復雜地質條件下隧道施工塌方風險評估

【摘? ? 要】：為了實現對地鐵隧道施工塌方風險的有效評估，設計一種針對地鐵隧道工程施工的塌方風險評估方法，提取可能對施工造成影響的風險因素，設定風險因素的等級，建立評價指標等級矩陣，計算風險指標的權重，構建地鐵隧道施工塌方風險評估指標體系，引進當量法計算塌方風險并通過實例驗證設計的評估方法可行。

【關鍵詞】：復雜地質；地鐵；隧道；風險評估

【中圖分類號】：U455.1【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）01-04-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.01.002

Risk Assessment of Subway Tunnel Collapse under Complex Geological Conditions

MA Zhilei

（China Railway 16th Bureau Group Corporation Limited， Beijing 100000， China）

【Abstract】：In order to evaluate effectively the collapse risk of subway tunnel construction， a collapse risk assessment method for subway tunnel construction is designed， which extracts the risk factors that may affect the construction， sets the level of risk factors， establishes the evaluation index level matrix， calculates the weight of risk indicators， and constructs the subway tunnel construction collapse risk assessment index system， The equivalent method is introduced to calculate the collapse risk， and the feasibility of the evaluation method is verified by an example.

【Key words】：complex geology； metro；tunnel； risk assessment

隧道工程一般都處于復雜地質條件下，由于施工風險過于隱蔽，具有不確定性、隨機性、復雜性等特點，導致施工人員無法及時感知或識別 [1]。為了及時掌握并有效感知施工中的風險，本文將施工中的復雜地質條件作為研究背景，從風險評估指標體系構建、評價指標等級矩陣與權重計算、基于當量法的塌方風險計算與評估結果量化3方面，設計一種針對地鐵隧道工程施工的塌方風險評估方法。

1 復雜地質條件下地鐵隧道施工塌方風險評估

1.1 評估指標體系構建

為了及時感知地鐵隧道施工中的塌方風險，在開展相關研究前，需要進行塌方風險評估指標體系的構建。雖然不同工程項目施工特點不同，但各類型工程都具有施工風險的共性特征[2]；對指標進行細化與篩選，優選指標集合中影響力較大、重要性更高的指標，將評價指標控制在5～10個范圍內[3]。見表1。

1.2 建立評價指標等級矩陣與權重計算

提取每個可能對施工造成影響的風險因素，設定每一個風險因素的等級均為m，不同等級的風險因素，對施工現場的坍塌事故所造成的影響是不同的[4]。將等級為m的風險因素對施工現場安全的影響程度表示為一個隸屬度函數，參照標準的評價矩陣，進行影響程度的描述。

[Ri=ril1? ?L? ?rilk? ? ? Orinl? ?L? ?rink] （1）

式中：[Ri]為針對塌方風險評估指標[i]構建的評價矩陣；[ril1]為指標[i]在維度[l]下的風險；[L]為風險指數；[rilk]為指標[i]在維度[k]下的風險；[O]為無風險施工行為。

應注意的是，不是評價指標體系中所有指標都可以用評價矩陣表示。例如，指標體系中的定量化指標（隧道整體結構跨度F51、施工循環進尺方式F22等），需要使用梯形隸屬度函數對其進行描述。指標體系中的地質偏壓情況F11、工程圍巖等級F12、地下水流向流速F13等無法定量描述，需要在建立評價矩陣時，基于定性角度對其進行模糊表示[5]。

在完成評價指標等級矩陣的建立后，建立不同指標的權重集合，計算指標權重值，進行指標重要度的分析[6]。在此過程中，可設定[a]、[b]兩個參數，[a]表示指標因素、[b]表示等級，將[a]的取值定義在1～n之間，[b]的取值定義在1～m之間；則[iab]可以表示為指標[i]中第[a]個因素的第[b]個等級。

對[iab]進行歸一化處理

[nmiab=1] （2）

在完成對[iab]的處理后，引進層次分析法（AHP），確定不同評價指標的權重值。為避免復雜的評價過程對評價結果造成影響，采用一級模糊計算的方式，進行單個指標中獨立因素的權重計算[7]。

[Bi=abRi]? （3）

式中：[Bi]為指標[i]在風險評價過程中的權重值。

根據式（3）計算評價指標體系中不同指標的權重值，掌握并及時感知不同指標在評價中的優先級與重要程度。

1.3 基于當量法的塌方風險計算與評估結果量化

施工中塌方事故往往是由多方面因素造成的，綜合當前隧道施工塌方風險評估方式并考慮經濟損失、人員傷亡、工期延誤等因素，確定塌方風險的嚴重程度，在這一過程中，引入當量法對風險進行計算。將塌方發生后不同后果按照相關規定一級標準進行量化，使其與一個當量的嚴重程度相互抵消，進而實現對結果的量化歸一。

[DC=z300+d1+K10]? （4）

式中：[DC]為塌方風險評估結果量化值；[z]為發生塌方后造成的直接經濟損失；[d]為傷亡人數；[K]為工期延誤時間。

式（4）計算得出的結果可作為塌方風險發生后量化評估結果。

評估過程中，為了確保風險計算準確性，還需要確定最終塌方風險的可能性等級。見圖1。

在確定塌方風險可能性等級的基礎上，對塌方出現后造成的損失進行量化，確定塌方風險具體出現的可能性。具體而言，由于地鐵隧道施工過程中風險事件造成的具體后果是未知的，因此采用專家評判的方式確定塌方風險發生后事件的嚴重性等級；將塌方風險劃分為5個不同等級，其嚴重程度從高到低依次為十分嚴重、嚴重、中等嚴重、一般嚴重、輕微嚴重。5個等級對應的延誤時間依次為超過24月、6～24月、2～6月、0.5～2月、少于0.5月；上述風險等級在環境和社會影響程度上也均為從高到低。

2 應用實例

為了探究上述風險評估方法的理論設計在實際應用中是否能夠解決復雜地質環境中各類因素的干擾問題，以某地區正在開展的施工項目為例，對該項目出現塌方風險情況進行具體評估。

該隧道為特長、分離式結構，左線與右線的長度相差102 m，右線略長，屬于典型的特長公路隧道。為了方便施工，在隧道周圍設立了2個斜井：1號斜井位于隧道南側，與隧道左線之間的距離為123 m，綜合坡度12%；2號斜井同樣位于隧道南側，與隧道左線的距離為162 m，綜合坡度10%。

首先確定塌方風險評估指標體系，綜合該項目實際情況，選擇體系當中的地質偏壓情況、工程圍巖等級、賦存情況、支護成果質量、爆破管材的運輸方式與抽檢結果共5個二級指標，對其編號為F01、F02、F03、F04、F05；對評價指標等級矩陣進行建立，分別設定5個評價指標的權重為0.1、0.3、0.2、0.2、0.2；引入當量法對塌方風險進行計算并針對評估結果量化；結合各評估指標的結果，確定1號斜井與2號斜井的塌方風險等級。見表2。

隧道施工中，應當重點針對1號斜井給出明確的防塌方決策方案。

3 結語

通過工程實例可以看出，本文提出的塌方風險評估方法應用到真實的工程項目當中，可實現對其斜井塌方風險的等級的判定，為工程安全施工提供重要依據。

參考文獻：

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收稿日期：2022-02-25

作者簡介：馬志鐳（1991 - ）， 男， 河南南陽人， 工程師， 從事市政工程施工管理工作。