山区长大隧道施工风险评估与风险控制对策

蓝明祥

(新疆兴亚工程建设有限公司，新疆 乌鲁木齐　831100)



山区长大隧道施工风险评估与风险控制对策

蓝明祥

(新疆兴亚工程建设有限公司，新疆 乌鲁木齐831100)

西南地区经济相对落后，周边环境脆弱，交通等生活设施简陋，高速铁路隧道施工难度大，因此有必要对山区长大隧道进行施工风险评估，更新、改善施工工艺，实现绿色施工。以模糊综合评估法为主线，综合运用了专家调查法、风险矩阵法、风险层次分析法，从隧道瓦斯、塌方、涌水突泥三个方面对某山区长大隧道施工风险进行估计取值，得出山区隧道施工风险为高度风险，应对具体风险因素采取恰当措施，根据施工进度更改监测频率，建立了山区长大隧道施工风险评估模型，并针对性地提出风险预防技术对策，以此进一步提高同类型山区长大隧道工程施工风险控制水平。

；山区；长大隧道；施工风险；风险评估；风险控制；模糊综合评价法

0　引言

近年来，国内高速铁路迅猛发展有目共睹，但是西部区域山区较多，经济相对落后，尤其是西南地区地质条件非常复杂，建设进度非常缓慢[1]，山区长大隧道施工更是遇到了前所未有的挑战，通过对山区长大隧道施工风险进行评估并采取有效控制措施，持续改进施工方法，可实现施工预防[2]。

工程施工风险评估研究进展相对缓慢，隧道施工领域尤其如此，至70年代以后施工风险分析才有一定进展[3]。R.Sturk[4]对斯德哥尔摩环形公路隧道施工风险进行风险识别，首次将风险分析技术应用于隧道施工过程，之后，B.Nilsen[5]，H.Duddeck[6]，S.D.Eskesen[7]，A.Odgard[8]等在前人的基础上进一步对不同隧道的施工风险进行了评估。国内风险管理与分析的发展起步较晚，但发展较快，李永盛等[9]在研究报告中首次在国内对大型盾构隧道项目进行风险评估；胡群芳和黄宏伟[10]针对地下工程建立了风险接受准则模型，国内风险评估有了进一步的提高；王梦恕[11]，王学斌[12]等人也对隧道项目过程中的设计、施工有进一步讨论。

山区长大隧道施工相对其他地区隧道而言，施工难度大、工程地质条件复杂、工作环境恶劣、周边生态环境脆弱、交通等生活设施简陋，因此有必要根据前人经验对山区长大隧道施工风险进行评估，从而保证施工过程随施工进度不断更新、补充、完善，持续改进施工工艺，实现绿色安全施工。本文以模糊综合评估法为主线，综合运用了专家调查法、风险矩阵法、风险层次分析法对山区长大隧道施工风险因素的发生概率及损失严重性进行估计取值，建立山区长大隧道施工风险评估模型，并针对性地提出风险预防技术对策，以此进一步提高山区长大隧道工程施工风险控制水平。

1　工程概况

某山区长大隧道施工采用“一平一斜”的辅助坑道方式，隧道洞身穿越地层为C1y～T1yn1，岩性灰岩、白云岩、玄武岩和泥质白云岩为主，穿越断层有杨梅山—小达村断层等3处，不良地质现象为滑坡、危岩、岩堆、岩溶、煤层瓦斯及采空区、地裂缝、高地应力及岩爆。隧区穿越岩溶深部溶蚀裂隙发育带，隧道开挖可能遇到较大的岩溶突水。

从隧址地质条件、岩层条件、水文条件、工程规模可知工程地质复杂、施工安全风险高、施工难度大、工期紧、质量标准高、环保、水保要求高，工程难点主要有；①隧道穿越杨梅山—小达村断层等3处断层，构造应力复杂多变，容易出现瓦斯、危岩、岩爆等地质现象，不良地质段开挖支护困难；②隧址穿越岩溶地区，地下水极发育，易发生突水、突泥、塌方等，威胁洞内施工人员生命安全；③为加快工期，山区长大隧道修建有平导及斜井2个辅助导坑，通风、出渣运输困难。

2　风险因素识别及权重分析

层次分析法是由美国数学家A.L.Saaty提出的风险权重量化分析方法。根据具体问题，分解风险问题为若干层次，然后结合专家意见在同一层次上对各因素进行比较和计算，建立风险判断矩阵。假设某层有风险因素A1，A2…An，如将Ai和Aj进行比较，运用1-9标度法反映两因素的相对重要性，若Ai与Aj相比得aij，那么Aj与Ai相比标度值则为aji=1/aij，这样就可以得到一个n×n的判断矩阵A=(aij)n×n，矩阵A的最大特征值ymax，与ymax对应的特征向量W，W的分量即为n个因素的权重。

最后通过一致性检验可以衡量判断矩阵是否相容，用一致性比例CR来判断。

CI=(ymax-n)/(n-1)

(1)

CR=CI/RI

(2)

式(1)、(2)中：CI为一致性指标；CR为一致性比例；ymax为最大特征值；n为矩阵阶数。

平均随机一致指标见表1。

表1 平均随机一致性指标阶数RI阶数RI1091.4620101.4930.52111.5240.89121.5451.12131.5661.26141.5871.36151.5981.41

针对山区长大隧道施工的工程难点，对隧道施工风险因素进行识别分类，利用层次分析法将施工风险因素分为3层，并建立判断矩阵得出风险因素权重值，具体见表2。

表2 隧道风险层次分级及权重值一级二级隧道施工风险U塌方u1w1=0.42æèçöø÷超前地质预报u11(w11=0.05)断层、岩溶、节理裂隙等特殊地质u12(w12=0.50)地下水状况u13(w13=0.14)隧道特征u14(w14=0.08)支护结构设计u15(w15=0.16)监控量测设计u16(w16=0.07)瓦斯u2w2=0.17æèçöø÷超前地质预报u21(w21=0.08)衬砌及支护结构设计u22(w22=0.12)通风方案设计u23(w23=0.34)监控量测设计u24(w24=0.03)揭煤施工情况u25(w25=0.07)火源控制措施u26(w26=0.15)爆破方式u27(w27=0.21)涌水突泥u3w3=0.41æèçöø÷超前地质预报u31(w31=0.11)施工期防排水u32(w32=0.22)监控量测设计u33(w33=0.06)超前支护及预注浆处理u34(w34=0.22)衬砌及支护结构设计u35(w35=0.14)地下水状况u36(w36=0.25)

3　评估矩阵及子风险水平确定

通过专家调查法对风险因素发生概率及后果进行打分，最后对专家调查结果进行总结分析，对山区长大隧道风险发生等级和风险损失等级确定风险矩阵图(表3)，根据标准[13]，风险分为4级，每级风险赋予一定分值(表4)，利用加权法对评判指标进行数据处理可得单风险因素水平(表5)。

表3 风险评估矩阵概率等级后果等级轻微a较大b严重c很严重d灾难性e很可能A高度高度极高极高极高可能B中度高度高度极高极高偶然C中度中度高度高度极高不可能D低度中度中度高度高度很不可能E低度低度中度中度高度

表4 风险等级判断标准风险水平等级风险等级指针风险分接受准则处理措施Ⅰ级(低度)10～2可忽略可不进行处理Ⅱ级(中度)32～4可接受加强监测频率Ⅲ级(高度)54～6不期望需采取处理措施Ⅳ级(极高)76～8不可接受高度重视此类风险

表5 塌方风险、瓦斯风险、涌水突泥风险单因素风险评价结果施工风险风险因素低中高极高风险水平等级评价塌方风险超前地质预报0.050.470.390.093.99Ⅱ级(中度)特殊地质0.010.190.500.305.16Ⅲ级(高度)地下水状况0.010.160.470.355.33Ⅲ级(高度)隧道特征0.170.510.250.063.38Ⅱ级(中度)支护结构设计0.110.500.290.073.60Ⅱ级(中度)监控量测设计0.170.500.270.053.37Ⅱ级(中度)瓦斯风险超前地质预报0.060.540.350.053.78Ⅱ级(中度)衬砌及支护结构设计0.160.530.240.053.33Ⅱ级(中度)通风方案设计0.040.400.440.134.32Ⅲ级(高度)监控量测设计0.190.500.260.053.31Ⅱ级(中度)揭煤施工情况0.070.380.390.164.24Ⅲ级(高度)火源控制措施0.050.320.410.214.56Ⅲ级(高度)爆破方式0.040.580.330.053.78Ⅱ级(中度)涌水突泥风险超前地质预报0.050.470.390.093.99Ⅱ级(中度)施工期防排水0.140.490.310.073.59Ⅱ级(中度)监控量测设计0.170.500.270.053.37Ⅱ级(中度)超前支护及预注浆处理0.100.450.380.073.81Ⅱ级(中度)衬砌及支护结构设计0.100.430.330.103.75Ⅱ级(中度)地下水状况0.010.160.470.355.33Ⅲ级(高度)

4　风险等级评定

模糊综合评价法采用精确的数学语言对工程项目的风险模糊性进行描述，可有效地评定施工风险等级，其步骤一般如下：

1) 建立因素集：

(3)

式中：ui(i=1，2，…，m)可表示为施工风险因素集合个体。

2) 建立评价集：

(4)

3) 建立因素权重集：

因素权重集是反映因素集中各影响因素对于评价对象的影响程度的大小。设各风险因素ui(i=1，2，…，m)相应权重ai(i=1，2，…，m)，风险因素集：

(5)

其中ai(i=1，2，…，m)满足归一化条件：

(6)

R～=r11r12…r1nr21r22…r2n…………rm1rm2…rmnéëêêêêêùûúúúúú

(7)

4) 初级模糊评价：

r11r12…r1nr21r22…r2n…………rm1rm2…rmnéëêêêêêùûúúúúú=(b1,b2,…,bn)

(8)

其中bj(1，2，…，n)即为模糊综合评价指标。

5) 二级模糊综合评价：

6) 取以bj为权数，以表4所示分值为标准对各个评价集元数加权处理，可得某风险因素的风险水平。

(9)

该山区隧道施工风险水平如表6、表7所示。

表6 隧道施工初级风险评价结果风险因素低中高极高风险水平等级评价塌方风险0.050.300.420.224.61Ⅲ级(高度)瓦斯风险0.060.450.370.114.05Ⅲ级(高度)涌水突泥风险0.080.390.370.144.13Ⅲ级(高度)

表7 隧道整体施工风险评价结果低中高极高风险水平等级评价0.070.360.390.184.36Ⅲ级(高度)

5　风险技术对策

根据规定[13]，对于中度风险只需要加强监测频率，极高、高度风险必须采取处理措施坚决避免风险发生，因此确定如下风险技术对策：

1) 山区特长隧道施工过程中塌方、瓦斯、涌水突泥均属于高度风险，加强超前地质预报工作，对特殊地质段应注意施工工艺改进。

2) Ⅴ级围岩浅埋段，断层破碎带段，岩溶和高承压水地段，施工中极易出现各种风险，按设计图纸要求施工，做到短进尺，弱爆破，勤支护。

3) 隧道施工穿过含煤地层时，施工尽量采取断面大的施工方法，以增大断面面积，强化通风管理，创造一个良好的通风环境。

4) 在超前地质预报的基础上，可对突水涌泥事故的应急预案处理措施进行补充、完善，最大程度地降低突水涌泥事故的风险和损失。

6　结论

1) 根据隧道工程特质，从隧道瓦斯、塌方、涌水突泥三个方面对山区长大隧道施工风险进行评估，得出此山区隧道施工风险为高度风险，处于不期望状态，必须采取风险处理措施降低风险并加强监测。

2) 以模糊综合评估法为主线，综合运用了专家调查法、风险矩阵法、风险层次分析法对贵州省艰难山区某高速铁路特长隧道施工风险因素的发生概率及损失严重性进行估计取值。

3) 建立山区长大隧道施工风险评估模型，并针对性地提出风险预防技术对策，以此进一步提高同类型山区长大隧道工程施工风险控制水平。

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[13]中国人民共和国铁道部.铁路隧道风险评估与管理暂行规定[S].2007.

2016-02-22

蓝明祥(1976-)，男，工程师，主要从事土木工程(路桥)技术工作。

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