基于改进FTA-AHP的隧道涌水事故风险评价

许 芳， 张 骞，， 张子航， 侯林艳， 梁美晨

(1.石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所，河北 石家庄 050043；2.石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043)

在隧道养护人员中流传着“十隧九漏”的说法，隧道涌水可使掌子面失稳、降低混凝土质量、弱化支护底部围岩强度、侵蚀隧道附属设备，甚至引起地表沉降、水土流失。宜万铁路野三关隧道、渝怀铁路园梁山隧道、保宜高速尚家湾隧道等[1,2]都曾发生过特大突水突泥事故，造成了极大的经济损失和人员伤亡。因此，通过查阅大量文献分析隧道涌水事故案例，探讨事故发生机理，对今后的隧道涌水事故预防起到十分重要的作用。

国内外专家对隧道涌水事故的研究甚为广泛。万豪杰[3]以永顺隧道为工程依托，基于专家评判法对涌水事故进行风险评价，并确定了各段涌水的风险级别。周宗青等[4]基于两个隧道工程案例采用一种改进的属性区间识别方法评价了隧道突涌水风险，并与隧道实际突涌水情况进行对比，检验了方法的有效性。李朝阳[5]采用GA-BP神经网络、贝叶斯网络方法对隧道突涌水风险进行了评价。贾冰等[6]基于生态安全理论，评价了隧道涌水对生态环境的影响。许增光等[7]以实际工程案例为基础，运用云模型对该隧道涌水的风险性进行评价。徐青[8]基于动态故障树理论，构建了涌水事故动态故障树模型。

事故树方法作为安全工程中最基础、可靠的方法，已普遍应用多个领域，但其主观性较强，得出的结果与实际情况有一定的偏差[9]。本文以川藏铁路米林隧道为工程依托，基于一种改进的FTA-AHP方法对隧道涌水事故进行安全评价。本文的创新之处在于运用客观的概率计算方法求取各事件的概率，很大程度上排除了主观因素的干扰，提高准确性。

1 工程概况

米林隧道位于藏南谷地高山区，是川藏铁路拉林段修建过程中的重难点工程。隧道全长11 560 m，平均海拔3 100 m，最大埋深为1 200 m，围岩主要为Ⅱ、Ⅲ级围岩，采用新奥法施工。应用聚能水压光面爆破技术进行钻爆。

隧道基岩裸露，断裂构造发育，节理裂隙发育。该地区属于亚热带、热带季风性气候，温暖潮湿，降雨量大，年均降水量超过9 000 mm。地表水以沟水为主，地下水的补给主要依靠降水及地表水流入。经实际工程计算分析，米林隧道的日最大涌水量达3万m3。

2 隧道涌水事故树分析

2.1 建立隧道涌水事故树分析图

通过查阅大量文献资料并对近几年隧道特大突涌水事故的分析，根据米林隧道的实际工程概况，构建了以“隧道涌水事故”为顶上事件的事故树如图1，各基本事件具体含义见表1。

图1 隧道涌水事故树

表1 隧道涌水事故基本事件

2.2 隧道涌水事故树定性分析

2.2.1 最小径集分析

⋮

通过成功树计算出隧道涌水事故树的最小径集有5个，为：

最小径集代表了系统的安全性，为控制事故的发生提供了依据。

2.2.2 结构重要度分析

相比于最小割集，最小径集仅有5个，数量较少，故采用最小径集来计算事故树的结构重要度更加容易。根据公式：

(1)

式中：I(Xi)为基本事件Xi的结构重要度；k为最小径集总数；Er为第r个最小径集；mr为第r个最小径集Er中含有的基本事件数。根据公式(1)计算得到：

I(X10)=I(X11)=I(X12)=I(X13)=I(X14)=

I(X20)=I(X21)=I(X22)=I(X23)=

I(X24)=I(X25)=I(X26)=I(X27)=

I(X1)=I(X2)=I(X3)=I(X4)=I(X5)=

经过计算，结构重要度的排序为：I(X16)=I(X17)>I(X18)=I(X19)>I(X10)=I(X11)=I(X12)=I(X13)=I(X14)=I(X15)>I(X7)=I(X8)=I(X9)>I(X20)=I(X21)=I(X22)=I(X23)=I(X24)=I(X25)=I(X26)=I(X27)=I(X28)=I(X29)>I(X1)=I(X2)=I(X3)=I(X4)=I(X5)=I(X6)

如果仅依据以上结果进行判断，发现：X16、X17以及X18、X19对顶上事件的影响程度都很大，很多事件的结构重要度都相同，很难具体判断对事件影响较大或较小的因素。

3 隧道涌水事故层次分析

3.1 建立层次结构模型

根据隧道涌水事故的事故树分析建立层次分析结构模型，以隧道涌水事故为目标层A，结构内在因素、人为因素、施工技术、环境因素以及管理因素为准则层B，基本事件为指标层C，绘制层次分析结构模型如表2所示。

表2 隧道涌水事故层次分析法模型

3.2 判断矩阵的建立

由于结构重要度和权值具有一致性，利用基本事件的结构重要度来构造判断矩阵。通过各基本事件结构重要度分母求得分母的最小公倍数L。判别因子即为最小公倍数L与每个基本事件结构重要度的乘积。每个准则层因素由一定数量的指标层因素组成，其判别因子可以用每个准则层中所含指标层各因素判别因子的和表示，判别因子之间的两两比较采用四舍五入近似到整数[10]。将准则层影响因素的判别因子两两对比得出准则层判断矩阵，同理求出各指标层判断矩阵。基本事件的结构重要度和判别因子如表3所示。

表3 基本事件对应结构重要度及判别因子

准则层中各影响因素的判别因子为所含指标层全部判断因子之和，计算求得B1、B2、B3、B4、B5的判别因子分别为125、139、123、405、108，将准则层

影响因素的判别因子两两对比得出准则层判断矩阵，同理求出各指标层判断矩阵，示例矩阵见表4。

表4 A-B判断矩阵

3.3 判断矩阵一致性检验及权重计算

根据构建的判断矩阵，利用MATLAB计算最大特征值及特征向量，计算一致性指标CI值及随机一致性比率CR。

当CR<0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的；CR>0.1时，认为判断矩阵不符合一致性要求，需要进行调整直到满足一致性要求为止。经过计算发现所构造判断矩阵的CR都小于0.1，一致性可接受。由于本部分的计算过程较简单且重复性较大，不再一一列出。各指标的汇总结果见表5。

3.4 结果分析

导致隧道发生涌水事故的因素有很多，从准则层层次单排序判断矩阵可知，导致米林隧道涌水事故的环境因素所占权重最大为0.428 5。

从表5可知，在众多的基本原因事件中，环境因素中的强降雨、沟水流入和结构内在因素中的断层构造发育是最主要的因素，环境因素中的地下径流分布广泛是第二重要因素，环境因素中的温度变化大、湿度变化大以及上覆荷载情况变化复杂是第三重要因素。施工企业应根据评价结果保证勘察资料的准确性，严格按照合理的设计方案施工。施工作业人员、监测技术人员及管理人员应时刻保持警惕心理，要能够辨识危险、规避危险。

表5 层次总排序

4 结论

(1)导致隧道发生涌水灾害的因素繁多，采用改进的FTA-AHP法，弥补了结构重要度分级不明显的缺陷，增加了客观性，能将隧道突涌水灾害的多种影响因素及各因素间的关系直观、系统地展现，是分析隧道涌水事故比较有效的方法。

(2)通过评价米林隧道涌水事故发现，环境因素是影响涌水事故的关键因素，基本事件中强降雨、沟水流入、断层构造发育以及地下径流分布广泛对事故的发生造成很大影响。

(3)针对类似地质地貌复杂、施工技术受限、不可预见因素较多的隧道，为了减少涌水事故的发生，设计单位应该更加重视环境因素，施工企业应及时制定相关的应急管理方案，防患于未然。