山嶺公路隧道施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究

劉冠男，王玉田，姜福香，崔佳慶

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 青島市 266033)

0 引言

山嶺公路隧道施工中存在諸多不確定性風(fēng)險(xiǎn)因素且這些風(fēng)險(xiǎn)因素多呈現(xiàn)出隱蔽性高、破壞性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)演變快等特性，造成山嶺公路隧道施工安全事故頻發(fā)，給國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的損失[1]。為了減少山嶺公路隧道施工安全事故，有必要對(duì)其開(kāi)展施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究工作，其研究成果可分為，靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估兩類(lèi)。如：王迎超[2]采用層次分析法對(duì)山嶺公路隧道塌方事故影響因素進(jìn)行敏感性分析，為山嶺隧道塌方的預(yù)防和治理提供了有效依據(jù)。R.Stuzk, L.OIsson, J.Jonsson[3-4]引入事故樹(shù)法，建立了一套適用于公路隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。吳賢國(guó)[5]在地鐵隧道施工中引入了云模型，提高了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。郝銀[6]將監(jiān)控量測(cè)手段與事故樹(shù)法相結(jié)合，建立了基于新奧法監(jiān)控量測(cè)的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的動(dòng)態(tài)分析。李利平[7]根據(jù)監(jiān)控量測(cè)動(dòng)態(tài)信息，確定出了隧道施工突涌水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的綜合權(quán)重，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道突涌水動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)。

總的來(lái)說(shuō)，目前隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作主要以靜態(tài)分析為主，難以掌控和動(dòng)態(tài)跟蹤隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法對(duì)隧道施工安全狀態(tài)作出準(zhǔn)確評(píng)估。而動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估雖處在探索階段，但該評(píng)估模式依據(jù)監(jiān)控量測(cè)手段反饋的隧道施工動(dòng)態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)分析，在該模式下能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防隧道施工中存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

鑒于此，依托抓馬山山嶺公路隧道，在以往隧道施工靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析中引入監(jiān)控量測(cè)手段，共同識(shí)別山嶺公路隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素，確定出山嶺公路隧道施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。借助監(jiān)控量測(cè)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析、處理，得到各評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)隨施工進(jìn)程的動(dòng)態(tài)變化情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)山嶺公路隧道總體施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的動(dòng)態(tài)修正，旨在為山嶺公路隧道施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考。

1 山嶺公路隧道施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的建立

1.1 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的確定

山嶺公路隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的首要工作是識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)因素，旨在找出引發(fā)山嶺公路隧道施工安全事故的影響因素，進(jìn)而建立山嶺公路隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。在閱讀國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道新奧法監(jiān)控量測(cè)的特點(diǎn)，將監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目地質(zhì)狀況、隧道斷面位移、地表沉降、錨桿軸力確定為山嶺公路隧道施工安全一級(jí)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)，對(duì)于每個(gè)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容又包含對(duì)應(yīng)的二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)，詳見(jiàn)表1。

表1 山嶺公路隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

1.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)初始權(quán)重的確定

采用層次分析法[8]，確定表1中各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的初始權(quán)重，僅以計(jì)算A1中A11～A14評(píng)估指標(biāo)初始權(quán)重為例，依據(jù)層次分析法1～9相對(duì)重要程度，建立A11～A14風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的判斷矩陣M。

(1)計(jì)算可得，判斷矩陣M的最大特征值λmax=4.025，對(duì)應(yīng)的歸一化特征向量為

w=(0.276，0.131，0.049，0.544)

(2)為了反映判斷矩陣M與一致性的接近程度，計(jì)算偏離一致性指標(biāo)CI值

(3)由隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值表確定出一致性指標(biāo)RI=0.90

(4)計(jì)算一致性指標(biāo)CR值

故山嶺公路隧道A11～A14風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的初始權(quán)重分別為0.276、0.131、0.049、0.544，同理，其他風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的初始權(quán)重見(jiàn)表2。

1.3 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)的確定

參考相關(guān)文獻(xiàn)[9-10]，并結(jié)合隧道監(jiān)控量測(cè)規(guī)范和相關(guān)專(zhuān)家意見(jiàn)，對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)進(jìn)行定量化分析，建立了表3中各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)等級(jí)及施工風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)?；诒O(jiān)控量測(cè)手段，對(duì)表1中各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、分析、處理，最終將數(shù)據(jù)處理結(jié)果與表3中評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，確定出各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的施工狀態(tài)等級(jí)。

表2 山嶺公路隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)初始權(quán)重

表3 山嶺公路隧道施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)等級(jí)劃分

在確定出山嶺公路隧道施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)等級(jí)后，為了通過(guò)監(jiān)控量測(cè)手段實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映出各評(píng)估指標(biāo)的施工狀態(tài)隨施工進(jìn)程動(dòng)態(tài)變化的特性，需要制定各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)值賦分區(qū)間。參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》、結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況、專(zhuān)家建議及文中建立的山嶺公路隧道施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)采用百分制賦分模式，通過(guò)對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)采用多次不同的賦分試算，發(fā)現(xiàn)對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)采取以下賦分區(qū)間時(shí)與山嶺公路隧道實(shí)際施工安全狀態(tài)更符合。本文僅以A12、A21、A31、A41四個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)為例，對(duì)其狀態(tài)值賦分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行闡述，具體見(jiàn)表4。

表4 山嶺公路隧道施工施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)賦分區(qū)間描述

注：L、M、Z分別為隧道開(kāi)挖后引起的拱頂位移、代表位移及拱頂錨桿軸力

為方便監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)同表3中風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，將表1中隧道斷面位移、地表沉降、錨桿軸力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)做定量化處理，即A21/U、A22/U、A31/U、U為位移允許值，A41/D、A42/D、A43/D、D為錨桿軸力允許值。

1.4 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)狀態(tài)權(quán)重的確定

狀態(tài)變權(quán)原理是汪培莊[11]最早提出的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論，認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重隨其狀態(tài)的變化而變化，是對(duì)以往靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的修正和完善。隨后，李洪興[12]提出了狀態(tài)變權(quán)的公理化定義，進(jìn)一步完善了狀態(tài)變權(quán)理論。目前山嶺公路隧道采用的狀態(tài)權(quán)重公式為：

(1)

其中Wj(X)為各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)權(quán)重值，wj為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的初始權(quán)重值，xj為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的施工狀態(tài)歸一化值，α為狀態(tài)變權(quán)均衡系數(shù)，當(dāng)α取1/2時(shí)，狀態(tài)變權(quán)效果最明顯，此時(shí)狀態(tài)權(quán)重公式為：

(2)

將各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)處理后，分別同表3和表4中評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，進(jìn)而確定出各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的施工狀態(tài)值，對(duì)其歸一化處理，得到各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的施工狀態(tài)歸一化值xj，同時(shí)將層次分析法中確定的各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)初始權(quán)重值wj，一起代入式(2)，確定出各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)權(quán)重值Wj(X)。

1.5 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)模型的建立

風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)是對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)概率及風(fēng)險(xiǎn)損失進(jìn)行估計(jì)。參考風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)表和風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)表[13-14]，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況及相關(guān)專(zhuān)家意見(jiàn)，分別對(duì)山嶺公路隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)概率及風(fēng)險(xiǎn)損失進(jìn)行估計(jì)。

咨詢(xún)m個(gè)相關(guān)專(zhuān)家，分別參考風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)表中A、B、C、D、E風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)及風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)表中1、2、3、4、5風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)分別就風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)j的風(fēng)險(xiǎn)概率隸屬度和風(fēng)險(xiǎn)損失隸屬度進(jìn)行估計(jì)，然后，統(tǒng)計(jì)m個(gè)專(zhuān)家對(duì)j發(fā)生概率隸屬度及損失隸屬度估計(jì)結(jié)果，最后，得出j的風(fēng)險(xiǎn)概率隸屬度模糊集和風(fēng)險(xiǎn)損失隸屬度模糊集，分別見(jiàn)式(3)和式(4)。

(3)

(4)

(5)

mpkj和mckj為分別在A、B、C、D、E風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)上的專(zhuān)家頻數(shù)和1、2、3、4、5風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)上的專(zhuān)家頻數(shù)，mpj和mcj分別指對(duì)j發(fā)生概率估計(jì)及發(fā)生損失估計(jì)的專(zhuān)家總?cè)藬?shù)。

1.6 模糊綜合評(píng)價(jià)

在確定山嶺公路隧道總體施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)時(shí)，需要對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，先從二級(jí)評(píng)估指標(biāo)開(kāi)始，將二級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)概率模糊評(píng)價(jià)結(jié)果及風(fēng)險(xiǎn)損失模糊評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行組合，求出每個(gè)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)Rj=(r1r2r3r4r5)，采用加權(quán)平均法，將二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)Rj中的5個(gè)元素與表5中的等級(jí)指針依次相乘，確定出每個(gè)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

將率屬于相同一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成模糊關(guān)系評(píng)判矩陣R=(R1R2…Rj)，從而一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的模糊關(guān)系評(píng)判矩陣為：B=Wj(X)R=(W1(X)W2(X)…Wj(X))(R1R2…Rj)=(b1b2…bj)

按照上述確定二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的方法，確定出每個(gè)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，最終確定出山嶺公路隧道總體施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

由表5可見(jiàn)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越高，代表山嶺公路隧道當(dāng)前施工風(fēng)險(xiǎn)越大。

表5 風(fēng)險(xiǎn)水平分級(jí)

2 工程實(shí)例分析

抓馬山山嶺公路隧道位于山東省青島市黃島區(qū)西郭村-宋家塋村，穿越S7603高速公路，全隧屬于分離式隧道，采用新奧法施工。隧址區(qū)地形起伏大，地勢(shì)中間高、兩端低，主要地貌為剝蝕殘丘。隧道穿越地段圍巖等級(jí)以Ⅳ、Ⅴ級(jí)為主，巖層多為強(qiáng)風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖，巖體破碎，地下水以基巖風(fēng)化裂隙水為主，自穩(wěn)能力差。因此，有必要借助監(jiān)控量測(cè)手段，建立動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，反映各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的施工狀態(tài)，通過(guò)分析評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)對(duì)其權(quán)重的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)分析。

由于山嶺公路隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)隨施工進(jìn)程不斷變化，致使山嶺公路隧道的權(quán)重及總體施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也在不斷變化。為了反映各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)及山嶺公路隧道總體施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隨施工進(jìn)程動(dòng)態(tài)變化的特性，監(jiān)控量測(cè)應(yīng)每天跟進(jìn)。為方便后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作的開(kāi)展，對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)實(shí)行每天監(jiān)測(cè)，連續(xù)監(jiān)測(cè)1周，統(tǒng)計(jì)各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)及山嶺公路隧道總體施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)在1周內(nèi)的變化情況。2019年4月1日至4月7日，對(duì)抓馬山山嶺公路隧道左線(xiàn)ZK5+310～ZK5+495標(biāo)段各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)監(jiān)控量測(cè)1周，按建立的山嶺公路隧道施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，依據(jù)監(jiān)控量測(cè)手段對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)實(shí)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、分析、處理，然后參照表3和表4施工狀態(tài)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，得到各評(píng)估指標(biāo)連續(xù)1周的施工狀態(tài)值，制成圖1風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化圖。并將各評(píng)估指標(biāo)1周的施工狀態(tài)值分別代入式(2)中狀態(tài)變權(quán)公式，得到各評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)的7個(gè)狀態(tài)權(quán)重值。最后按照上述評(píng)估流程對(duì)各評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)和模糊綜合評(píng)價(jià)，確定出山嶺公路隧道在連續(xù)1周內(nèi)的總體施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并在圖2中繪制出山嶺公路隧道總體施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)變化圖。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化圖

圖2 山嶺公路隧道總體施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)變化圖

從圖1和圖2中可清晰地看出各評(píng)估指標(biāo)的施工狀態(tài)及山嶺公路隧道總體施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)在1周內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化情況。圖1中在4.4日評(píng)估指標(biāo)A11、A12施工狀態(tài)值都小于60，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況分析，4.4日開(kāi)挖山體處在斷層上，掌子面圍巖強(qiáng)度低且破碎嚴(yán)重，自穩(wěn)能力差，稍有擾動(dòng)，容易在開(kāi)挖中出現(xiàn)塌方事故，監(jiān)控量測(cè)手段反映出的A11、A12評(píng)估指標(biāo)的施工狀態(tài)等級(jí)較高。故4.4日?qǐng)D2中山嶺公路隧道總體施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為4級(jí)，在1周內(nèi)最大，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較高，應(yīng)采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。鑒于此，將山嶺公路隧道總體施工安全動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)施工信息及時(shí)反饋給業(yè)主和施工單位，在最大程度上減少和規(guī)避施工安全事故。

3 結(jié)論

隧道施工中風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)隨施工進(jìn)程不斷變化，導(dǎo)致隧道總體施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也在不斷變化，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)手段不僅可以及時(shí)準(zhǔn)確地反映出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)施工狀態(tài)隨施工進(jìn)程不斷變化的動(dòng)態(tài)信息，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道總體施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的動(dòng)態(tài)修正，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)分析。結(jié)果表明，該動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法具有時(shí)效性和應(yīng)用性，對(duì)于減少山嶺公路隧道施工安全事故具有明顯作用，值得推廣應(yīng)用。