基于TSP的隧道施工风险评估

吕擎峰，霍振升，赵彦旭，姜璐莎

(1.兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，兰州 730000;2.中铁二十一局集团有限公司，兰州 730000)

铁路隧道建设是复杂的、大型的地下隐蔽工程，具有不可预见因素多、施工时效性强和施工环境恶劣等特点。铁路隧道本身开挖断面大，若围岩级别高，则会导致在施工期存在众多不安全因素，安全管理难度极大。铁路隧道工程项目风险具有模糊性和偶然性，使其在设计、施工以及决策等方面会遇到各种困难与阻力，因此对铁路隧道施工阶段的风险因素进行有效的评估，从而保证施工安全进行已经成为一个不可或缺的环节[1]。

Einstein.H.H(1974)在研究硬岩隧道的工期和投资风险问题时采用风险评估理论，建立了一种适用于硬岩隧道的基于计算机模拟的隧道工期与成本模型[2]；B.Nilsen(1999)为了估算出海底隧道事故的发生概率从而来控制风险，提出了引入Lichtenberg方法来开展定性风险评估方法，并建立了适用于海底隧道工程风险评估的框架图[3]。R.Sturk等(1996)以公路隧道修建为风险评估对象开展了风险评估研究，考虑了众多不确定性因素，分析目标包括了安全风险、投资风险以及环境风险，是一套比较完整的风险评估系统[4]。我国在隧道及地下工程的风险评估方面的研究起步较晚，范益群(2000)基于可靠度理论，提出了地下结构的抗风险设计概念，计算出基坑、隧道等地下结构风险发生的概率，定性评价风险造成的损失，并提出改进的层次分析方法[5-17]；王志国(2004)通过结合故障树分析和模糊综合评判分析建立了组合分析法，并对抽油泵进行了可靠性分析[8]。温世儒(2012)通过GPR地质雷达超前预报与层次分析法结合对隧道进行了风险评估。

目前的风险分析方法主要基于地质资料和工程措施为主，存在基础资料不确定性和数据的欠真实性。而超前地质预报能够准确识别施工期的风险源，为模糊综合评价法的权重赋值提供可靠依据，所以基于TSP的隧道施工风险评估能够更好确定风险等级，并对风险提供合理的处治措施。

以成昆铁路峨米段邓家湾铁路隧道为依托，利用TSP超前地质预报方法，判别掌子面前方围岩中所存在的不安全因素，利用模糊综合评估法对不安全因素开展分析与评估，从而明确具体的施工风险因素及其风险等级。同时，结合邓家湾勘察报告并征求专家意见对掌子面前方相同段落进行传统的风险分析与预测，对两种评估方法得到的风险因素以及风险等级与隧道开挖的实际情况进行比较，从而得出对比性的结果。

1 邓家湾隧道概况

邓家湾隧道位于喜德西—冕宁区间，进口里程D2K372+305，出口里程DK381+695，全长9390 m，双线隧道。进口接短路基，出口紧邻孙水河双线特大桥。另外喜德西车站渡线深入进口端，线路纵坡为2.5‰/575 m、11.1‰/778 m、11.9‰/8897 m的单面下坡。洞身均通过花岗岩地层，植被发育，进、出口地形较陡，全隧发育有4条断层，隧道最大埋深约700 m。

邓家湾隧道进口D2K372+489～D2K372+519段和D2K372+715～D2K372+757这两段地质构造复杂，受长期地质构造影响，岩体完整性差，为散体结构，节理、裂隙比较发育，无自稳能力，开挖时若没有及时支护极易发生塌方；地下水多储存于节理、裂隙密集地段，以基岩裂隙水为主。在施工时容易遇到掉块、塌方和涌水等风险因素。所以合理准确地对风险因素进行风险评估是其关键内容。

2 TSP超前地质预报结论

D2K372+489～D2K372+509段，节理不发育，岩体强风化，强度较低，该段岩体地下水较发育。D2K372+489～D2K372+493范围内和D2K372+507～D2K372+509范围内存在软弱结构面，且赋含一定地下水。建议围岩等级为V级。D2K372+509～D2K372+519段，岩体完整性较差，节理裂隙发育，岩体强度增大，该段岩体地下水不发育。建议围岩等级为V级。

D2K372+715～D2K372+757段，岩体完整性差，节理裂隙较发育，岩体较破碎，该段岩体整体处于渗水或者潮湿状态，尤其在D2K372+734～D2K372+736有软弱面存在。建议围岩等级为IV级。

3 模糊综合评价模型的建立

3.1 基于TSP的隧道施工风险评估方法

利用TSP 303系统在邓家湾隧道采集炮数据，然后进行数据分析，从而预报出掌子面前方的断层破碎带等风险因素，然后采用模糊综合评估方法，确定隧道掌子面前方风险因素等级评估矩阵，确定概率等级以及风险因素权重，进行总体评估从而确定施工风险等级，进而采取合理措施降低风险，保证施工顺利进行。TSP与模糊综合评价的关系如图1所示。

图1 TSP超前预报与模糊评价的关系

3.2 构造风险因素集A和风险评价集B

根据高速铁路隧道施工风险评价指标体系，结合邓家湾隧道该段落实际情况，将隧道风险集合中的风险因素表示为A1，A2，A3，A4，A5，即

A={A1，A2，A3，A4，A5}

(1)

其中，A1表示施工中可能遇到的坍塌；A2表示施工中可能发生的突泥；A3表示施工中可能发生的突水或涌水；A4表示施工中可能遇到的围岩大变形；A5表示施工中可能发生的弱岩爆。

评价集合指的是由所有情况的风险评价结果所组成的集合，表示为

B={B1，B2，B3，…}

(2)

对于邓家湾隧道预测段落，根据高速铁路隧道施工风险评价指标体系，将施工阶段遇到的风险的等级分为5个等级，即：依次为

B={B1，B2，B3，B4，B5}

(3)

其中，B1表示极低风险；B2表示低风险；B3表示中度风险；B4表示高风险；B5表示极高风险。

3.3 明确风险因素的权重

权重集合指的是不同的因素对于同一风险所产生的贡献不一致，也就是说不同的因素对一个风险的影响程度存在差异。模糊综合评价的核心步骤是将风险事件进行两两对比，根据风险事件的重要性大小从而在一个标度表中进行仿数量化。该标度表采用1～9标度原则(表1)。依照风险因素评判矩阵及风险因素权重的准则，对两种隧道风险因素构建判断矩阵，然后再求权重向量[18]，表示为

W={W1，W2，W3，W4，W5}

(4)

对“判断矩阵”进行一致性检验的步骤如下。

(1)计算该判断矩阵的最大特征值λmax

(5)

式中λmax——判断矩阵的最大特征根；

n——判断矩阵的行数；

M——判断矩阵程序W为判断矩阵的特征向量；

(MW)i——向量MW的第i个元素。

表1 1～9标度两两比较原则

(2)进行一致性检验

进行一致性检验时首先计算CR值，CR的计算公式如下

(6)

(7)

式中，RI为平均随机一致性指标，如表2所示。当CR≤1.0时，认为判断矩阵具有较满意的一致性；若不满足，则应该对矩阵进行调整。

表2 平均随机一致性指标RI的取值

3.3.1 专家评估法构建判断矩阵

将专业地质工作者工程经验以及邓家湾隧道勘察报告相综合，分析出在掌子面前方该段落在施工时可能遇到坍塌、突泥、突水、弱岩爆或围岩大变形不安全因素，在隧道前期勘察以及施工中编写的掌子面地质素描等资料精确的情况下，工程经验丰富的专业地质工作者一般能识别出掌子面前方等级较高的风险事件。然而大部分施工或者技术人员缺乏一定的地质经验或者能力不足，无法准确识别出五种风险因素之间的重要性排序。

针对这种情况，在D2K372+489～D2K372+519段拿其中一种可能发生的情形进行分析，也就是认为这5种风险的重要性排列依次为突水、突泥、坍塌、弱岩爆、围岩大变形。因此，风险因素的第一判断矩阵如表3所示。

表3 风险因素第一判断矩阵

表3的判断矩阵进行权重运算，求得：权重向量W={0.126，0.258，0.505，0.041，0.071}；最大特征值λmax=5.427，一致性指标

(8)

查表得RI为1.12，求得一致性比例

(9)

一致性检验符合。

同样，在D2K372+715～D2K372+757段对其中一种可能发生的情形进行分析，也就是认为这5种风险的重要性排序依次为弱岩爆、围岩大变形、突水、突泥、坍塌。因此，该段风险因素的第一判断矩阵如表4所示。

表4 风险因素第一判断矩阵

表4的判断矩阵进行权重运算，求得：权重向量W={0.043，0.107，0.194，0.195，0.460}；最大特征值λmax=5.413，一致性指标

(10)

查表得RI为1.12，求得一致性比例

(11)

一致性检验符合。

3.3.2 根据TSP超前地质预报成果成立判断矩阵

结合已有勘察报告，分析TSP超前地质预报结果可见，邓家湾进口D2K372+489～D2K372+493范围内和D2K372+507～D2K372+509范围内坍塌和突水是该段落的主要潜在风险，在施工中如果不及时采取支护措施极有可能发生，造成不必要的损失。这5种风险的重要性大小排序依次为坍塌、突水、围岩大变形、突泥、弱岩爆。此时该段风险因素的第二判断矩阵如表5所示。

表5 风险因素第二判断矩阵

对表5的判断矩阵进行运算，求得：权重向量W={0.523，0.081，0.232，0.126，0.038}；最大特征值λmax=5.338，一致性指标

(12)

查表得RI为1.12，求得一致性比例

(13)

一致性检验符合。

同样结合已有勘察资料，分析TSP超前地质预报结果可见，邓家湾进口D2K372+715～D2K372+757范围内坍塌和突水是该段落的主要潜在危险因素。这5种风险因素的重要性排序依次为坍塌、突水、突泥、围岩大变形、弱岩爆。该段风险因素的第二判断矩阵如表6所示。

表6 风险因素第二判断矩阵

对表6的判断矩阵进行运算，求得：权重向量W={0.523，0.078，0.126，0.233，0.039}；最大特征值λmax=5.321，一致性指标

(14)

查表得RI为1.12，求得一致性比例

(15)

一致性检验符合。

3.4 明确风险因素的隶属度

所谓风险隶属度，指的是风险事件对于风险水平的隶属关系，即：该风险事件属于何种风险水平。

(1)确定风险事件影响后果C

风险事件影响后果C的估算方法如表7所示。

表7 风险事件影响后果C的估算方法

(2)确定风险事件发生概率

风险事件发生概率P的估算方法如表8所示。

表8 风险事件发生概率P的估值方法

(3)隶属函数的确定

按照梯形分布，对施工风险进行分级，共分为5级：依次为“极低风险”、“低风险”、“中度风险”、“高风险”、“极高风险”。梯形分布函数计算公式如式(16)所示

(16)

式(16)中a，b都取正值。

该分段函数的表达式如表9所示。

表9 隶属函数分段表达式

(4)隶属度值的确定

确定隶属度值的时候，将风险事件影响后果C的估计值和发生概率P的估计值相乘，然后将相乘后的值代入到隶属函数中，从而得到相应的隶属度值。最终形成一个施工期风险评判矩阵。

将已有勘察报告和专业地质工程师长年工程经验结合分析，邓家湾进口D2K372+489～D2K372+493范围内和D2K372+507～D2K372+509段在施工时期可能会遇到坍塌、突水、突泥、弱岩爆或围岩大变形。然而五种风险因素的发生概率及影响后果的取值存在多种情况。现在只取其中一种可能的情况进行分析，表10列出该段所有指标的第一隶属度。

表10 所有指标的第一隶属度

邓家湾进口D2K372+715～D2K372+757段在施工时期也可能会遇到坍塌、突水、突泥、弱岩爆或围岩大变形风险。同样只取其中一种可能发生的情形进行分析，表11列出在该段所有指标的第一隶属度。

表11 所有指标的第一隶属度

而由TSP超前预报的结论可知，坍塌和突水在D2K372+489～D2K372+493范围内和D2K372+507～D2K372+509范围内发生的概率最大。表12列出该段各指标的第二隶属度。

表12 所有指标的第二隶属度

同样由TSP超前预报的结论可知，坍塌和突水在D2K372+715～D2K372+757范围内发生的概率最大。表13列出该段各指标的第二隶属度。

表13 所有指标的第二隶属度

3.5 模糊综合运算

精准的运算后，得到风险评价结果，记为N

N=W×R

在邓家湾进口D2K372+489～D2K372+493范围内和D2K372+507～D2K372+509段将专家评估法和基于TSP超前地质预报的风险评估结果表示为N1和N2，如下

[0.329，0.672，0，0，0]

(17)

[0.081，0.396，0.523，0，0]

(18)

由最大隶属度原则进行分析处理，结果如表14所示。

表14 基于主观评估法所得结论

根据N2，隧道风险等级如表15表示。

表15 基于TSP所得结果

同样，在邓家湾进口D2K372+715～D2K372+757段将专家评估法和基于TSP超前地质预报的风险评估结果表示为N3和N4，如下

[0.567，0.432，0，0，0]

(19)

[0.078，0.272，0.649，0，0]

(20)

根据最大隶属度原则，分析N3，结果如表16所示。

表16 基于主观评估法所得结论

根据N4，隧道风险等级如表17表示。

表17 基于TSP所得结果

隧道掘进结果显示，基于TSP超前预报进行的隧道风险评估的结论基本正确。

在D2K372+489～D2K372+509段岩体地下水较发育。在D2K372+489～D2K372+493范围内和D2K372+507～D2K372+509范围内存在软弱结构面，且赋含一定地下水。D2K372+509～D2K372+519段，岩体完整性较差，节理裂隙发育。因为现场施工人员和隧道技术员在结合TSP地质超前预报的风险评估结果后，及时采取了相关的风险规避举措，并将围岩级别由Ⅳ级降低到Ⅴ级，在施工中并未出现大的坍塌，仅产生了小部分围岩溜滑。然而，如果按照专家评估法所得结论，而未采取相关的风险规避举措或者采取的支护措施不能对围岩进行合理支护，则在施工时极易产生大规模的掉块甚至出现垮塌。

在D2K372+715～D2K372+757段，岩体完整性差，节理裂隙较发育，岩体较破碎，且该段岩体整体处于渗水或者潮湿状态，尤其在D2K372+734～D2K372+736有软弱面存在。因为现场施工人员在结合TSP地质超前预报的风险评估结果后，及时采取了相关的风险规避举措，并将围岩级别由Ⅲ级降低到IV级，并采取及时支护，在施工中并未出现坍塌，施工井然有序进行。然而，如果按照专家评估法所得结论，按照Ⅲ级围岩施工开挖，采取的支护措施不能恰当对围岩进行合理支护，则在施工时极易产生大规模的围岩掉块甚至坍塌。

4 结语

采用基于TSP超前地质预报的施工风险评估，准确找出风险源，确定风险级别，从而采取合理措施降低风险，在一定程度上避免专家调查等主观方法的盲目性和模糊性，使得最终的评估结果与实际开挖情况更加契合，为隧道安全高效施工开挖提供更精确的保证，从而也提高了隧道施工风险评估的准确性，可以在铁路隧道施工风险评估中运用。