基于优度可拓学评价法的偏压隧道施工病害风险评价

陆忠廖

(广西壮族自治区田东公路管理局，广西 百色 533000)

0 引言

近十几年我国隧道施工技术发展迅猛。为了减轻大范围地表开挖带来的不利影响，常在覆盖层浅的地方采用暗挖法进行隧道施工。在工程上，将埋深小于自然平衡拱高度的隧道称为浅埋隧道。浅埋偏压隧道具有围岩岩体松散破碎、节理裂隙非常发育、围岩体不稳定等特征，但可以大规模节约建设成本。当浅埋隧道沿山或沿河边修建时，由于隧道左右侧地形的不对称性，造成围岩周围应力分布不均，形成隧道的浅埋偏压段。浅埋偏压大跨度隧道在开挖过程中经常会出现冒顶、塌方、突水等不良灾害，在运营过程中可能出现渗水等不良病害。因此，浅埋偏压大跨度隧道的围岩稳定性分析与施工过程中的风险评估成为亟需解决的问题。

本文依托百色市八阳沟隧道工程，介绍和分析了施工时遇到的主要病害或问题；同时，基于可拓学的原理，针对隧道风险评估体系，建立优度可拓评价法模型，对隧道施工中遇到的定性指标进行量化预处理和比较；然后根据浅埋偏压隧道风险评估模型，应用于隧道施工安全风险管理及事故预测，促进隧道施工安全防治，及时采取预防措施；最后通过监测结果验证处理方案的科学有效性，从而为避免或处治类似地质情况下隧道洞口段初期支护的变形提供借鉴。

1 工程概况

八阳沟隧道位于百色市西林县东南部，八达林场西南约1 km。隧道长565 m，为单拱隧道。隧道入口位于K2+205，出口位于K2+770，设计高程776.915 m，埋深最大约为71 m，双向四车道，坡比2.00%。

隧道地形是山体结构侵蚀、边坡切割。隧道出入口皆靠近山体缓坡处，坡度较小，隧道入口段坡度约20°～30°，出口段坡度约15°～25°。隧道地面标高处于780～853 m区间，相对高差约70 m。

地层岩性上，根据钻探资料显示，部分隧道基岩裸露。土体部分主要为泥沙砾石和含碎石粉质黏土，基岩为灰绿色钙质泥岩、粉砂岩、上三叠系碎屑岩等。

地质构造上，该隧道位于南岭纬向构造带南部，经过早期构造运动、构造转换、演化分布形成，东西向构造格架为主要特征。

断层类似褶皱，部分重叠，褶皱被断层破坏，保存不完整。在近东西方向，大多数东部地区的平面折角一般都很低，远<50°，两翼是不对称的；次生褶皱发育良好，为不对称或反向小褶皱。

水文地质环境一般，经工程地质调绘，隧道区沟谷内平时有少量径流，地表水量受大气降雨量大小影响较大。于隧道K2+235右侧45 m有一泉眼QYR2，为基岩裂隙出水，常年有水，流量小，枯季约0.03 L/s，丰季约0.25 L/s；于隧道K2+610左侧145 m有一泉眼QYR3，为基岩裂隙出水，常年有水，流量小，枯季约0.01 L/s，丰季约0.2 L/s。

2 八阳沟隧道施工遇到主要病害或问题

八阳沟隧道进洞口K2+215～K2+305段属于Ⅳ、Ⅴ围岩，经过现场实际勘测埋深为6～31 m，为浅埋地段。该段自然山体为“Ⅴ”字型冲沟，自然坡度为30°左右。右侧埋深偏薄，岩石风化强烈，自然稳定性差，为了隧道进口质量及施工安全，已对进口右侧进行山体反压，使隧道两侧压力平衡。

八阳沟隧道进洞口K2+215～K2+305段属于浅埋地段，右侧埋深偏薄，岩石风化强烈，自然稳定差，为了隧道进口质量及施工安全，对进口右侧进行山体反压，使隧道两侧压力平衡。为保证回填的土体与原坡面形成整体，在洞顶铺满φ42×4 mm小导管进行注浆结岩，每根长4.5 m，并在回填土体坡面进行砂浆锚杆、挂网及喷射混凝土加固。

八阳沟隧道出口端K2+685～K2+760洞顶自然山体右高左低因此发生偏移产生偏压，造成洞内K2+710～K2+750段右侧拱顶及周边初期支护受到右侧压力的挤压，经检测显示，该段最大沉降值达到了69 cm，平均值为30 cm，已经无法保证二次衬砌的厚度。为了隧道质量及施工安全，对左侧进行山体反压，使隧道两侧压力平衡；拆除原有的初期支护，凿除C20喷射混凝土，重新进行初期支护施工。八阳沟隧道K2+713～K2+593地质超前预报结论如表1所示。

表1 八阳沟隧道K2+713～K2+593地质超前预报结论表

3 浅埋偏压隧道风险评估实例

为了综合评价一个对象的长处和短处，采用不同的方法、策略等都会造成优点和缺点失衡的问题，为了克服这个问题，需要综合考虑正反两方面的因素。优度可拓评价法是综合多种衡量条件对某一对象、方法、策略等的优劣程度进行综合评价的实用方法。[1]在这一领域，优度可拓评价法是利用相关函数计算，具有评价所需测量程度的精确优势。

与传统的评估方法相比，优度可拓评价法是基于研究区间的一种评价方法，克服了矛盾因素与指标选择之间的关系，也可以转化风险之间的关联关系，效果更为实际。本文通过建立优度可拓评价法模型研究了浅埋偏压隧道的潜在施工风险，确定风险指标的权重，对浅埋偏压隧道进行了风险综合评价。[2]

3.1 确定评价指标及隧道风险评估等级

突水、塌方事故是浅埋偏压隧道面临的高风险隧道施工事故之一。因此，在项目风险评估的初期阶段就要针对该施工发生风险进行评估，这也将是下一阶段施工建设成功的重要基础。结合现行规范及相关设计文件，总结八阳沟隧道的各部分风险判断，通过和相似的项目进行类分析[3]，得到八阳沟隧道各部分的初步风险评估结果见表2。

表2 八阳沟隧道初始风险评估结果表

由表2可知：根据《隧道风险评估与管理暂行规定》对八阳沟隧道进行风险评估和管理，导致各种风险因素的事故发生概率分别为1到5表示“不可能”“偶然”“可能”“较高可能”和“极大可能”等风险指标，风险后果分类标准划分为“极高(一级)”“高(二级)”“中(三级)”和“低(四级)”四个等级。

初步评估认为，八阳沟隧洞施工区风险较高，初期8个风险因素主要集中在进口斜坡段和浅埋段，由于该隧道位于地下水循环区和喀斯特溶洞区，地质环境异常导致水(泥浆)突涌，其中隧道穿越泥岩突涌危险区加之红石岩高残水率(高残泥率)导致危险程度高度集中。

综上所述，典型的隧道风险事件包括突水、崩塌、洞内泥石流等，主要是由断裂带和岩性土接触带导致地下水异常造成的。

3.2 定性指标量化处理

采用优度可拓评价法要求评价的数据是可靠的，评价指标可以是离散的，但必须具有可代表性，数据需要有一定的规律性。因此，优度可拓评价法作为一种综合评价方法，可根据其对数据质量的要求，对风险指标体系进行量化处理。浅埋偏压隧道的风险评价指标体系如图1所示[4]。

图1 浅埋偏压隧道风险评价指标体系示意图

对于偏压率C1，风险划分情况见表3。

表3 偏压率C1风险评估指标表

对于地质情况C2，风险划分情况见表4。

表4 地质情况C2风险评估指标表

对于含水情况C3，结合开挖掌子面或勘察资料来表征，风险划分情况见表5。

表5 含水情况C3风险评估指标表

对于浅埋大小情况C4，以上覆岩层厚度来表征，根据太沙基公式分界标准见表6。

表6 浅埋大小情况C4风险评估指标表

对于岩体完整性指标C5，参考工程岩体分级相关规范。具体情况见表7。

表7 岩体完整性指标C5风险评估指标表

对于岩层产状C6，以岩体的主要结构面产状的倾角来表示，见表8。

表8 岩层产状C6风险评估指标表

对于层面与层间裂隙C7，一般而言，层面与层间裂隙很发育部位处地下水活跃，隧道穿过此类岩层易产生坍塌或突水突泥等事故。具体情况见表9。

表9 层面与层间裂隙C7风险评估指标表

对于围岩级别C8，评价标准见表10。

表10 围岩级别C8风险评价指标表

在隧道风险评估过程中，可以邀请一定数量的有经验的专家对备选隧道施工方案进行比较，同时施工现场技术人员也可以对每个非定量指标进行评分。考虑到不同的评估人经验不同，需要考虑加权平均数。

3.3 风险评估指标的量纲统一

首先需要对评价指标进行量纲统一化的量化处理，处理方法如下：[5]

根据八阳沟隧道超前地质预报显示，DK2+205～DK2+770段为富水地段，地质条件复杂，喀斯特地貌较明显。隧道岩性以块状风化片麻岩为主，岩体破碎、节理发育、存在球状风化，其洞顶板自稳性差。相应的八阳沟隧道风险评估指标的量纲统一后数据如表11所示。

表11 隧道风险评估指标归一化处理表

3.4 确定浅埋偏压隧道的风险指标评估权重

每个指标的重要性可以通过对评估对象的权重系数的度量来表示，指标数据越接近极值，说明隧道风险因素对施工的干扰程度越高，权重也就越大。[6]

Step1：根据层次分析法(AHP)，权重系数的计算如下：

wi=[0.134 0.105 0.149 0.157 0.145 0.035 0.148 0.127]

Step2：对隧道风险评估各评价指标的相关程度进行计算。结果如下：

Step3：计算隧道风险评估指标与风险后果等级之间的相关性：

kij=[-0.604 -0.515 0.047 0.240]

Step4：计算结果显示隧道风险等级为二级，即“高风险”等级，表明隧道塌方风险较高。

3.5 评估结果分析

(1)基于可拓学的原理，针对隧道风险评估体系，建立优度可拓评价法模型，对隧道施工遇到的定性指标进行量化预处理和比较。(2)分析确定出浅埋偏压隧道风险因素集，包括偏差率、地质条件、水情、埋深、岩体的完整性、围岩级别等。(3)对定性指标做定量化处理并对评价指标进行归一化预处理，从而使得评估指标具有可比性。

综上所述，结合施工现场反馈信息，该计算结果显示的风险等级可以定义为非常高的风险等级，与推断结果基本一致。结果表明该方法具有一定的可预测性。

4 结语

(1)对浅埋偏压隧道进行了风险分析，包括偏差率、地质条件、水情、埋深、岩体的完整性、围岩级别等。基于可拓学的原理，针对隧道风险评估体系，建立优度可拓评价法模型，对隧道施工遇到的定性指标进行量化预处理和比较。

(2)结合八阳沟隧道施工实例，其风险评估结果显示隧道风险等级为二级，即“高风险”等级，表明隧道发生塌方风险较高。根据实际地质的反馈，这种风险如果不及时采取措施，是非常危险的。

(3)建立浅埋偏压隧道风险评估模型，应用于隧道施工安全风险管理及事故预测，如突水概率、泥石流和山体滑坡概率，降低隧道施工事故风险，促进隧道施工安全规范，及时采取预防措施等。

(4)从检测数据结合该处的地质资料，K2+105～K2+770范围内围岩以强风化钙质泥岩、粉砂岩为主，岩体破碎，裂隙破碎带较发育，潮湿，围岩稳定性和完整性差，施工中应注意加强支护和防排水工作，防止拱部掉块。