基于层次分析法的隧道工程设计阶段施工安全风险评估

唐中华 汪浙民 程运信 廖雅杰 缪燕兵

（1.浙江交投高速公路建设管理有限公司，浙江 杭州 310016；2.浙江交工集团股份有限公司，浙江 杭州 310052；3.北京中交华安科技有限公司，北京 100088；4.重庆交大交通安全科技研究院有限公司杭州分公司，浙江 杭州 311215）

责任编辑/曹晶磊 美术编辑/王德本

一、隧道基本情况

（一）隧道基本设计参数

某隧道类型为单洞（A型），起讫桩号k9+485～k13+225，隧道长度为3785m，隧道净宽10m，净高5m，进出口洞门形式均为偏压式。

（二）地形地貌

项目所在区域属构造侵蚀剥蚀中低山地貌，地势总体西高东低，河谷和山脉多呈北东及北西向发育，山体高程以400m～1000m为主。项目区内海拔高程约1216m，最低点位于北西侧的冲洪积平原，海拔高程约160m，相对高差约1050m。地形坡度一般为15°～40°，局部达45°以上。地表植被发育以杂木为主。

根据地貌成因、地质岩性特征、外力作用等特点可将区域地貌形态分成堆积平原区（Ⅰ）、侵蚀剥蚀中低山丘陵区（Ⅱ）两大地貌分区和冲洪积平原（Ⅰ1）、坡洪积平原（Ⅰ2），侵蚀低山亚区（Ⅱ1）及剥蚀丘陵亚区（Ⅱ2）4个亚区。

隧道所在区域属低山斜坡地貌，地形起伏大，地表植被发育，多为灌木、松木、杉木等，地表覆盖层较薄，基岩露头条件较好。

（三）工程地质

隧道起讫桩号为k9+485～k13+270，位于线路k0+000～k13+325段，该段多在侵蚀中低山区上行进，跨越的地貌单元主要为侵蚀中低山间夹冲洪积平原、坡洪积沟谷及斜地等地貌单元。其中k6+455～k13+225段山高坡陡，坡度一般在30。～50。，山脊较尖棱，沟谷深切，残坡积层较薄，多见基岩出露，岩性以凝灰岩为主，岩石受构造影响程度较低，总体地质构造不发育，岩质坚硬，山脊风化一般较强，工程地质条件较好。

隧道围岩为下白垩统大爽组晶屑凝灰岩、变粒岩，燕山晚期霏细斑岩。地表第四系覆盖层薄，强风化岩出露。出洞口上覆残坡积含黏性土角砾，厚3m～4m，下伏全风化变粒岩。总体场地工程地质条件较好，水文地质条件较简单，可自然排水，围岩质量较好，洞身为Ⅱ级～Ⅳ级，进出洞口以Ⅴ级为主。

(四）气象

隧址内低海拔的河谷地带年均气温为17.6℃，月平均气温最高（7月）28.4℃，最低（1月）6.6℃，日极端最高40.7℃；而海拔千米以上的山区（草鱼塘等），年平局气温12.8℃，月平均气温最高（7月）22.6℃，最低（1月）2.8℃，日极端低温零下14℃。由于海拔、坡向差异悬殊，气候垂直差异明显，一般海拔每升高100m，气温下降0.5℃。

境内降水充沛，但时空分布不均。在空间分布上，由于地形变化悬殊，各地多年平均降水量差异较大，一般随海拔增高逐渐增多，全县多年平均降水量在1600mm～2100mm之间；在年际分配上，降水主要集中在4月～6月的梅汛期和8月～10月的台汛期，降雨量约占全年的七成，11月至下一年3月雨水较少。

（五）水文

隧址区属中亚热带季风气候，植被覆盖较好，森林覆盖率达85%以上，其水文性质也较好。一是水位涨落迅速；二是径流量季节分配不均；三是径流量年际变化大。勘察区地下水根据含水组地层岩性、地下水的赋存条件、地下水的水动力性质，可分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。

（六）不良地质现象

据高密度电法成果揭露，隧址区发育5条断裂破碎带，对隧道围岩稳定性均有一定影响。

（七）隧道主要技术标准

1.线形：隧道几何线形与净空按60km/h设计。隧道照明设计速度按60km/h设计。

2.隧道建筑限界：根据《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）及《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）规定确定二车道建筑限界基本宽度。

3.隧道设计使用年限：主体结构（衬砌、洞门）：100年；可更换、修复构件（水沟、电缆沟槽、盖板等）：30年。

二、层次分析模型

根据《公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南》（试行），本文主要采用专家调查法、层次分析法、模糊综合评判法确定风险源风险等级，如图1所示。

图1 隧道整体风险层次分析模型

三、坍塌风险分析

根据坍塌风险源辨识构建塌方风险指标体系，评估小组利用层次分析法确定各风险指标权重。

1.建立判断矩阵A

表1 判断矩阵

表1 判断矩阵

2.利用方根法计算判断矩阵A的特征向量W

3.计算判断矩阵A的最大特征根

λmax=6.172

4.判断矩阵的一致性检验

当n=6时，RI=1.24，则：CR=CI/RI=0.028＜0.1

该矩阵通过一致性检验，判断矩阵A的特征向量W为所求得的权重系数。RI为判断矩阵的平均随机一致性指标，当CR＜0.1时，符合一致性检验，判断矩阵合理。

分别构建第三层指标地形地貌、地质、不良地质、周边环境、设计方案、施工方案的判断矩阵，求得第三层指标的权重系数三级指标权重系数，如表2所示。

四、风险评估

涌水突泥风险评估采用层次分析软件，构建层次分析法模型，如图2所示。经过比对，确定各级指标权重系数，如表3所示。

隧道设计阶段环境保护风险评估。综合该隧道的各风险事件，结合已有的工程实例，根据专家调查结果，对该隧道发生环境保护风险事故的风险评估成果，如表4所示。

隧道设计阶段整体风险评估。根据以上建立的隧道主洞整体风险层次分析模型，计算隧道设计施工风险，如表5所示。经过评估小组讨论，结合层次分析法风险分级，确定该隧道整体风险等级为Ⅱ级中度风险，属于可接受风险。

表2 坍塌风险分析时三级指标权重

表2 坍塌风险分析时三级指标权重

表3 涌水突泥风险评估时三级指标权重

表3 涌水突泥风险评估时三级指标权重

图2 层次分析矩阵

表4 环境保护风险评估

表4 环境保护风险评估

表5 隧道主洞整体风险各级指标权重及赋值

表5 隧道主洞整体风险各级指标权重及赋值

表6 隧道主洞设计阶段整体风险

表6 隧道主洞设计阶段整体风险

五、结语

本文采用层次分析法、指标体系法相结合的方法，对隧道进行施工图阶段设计风险评估并得出结论：隧道施工图设计整体风险为Ⅱ级，中度风险，属于可接受风险；隧道主要施工风险在于穿越断层破碎带期间；防止断层破碎带并富存基岩裂隙水的情况，加大断层区物探范围，确保施工安全。