佛岭隧道竖井建设期安全风险评估

梁文辉

佛岭隧道竖井建设期安全风险评估

梁文辉

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

佛岭隧道竖井由于其构造的特殊性，再加上所处地质环境的复杂性，在建设过程中存在大量的安全风险。文章通过查阅资料并结合工程实践，建立了佛岭隧道竖井施工阶段主要安全风险评估的指标体系，采用层次分析法与专家打分法相结合对各单因素进行综合，得出准则层和目标层的概率等级指标。通过计算分析，得出佛岭隧道竖井施工阶段安全风险概率等级综合评定值，针对高风险事件，提出降低风险等级的措施。

隧道工程；竖井；安全风险评估

1　工程概况

1.1竖井的布置

竖井的布设主要根据隧道长度、地形、地质、水文及环境影响等条件，结合营运通风、弃渣等的需求综合考虑。通过技术经济比较，五台至盂县高速公路佛岭隧道竖井采用单一竖井地上风机房方案。佛岭隧道位于五台县陈家庄乡至盂县梁家寨间牛道岭处，设计为左右线分离式。起讫桩号为ZK12+570～ZK21+373（K12+555～K21+360），左（右）洞全长8 803（8 805）m，左（右）洞体最大埋深758.203（761.616）m。佛岭隧道竖井位于左右线之间，左（右）线桩号为ZK16+416.4（K16+420），竖井埋深432 m，半径5.25 m，周长32.99 m，面积86.59 m2，其规模为全国前列。竖井平面布置图如图1所示。

图1　佛岭隧道竖井平面布置图（单位：cm）

1.2水文、地质条件

佛岭隧道总体走向近南北向，隧道围岩主要由第4系全新统冲洪积（Q4el+pl）黄土状土、卵石，第4系中更新统（Q2eol）黄土、残坡积（Q2el+dl）碎石，寒武系中统张夏组（∈2Z）泥质条带灰岩、寒武系下统馒头毛庄组（∈1m-mz）泥质页岩、泥质砂岩及石英砂岩，太古界龙华河群翻梁沟组（Arlnf）混合花岗片麻岩和太古界龙华河群辉理组（Arlnh）黑云斜长片麻岩等构成。佛岭隧道竖井处属于构造剥蚀中山区，山势陡峻，基岩裸露，地形整体上呈一鼻状山脉。

项目区地下水类型属变质岩类裂隙水，主要接受大气降水的补给，含水岩组主要由太古界龙华河群会理组（Arlnh）黑云斜长角闪片麻岩及混合花岗片麻岩等组成，区内地下水依据储存空间类型可分为风化裂隙水和构造裂隙水。竖井正常涌水量为136.77 m3/d，竖井稳定水位为97.2 m，稳定水位标高为1 080.80 m。最大涌水量为547.08 m3/d。属于弱富水区，地下水出水状态以淋雨状为主，局部会产生涌流状出水。

2　竖井重大安全风险分类分析与评估

2.1风险分析与评估的主要方法［1］

本文采用专家打分法对各风险源（准则层）之间的相对关系及各致险因子（指标层）之间的相对关系进行分析，同时给出各指标概率等级；通过层次分析法得到指标层各致险因子权重值，计算得出准则层概率等级，最终获得佛岭隧道竖井施工阶段安全风险概率等级综合评定值。

2.1.1 专家打分法

专家打分法是通过匿名方式征询有关专家的意见，对专家意见进行统计、处理、分析和归纳，客观地综合多数专家经验与主观判断，经多轮意见征询、反馈和调整后，得出每项风险因素的权数与等级值，从而求出该项风险因素的得分。

针对佛岭隧道竖井存在的复杂地质问题，对隧道涌水突泥、井口失稳、塌方等重点风险进行了辨识与评估，建立专家调查表，对佛岭隧道竖井存在的主要风险进行调查。调查表共发放14份，主要针对与设计阶段存在密切关系的设计院、从事过相关工程的施工单位和高校科研单位进行，收到有效调查表13份。

调查专家的信息如下：

（1）职称：教授或教授级高工5人、副教授或高工7人、工程师1人（根据调查统计，相关专家基本具有副高级职称以上，相关理论知识过硬）；

（2）年龄：＞60岁1人、50～60岁6人、40～50岁5人、30～40岁1人（大部分专家处在40～60岁，为单位中层领导）；

（3）相关专家对工程风险理论及方法的熟悉程度情况：从事该方向1人、非常了解4人、比较了解7人、了解一点1人；

（4）相关专家工作单位情况：设计单位7人、施工单位2人、高校或科研单位4人（本次调查主要选取设计单位和高校科研单位的相关专家，主要考虑对设计阶段进行评估，偏重于设计的理论与实践）；

（5）相关专家从事隧道专业时间：＞20年8人、15～20年2人、10～15年2人、5～10年1人（相关专家从事隧道专业基本都在10 年以上，经验丰富，满足调查要求）。

2.1.2 层次分析法（AHP）

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）是对一些较为复杂、较为模糊的问题作出决策的简易方法，它特别适用于那些难于完全定量分析的问题。它是美国运筹学家T. L. Saaty 教授于70年代初期提出的一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法。该方法能把定性因素定量化，并能在一定程度上检验和减少主观影响，使评价更趋科学化。该方法通过风险因素间的两两比较，形成判断矩阵，从而计算同层风险因素的相对权重。分析过程如下：

（1）首先要把问题条理化、层次化，构造出一个有层次的结构模型。在这个模型下，复杂问题被分解为元素的组成部分。这些元素又按其属性及关系形成若干层次。上一层次的元素作为准则对下一层次有关元素起支配作用。

递阶层次结构中的层次数与问题的复杂程度及需要分析的详尽程度有关，一般递阶层次数不受限制。每一层次中各元素所支配的元素一般不要超过9个。这是因为支配的元素过多会给两两比较判断带来困难。

（2）明确分析问题，划分和选定有关风险因素，建立风险因素分层结构，从而可以得到一个n×n的判断矩阵。

（3）计算判断矩阵的最大特征值和对应的特征向量，分量即相应n个因素的权重。

（4）因为判断矩阵采用两两比较得到，未必满足等式aiajk=aik。因此，需要采用一个一致性指标CI=ymax-n/（n-1），来衡量由于矩阵不相容所造成的最大特征值和特征向量的误差。当判断完全一致时，CI=0，一般只要CR=CI/RI＜0.1，就认为这个判断可以满意了。平均随机一致性指标RI取值如表1所示。

把所求出的各子因素与相对危害程度统一起来，就可求出工作包风险处于高、中、低各等级的概率值的大小，由此可判断工作包的风险程度。

表1　平均随机一致性指标RI取值

层次分析法处理问题的程序与管理者的思维程序、分析解决问题的思路一致。在考虑过程中采用专家评判，并用定量原则检验这一评判的重要性，最后综合成整个项目的风险，既有定性分析，又有定量结果，为管理者提供了一个全面了解项目全过程中风险情况的机会，使其决策更为科学化。

2.2竖井重大安全风险分析与评估［2］

2.2.1 竖井重大风险分析

考虑到佛岭隧道竖井埋深深、直径大的特点，通过工程类比，确定其施工阶段主要风险。受到各种客观条件的限制，不可能将各种评价指标全部反映到竖井风险的评估中，必须选取对风险起控制作用的主要评价指标，忽略对其影响较小的次要评价指标，参照竖井风险的相关研究，分别建立评估指标体系，如表2、表3所示。

表2　佛岭隧道竖井施工阶段主要安全风险指标体系

2.2.2 权重计算

（1）涌水突泥风险的评价指标

佛岭隧道竖井涌水突泥的风险性与降水、断层破碎带、承压水、开挖进尺、施工方案、支护参数、超前地质预报等因素有关。建立层次分析法的判断矩阵，判断矩阵如表4～表6所示。

B判断矩阵一致性比例：0/0.58＜0.1，因此，矩阵满足一致性判断。对总目标的权重为0.5。

C判断矩阵一致性比例：0.04/0.90＜0.1，因此，矩阵满足一致性判断。对总目标的权重为0.5。

涌水突泥风险各因素的权重如表7所示。

表3　佛岭隧道竖井施工阶段各安全风险指标体系

表4　B、C层对A1的判断矩阵

表5　B层判断矩阵

表6　C层判断矩阵

表7　涌水突泥风险各因素的权重表

根据各个因素的权重和专家对各个指标的概率等级打分情况，求出涌水突泥的概率等级值。如表8所示。

（2）井口失稳风险的评价指标

佛岭隧道竖井井口失稳的风险性与隧道的区域地质、软弱夹层、降水、断层破碎带、位置选择、支护参数、施工方案等因素有关。建立层次分析法的判断矩阵，判断矩阵如表9～表11所示。

表8　涌水突泥风险概率等级确定

表9　B、C层对A2的判断矩阵

表10　B层判断矩阵

表11　C层判断矩阵

B判断矩阵一致性比例：0.010 3/0.90＜0.1，因此，矩阵满足一致性判断。对总目标的权重为0.5。

C判断矩阵一致性比例：0.00915/0.58＜0.1，因此，矩阵满足一致性判断。对总目标的权重为0.5。

井口失稳风险各因素的权重如表12所示。

表12　井口失稳风险各因素的权重表

根据各因素的权重和专家对各指标的概率等级打分情况，求出井口失稳的概率等级值如表13所示。

表13　井口失稳风险概率等级确定

（3）塌方风险的评价指标

佛岭隧道竖井塌方的风险性与隧道的区域地质、软弱夹层、涌水、断层破碎带、衬砌结构、断面形式、开挖方式、支护参数、监控量测、施工方案、超前地质预报等因素有关。建立层次分析法的判断矩阵如表14～表16所示。

表14　B、C层对A2的判断矩阵

表15　B层判断矩阵

表16　C层判断矩阵

B判断矩阵一致性比例：0.00 347/0.90＜0.1，因此，矩阵满足一致性判断。对总目标的权重为0.444。

C判断矩阵一致性比例：0.010 7/1.32＜0.1，因此，矩阵满足一致性判断。对总目标的权重为0.556。

塌方风险各因素的权重如表17所示。

根据各个因素的权重和专家对各个指标的概率等级打分情况，求出塌方的概率等级值如表18所示。

2.2.3 佛岭隧道竖井施工阶段主要安全风险的评价指标

（1）佛岭隧道竖井施工阶段安全风险概率等级的确定

建立准则层的判断矩阵如表19所示。

表17　塌方风险各因素的权重表

表18　塌方风险概率等级确定

表19　A层对O的判断矩阵

O判断矩阵一致性比例：0.067 8/0.58＜0.1，因此，矩阵满足一致性判断。

根据各个因素的权重和专家对各个指标的概率等级打分情况，求出施工阶段塌方风险的概率等级值，如表20所示。

表20　佛岭隧道竖井施工阶段安全风险概率等级确定

（2）佛岭隧道竖井施工阶段安全风险的确定

获得综合评价指标为2.009 2，后果等级评定为为3级（严重的），由专项风险等级标准［2］可知，评估结果为3级，为高度风险，需制定风险消减措施的等级。

3　结论

通过查阅资料并结合工程实践，建立了佛岭隧道竖井施工阶段主要风险评估的指标体系，采用层次分析法对各单因素进行综合，得出准则层和目标层的概率等级指标。

本文通过层次分析计算可知：井口失稳发生风险的概率最大，塌方风险发生的概率较小，涌水突泥影响最小。涌水突泥的评价指标体系中，施工方案、断层破碎带、承压水、开挖进尺因素为主要风险因素；井口失稳的评价指标体系中，位置选择、断层破碎带、降水因素为主要风险因素；塌方的评价指标体系中，断层破碎带、开挖方式、软弱夹层因素为主要风险因素。通过对佛岭隧道竖井施工阶段主要风险的评估，得出其发生概率等级指标为3，对应的概率区间为：0.1%≤P＜1%（偶尔发生的），损失等级为3级（严重的），得出风险等级为3级，为高度风险，需制定风险消减措施的等级。

针对井口失稳和塌方高风险事件，本文建议采取如下措施对风险进行控制，降低风险等级：

（1）佛岭隧道竖井施工过程中井口失稳风险较高，要注意引入第三方监测，对井口周边围岩、山体、地表进行稳定性监控量测［3］，控制施工过程中对围岩的扰动；对井内结构进行收敛变形和应力监测，控制可能出现的井口支护结构在围岩变形作用下出现的剪切破坏。

（2）佛岭隧道竖井施工过程中塌方风险较高，要注意加强超前地质预报，准确把握前方围岩情况；及时根据超前地质预报结果和出现的异常情况，调整支护形式，确保施工过程安全，制定塌方紧急预案；加强施工质量检测工作，确保施工质量；对竖井结构进行收敛变形和应力监测，控制可能出现的有害变形，及时采取措施进行控制。

［1］交通运输部工程质量监督局.公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估制度及指南解析［M］.北京：人民交通出版社，2011：52-54.

［2］方碧滨.公路隧道施工中的安全风险评估及防范对策［J］.公路交通技术，2014（5）：123-128.

［3］JTG T D70-2010公路隧道设计细则［S］.

Safety Risk Assessment for Foling Tunnel Shaft Construction

Liang Wenhui
（Shanxi Provincial Survey and Design Institute of Communications， Taiyuan 030012， China）

There were a large number of security risks in the process of construction of Foling tunnel shaft， due to the particularity of its structure， combined with the complexity of geological environment. In this article， the main safety risk assessment index system was established in the Foling tunnel shaft construction stage according to reference information and engineering practice. By combining expert scoring method and analytic hierarchy process， single factor was evaluated synthetically， and then criterion layer and target layer of the probability index were concluded. The comprehensive evaluation value on the Foling tunnel shaft construction safety risk probability level was calculated and analyzed. The measures to reduce the risk level were put forward for high risk events.

tunnel engineering； shaft； safety risk assessment

U455.8

A

1672-9889（2015）06-0059-05

梁文辉（1982-），男，山西长治人，工程师，主要从事隧道设计工作。

（2015-03-11）