范玉祥， 何亞伯， 汪 琴， 李 祺

(1.武漢大學 土木建筑工程學院， 湖北 武漢 430072；2.中國科學院武漢巖土力學研究所， 湖北 武漢 430071)

近年來，全國各地鐵路、輕軌鐵路、磁懸浮鐵路、高速公路、城市高等級公路等建設(shè)掀起高潮。隧道施工是鐵路和公路建設(shè)施工中重要的一個環(huán)節(jié)，建立有效的隧道施工安全風險評價方法是確保隧道施工安全的關(guān)鍵。針對隧道施工條件復雜、施工條件惡劣、不確定性因素較多等施工特征，本文提出了隧道施工安全風險模糊綜合評判方法。

綜合評判是對多種屬性的事物，或者說其總體優(yōu)劣受多種因素影響的事物，做出一個能合理地綜合這些屬性或因素的總體評判。模糊邏輯是通過使用模糊集合來工作的，是一種精確解決不精確不完全信息的方法，其最大特點就是可以比較自然地處理人類思維的主動性和模糊性。本文根據(jù)隧道工程施工的特點，確定隧道施工安全風險因素，對隧道施工安全風險進行模糊估計，建立相應的評價矩陣，從而確定隧道施工安全風險水平等級。

1 工程概況

本項目屬于廈門市城市快速公路上的一座分離式車行隧道，總體呈南北走向，為雙向六車道特長隧道，單洞凈寬13.5 m，凈高5.0 m，總長1850 m。其中650 m采用淺埋暗挖法施工； 1200 m為明挖法施工。洞身段圍巖以殘積亞粘土、砂礫狀～碎塊狀全～強風化正長巖和花崗巖為主，地下水埋深2～4 m，地質(zhì)條件差；地面建筑物大部分為60～70年代建造的磚混結(jié)構(gòu)，極少數(shù)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，且大部分房屋位于軍事管制區(qū)內(nèi)，不僅容易產(chǎn)生開裂等事故，而且一旦發(fā)生事故較難協(xié)調(diào)處理。因此在設(shè)計與施工過程中要充分重視隧道工程對周邊地層變形的影響分析以及周邊地層變形的預測與監(jiān)測工作，以應對可能出現(xiàn)的各種突發(fā)情況。

淺埋暗挖段隧道工程地段大多屬第四系堆積區(qū)，由于建筑需要，地面已被改造，地表普遍堆積了厚 2～5 m的人工填土，地面高程 13～21 m，略向北西傾斜。本隧道段主要從強風化帶內(nèi)通過，K7+500～K7+810段隧道洞身主要從砂礫狀強風化帶通過，地基土容許承載力300 kPa左右，壓縮性中等偏低，圍巖水穩(wěn)性差，容易產(chǎn)生滲透變形破壞，K7+810～K8+000段，隧道主要從碎塊狀強風化中通過，地基承載力較高，低壓縮性，但圍巖較破碎且軟硬不均，存在較多弱～微風化殘余體，容易出現(xiàn)掉塊、坍塌現(xiàn)象，此外圍巖滲透性較強，水量較豐富。總體上講，本隧道段工程地質(zhì)條件不良，地面結(jié)構(gòu)物太復雜。

2 隧道施工安全風險因素辨識

針對該隧道工程的施工特點，對其進行施工安全風險因素辨識，可以得出影響該隧道工程施工安全的主要風險因素如下：

(1)建筑物、地表、管線沉降。地表、建筑物和圍護結(jié)構(gòu)等沉降是隧道基坑開挖后圍巖土體擾動的最直接反映，為了確保周邊環(huán)境安全，通過沉降量變化規(guī)律預測施工對環(huán)境安全的影響。

(2)建(構(gòu))筑物裂縫。建筑物破壞前具有一個開裂過程，利用裂縫的開展與變化，可有效地評價隧道施工過程中附近建筑物的安全。當開挖接近該建(構(gòu))筑物后，要進行調(diào)查，與初始資料對比，并對裂縫的發(fā)展趨勢作觀測。利用建立的被監(jiān)測建(構(gòu))筑物的裂縫狀況檔案，為及時準確評價施工安全風險提供依據(jù)。

(3)建(構(gòu))筑物傾斜。當建筑物差異沉降變形較大時，建筑物產(chǎn)生傾斜。當建筑物傾斜超過一定數(shù)值后，影響建筑的安全與使用。建(構(gòu))筑物傾斜可以通過測得的基礎(chǔ)相對沉降值計算出傾斜值。

(4)土體測斜。依據(jù)國家標準《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-2001)、《工程巖體試驗方法標準》(GB/T50266-99)的規(guī)定及本工程的特點，采用測斜儀對土體位移進行監(jiān)測。對有明顯位移的部位，繪制該深度的位移與時間關(guān)系曲線，變形發(fā)展與施工的關(guān)系曲線，當變形達到控制值時及時報警。

(5)地下水位。依據(jù)行業(yè)標準《城市地下水位動態(tài)觀測規(guī)程》(CJJ/T76-98)的規(guī)定及本工程的特點，用水位沉降儀對地下水位進行監(jiān)測，并作為施工安全風險評價指標。

(6)周邊位移收斂。收斂位移直觀明確，是圍巖穩(wěn)定情況的重要標志?？捎脕硗扑阕罱K位移值，確定二次支護最佳時機。因此，應根據(jù)圍巖地質(zhì)條件、施工方法及圍巖的時間和空間效應等因素，按一定的間距選擇觀測斷面和測點位置，并以此作為施工安全風險評價的重要指標之一。

(7)隧道拱頂下沉量。拱頂下沉監(jiān)測的作用是判斷圍巖穩(wěn)定性及進行位移反分析，為二次襯砌的施工設(shè)計提供依據(jù)，還可作為用計算收斂監(jiān)測各點絕對位移量的驗證之用。拱頂下沉量測測點設(shè)置在收斂量測同一斷面的拱頂中心及兩側(cè)適當位置，測點布置要根據(jù)現(xiàn)場施工情況，在各導坑/中導洞開挖完畢，具備條件后及時布置。

(8)爆破振動。對于可能用到爆破開挖的區(qū)間，在進行爆破施工時，有必要對周圍典型建(構(gòu))筑物進行動態(tài)跟蹤監(jiān)測，采用爆破振動自記儀進行爆破影響監(jiān)測，主要測試受監(jiān)測處的質(zhì)點速度、加速度。其目的是了解爆破振動對周圍典型建筑物影響程度，及時反饋動態(tài)監(jiān)測信息，為完善爆破設(shè)計、控制爆破規(guī)模、指導爆破施工提供可靠依據(jù)，從而使周圍典型建(構(gòu))筑物受到的影響降低到可接受的范圍內(nèi)。

3 隧道施工安全風險模糊綜合評判

3.1 建立施工安全風險因素集

建立因素集U=(u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7,u8)={建(構(gòu))筑物、地表、管線下沉，建(構(gòu))筑物裂縫，建(構(gòu))筑物傾斜，土體測斜，地下水位，周邊位移收斂，隧道拱頂下沉量，爆破振動}。

3.2 建立施工安全風險評判集

確定該隧道工程施工安全評判標準，劃分4個安全風險等級，建立評判集為V=(v1，v2，v3，v4)=(重度異常，輕度異常，基本正常，正常)。

3.3 風險因素權(quán)重集

評判因素對應的權(quán)重采用層次分析法求得。根據(jù)各因素對施工安全風險影響程度所得出的判斷矩陣如下表1。

表1 風險因素對施工安全影響的判斷矩陣

經(jīng)計算，施工安全風險影響因素U=(u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7,u8)的權(quán)重向量為：

W=(w1,w2,w3,w4,w5,w6,w7,w8)

=(0.039,0.100,0.100,0.064,0.084,0.256,0.256,0.100)

n=8查表有R.I.=1.41

相應最大特征根λmax=8.556，判斷矩陣最大特征根以外的其余特征根的負平均值C.I.為0.079；判斷矩陣的平均隨機一致性指標R.I.為1.41；隨機一致性比率C.R.等于0.056<0.1。說明判斷矩陣具有滿意的一致性，其權(quán)重關(guān)系基本合理。

3.4 單因素模糊評判

3.4.1風險因素的模糊估計

風險因素的模糊估計就是確定各個風險因素的隸屬度。針對該隧道工程特點，進行施工安全風險評判時首先通過專家經(jīng)驗法確定4個安全等級上的閥值(η1,η2,η3,η4,η5)。當實測值位于(η1,η2)之間，說明該風險因素處于重度異常；實測值位于(η2,η3)之間，說明該風險因素處于輕度異常；實測值位于(η3,η4)之間，說明該風險因素處于基本正常；實測值位于(η4,η5)之間，說明該風險因素處于正常。該隧道工程綜合監(jiān)測控制值如表2所示。以控制值為極限，設(shè)置不同階段的分界點見表3。

表2 各類監(jiān)測控制值

表3 隸屬度函數(shù)計算邊界控制值

建立各個安全風險因素的隸屬度函數(shù)。第i個安全風險因素ui在安全等級“重度異?！?、“輕度異常”、“基本正?！?、“正?！鄙系碾`屬度函數(shù)分別為：

(1)

(2)

(3)

(4)

η1～η5的取值參見表1，c1～c4為分別為區(qū)間(η1,η2)、(η2,η3)、(η3,η4)、(η4,η5)的中點值，即：

(5)

圖1 隸屬函數(shù)

3.4.2計算各安全風險評價因素的隸屬度

該工程2007年5月份一組實測數(shù)據(jù)如表4。根據(jù)實測結(jié)果、表3隸屬度函數(shù)計算邊界控制值規(guī)定，以及式(1)～式(5)，各安全風險因素ui在安全等級“重度異?！薄ⅰ拜p度異?！?、“基本正?！薄ⅰ罢！鄙系碾`屬度分別為：

建(構(gòu))筑下沉u1：μ(u1)=(0,0,0,1)

建(構(gòu))筑傾斜u2：μ(u2)=(0,0,0,1)

建(構(gòu))筑裂縫u3：μ(u3)=(0,0,0,1)

土體測斜u4：μ(u4)=(0,0,0,1)

表4 安全監(jiān)測實測數(shù)據(jù)

地下水位u5：μ(u5)=(0,1,1,0)

爆破振動u6：μ(u6)=(0,1,0.67,0)

拱頂下沉u7：μ(u7)=(0,0,0,1)

隧道收斂u8：μ(u8)=(0,0,0,1)

3.4.3建立模糊判斷矩陣

將各基本因素評價集的隸屬度為行組成的模糊判斷矩陣為

3.5 模糊綜合評判

=(b1,b2,…,bn)

=(0.039,0.100,0.100,0.064,0.084,0.256,0.256,0.100)

因此，模糊綜合評判計算如下：

進行歸一化則可以得到(0，0.241，0.181，0.578)，則bj取得最大值時所對應的安全等級為正常。從計算結(jié)果可以明顯看出，目前隧道施工處于安全狀態(tài)。

4 結(jié) 語

(1)廈門市某隧道工程地質(zhì)條件不良，地面結(jié)構(gòu)物極為復雜。為了對該工程進行施工安全風險評價以確保隧道施工安全，對其進行深入的施工安全風險因素辨識，確定了建(構(gòu))筑物、地表、管線下沉，建(構(gòu))筑物裂縫，建(構(gòu))筑物傾斜，土體測斜，地下水位，周邊位移收斂，隧道拱頂下沉量，爆破振動這八個主要的施工安全風險因素。

(2)運用層次分析方法對影響隧道安全的因素進行了分析與排序。從理論上確定了隧道周邊位移和隧道拱頂下沉量兩個參數(shù)在眾多因素(如周邊建筑物、地面設(shè)施等的沉降；建筑物傾斜等)中重要地位，排序結(jié)果合理，具有較好的參考價值。

(3)基于模糊數(shù)學的基本理論，對該隧道工程建立的隧道施工安全風險模糊綜合評判模型能夠?qū)υ擁椖康氖┕ぐ踩珷顩r進行較為客觀、科學的綜合評價，為項目的安全實施提供可靠的決策信息。

(4)本文的不足之處在于隧道施工安全風險因素的選取還不夠完善，應采用專家調(diào)查法、統(tǒng)計方法等多種方法建立全面的影響因子及權(quán)重，以提高隧道施工安全風險模糊綜合評判方法的可靠性和適用性。

[1] 謝季堅，劉承平. 模糊數(shù)學方法及其應用[M]. 武漢: 華中科技大學出版社, 2000.

[2] 朱漢華，尚岳全. 公路隧道設(shè)計與施工新法[M]. 北京: 人民交通出版社, 2002.

[3] 李曉紅. 隧道新奧法及其量測技術(shù)[M]. 北京: 科學出版社, 2002.

[4] 劉 輝， 宋選寶， 陳文勝. 巖石隧道信息化設(shè)計與施工方法研究[J]. 公路與汽運, 2003, 10(5): 76-78.

[5] 黃聲享，尹 暉，蔣 征. 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理[M]. 武漢: 武漢大學出版社, 2003.

[6] 劉 云，王 亮, 申林方，等. 大壩安全風險評價的模糊層次綜合模型[J]. 水科學與工程技術(shù), 2007, (1): 26-29.

[7] Fiona D Patterson, Kevin Neailey. A risk register database system to aid the management of project risk[J]. International Journal of Project Management, 2002, 20(5):365-374.

[8] 王 巖，黃宏偉. 地鐵區(qū)間隧道安全評估的層次-模糊綜合評判法[J]. 地下空間, 2004, 24(3): 301-305.

[9] 劉 輝. 公路隧道施工安全評價指標體系的研究[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保, 2006, 32(8): 48-51.

[10]許樹柏. 層次分析法原理[M]. 天津: 天津大學出版社, 1988.

[11]邱莞華，楊 敏. 信息-決策分析法的改進[J]. 控制與決策, 1997, 12(4): 353-356.

[12]張少夏. 隧道工程風險分析方法及工期損失風險研究[D]. 上海: 同濟大學, 2006.

[13]蔣曉靜. 大型隧道工程的項目風險管理研究[D]. 上海: 上海交通大學, 2005.

[14]李 鋒. 翔安隧道強風化層施工的風險管理[D]. 上海: 同濟大學, 2007.

[15]陳神龍, 陳龍珠, 宋春雨. 基于模糊綜合評判法的地鐵車站施工風險評估[J]. 地下空間與工程學報, 2006, 2(1): 32-35.