复杂地质条件下隧道施工风险管理

1 引言

随着我国基础交通设施的快速发展， 高速公路和铁路的建设重点从城乡逐渐向山区地区转移， 山岭隧道的建设也迎来了新的建设高潮。 在山岭隧道施工中，由于受到地质环境复杂、施工条件差、建设周期长等因素的影响，容易发生涌水突泥、岩爆、高地温、瓦斯爆炸、隧道冒顶等工程事故，施工难度大，风险高[1]。 解决隧道施工风险难题已经成为专家学者们研究的重点领域。

从隧道施工风险管理问题的提出到隧道施工风险管理体系的完善构建，国内外许多学者在其中做出了许多贡献。R.Sturk[2]等首次将安全风险管理分析技术应用在斯德哥尔摩公路隧道；李忠[3]以兰州九洲大断面隧道工程为依托，将静态与动态施工风险管理有效结合， 建立了具有代表性的市政大断面隧道施工风险管理模式；柳尚[4]为研究复杂地质情况下隧道全过程施工风险管理，通过建立动态安全风险控制机制，研发了济南东二环高速隧道项目风险决策系统。

本文以山岭某隧道为依托，综合考虑该隧道瓦斯气体、溶洞、公路下穿等条件，基于WBS-RBS 理论，对隧道风险源识别，建立WBS-RBS 矩阵对隧道风险因素进行定性分析，建立复杂地质条件下隧道动态风险管理模型。

2 工程背景

该隧道为正线双线隧道，隧道进口里程DK83+040，出口里程DK93+834，隧道全长10 794 m，最大埋深350 m。 隧道工程地质条件较复杂，不良地质与特殊岩土发育，隧道DK84+000～DK90+378 段局部夹煤线、炭质页岩地层，根据地勘资料显示可能会遇到瓦斯等有害气体。 另外，隧道DK83+075～DK84+012、DK90+375 ～DK91+644、DK92+865～DK93+834 段均存在岩溶地质，开挖过程中可能发生突水、突泥等风险。 进口DK83+040～DK83+250 段下穿在建高速公路，施工难度大，工程风险高。

3 WBS和RBS风险分析原理

WBS-RBS 是以分解分析法为出发点[5]，将涉及多个变量的大型复杂系统划分为多个单元进行研究， 便于后期整理分析数据结构。 分解分析法由风险分解结构（RBS）和工作分解结构（WBS）组成，将工作分解结构树状图与风险分解结构树状图分解交叉，得到关于潜在风险因素的WBS-RBS 矩阵，对矩阵中的每一个组合进行拆解分析，归纳梳理潜在风险源，便于隧道施工时分配和配置资源。

4 复杂地质条件下隧道WBS-RBS模型建立与分析

4.1 隧道施工阶段WBS模型建立

WBS 模型是基于系统原理，将工作内容从总体到局部进行拆解分析， 模型结构层次根据问题的复杂程度或系统大小决定。 高速公路隧道的寿命周期包括前期计划选线阶段、勘查设计阶段、施工阶段、后期运营阶段，计划选线阶段主要包括路线定位和可行性研究，施工阶段主要包括项目招投标、征地拆迁、施工和竣工验收，运营维护阶段包括生产运营与道路维修。 复杂山岭隧道全过程施工阶段工作分解结构如图1 所示。

图1 山岭隧道施工阶段工作分解结构图

4.2 隧道施工阶段RBS模型建立

RBS 模型是指项目风险结构层次组成的一种结构图像，考虑到该隧道瓦斯气体、周围下穿公路、隧道涌水和溶洞等多种施工风险因素，根据该隧道现场施工情况，从现场施工技术人员、机械配套情况、施工方案、外界及洞内环境对风险源进行树状图分析，得到的隧道风险分解结构树如图2 所示。

图2 隧道风险分解结构树

4.3 复杂地质条件下隧道WB S-RBS耦合矩阵建立与分析

以工作分解结构树施工阶段的8 个作业活动为列，以工作分解结构树（RBS）的10 个风险因素为行，建立复杂地质及环境条件下隧道WBS-RBS 耦合矩阵。当产生施工风险时取值为1，不产生施工风险时取值为0。 耦合矩阵结构如表1 所示。

表1 复杂地质情况下隧道WBS-RBS耦合矩阵

从表1 中可以看出， 将多种风险因素下隧道施工潜在安全风险归类， 以该隧道溶洞段施工潜在风险为案例，对WBS-RBS 耦合矩阵进行说明。W11R22：制订的溶洞段施工方案不合理；W31R22：溶洞段爆破方案设计不合理，在距离溶洞附近15 m 开始采用微震爆破+人工开挖方式，减少对溶洞处围岩扰动；W32R22：溶洞段采用“人工+ 机械开挖”方式不合理；W41R22：溶洞段超前支护或掌子面加固方案不适合，超前小导管打入角度或管棚支护时机与现场情况不匹配；W42R22： 溶洞段初期支护的拱架规格或设计混凝土厚度不满足变形要求；W51R22：超前地质预报精确度不足，对掌子面前方溶洞距离或溶洞大小的判断不准确。

5 隧道风险度计算理论及风险度评价

隧道风险控制需要监控设备和人员投入， 为控制风险成本，考虑隧道动态施工对施工安全的影响，引入风险量化常用指标——风险度来对隧道施工安全等级进行判断。 风险等级包括风险发生概率的等级和事故发生后的经济损失的等级。因此， 风险度R 的大小近似等于风险发生概率和经济损失的最大似然估计值，计算表达式为：

式中，P 为风险概率测度；S 为事故发生后经济损失程度；下角a 为事件已经发生。

为求得Pa和Sa数值，需要通过对引发隧道安全事故的因素进行风险度量，为解决这一问题需要引入熵权系数。 根据隧道选址区地质条件、周围环境、现场施工条件等进行风险源辨识归类，建立风险因素集合U={u1，u2，…，un}和事故发生概率及风险评价集合V={v1，v2，…，vn}。 在经过专家对风险因素U的集合进行评审后，得到关于F（V）的映射：U-F（V），F（V）为V 的模糊集， 评价所以潜在风险因素后就能得到关于风险集合U 的隶属矩阵K，其表达式如（4）所示，则风险发生概率矩阵和风险损失矩阵分别为Kp和Ks。

然后，由隶属度矩阵计算风险因素熵值ei和权值函数φi，其中，rij∈F（V）。

式中，n 为隶属矩阵行数；rij为隶属矩阵中的任意一个元素；m为隶属矩阵列数。

通过式（2）和式（3）可计算出风险因素熵权值。 将风险概率矩阵Kp带入式（2）和式（3）可求出风险因素权向量A={φ1，φ2，…，φn}，评判集合V 的权重由隧道工程领域专家和技术人员调查结果确定权重，表达式为B={β1，β2，…，βn}，由此计算出隧道发生概率测度表达式为Pa=AKpBT（BT为专家和技术人员确定权重行列式的转置），同理可计算隧道风险事故发生后的损失的表达式为Ca=A¯KcB¯（A¯为风险后果损失时的权重值； B¯为评判集合各指标的权重值；Kc为损伤隶属度矩阵），将得到的Pa和Ca带入式（1）可以计算出某一施工阶段隧道风险度数值，通过风险度数值判定风险等级，指导现场施工。

6 结语

1）依托山岭某隧道施工阶段的风险因素，基于WBS-RBS理论对隧道风险源进行识别分析， 建立了WBS-RBS 耦合矩阵，定性分析了隧道岩溶段施工风险因素影响。