施工引起的地表沉降規律進行了研究。在隧道施工風險分析方面，張成平等[9]通過案例調查統計，總結了地鐵隧道施工引發地面塌陷的致災機制；謝洪濤等[10]分析了坍塌事故發生的原因并構建了基于貝葉斯網絡的隧道施工坍塌事故診斷專家系統；劉保國等[11]運用模糊網絡分析法對山嶺隧道進行施工風險評價，建立了公路山嶺隧道施工風險評價指標體系，得到整體風險等級。

國內外專家學者們的相關研究已取得一系列有價值的研究成果，但結合國內各大城市地鐵隧道施工引發的工程事故案例來看，以上研究大多是針對事故的風險源進行辨識與分析，著重于事故機制的研究，對城市地鐵隧道施工坍塌事故的風險預測方面研究較少。為此，本文在事故案例調查統計的基礎上，構建城市地鐵隧道施工風險評價體系，參考風險評價體系建立城市地鐵隧道施工風險評價的貝葉斯網絡模型，經貝葉斯網絡計算后得到隧道施工綜合風險等級，為類似地鐵隧道施工坍塌事故的預防提供借鑒。

1 城市地鐵隧道施工塌陷事故統計及主要成因分析

為調查城市地鐵隧道建設過程中地表塌陷事故占所有事故的比例及其事故成因，本文通過數據挖掘、文獻查閱、實地調研等方法，對近5年來城市地鐵施工事故進行了整理與統計，共收集到典型事故案例93例，所得統計案例來源于國家安全生產監督管理總局、住房和城鄉建設部公示文件以及公開發表的相關文章和報道[12-14]。主要事故類型包括塌陷、高處墜落、物體打擊和機械傷害等，具體分布如圖1所示。

圖1 事故比例分布

統計調查結果表明：93起事故中數量最多的為塌陷事故，共50起，占全部事故的53.76%。塌陷事故在所有事故類型中比例最高，且所占比例是第2名高處墜落事故的4倍有余，顯然塌陷事故是我國城市地鐵施工當前所面臨的主要事故類型。

為進一步分析塌陷事故的發生原因，筆者對50起塌陷事故的資料進行了詳細調查，研究發現造成地面塌陷的原因主要包含隧道埋深、圍巖級別、地層缺陷、大氣降水、地下水、地下管線、路面交通荷載、施工質量、施工經驗及施工管理等因素。其中自然因素單獨導致發生的事故僅有5起，而地鐵施工自身因素單獨造成的事故共有18起。可見，造成城市地鐵施工地表塌陷事故發生的主要因素不單在于自然因素，人為因素同樣不可忽視，因此有效避免塌陷事故發生的關鍵在于準確定位風險源和理清風險事件發生機理。

2 城市地鐵隧道施工塌陷事故風險評價體系

城市地鐵隧道施工過程是一個綜合考慮安全、經濟、技術、環境影響等方面的過程。構建風險評價體系首先要準確地選取風險因子，而地鐵隧道施工塌陷事故的風險高低不僅由地層條件及周邊環境因素決定，而且與各項施工因素也息息相關。通過分析前文事故案例的統計結果，在地鐵自身因素和自然因素諸多的風險源指向中，依據風險源對城市地鐵隧道施工風險的影響程度，選出最具代表性的12項指標作為風險評價體系中的風險指標。根據風險指標的來源，劃分為主觀因素和客觀因素兩大類。對于城市地鐵隧道而言，隧道埋深的增加會導致隧道圍巖的地應力增大，隧道變形也會相應增大，本文隧道埋深等級的劃分以15和25 m為分級標準；依據《工程巖體分級標準》(GB/T 50218—2014)[15]，將客觀因素中圍巖級別等級分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級；施工工法的分級標準采用常見的4種淺埋暗挖法及其他工法；以是否對施工安全有利為判斷依據來確定其他各風險指標的分級標準，具體分級情況見表1。依據風險影響因素間的邏輯關系，構建考慮各項因素的綜合風險評價體系。

表1 風險等級影響因素分級標準

依據各風險指標的分級標準，將施工塌陷風險分為3個等級，相應的等級評價及該風險等級下的應對措施如表2所示。在地鐵隧道施工過程中，若某一風險等級的概率發生大幅度變化，說明此時風險狀態發生較大變化，應當立即停止施工并查找原因；若各風險概率相對穩定，則施工過程中的風險狀態較穩定。

表2 施工坍塌風險分級

3 基于貝葉斯網絡的城市地鐵隧道施工塌陷風險評價方法

3.1 貝葉斯網絡基本原理及建模方法

貝葉斯網絡是一種基于概率論并經過運算演變而來的概率圖形模型，它的本質是一個帶有概率注釋的有向無環圖，由有向邊連接節點而成，節點表示隨機變量xi，有向邊代表各節點之間的相互關系，通過貝葉斯定理的統計學習功能來完成事故風險的診斷與推測。模型中有向邊的起始節點是終節點的稱為父節點，記作πi，節點i稱為子節點，無父節點只有子節點的節點稱之為根節點，其概率分布函數是邊緣分布函數，根節點的概率又稱為先驗概率；而其他節點的概率函數均為條件概率分布函數，記作P(xi|xπi)，其中xπi為父節點變量的取值。當根節點的先驗概率和其他節點的條件概率分布分別給定時，就可以計算包含所有節點的聯合概率分布：

(1)

貝葉斯網絡模型的構建方法主要有專家經驗法和數據庫法，包括3個步驟：網絡結構中的節點確定與取值；網絡結構的構建；確定節點的概率分布。利用專家經驗法確定貝葉斯網絡結構中的節點取值及其概率分布，可以發揮專家經驗的優勢，節省時間和成本，但其結果會受到專家主觀性的局限；利用數據庫法基于數據建立貝葉斯網絡結構，其結果相對科學嚴謹，但取決于數據的客觀性，且需要大量科學的統計數據支持，往往難以獲得。

3.2 建立貝葉斯網絡

根據之前所建立的風險評價體系，建立貝葉斯網絡結構。貝葉斯網絡結構中的節點與取值對應風險評價體系中的風險因子及風險因子指標分類，其中各項風險指標為網絡結構中的根節點，兩類風險因素等級為中間子節點，最終的風險評價為目標節點。

Netica軟件的學習功能可以對已統計案例數據進行自學習，從而確定概率分布，節點概率也可以直接由專家經驗直接輸入。本文結合專家經驗法和樣本學習法，利用Netica軟件的案例學習功能，將前文統計的50例塌陷事故案例中的相關參數建立樣本數據庫，進行樣本數據學習后得到客觀因素等級的概率分布；對于主觀因素節點，由于主觀因素的不確定性，采用專家經驗法確定其概率分布，通過向具有多年工作經驗的技術人員以及相關領域專家發放調查問卷的方式來獲取相關數據，回收問卷整理得到有效的概率數據后，直接輸入到Netica軟件中，建立城市地鐵隧道施工塌陷風險評價體系貝葉斯網絡，經訓練后的貝葉斯模型網絡如圖2所示，此條件概率下的塌陷風險為Ⅰ級的概率為69.7%，Ⅱ級概率為21.9%，Ⅲ級概率為8.37%。

圖2 城市地鐵隧道施工塌陷風險評價體系貝葉斯網絡結構

4 工程應用

4.1 工程概況

青島地鐵4號線靜港路站—沙子口站區間位于青島市嶗山區，為單洞單線區間，左線全長1123.531 m，右線全長1143.346 m，主要采用盾構法施工，局部受地質條件影響采用礦山法施工后盾構平推通過，其中礦山法施工段里程采用臺階法施工。

當隧道施工至ZDK25+343時，發生塌陷事故，事故發生于靜沙區間左線硬巖段，圍巖等級為V級，此處隧道凈寬7.4 m，隧頂埋深約19.6 m，拱頂上方覆土層滲透系數較大，地下水活躍，上方地表周邊地勢平坦，無構筑物。

4.2 隧道塌陷事故原因分析

根據工程概況，將相關工程地質及水文地質參數等客觀因素節點通過Netica軟件輸入到構建的風險評價體系貝葉斯網絡結構中，根據現場專家的評審結果，將各主觀影響因素按照適中或一般輸入，得到此狀態下的風險評價，結果如圖3所示。

圖3 靜沙區間施工塌陷風險評價體系貝葉斯網絡結構

根據結果可得風險評價等級為Ⅰ級的概率為62.3%，Ⅱ級概率為28.4%，Ⅲ級概率為9.28%，按照風險評價標準，此時風險評價為低風險，可以正常施工。根據水文地質勘察報告，此段V級圍巖段隧道估算涌水量較小，但在實際施工過程中，由于降雨量的增大及地下水位的提高，掌子面出現涌水現象，將涌水后的工況輸入到貝葉斯網絡結構中，得到的結果如圖4所示。

圖4 修改后靜沙區間施工塌陷風險評價體系貝葉斯網絡結構

從最終的風險評價結果易看出，施工塌陷風險等級Ⅲ級指標從9.28%上升至22.4%，說明此時的隧道施工塌陷風險大幅提高，應立即停止施工并采取應對措施，但由于涌水突泥過程中泥漿初始速度大，沖擊壓力大，掌子面瞬間垮塌，常規的應急預案無法應對這種大規模高強度的突發事件，現場人員應急反應時間不足，導致了事故的發生。

5 結論

本文在事故案例統計分析的基礎上，構建了城市地鐵隧道施工風險評價體系，并結合風險評價體系建立了城市地鐵隧道施工誘發地表塌陷風險的貝葉斯網絡模型，依據案例數據及專家經驗得到模型節點的條件概率分布，并將風險評價模型應用到實際工程中，模型計算的結果與該事故的現場鑒定結果具有較高的吻合性。

1) 通過統計分析93起地鐵隧道施工事故案例，發現塌陷事故比例占所有事故的53.76%，從近年來的50起地鐵隧道施工塌陷案例中確定了誘發地表塌陷的風險因子及其分級標準，進而建立起城市地鐵隧道施工塌陷風險評價體系，并根據最終的評價結果將風險劃分為3個等級，給出了各風險等級下的相應施工措施。

2) 根據風險評價體系建立了城市地鐵隧道施工塌陷風險評價體系貝葉斯網絡結構，網絡結構中的節點及節點值域與風險評價體系中的風險因子及分級標準一一對應，利用Netica軟件，采用樣本數據學習和專家經驗法2種方法結合確定了貝葉斯網絡中的概率分布，得到此條件概率下的塌陷風險為Ⅰ級的概率為69.7%，Ⅱ級概率為21.9%，Ⅲ級概率為8.37%。

3) 將建立的貝葉斯網絡模型應用于青島地鐵4號線靜沙區間ZDK25+343施工段，由于施工中遭遇地下水位上漲及涌水現象，經計算后風險評價模型中風險等級Ⅲ級指標從9.28%大幅上升至22.4%，說明此時地鐵隧道施工塌陷風險也相應增大，最終隧道掌子面出現涌水突泥現象，導致施工現場地表塌陷，進一步印證了模型的科學性。