基于模糊層次分析法的公路隧道施工坍塌事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

李 毅

(益陽市交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督站， 湖南 益陽 413000)

影響隧道施工安全的因素眾多，包括各種自然因素以及人為因素，各種因素之間相互作用，導(dǎo)致現(xiàn)場施工有很多不確定性。常規(guī)的風(fēng)險(xiǎn)分析方法有模糊評(píng)價(jià)法、專家法、層次分析法、可拓理論法和貝葉斯法等[1-3]，其中模糊評(píng)價(jià)法十分簡潔實(shí)用且具有系統(tǒng)性，但該法許多因子的權(quán)重系數(shù)不好確定，而層次分析法卻能很簡單地確定因子權(quán)重。模糊層次分析法結(jié)合了模糊法和層次分析法的優(yōu)點(diǎn)，是一種多準(zhǔn)則相對(duì)靈活且非常實(shí)用的決策方法。本文采用模糊層次分析法對(duì)公路隧道施工坍塌事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，對(duì)類似工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有一定的參考價(jià)值。

1 隧道施工坍塌風(fēng)險(xiǎn)影響因素分析

根據(jù)現(xiàn)場資料和現(xiàn)有研究成果[4-6]，結(jié)合業(yè)內(nèi)專家調(diào)查分析結(jié)果，影響隧道塌方事故的主要因素有地質(zhì)、環(huán)境、施工和勘察設(shè)計(jì)因素。其中地質(zhì)因素包括：圍巖級(jí)別、斷層破碎情況、滲水狀態(tài)以及隧道偏壓；環(huán)境因素包括：大氣降雨和自然災(zāi)害；施工因素包括：技術(shù)水平、施工經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)場管理；勘察設(shè)計(jì)因素包括：地質(zhì)符合情況、施工方法、施工步距。

2 建立公路隧道施工坍塌事故風(fēng)險(xiǎn)模糊層次分析模型

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

通過對(duì)隧道施工坍塌事故的影響因素分析，建立隧道施工坍塌事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，根據(jù)模糊層次分析原理建立隧道施工坍塌事故可能性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估層次遞階模型，見表1 。

表1 隧道施工塌方可能性層次分析遞階模型目標(biāo)層準(zhǔn)則層指標(biāo)層隧道施工坍塌事故可能性評(píng)估指標(biāo)A圍巖級(jí)別C1地質(zhì)因素B1斷層破碎情況C2滲水狀態(tài)C3隧道偏壓C4技術(shù)水平C5施工因素B2施工經(jīng)驗(yàn)C6現(xiàn)場管理C7環(huán)境因素B3大氣降雨C8自然災(zāi)害C9地質(zhì)符合情況C10勘察設(shè)計(jì)因素B4施工方法C11施工步距C12

2.2 確定個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

層次分析法中使用專家調(diào)查法，計(jì)算每層影響因素的權(quán)重系數(shù)。根據(jù)層次分析法的基本原理采用1-9標(biāo)度法，讓專家根據(jù)隧道現(xiàn)場調(diào)查資料對(duì)同一層次的影響因素指標(biāo)兩兩之間重要性進(jìn)行評(píng)判，建立準(zhǔn)測層的判斷矩陣如下：

(1)

(2)

得到：

W甲=(0.651 4，0.059 8，0.094 4，0.194 4)

利用MATLAB軟件計(jì)算出最大特征值λ甲max=4.100 9，RI=0.89。可得：

0.037 8<0.1

所以特征向量W甲有效。

同理，可得：

W乙=(0.611 0， 0.048 5， 0.104 3， 0.236 2)，

W丙=(0.670 1， 0.076 5， 0.081 9， 0.171 5)，

W丁=(0.590 6， 0.103 8， 0.086 2， 0.219 4)。

假如不用考慮每位專家的決策能力和權(quán)威性，采用加權(quán)平均綜合法對(duì)以上指標(biāo)權(quán)重值進(jìn)行計(jì)算得到綜合權(quán)重(見表2)，仍采用如上層次分析法得到指標(biāo)層各因素權(quán)重(見表3)。

表2 準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重最終值準(zhǔn)則層地質(zhì)因素施工因素環(huán)境因素勘查設(shè)計(jì)因素權(quán)重W0.630 80.072 40.091 70.205 4

表3 第三層指標(biāo)綜合權(quán)重最終值準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)因素C權(quán)重V最終權(quán)重圍巖級(jí)別C10.376 30.237 4地質(zhì)因素B1斷層破碎情況C20.313 50.197 8滲水狀態(tài)C30.108 50.068 4隧道偏壓C40.201 70.127 2技術(shù)水平C50.103 20.007 5施工因素B2施工經(jīng)驗(yàn)C60.632 90.045 8現(xiàn)場管理C70.263 90.019 1環(huán)境因素B3大氣降雨C80.342 30.031 4自然災(zāi)害C90.657 7 0.060 3地質(zhì)符合情況C100.231 10.047 5勘查設(shè)計(jì)因素B4施工方法C110.287 30.059 0施工步距C120.481 60.098 9

2.3 制定隧道施工坍塌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，由專家對(duì)影響公路隧道施工坍塌風(fēng)險(xiǎn)的影響因素進(jìn)行評(píng)分，每單項(xiàng)評(píng)分分為4個(gè)等級(jí)，總分值為13分，分值對(duì)應(yīng)的可能性劃分標(biāo)準(zhǔn)見表4,評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表4 隧道坍塌事故可能性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算分值P事故可能性描述等級(jí)P≥9.5很可能46.5≤P<9.5可能33.5≤P<6.5偶然20≤P<3.5不太可能1

表5 各因素評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分值Ⅰ(0～3)Ⅱ(4～6)Ⅲ(7～9)Ⅳ(10～13)圍巖級(jí)別C1Ⅰ、ⅡⅢⅣⅤ、Ⅵ斷層破碎寬度 C20～20 m20～35 m35～50 m>50 m滲水狀態(tài)C3干-滴滲線狀線狀-股狀巖溶管道式涌水隧道偏壓 C40°～20°20°～30°30°～40°>40°技術(shù)水平C5很好好差很差施工經(jīng)驗(yàn)C6較豐富豐富缺乏嚴(yán)重不足現(xiàn)場管理C7較規(guī)范規(guī)范較差很差大氣降雨C8很少少較多頻繁自然災(zāi)害C9極少偶爾經(jīng)常頻繁地質(zhì)符合情況C10完全符合基本符合差別較大差別很大施工方法C11適合基本適合不適合很不適合施工步距C12<70 m70～120 m120～200 m>200 m

3 工程實(shí)例研究

某公路隧道地處丘陵地貌，地形起伏較大，起訖樁號(hào)為K23+506～K25+392，全長1 886 m，為單洞雙線隧道。隧道范圍內(nèi)中線高程374.14～656.82 m，最大高差約282.68 m。山體自然坡度20°～30°，植被較發(fā)育。隧址區(qū)地表水不發(fā)育，主要為隧道進(jìn)、出口所處沖溝內(nèi)的溪流水，靠大氣降水和基巖裂隙水滲流補(bǔ)給，屬季節(jié)性溪流，大部分時(shí)間溪流水量小或干旱季節(jié)斷流。隧址區(qū)第四系覆蓋層厚度不大，主要為坡殘積成因的粉質(zhì)黏土、碎石，不均勻分布于隧道山體；出露基巖為前震旦系下統(tǒng)富祿組(Nh1f)變質(zhì)砂巖，山體坡腳部位見強(qiáng) — 中風(fēng)化基巖裸露。圍巖級(jí)別為Ⅲ～Ⅳ級(jí)。

該隧道主要由III、IV、V這3個(gè)級(jí)別的圍巖構(gòu)成，按照圍巖等級(jí)情況不同，分別對(duì)不同區(qū)段坍塌事故的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行估測。根據(jù)調(diào)查資料可得，隧道洞身段：K25+380～K25+392為V級(jí)圍巖段。為簡化計(jì)算，采用專家調(diào)查法，在資料收集和現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，由4名專家按指標(biāo)對(duì)該隧道K25+380～K25+392進(jìn)行評(píng)分，統(tǒng)計(jì)專家做出的判斷分值如表6所示。

根據(jù)專家評(píng)分表建立指標(biāo)層模糊評(píng)價(jià)矩陣Xi:

表6 指標(biāo)層專家評(píng)分表準(zhǔn)測層準(zhǔn)測層權(quán)重W指標(biāo)層指標(biāo)層權(quán)重V專家甲專家乙專家丙專家丁圍巖級(jí)別C10.376 311101211斷層破碎情況C20.313 50101地質(zhì)因素B10.630 8滲水狀態(tài)C30.108 54566隧道偏壓C40.201 71232技術(shù)水平C50.103 23412施工因素B20.072 4施工經(jīng)驗(yàn)C60.632 91121現(xiàn)場管理C70.263 93231環(huán)境因素B30.0917大氣降雨C80.342 34354自然災(zāi)害C90.657 7 0100地質(zhì)符合情況C100.231 13321勘查設(shè)計(jì)因素B40.205 4施工方法C110.287 31111施工步距C120.481 64555

根據(jù)指標(biāo)層各因素權(quán)重向量V得到準(zhǔn)測層矩陣評(píng)價(jià)公式為Yi=Vi×Xi，求得各因素評(píng)價(jià)矩陣：

Y1=V1×X1=

( 4.775 0 5.022 4 5.771 7 5.507 2)

Y2=V2×X2=

( 1.734 2 1.573 5 2.160 7 1.103 2)

Y3=V3×X3=

(1.369 6 1.684 9 1.712 0 1.369 6)

Y4=V4×X4=

( 2.656 5 2.887 6 2.406 0 1.924 4)

得到準(zhǔn)測層評(píng)價(jià)矩陣

再根據(jù)準(zhǔn)測層權(quán)重向量W得到最終評(píng)價(jià)矩陣公式為Zi=Wi×Yi，計(jì)算得：

Z=[ 3.808 9 4.029 7 4.448 4 4.074 7]

由上述計(jì)算可知，綜合考慮各專家意見，得到該隧道K25+380～K25+392段最終評(píng)分結(jié)果為:

根據(jù)表4可得該隧道K25+380～K25+392Ⅴ級(jí)圍巖段發(fā)生坍塌事故的可能性為偶然。重復(fù)上述步驟得到該隧道K23+530～K23+560、K25+265～K25+360Ⅳ級(jí)圍巖段及K23+560～K25+265Ⅲ級(jí)圍巖段發(fā)生坍塌的可能性皆為偶然。結(jié)果表明與《湖南省公路橋梁與隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)施細(xì)則》(試行)推薦方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

4 結(jié)論

以某隧道施工為背景，基于模糊層次分析法對(duì)該隧道施工坍塌事故進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。首先對(duì)隧道施工塌方影響因素進(jìn)行分析，并建立了隧道施工塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，然后采用層次分析法確定了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合專家評(píng)分，得到隧道施工坍塌事故的可能性等級(jí)，最后對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明該模型是有效的。與現(xiàn)行《湖南省公路橋梁與隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)施細(xì)則》(試行)相比，該方法考慮因素更全面合理，避免了因施工單位安全管理折減系數(shù)對(duì)非施工因素進(jìn)行折減，該方法得到的評(píng)估結(jié)果更客觀。