山岭公路隧道施工安全动态风险评估方法研究

刘冠男，王玉田，姜福香，崔佳庆

(青岛理工大学 土木工程学院 青岛市 266033)

0 引言

山岭公路隧道施工中存在诸多不确定性风险因素且这些风险因素多呈现出隐蔽性高、破坏性强、动态演变快等特性，造成山岭公路隧道施工安全事故频发，给国家和人民的生命财产造成了严重的损失[1]。为了减少山岭公路隧道施工安全事故，有必要对其开展施工安全风险评估工作。

国内外学者在隧道施工风险评估领域开展了大量研究工作，其研究成果可分为，静态风险评估和动态风险评估两类。如：王迎超[2]采用层次分析法对山岭公路隧道塌方事故影响因素进行敏感性分析，为山岭隧道塌方的预防和治理提供了有效依据。R.Stuzk, L.OIsson, J.Jonsson[3-4]引入事故树法，建立了一套适用于公路隧道施工的风险评价体系。吴贤国[5]在地铁隧道施工中引入了云模型，提高了风险评估结果的准确性。郝银[6]将监控量测手段与事故树法相结合，建立了基于新奥法监控量测的动态风险评估指标体系，实现了对隧道施工风险等级的动态分析。李利平[7]根据监控量测动态信息，确定出了隧道施工突涌水风险评估指标的综合权重，实现了对隧道突涌水动态风险的标准化评价。

总的来说，目前隧道施工安全风险评估工作主要以静态分析为主，难以掌控和动态跟踪隧道施工安全风险，无法对隧道施工安全状态作出准确评估。而动态风险评估虽处在探索阶段，但该评估模式依据监控量测手段反馈的隧道施工动态信息，实现对隧道施工安全风险的动态分析，在该模式下能够及时发现和预防隧道施工中存在的风险隐患。

鉴于此，依托抓马山山岭公路隧道，在以往隧道施工静态风险分析中引入监控量测手段，共同识别山岭公路隧道施工安全风险因素，确定出山岭公路隧道施工安全动态风险评估指标体系。借助监控量测手段实现对各风险评估指标数据的实时采集、分析、处理，得到各评估指标施工状态随施工进程的动态变化情况，进而实现对山岭公路隧道总体施工安全风险等级的动态修正，旨在为山岭公路隧道施工安全动态风险评估提供参考。

1 山岭公路隧道施工安全动态风险评估模型的建立

1.1 动态风险评估指标体系的确定

山岭公路隧道施工安全风险评估的首要工作是识别风险因素，旨在找出引发山岭公路隧道施工安全事故的影响因素，进而建立山岭公路隧道施工安全风险评估指标体系。在阅读国内外相关文献的基础上，结合隧道新奥法监控量测的特点，将监控量测项目地质状况、隧道断面位移、地表沉降、锚杆轴力确定为山岭公路隧道施工安全一级动态风险评估指标，对于每个一级风险评估指标，根据监控量测内容又包含对应的二级风险评估指标，详见表1。

表1 山岭公路隧道动态风险评估指标体系

1.2 风险评估指标初始权重的确定

采用层次分析法[8]，确定表1中各风险评估指标的初始权重，仅以计算A1中A11～A14评估指标初始权重为例，依据层次分析法1～9相对重要程度，建立A11～A14风险评估指标的判断矩阵M。

(1)计算可得，判断矩阵M的最大特征值λmax=4.025，对应的归一化特征向量为

w=(0.276，0.131，0.049，0.544)

(2)为了反映判断矩阵M与一致性的接近程度，计算偏离一致性指标CI值

(3)由随机一致性指标RI取值表确定出一致性指标RI=0.90

(4)计算一致性指标CR值

故山岭公路隧道A11～A14风险评估指标的初始权重分别为0.276、0.131、0.049、0.544，同理，其他风险评估指标的初始权重见表2。

1.3 动态风险评估指标施工状态的确定

参考相关文献[9-10]，并结合隧道监控量测规范和相关专家意见，对各风险评估指标施工状态进行定量化分析，建立了表3中各风险评估指标施工状态等级及施工风险状态评判标准。基于监控量测手段，对表1中各风险评估指标进行实时数据采集、分析、处理，最终将数据处理结果与表3中评判标准对比，确定出各风险评估指标的施工状态等级。

表2 山岭公路隧道施工安全风险评估指标初始权重

表3 山岭公路隧道施工安全动态风险评估指标施工状态等级划分

在确定出山岭公路隧道施工安全动态风险评估指标施工状态等级后，为了通过监控量测手段实时准确地反映出各评估指标的施工状态随施工进程动态变化的特性，需要制定各风险评估指标施工状态值赋分区间。参考《公路隧道设计规范》、结合现场调研情况、专家建议及文中建立的山岭公路隧道施工安全动态风险评估模型对各风险评估指标施工状态采用百分制赋分模式，通过对各风险评估指标施工状态采用多次不同的赋分试算，发现对各风险评估指标施工状态采取以下赋分区间时与山岭公路隧道实际施工安全状态更符合。本文仅以A12、A21、A31、A41四个风险评估指标为例，对其状态值赋分标准进行阐述，具体见表4。

表4 山岭公路隧道施工施工安全动态风险评估指标施工状态赋分区间描述

注：L、M、Z分别为隧道开挖后引起的拱顶位移、代表位移及拱顶锚杆轴力

为方便监控量测数据同表3中风险评判标准对比，将表1中隧道断面位移、地表沉降、锚杆轴力风险评价指标做定量化处理，即A21/U、A22/U、A31/U、U为位移允许值，A41/D、A42/D、A43/D、D为锚杆轴力允许值。

1.4 动态风险评估指标状态权重的确定

状态变权原理是汪培庄[11]最早提出的动态风险评估理论，认为风险评估指标的权重随其状态的变化而变化，是对以往静态风险评估方法的修正和完善。随后，李洪兴[12]提出了状态变权的公理化定义，进一步完善了状态变权理论。目前山岭公路隧道采用的状态权重公式为：

(1)

其中Wj(X)为各风险评估指标对应的状态权重值，wj为风险评估指标的初始权重值，xj为风险评估指标的施工状态归一化值，α为状态变权均衡系数，当α取1/2时，状态变权效果最明显，此时状态权重公式为：

(2)

将各风险评估指标的监控量测数据处理后，分别同表3和表4中评判标准对比，进而确定出各风险评估指标的施工状态值，对其归一化处理，得到各风险评估指标的施工状态归一化值xj，同时将层次分析法中确定的各风险评估指标初始权重值wj，一起代入式(2)，确定出各风险评估指标对应的状态权重值Wj(X)。

1.5 动态风险估计模型的建立

风险估计是对各风险评估指标引发风险概率及风险损失进行估计。参考风险概率等级表和风险损失等级表[13-14]，同时结合现场调研情况及相关专家意见，分别对山岭公路隧道施工安全风险概率及风险损失进行估计。

咨询m个相关专家，分别参考风险概率等级表中A、B、C、D、E风险概率等级及风险损失等级表中1、2、3、4、5风险损失等级分别就风险评估指标j的风险概率隶属度和风险损失隶属度进行估计，然后，统计m个专家对j发生概率隶属度及损失隶属度估计结果，最后，得出j的风险概率隶属度模糊集和风险损失隶属度模糊集，分别见式(3)和式(4)。

(3)

(4)

(5)

mpkj和mckj为分别在A、B、C、D、E风险概率等级上的专家频数和1、2、3、4、5风险损失等级上的专家频数，mpj和mcj分别指对j发生概率估计及发生损失估计的专家总人数。

1.6 模糊综合评价

在确定山岭公路隧道总体施工安全风险等级时，需要对各风险评估指标进行模糊评价，先从二级评估指标开始，将二级指标的风险概率模糊评价结果及风险损失模糊评价结果进行组合，求出每个二级风险评估指标的评价指标Rj=(r1r2r3r4r5)，采用加权平均法，将二级风险评估指标的评价指标Rj中的5个元素与表5中的等级指针依次相乘，确定出每个二级风险评估指标对应的风险等级。

将率属于相同一级风险评估指标的评价指标构成模糊关系评判矩阵R=(R1R2…Rj)，从而一级风险评估指标的模糊关系评判矩阵为：B=Wj(X)R=(W1(X)W2(X)…Wj(X))(R1R2…Rj)=(b1b2…bj)

按照上述确定二级风险评估指标风险等级的方法，确定出每个一级风险评估指标对应的风险等级，最终确定出山岭公路隧道总体施工安全风险等级。

由表5可见，风险等级越高，代表山岭公路隧道当前施工风险越大。

表5 风险水平分级

2 工程实例分析

抓马山山岭公路隧道位于山东省青岛市黄岛区西郭村-宋家茔村，穿越S7603高速公路，全隧属于分离式隧道，采用新奥法施工。隧址区地形起伏大，地势中间高、两端低，主要地貌为剥蚀残丘。隧道穿越地段围岩等级以Ⅳ、Ⅴ级为主，岩层多为强风化岩和中风化岩，岩体破碎，地下水以基岩风化裂隙水为主，自稳能力差。因此，有必要借助监控量测手段，建立动态风险评估模型，反映各风险评估指标的施工状态，通过分析评估指标施工状态对其权重的影响，实现对施工风险的动态分析。

由于山岭公路隧道施工安全风险评估指标施工状态随施工进程不断变化，致使山岭公路隧道的权重及总体施工安全风险等级也在不断变化。为了反映各风险评估指标施工状态及山岭公路隧道总体施工安全风险等级随施工进程动态变化的特性，监控量测应每天跟进。为方便后续风险评估工作的开展，对各风险评估指标实行每天监测，连续监测1周，统计各风险评估指标施工状态及山岭公路隧道总体施工安全风险等级在1周内的变化情况。2019年4月1日至4月7日，对抓马山山岭公路隧道左线ZK5+310～ZK5+495标段各风险评估指标监控量测1周，按建立的山岭公路隧道施工安全动态风险评估模型，依据监控量测手段对各风险评估指标实行实时数据采集、分析、处理，然后参照表3和表4施工状态评判标准，得到各评估指标连续1周的施工状态值，制成图1风险评估指标施工状态动态变化图。并将各评估指标1周的施工状态值分别代入式(2)中状态变权公式，得到各评估指标对应的7个状态权重值。最后按照上述评估流程对各评估指标进行风险估计和模糊综合评价，确定出山岭公路隧道在连续1周内的总体施工安全动态风险等级，并在图2中绘制出山岭公路隧道总体施工安全动态风险等级变化图。

图1 风险评估指标施工状态动态变化图

图2 山岭公路隧道总体施工安全动态风险等级变化图

从图1和图2中可清晰地看出各评估指标的施工状态及山岭公路隧道总体施工安全风险等级在1周内的动态变化情况。图1中在4.4日评估指标A11、A12施工状态值都小于60，根据现场施工情况分析，4.4日开挖山体处在断层上，掌子面围岩强度低且破碎严重，自稳能力差，稍有扰动，容易在开挖中出现塌方事故，监控量测手段反映出的A11、A12评估指标的施工状态等级较高。故4.4日图2中山岭公路隧道总体施工安全风险等级为4级，在1周内最大，施工安全风险较高，应采取相应的风险控制措施。鉴于此，将山岭公路隧道总体施工安全动态风险等级施工信息及时反馈给业主和施工单位，在最大程度上减少和规避施工安全事故。

3 结论

隧道施工中风险评估指标施工状态随施工进程不断变化，导致隧道总体施工安全风险等级也在不断变化，通过监控量测手段不仅可以及时准确地反映出风险评估指标施工状态随施工进程不断变化的动态信息，还可实现对隧道总体施工安全风险等级的动态修正，进而实现对隧道施工安全风险的动态分析。结果表明，该动态风险评估方法具有时效性和应用性，对于减少山岭公路隧道施工安全事故具有明显作用，值得推广应用。