基于動態權重的隧道施工安全風險評估方法研究

劉冠男，王志朋，王玉田，鄭昌盛，沈 健

(1.上海寶冶集團有限公司 上海市 200941；2. 青島理工大學 土木工程學院 青島市 266033)

0 引言

隧道施工中存在諸多施工風險，不僅會引發嚴重的施工事故，還會給國家帶來難以估計的損失。

為減少隧道風險突發率，有必要對施工安全風險進行風險評估。國內外學者在隧道施工風險評估領域開展了深入探索。如：王迎超等[1]對隧道塌方風險因素，借助層次分析法進行了針對性分析；鄧祥輝等[2]采用最大隸屬度原則對隧道施工安全風險因素處理，確定出各風險因素的概率等級。

上述對隧道施工風險評估的研究屬于靜態風險評估，但隧道施工風險是動態變化的，僅靠靜態風險評估難以全方位掌控和跟蹤施工風險。因此，對隧道施工風險采用動態評估顯得尤為重要。

目前在隧道施工動態評估領域的研究相對較少，郝銀[3]將動態風險理論應用于隧道風險等級分析中，確定了隧道施工動態風險等級；李利平等[4]基于監控量測的方式，針對隧道涌水風險因素開展了深入研究，得到了涌水風險評估指標的動態權重。

鑒于此，提出一種基于動態權重的隧道施工安全風險評估方法，通過建立隧道施工安全動態風險評估模型，確定出隧道施工風險的動態權重，并將該方法應用于某隧道施工安全風險評估中。該方法基于實時反饋的隧道施工風險權重的動態變化，實現了對隧道施工安全風險的動態分析。

1 隧道施工動態權重的定義

1.1 動態權重的定義

動態權重是在常權重的基礎上得到的一種狀態權重。由于施工中常權重未考慮施工狀態的影響，因而難以真實反映隧道施工風險的動態變化[5]。因而，動態權重本質上是對常權重的動態修正。

1.2 風險評估指標動態權重的實現

風險評估指標動態權重內容包括：建立隧道施工風險評估指標體系；確定常權重；監控量測數據的采集及回歸分析；確定風險評估指標的施工狀態；確定風險評估指標的動態權重；確定隧道總體施工安全風險等級。

2 隧道施工安全動態風險評估模型的建立

2.1 隧道施工風險評估指標體系的建立

對以往隧道施工中常見突發事故影響因素歸納總結，結合表1中量測項目及現場調研情況，建立了表2中隧道施工安全風險評估指標體系。

表1 新奧法施工常用量測項目

表2 隧道施工安全風險評估指標體系

2.2 風險指標常權重的確定

按照靜態風險評估模式，采用層次分析法，構造判斷矩陣等，確定出表2中各風險評估指標的常權重，見表3。

表3 隧道施工安全風險評估指標常權重

2.3 監控量測數據的采集及回歸分析

監控量測數據包含風險評估指標的位移、應力及位移速率。由于監控量測數據在采集過程中可能會受到人為操作、讀數錯誤、測量設備精度不高等偶然因素的影響，加之施工中溫度、壓強等隨機因素也不可避免地會對圍巖及支護結構的位移、應力產生影響。因而，監控量測數據受外界因素的影響較大，致使監控量測信息難以真實反映圍巖及支護結構的變形及內力情況。此外監控量測數據具有離散型，沒有規律性可言，不利于對圍巖及支護結構的位移及應力變化情況進行分析。因此，為減少上述因素對監控量測數據準確度的影響，同時更好地反映圍巖及支護結構的位移及應力規律，指導后續隧道開挖施工，需要對監控量測數據回歸分析[6]。

通常采用指數函數、對數函數、雙曲線函數，對監控量測位移進行回歸分析。由于采集的監控量測應力數據上下波動，嘗試對相鄰天數間的應力值采用移動平均的方法進行回歸分析。監控量測位移速率則通過位移回歸曲線中點的斜率來反映。

2.3.1監控量測位移回歸分析

(1)建立位移-時間坐標系，繪制監控量測位移數據對應的點，得到散點圖。

(2)將散點圖繪制成光滑曲線，使曲線盡可能貼近所有點。

(3)根據步驟(2)中曲線的形狀，選擇下列函數曲線作為回歸分析函數。

(1)

式中：t為時間；μ(t)為位移量；e為自然對數函數的底數；A、B為回歸系數，根據監控量測的時間及位移，通過最小二乘法求出。

假定對圍巖的位移連續監測n天，其量測時間及位移分別為：

t1,t2,t3,…,ti,…,tn

μ1,μ2,μ3,…μi,...,μn

式中：ti為監測的第i天，μi為第i天的監測位移值，n為監測天數。A、B確定后，代入式(1)中，得到回歸分析函數[7]。

2.3.2監控量測應力回歸分析

監控量測的應力曲線上下波動，假定對錨桿應力連續測量n天，應力隨時間變化情況如下：

t1,t2,t3,…,ti,…,tn

σ1,σ2,σ3,…,σi,...,σn

按公式(2)，從t2天的量測應力值算起，對應力依次進行移動平均回歸分析：

(2)

式中：ti為監測的第i天；σi為i天的監測應力值；n為監測天數。

2.3.3監控量測位移速率回歸分析

監控量測位移速率則通過位移回歸曲線中點的斜率來反映位移速率與量測時間的關系。

2.4 風險評估指標施工狀態的確定

為使監控量測的施工信息準確反映出隧道施工風險評估指標的施工狀態，通過閱讀相關文獻、咨詢專家等，制定了表4風險評估指標施工狀態等級評判標準。將回歸分析后的結果與表4對比，確定出各風險評估指標的施工狀態等級。

為確定風險評估指標的施工狀態，對其制定了賦分區間，作為風險評估指標施工狀態定量分析的依據。參考《公路隧道施工技術細則》、結合專家意見，多次對各風險評估指標的施工狀態賦分試算，試算表明對各指標的施工狀態進行如下賦分區間時更合理。僅以A12、A21、A31、A41為例，見表5。

表4 隧道施工風險評估指標施工狀態等級劃分

表5 隧道施工風險評估指標施工狀態賦分區間描述

為方便A2、A3、A4回歸分析后的結果與表4對比，對其進行量綱處理，即A21/U、A22/U、A31/U，U為位移允許值，A41/D、A42/D、A43/D，D為錨桿軸力允許值。

2.5 風險評估指標動態權重的確定

研究表明隧道施工安全風險評估指標的權重與各指標的施工狀態緊密有關。由于常權重難以真實反映出隧道施工安全狀態。因此，借助狀態變權理論[11]確定出各評估指標的權重。由于各風險評估指標的施工狀態不斷變化，導致各評估指標的權重也在變化，故狀態變權理論確定的權重本質是動態權重。

狀態權重公式(3)綜合考慮了各評估指標間的相對重要程度及施工狀態兩個因素對風險評估指標權重的影響。

(3)

式中：Wij為第j個風險評估指標在第i天時的狀態權重；wij為第j個風險評估指標在第i天時的常權重；xij為第j個風險評估指標在第i天時的施工狀態值，α為狀態變權均衡系數，通常取1/2，此時式(3)為：

(4)

xij可通過第j個指標在第i天的監測數據回歸分析后的結果分別與表4及表5對比后確定出，與wij一起代入式(4)得到Wij。

2.6 確定隧道總體施工安全風險等級

根據隧道各評估指標動態權重，結合風險因素隸屬度及模糊綜合評價法，參考表6風險水平分級及表7風險接受準則確定出隧道總體施工安全風險等級，并根據風險等級情況制定相應的風險控制措施。

3 工程實例分析

為驗證提出的基于動態權重的隧道施工安全動態風險評估方法能否全程動態實時跟蹤和掌控隧道施工安全風險，將理論分析應用于XX隧道施工中。

表6 風險水平分級

表7 風險接受準則

XX隧道屬小凈距分離式隧道，圍巖等級主要為Ⅲ、Ⅳ級，節理裂隙較發育，巖層多為中風化巖，巖體風化較弱，自穩能力差。因此，有必要在隧道施工中構建其動態風險評估模型，確定出隧道施工風險動態權重，達到對隧道施工安全風險的動態分析的目的。

在XX隧道施工中先根據其圍巖情況、節理裂隙發育、施工狀況等信息識別出隧道施工中的風險因素，以建立出XX隧道施工安全風險評估指標，進而按照層次分析法確定出XX隧道施工安全風險評估指標的常權重值wij。

按照提供的監控量測數據回歸分析方法，先對各評估指標對應的監控量測信息不間斷地采集1周，然后分別對風險評估指標的位移和應力采用提供的方法進行回歸分析，以使監控量測數據更加真實反映出XX隧道的圍巖、支護結構的位移及應力規律，指導后續XX隧道開挖施工。

將XX隧道監控量測數據回歸分析后的結果分別與表4及表5對比，實現對各指標施工狀態的定量分析，以確定出XX隧道施工風險評估指標的施工狀態值xij在連續1周內的數據變化情況，并繪制于表8中。為確定各評估指標的狀態權重值，可將1周內各指標對應的常權重值wij及施工狀態值xij一起代入式(4)，確定出各評估指標的動態權重值Wij在連續1周內的數據變化情況，并繪制于表9中。

結合靜態風險評估流程，采用上述模糊綜合評價法對XX隧道施工風險進行評價，參考表6和表7中風險評價標準，得出1周內XX隧道的總體施工安全風險等級，并繪制于圖1。

表8 XX隧道風險評估指標施工狀態值

表9 XX隧道風險評估指標動態權重值

圖1 XX隧道總體施工安全動態風險等級隨時間變化圖

表8中第4天A11及A12的施工狀態值出現了大幅度變化，經調查第4天圍巖在開挖時開挖斷面不穩定，出現了塌方。而表9及圖1中第4天對應的隧道風險評估指標動態權重值和隧道總體施工安全風險等級在這一周內也顯示最大，表明第4天隧道開挖時存在施工安全風險，出現隧道施工安全事故的概率較大，在開挖斷面時應采取相應的風險管控措施。

提出的基于動態權重的隧道施工安全風險評估方法在XX隧道工程中的應用表明，提供的隧道施工安全動態風險評估方法確定出的XX隧道總體施工安全風險評估結果與對XX隧道進行現場調研的施工安全風險狀況基本一致，對于后期XX隧道斷面開挖中全方位掌控和動態跟蹤施工風險，達到規避施工安全風險、降低XX隧道施工安全事故突發率起到了良好的指導作用，并能為此類隧道施工安全動態風險評估提供借鑒。

4 結論

隧道施工中風險評估指標權重是反映隧道施工安全風險的重要參數，因此合理確定出風險評估指標的權重對于減少隧道施工安全風險具有重要意義。依托監控量測及回歸分析等方式可使監控量測信息更加真實反映出隧道施工中圍巖、支護結構的位移及應力規律，對于后續隧道開挖施工起到了指導作用。