隧道突泥涌水情景構建及演化狀態預測模型*

項 琴，朱宏偉，杜義祥，李明駿

(1.西南科技大學 環境與資源學院，四川 綿陽 621010;2.四川振通檢測股份有限公司，四川 綿陽 621010)

0 引言

在隧道施工地質災害中，突泥涌水發生的概率和傷亡規模均居于前列。由于隧道突泥涌水事故風險因素眾多、難以精確預報、現場情況復雜、救援疏散緊急、決策時間緊迫，使得其風險管控和應急準備尤為重要。突發事件情景構建技術可為突發事件應急準備、應急預案、應急演練提供依據，將其應用于隧道突泥涌水應急管理，具有非常迫切的需求。

學者們普遍認為突發事件情景構建是實現災害應急管理的有效手段[1-3]。以王永明[1]、劉鐵民[4]、李湖生[5]等為代表的應急管理專家和學者對情景構建方法展開了研究，提出了情景構建的技術框架為“構建情景-梳理任務-評估能力”；屈靜等[6]基于動態貝葉斯網絡，構建了輸油管道泄漏事故的情景推演模型；王喆等[7]采用知識元模型和貝葉斯網絡，研究了城鎮洪澇災害情景的演化過程；王海東等[8]針對LNG船舶港口碰撞發生泄漏事故，建立了LNG船舶在港口卸船期間發生泄漏事故的情景構建方案。

目前，對于隧道突泥涌水事故的研究主要集中在災害機理分析、風險評估及處治策略等方面，而將情景構建與風險分析、應急準備有機結合的成果較少。鑒于此，本文在情景構建理論的基礎上，分析隧道突泥涌水情景要素構成，基于承災體損失進行災害情景分級，研究災害情景的演化規律，并建立情景演化路徑圖，構建災害情景演化狀態預測矩陣，提出情景概率計算方法，以期為隧道突泥涌水應急管理提供科學有效的依據。

1 隧道突泥涌水的情景要素

1.1 隧道突泥涌水情景要素構成

構建隧道突泥涌水情景，首要工作是確定其情景要素構成。研究表明，突發事件的情景組成要素可歸納為孕災環境、致災因子、驅動要素以及承災體要素等[9]。

1)孕災環境

孕災環境是指事故發生時的外部環境。隧道突泥涌水事故的發生概率及突泥涌水規模，與隧道穿越區域的地形地貌、水文地質特征有著密切的聯系。從歷史數據來看，所處環境地形高差大、水源易匯集、強富水、高承壓、巖體破碎或溶洞發育的隧道，突泥涌水災害發生的概率較高[10]。因此，隧道突泥涌水的孕災環境集合H={地形特征H1,地質特征H2,水文特征H3}。

2)致災因子

隧道突泥涌水災害是孕災環境與致災因子綜合作用的結果，孕災環境是內在因素，而致災因子是外在誘因。實踐證明，施工期的降雨強度、隧道與不良地質的空間位置關系、施工方法和操作管理的合理性等因素在一定程度上決定了隧道發生突泥涌水災害的概率及規模[10]。因此，隧道突泥涌水的致災因子集合Z={施工期降雨強度Z1,隧道與不良地質的空間位置關系Z2,施工方法Z3,現場管理水平Z4}。

3)驅動要素

情景驅動要素是指在情景發展過程中起主要推動作用的要素。其既包含事件客觀發展的關鍵因素(前兆跡象、隔水結構破壞等)，也包含決策者主觀上采取的應對措施(風險評估、超前地質預報、啟動應急響應、災害處治等)。隧道突泥涌水的驅動要素根據趨向性可分為正向和負向2類；其中正向驅動要素集合Q1={風險評估Q11,超前地質預報Q12,啟動應急響應Q13,采取治理措施Q14}；負向驅動要素集合Q2={前兆跡象Q21,隔水結構破壞Q22}。

4)承災體要素

隧道突泥涌水事故發生時，主要造成的危害為：施工人員傷亡、掌子面上方塌陷、隧道襯砌損毀、隧道模板臺車、開挖臺架、防水板臺架等設備被損毀、經濟及社會影響損失。因此，隧道突泥涌水的承災體要素集合C={施工人員C1,掌子面上方圍巖C2,隧道襯砌C3,施工設備C4,經濟損失C5,社會影響C6}。

1.2 隧道突泥涌水情景要素的屬性參數

1)孕災環境的屬性參數

孕災環境的屬性參數為突泥涌水災害的風險等級。通過勘察調研現場地形地貌、水文地質等孕災條件，將隧道突泥涌水風險分為4個等級：低、較低、高、極高。

2)致災因子的屬性參數

致災因子的屬性參數為致災強度，根據施工期的氣候條件、隧道與不良地質的空間位置關系、具體的施工方案及開挖工法、現場管理水平等影響因子進行評價。致災強度也可分為4個等級：弱、較弱、強、極強。

3)驅動要素的屬性參數

驅動要素的屬性參數為趨向性和驅動強度。正向驅動要素主要為斷鏈減災措施，其驅動強度表征了應對措施的有效程度；負向驅動要素為前兆跡象和隔水結構破壞。驅動強度同樣分為4個等級：弱、較弱、強、極強。后文所提的驅動要素主要為防災措施。

4)承災體要素的屬性參數

承災體要素的屬性參數為承災體抗災能力和承災體損失。抗災能力應根據施工人員應急培訓情況、設備狀況等因素，由建設單位通過自評確定，分為4個等級：弱、較弱、強、極強。承災體損失是突泥涌水各情景要素相互作用演化的結果，是突泥涌水災害情景等級劃分的依據,下文將詳細闡述。

2 隧道突泥涌水情景的分級及演化規律

2.1 基于承災體損失的隧道突泥涌水情景分級

為了明確隧道突泥涌水災害情景演化規律及預測情景等級，設定一系列基本可信的突發事件情景，并基于承災體損失對情景進行分級。情景等級用集合D表示，參照國家相關標準，分為6個等級，即D={D1,D2,D3,D4,D5,D6}。分析近年來典型隧道突泥涌水案例[10-11]，參考隧道施工風險后果等級劃分，進行情景分級及相應的承災體損失描述，見表1。

表1 基于承災體損失的隧道突泥涌水情景分級Table 1 Scenario levels of water and mud inrush in tunnel based on loss of disaster-bearing carriers

2.2 隧道突泥涌水情景的演化階段及應急任務

隧道突泥涌水災害的演化一般經歷3個階段：隱患期、前兆期、發生期。各階段的特征及應急任務見表2。

表2 情景的演化階段及應急任務Table 2 Evolution stages and emergency tasks of scenario

2.3 隧道突泥涌水情景的演化規律

構建具體的事故災害情景，核心工作是明確災害演化規律。研究表明，突發事故是由孕災環境、致災因子在驅動要素的推動下，作用于承災體而產生的結果，呈現出多米諾骨牌效應的鏈式演化規律[12]。其鏈式演化規律如圖1所示。

圖1 事故情景鏈式演化規律Fig.1 Chained evolution law of accident scenario

在隧道突泥涌水情景演化過程中，孕災環境為客觀因素，致災因子為主觀誘因，二者相互作用，在各階段防治措施的驅動下，導致不同的承災體損失，演化為不同等級的突泥涌水情景。

3 隧道突泥涌水情景的演化路徑及模型

3.1 隧道突泥涌水情景的演化路徑

在災害情景演化各階段，情景要素的屬性不同，則災害的演化路徑也不同。參考隧道突泥涌水的演化特征、前兆判識等文獻[13-15]，結合典型案例分析，設定4個表征情景狀態的節點層和3個表征屬性參數等級的路徑層，具體內容見表3，情景演化路徑如圖2所示。

表3 情景演化的節點和路徑Table 3 Nodes and paths of scenario evolution

圖2 災害情景演化路徑Fig.2 Evolution paths of accident scenario

3.2 隧道突泥涌水情景狀態的演化模型

根據圖2，突泥涌水災害演化的初始狀態為孕災環境，其特征屬性為風險等級，在不同強度的致災因子影響下，演化為不同等級的前兆狀態；前兆狀態在各級驅動要素的驅動下，演化為不同等級的突泥涌水狀態；突泥涌水狀態作用于各級抗災能力的承災體，演化成不同等級的承災體損失。根據前文分析，孕災環境的風險等級、致災因子的致災強度、驅動要素的驅動有效程度及承災體的抗災能力，可通過多目標決策評估獲取。參考ALARP風險矩陣形式，通過專家咨詢法，考慮偏向不利的預測原則，確定突泥涌水情景狀態演化矩陣及相應的概率系數。前兆狀態、突泥涌水狀態及承災體損失的等級及概率可通過演化矩陣獲取，見表4～6。

表4 前兆狀態演化矩陣Table 4 Evolution matrix of precursor state

表5 突泥涌水狀態演化矩陣Table 5 Evolution matrix of water and mud inrush state

表6 承災體損失演化矩陣Table 6 Evolution matrix of loss of disaster-bearing carriers

3.3 隧道突泥涌水情景演化狀態的概率計算

通過多目標決策評估獲取孕災環境的風險等級、致災因子的致災強度、驅動要素的驅動有效程度及承災體的抗災能力的等級概率分布后，即可根據鏈式傳遞法則，推算出前兆狀態、突泥涌水狀態及承災體損失的概率等級分布。

令孕災環境風險等級{S1,S2,S3,S4}的概率分布為{Ph1,Ph2,Ph3,Ph4}；致災因子的致災強度等級{極強,強,較弱,弱}的概率分布為{Pz1,Pz2,Pz3,Pz4}，根據表4即可計算前兆狀態各等級的概率，見表7。

表7 前兆狀態等級的概率計算數據Table 7 Probability calculating data of precursor state level

對表7中各等級的概率疊加計算，可求得前兆狀態等級{S5,S6,S7}對應的概率分布{P1,P2,P3}，如式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

令驅動要素的驅動強度等級{弱,較弱,強,極強}的概率分布為{Pq1,Pq2,Pq3,Pq4}，同理，根據表5可求得突泥涌水狀態等級{S8,S9,S10}對應的概率分布{P4,P5,P6}，見式(4)～(6)。

(4)

(5)

P6=Pq1×P3+0.5Pq1×P2+0.5Pq2×P3

(6)

最后，令承災體抗災能力等級{弱,較弱,強,極強}的概率分布為{Pk1,Pk2,Pk3,Pk4}，根據表6可求得承災體損失等級{D1,D2,D3,D4,D5,D6}對應的概率分布{P7,P8,P9,P10,P11,P12}，見式(7)～(12)。

P7=Pk1×P6

(7)

P8=Pk1×P5+Pk2×P6

(8)

P9=Pk1×P4+Pk2×P5+Pk3×P6

(9)

P10=Pk2×P4+Pk3×P5+Pk4×P6

(10)

P11=Pk3×P4+Pk4×P5

(11)

P12=Pk4×P4

(12)

4 實例分析

擬建雅葉高速公路康定折多山隧道全長8.4 km，隧道進口位于康定縣城大草壩折多河右岸二臺子附近，距康定新縣城直線距離約10～13 km，出口位于距新都橋鎮東約22 km的貢布卡。經勘查，折多山隧道位于龍門山地震帶影響范圍內，所處地質環境復雜，具有高富水、高承壓的特點，屬于典型的斷層破碎帶型突涌水風險高發隧道。圖3為折多山隧道地質縱剖面圖。

圖3 折多山隧道地質縱剖面Fig.3 Geological profile of Zheduo mountain tunnel

建設單位組織了10名隧道工程方面的專家對折多山隧道K0+613～K1+145段圍巖突涌水的風險等級、致災因子的致災強度及驅動要素的驅動強度(即防災措施的有效程度)進行評估，并向10名現場技術人員發放了自評表，獲取承災體抗災能力等級的概率分布。評估結果如下：

1)孕災環境風險等級{S1,S2,S3,S4}對應的概率分布{Ph1,Ph2,Ph3,Ph4}={0.2,0.8,0,0}。

2)致災因子的致災強度為{極強,強,較弱,弱}的概率分布{Pz1,Pz2,Pz3,Pz4}={0,0.6,0.4,0}。

3)驅動要素的驅動強度為{弱,較弱,強,極強}的概率分布{Pq1,Pq2,Pq3,Pq4}={0,0.2,0.8,0}。

4)承災體抗災能力等級為{弱,較弱,強,極強}的概率分布{Pk1,Pk2,Pk3,Pk4}={0,0.4,0.6,0}。

根據式(1)～(3)，可求得前兆狀態等級{S5,S6,S7}對應的概率分布{P1,P2,P3}={0.14,0.41,0.45}；根據式(4)～(6)，可求得突涌水狀態等級{S8,S9,S10}對應的概率分布{P4,P5,P6}={0.262,0.693,0.045}；根據式(7)～(12)，可求得承災體損失等級{D1,D2,D3,D4,D5,D6}對應的概率分布{P7,P8,P9,P10,P11,P12}={0,0.018,0.304,0.521,0.157,0}。

根據計算結果，預測折多山隧道K0+613～K1+145段圍巖突涌水前兆狀態主要為S6和S7，即前兆持續時間30 min以下，建設方應高度重視人員逃生和設備撤離的演練。此外，預測突涌水狀態處于S9的概率為0.693，說明集中突涌量較大，建設方應做好治理準備。最后，預測發生D4級承災體損失的概率為0.521，為6個概率值中的最大者。

實際施工過程中，折多山隧道進口K1+035掌子面在噴射混凝土時，左上角突然出現股狀涌水，施工單位立即采取措施封堵，但無濟于事，遂緊急撤離了現場施工人員及設備。2 d后封閉該掌子面過程中突發較大突泥涌水，最大集中突涌量達13 500 m3，導致隧道洞身150 m被掩埋，地表形成直徑約30 m塌坑，塌陷區域面積約600 m2，所幸人員撤離迅速，無傷亡。根據建設方統計的損失數據[16]，此次發生的突泥涌水情景等級為D4級，與預測等級一致。

5 結論

1)突發事件情景演化模型可用于模擬隧道突泥涌水全過程的演化路徑及情景狀態，設定4個表征情景狀態的節點層和3個表征屬性參數等級的路徑層，構建情景演化路徑圖。其中，情景要素的屬性參數可通過多目標決策評估獲取，前兆狀態、突泥涌水狀態及承災體損失的等級、概率分布可通過演化矩陣計算獲取。

2)在隧道突泥涌水情景演化過程中，孕災環境為客觀因素，致災因子為主觀誘因，二者相互作用，在各階段防治措施的驅動下，災害情景狀態趨好，承災體損失減少。根據隧道突泥涌水情景演化預測結果，建設單位可摸清災害情景演化狀態，抓住防災任務側重點，以驅動情景狀態向好發展。

3)通過實例分析表明，提出的模型和方法具備較強的可操作性和實效性，計算簡便，該方法亦可為其他突發事件情景構建及推演提供參考。由于隧道圍巖地質條件復雜多變，在施工前可采用本文提出的方法對隧道突泥涌水情景等級進行初步辨識，并結合隧道超前地質預報進行全面準確評價。