基于監(jiān)控量測(cè)的鐵路隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

楊 卓 劉 振 付 磊

(江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，江蘇南京 210028)

隨著國(guó)內(nèi)交通建設(shè)的快速發(fā)展，地下工程也得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。隧道工程作為地下工程的一部分，其發(fā)展規(guī)模也越來(lái)越大。隧道工程建設(shè)具有投資大、施工周期長(zhǎng)、施工技術(shù)復(fù)雜以及地質(zhì)狀況不確定性等特點(diǎn)，是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)建設(shè)工程。近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外隧道建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)了多起事故，如2010年7月廣西南寧賓陽(yáng)縣境內(nèi)鐵路隧道坍塌事故、2011年4月甘肅山丹鐵路隧道塌方事故等，這些事故給國(guó)家造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和極大的社會(huì)負(fù)面影響。國(guó)際隧道協(xié)會(huì)［1］撰寫(xiě)了Guideliness for Tunneling Risk Management，為隧道工程的風(fēng)險(xiǎn)管理提供了一整套相對(duì)完善的方法和參照的標(biāo)準(zhǔn)。陳潔金等［2］采用層次分析法對(duì)隧道工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。總的來(lái)看，靜態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)分析方法在隧道工程中的應(yīng)用仍舊占據(jù)主流，從而不能及時(shí)分析出隧道施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)變化，施工安全難以保證。因此，如何有針對(duì)性的建立隧道工程的動(dòng)態(tài)評(píng)估體系，是一項(xiàng)急需解決的問(wèn)題。

1 隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程如圖1所示。本文將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與施工量測(cè)體系相結(jié)合，實(shí)時(shí)反映施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)狀況，通過(guò)對(duì)監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)采集及處理，從而得到工程整體靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，伴隨施工的進(jìn)行，監(jiān)控量測(cè)隨之跟進(jìn)，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)隨之變化，實(shí)現(xiàn)施工動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。圖1中的收集工程資料包括工程背景、可行性研究報(bào)告、勘察資料、設(shè)計(jì)資料等;風(fēng)險(xiǎn)事故識(shí)別包括風(fēng)險(xiǎn)事故原因、風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生工況、風(fēng)險(xiǎn)事故損失后果等;風(fēng)險(xiǎn)的處理包括改變?cè)O(shè)計(jì)方法或施工工藝等。

圖1 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

2 施工過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型建立

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系

風(fēng)險(xiǎn)分析及識(shí)別其本質(zhì)是通過(guò)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別、估計(jì)，從而找到影響風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的致險(xiǎn)因子，本文根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》［3］中對(duì)監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目和技術(shù)要求的規(guī)定，并結(jié)合隧道施工方法新奧法的施工工藝特點(diǎn)及相應(yīng)鐵路隧道工程的實(shí)例，從中選擇出相應(yīng)的量測(cè)項(xiàng)目作為風(fēng)險(xiǎn)分析一級(jí)指標(biāo):地質(zhì)狀況觀測(cè)、隧道斷面位移、地表沉降(針對(duì)隧道淺埋段)、錨桿軸力等。根據(jù)量測(cè)的內(nèi)容進(jìn)而得到相應(yīng)二級(jí)指標(biāo)，其風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)體系如表1所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)體系

風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)確定之后，結(jié)合相關(guān)資料，建立風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，如表2所示。其中，隧道斷面位移、地表沉降、錨桿軸力評(píng)價(jià)指標(biāo)做量綱一處理，即:A21/A，A22/A，A31/A，A為位移允許值;A41/D，A42/D，A43/D，D為錨桿設(shè)計(jì)軸力值。

表2 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系

2.2 指標(biāo)因素權(quán)重確定

山嶺鐵路隧道基于監(jiān)控量測(cè)的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)值分析基于層次分析法，采用Saaty教授建議的判斷矩陣An×n，采用軟件計(jì)算其最大特征值及因素權(quán)向量，進(jìn)一步得到隨機(jī)一致性比率。一級(jí)指標(biāo)的層次分析評(píng)判矩陣如表3所示。

表3 一級(jí)指標(biāo)層次分析取值表

表3可構(gòu)造判斷矩陣。

矩陣A的最大特征值:λmax=4.000 3，對(duì)應(yīng)的歸一化后的特征向量:

不一致程度的指標(biāo)CI=(λmax－n)/(n－1)=0.000 1

隨機(jī)一致性比率 CR=CI/RI=0.000 1＜0.1，符合一致性要求。

通過(guò)相同方法即可計(jì)算出二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重表

2.3 風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則

山嶺鐵路隧道工程施工期間的工程風(fēng)險(xiǎn)是否可以接受以及接受程度直接決定著如何采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施，風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)需預(yù)先制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，本文參考《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估暫行規(guī)定(報(bào)批稿)》［4］，給出動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，如表5所示。

表5 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則

2.4 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分析

參考相關(guān)文獻(xiàn)［5］，動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)P大小能夠反映出相應(yīng)的施工時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)P由下式計(jì)算:

其中，Pi為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);ωi為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重;Pij為各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的監(jiān)控量測(cè)結(jié)果得分;ωij為各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的監(jiān)控量測(cè)結(jié)果的權(quán)重。

3 工程應(yīng)用

某隧道采用雙線分修，全長(zhǎng)約20 m;隧道穿越地段圍巖等級(jí)分布為Ⅲ級(jí)，Ⅳ級(jí)，Ⅴ級(jí)。隧道進(jìn)口山體走向北東南西向，山脊狹窄，地形坡度在30°～55°，上陡下緩，溝谷切割深度為500 m～1 500 m，多為“V”形谷。隧道越嶺段主要包含非碳酸鹽地層，地下水以基巖裂隙水為主。

2014年7月，某隧道右線按本文所述的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，將量測(cè)數(shù)據(jù)處理，得到動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，7月～9月風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)動(dòng)態(tài)變化圖如圖2所示。

圖2 某隧道的7月~9月風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)動(dòng)態(tài)變化圖

從圖2可以看出，隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)一直處于中度到高度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和隧道勘察地質(zhì)報(bào)告判斷，主要是因?yàn)樵撻_(kāi)挖施工段處于斷層上，圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差，呈碎石狀，有掉塊，隧道開(kāi)挖存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文將監(jiān)控量測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相結(jié)合，結(jié)合鐵路隧道工程實(shí)例和新奧法施工量測(cè)特點(diǎn)，確定動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)，并采用層次分析法確定動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析各指標(biāo)的權(quán)重。通過(guò)相應(yīng)的資料匯總統(tǒng)計(jì)分析，得到其施工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。該動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析方法對(duì)其施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別、分析，并與施工方法結(jié)合運(yùn)用，能夠降低施工風(fēng)險(xiǎn)，值得借鑒。