吳劍疆，羅立哲

(1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430010)

深埋長(zhǎng)隧洞已在我國(guó)眾多水利、鐵路和公路等工程中廣泛運(yùn)用，但受自然地理?xiàng)l件和人為因素影響，施工存在各種不確定性風(fēng)險(xiǎn)。如不采取措施加以控制，可能帶來(lái)巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失；反之，則可以較小的經(jīng)濟(jì)代價(jià)取得較大的安全保障。工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與控制是在綜合工程學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)、概率統(tǒng)計(jì)學(xué)、系統(tǒng)學(xué)等多學(xué)科和現(xiàn)代工程技術(shù)的基礎(chǔ)上，逐步發(fā)展形成的交叉性新興科學(xué)。其目標(biāo)是通過(guò)辨識(shí)、評(píng)價(jià)、控制和處理工程建設(shè)過(guò)程中因不確定因素而引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，防止和減少損失，減輕和消除風(fēng)險(xiǎn)不利影響，以較低工程成本取得對(duì)項(xiàng)目安全保障的滿(mǎn)意結(jié)果，保障項(xiàng)目的順利進(jìn)行。目前，鐵路和公路等行業(yè)對(duì)隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和控制已有研究，并制訂了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)，但水利行業(yè)鮮有研究。

1 深埋輸水隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)因素

與普通隧洞相比，深埋輸水隧洞具有線(xiàn)路長(zhǎng)、埋深大、工期長(zhǎng)，前期勘察難以實(shí)現(xiàn)對(duì)不良地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)因素的準(zhǔn)確預(yù)見(jiàn)，施工通道布置、開(kāi)挖出渣和施工通風(fēng)等技術(shù)難度大等特點(diǎn)。基于上述特點(diǎn)，安全事故發(fā)生的原因往往具有多樣性、復(fù)雜性和不可預(yù)知性。根據(jù)深埋隧洞可能遇到的特殊不良地質(zhì)條件，其施工風(fēng)險(xiǎn)可歸結(jié)為巖爆、軟巖大變形、涌水突泥、有毒有害氣體、高地溫與放射性物質(zhì)等因素。

2 深埋輸水隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)思路及方法

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)框架

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與決策對(duì)于工程建設(shè)的意義在于前瞻性與預(yù)判性。在前期工作階段，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)人員能掌握的資料相對(duì)較少，可基于此階段已掌握資料對(duì)深埋長(zhǎng)隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行粗評(píng)，提供此階段風(fēng)險(xiǎn)決策依據(jù)。在詳圖設(shè)計(jì)階段與工程施工階段，工程的地質(zhì)揭露、設(shè)計(jì)深度以及現(xiàn)場(chǎng)組織等工程建設(shè)的重要方面均已完備，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)人員可基于此階段掌握資料，在粗評(píng)基礎(chǔ)上進(jìn)行專(zhuān)評(píng)，并對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分級(jí)，為工程建設(shè)下一步?jīng)Q策提供依據(jù)和參考。具體技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 深埋隧洞風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)框架圖

2.2 深埋隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)粗評(píng)

深埋輸水隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)粗評(píng)主要目的是在掌握資料相對(duì)較少的情況下，對(duì)深埋隧洞進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)初判，以初步評(píng)判評(píng)價(jià)對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)且判定待評(píng)價(jià)對(duì)象是否需進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。深埋隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)粗評(píng)可采用賦值打分法與專(zhuān)家打分相結(jié)合的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要考慮隧洞地質(zhì)條件、斷面尺寸、隧洞埋深、施工條件等因素，形成施工風(fēng)險(xiǎn)粗評(píng)表，見(jiàn)表1。分值采用下式：

表1 深埋輸水隧洞工程施工粗評(píng)指標(biāo)表

R=G(A+L+D+S+C)

(1)

式中，G—隧洞線(xiàn)路周?chē)刭|(zhì)條件賦分值，圍巖情況按圍巖分類(lèi)及長(zhǎng)度占比進(jìn)行評(píng)分，富水情況按沿程涌水突泥出現(xiàn)可能性進(jìn)行評(píng)分，有毒氣體含量按有毒氣體出現(xiàn)可能性進(jìn)行評(píng)分；A—開(kāi)挖斷面大小所賦分值，尺寸越大，分值越高；L—施工開(kāi)挖單作業(yè)面長(zhǎng)度所賦分值，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，分值越高；D—隧洞最大埋深所賦分值，埋深越大，分值越高；S—成為隧洞斷面形式所賦分值；C—隧洞進(jìn)出口施工難易程度所賦分值。

當(dāng)計(jì)算出R值超過(guò)一定分值時(shí)，隧洞納入專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)范圍，本文采用20，即當(dāng)R≥20時(shí)，隧洞進(jìn)入深埋隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)專(zhuān)項(xiàng)評(píng)價(jià)。

2.3 深埋輸水隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)專(zhuān)項(xiàng)評(píng)價(jià)

2.3.1技術(shù)路線(xiàn)

專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是在粗評(píng)基礎(chǔ)上，對(duì)評(píng)價(jià)值偏大的隧洞進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)評(píng)，技術(shù)路線(xiàn)為：隧洞風(fēng)險(xiǎn)分段→專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建→分段風(fēng)險(xiǎn)概率分析→分段風(fēng)險(xiǎn)損失分析→專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)分析。在深入分析深埋隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)因素且將各風(fēng)險(xiǎn)因素分解為致險(xiǎn)因子的基礎(chǔ)上，構(gòu)建專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。然后基于隧洞分段機(jī)制，將待評(píng)價(jià)的深埋隧洞進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分段，選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)分析方法，對(duì)待評(píng)價(jià)的深埋隧洞分段開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)價(jià)，最終得到深埋隧洞的專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果。

2.3.2評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

建立全面、有效、實(shí)用的深埋隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，也是得到具有一定可信度的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的重要保證，需遵循全面性、針對(duì)性和易采集性的原則。指標(biāo)包括深埋隧洞施工中主要風(fēng)險(xiǎn)因素，在一定程度上符合深埋隧洞施工特點(diǎn)，且考慮各因素所需數(shù)據(jù)取得的難易程度，以保證指標(biāo)體系的正常使用。本文主要針對(duì)巖爆、軟巖大變形、涌水突泥、高地溫、有毒有害氣體、放射性物質(zhì)等6個(gè)重要地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)因素，構(gòu)建隧洞專(zhuān)項(xiàng)施工風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。施工專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)層，6個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素為一級(jí)指標(biāo)作為準(zhǔn)則層，10個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子為二級(jí)指標(biāo)作為指標(biāo)層，如圖2所示。

圖2 深埋隧洞專(zhuān)項(xiàng)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3.3專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)分析

不同隧洞穿越地質(zhì)條件差異較大，施工方案、管理水平等諸多因素也不盡相同，因此不同工程施工風(fēng)險(xiǎn)差異較大。遵循充分性、適用性、針對(duì)性和系統(tǒng)性的原則，選擇合理的評(píng)價(jià)方法是深埋輸水隧洞施工專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。本文采用模糊層次綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估，采用專(zhuān)家調(diào)查法與層次分析法相結(jié)合的方式對(duì)專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)損失進(jìn)行評(píng)估。模型如圖3所示。

圖3 深埋隧洞施工專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

(1)專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估模型

①建立風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估的風(fēng)險(xiǎn)因素集與評(píng)價(jià)集，風(fēng)險(xiǎn)因素集為U={u1，u2，…，um}，風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估集為V={v1，v2，v3，v4，v5}。

②確定施工風(fēng)險(xiǎn)因子隸屬度函數(shù)。根據(jù)模糊集合理論，制定評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，將其量化后成為風(fēng)險(xiǎn)因子隸屬度函數(shù)的變量，進(jìn)而代入函數(shù)得到該風(fēng)險(xiǎn)因子對(duì)相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估結(jié)果。

④施工風(fēng)險(xiǎn)因素風(fēng)險(xiǎn)概率分析。評(píng)價(jià)采用自下而上方式，先對(duì)第一風(fēng)險(xiǎn)因素ui進(jìn)行評(píng)價(jià)，可得到風(fēng)險(xiǎn)概率的模糊矩陣R。

將模糊關(guān)系矩陣R和風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重集W進(jìn)行合成，計(jì)算得到某項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素的模糊綜合評(píng)價(jià)向量B。

在此基礎(chǔ)上，再依次對(duì)其他風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終得到各風(fēng)險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)與深埋隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

(2)風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)估模型

與深埋隧洞施工直接相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)損失主要為風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生后的直接經(jīng)濟(jì)損失、工期損失和人員損失，本文將以上三類(lèi)損失作為專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)估對(duì)象，采用專(zhuān)家調(diào)查法評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)。專(zhuān)家綜合考慮經(jīng)濟(jì)損失、進(jìn)度損失與安全損失，根據(jù)表3對(duì)風(fēng)險(xiǎn)損失程度進(jìn)行打分，按一般、較大、嚴(yán)重、很?chē)?yán)重、災(zāi)難性五個(gè)級(jí)別分別賦值為1、2、3、4、5。打分遵循就高原則，以三項(xiàng)損失中的最高分為準(zhǔn)。

表3 風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)與量化區(qū)間關(guān)系

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

滇中引水工程為解決滇中地區(qū)嚴(yán)重缺水問(wèn)題的大型跨流域調(diào)水工程，其中香爐山隧洞2#施工支洞位于中甸褶皺帶(Ⅲ1)所屬的三級(jí)構(gòu)造單元東旺-巨甸褶皺束內(nèi)，緊鄰龍?bào)?喬后斷裂。支洞在樁號(hào)XJ2K1+050m～XJ2K1+255m揭露龍?bào)?喬后斷裂帶西支斷裂(F10- 1)，軸線(xiàn)與斷裂帶方向小角度相交。支洞區(qū)50年超越概率10%水平向地震動(dòng)峰值加速度值為0.3g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度。

隧洞一般埋深150～400m，最大埋深420m，施工期揭露的綠簾石(石英)片巖與薄層狀綠泥片巖呈軟硬相間互層狀或夾層狀分布，以小銳角斜切層面的中～陡傾角裂隙為主，局部為裂隙性斷層，帶內(nèi)巖質(zhì)松軟、破碎。支洞由水平段、井身段、井底車(chē)場(chǎng)段及岔洞組成，總長(zhǎng)1255.50m。水平及井身段按“雙線(xiàn)四軌車(chē)道”設(shè)計(jì)，凈斷面尺寸為6.5m×6.0m(寬×高)。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)粗評(píng)

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)粗評(píng)模型，對(duì)香爐山2#施工支洞進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)粗評(píng)。支洞Ⅴ、Ⅳ圍巖長(zhǎng)度占全隧洞長(zhǎng)度70%以上。隧洞洞身段斷面尺寸39.90～57.04m2，屬中斷面；車(chē)場(chǎng)段90.24m2，屬大斷面。支洞單工作面長(zhǎng)度為1217.5m，屬長(zhǎng)工作面長(zhǎng)度。最大埋深約420m，屬深埋隧洞。斷面型式為城門(mén)洞型，施工條件較差，施工條件屬于困難。風(fēng)險(xiǎn)粗評(píng)得分60，大于專(zhuān)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)，香爐山2#隧洞進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)專(zhuān)評(píng)。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)專(zhuān)評(píng)

基于對(duì)香爐山隧洞2#施工支洞的主要風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別，擬定隧洞的專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系如圖4所示。

圖4 香爐山2#隧洞施工專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系分解圖

根據(jù)香爐山隧洞2#施工支洞特性，擬定風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)層評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)與對(duì)應(yīng)量化區(qū)間。根據(jù)施工支洞具體情況，評(píng)估施工專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)各項(xiàng)指標(biāo)因子參數(shù)，見(jiàn)表4。根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)因子參數(shù)，應(yīng)用屬度函數(shù)，計(jì)算出各指標(biāo)因子對(duì)于不同概率等級(jí)的隸屬度，然后根據(jù)調(diào)查分析，確定指標(biāo)層各指標(biāo)因子對(duì)準(zhǔn)則層各因素的權(quán)重與各因素對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重，進(jìn)而計(jì)算各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率評(píng)估結(jié)果，見(jiàn)表5—6。同時(shí)，對(duì)香爐山隧洞2#施工支洞風(fēng)險(xiǎn)損失程度進(jìn)行調(diào)查，確定支洞的風(fēng)險(xiǎn)損失向量和準(zhǔn)則層各風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重向量，并計(jì)算香爐山隧洞2#支洞綜合風(fēng)險(xiǎn)損失值，見(jiàn)表7。香爐山隧洞2#支洞準(zhǔn)則層各風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重向量為W=(0.33，0.21，0.36，0.10)，香爐山隧洞2#支洞綜合風(fēng)險(xiǎn)損失z=Z.WT=2.79。最后，利用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法構(gòu)造深埋隧洞施工專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)矩陣，并得到施工風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)，如圖5所示。

表4 香爐山隧洞2#施工支洞各指標(biāo)因素參數(shù)

表5 香爐山隧洞2#施工支洞施工專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)各因素指標(biāo)模糊評(píng)價(jià)矩陣

表6 香爐山隧洞2#施工支洞施工專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)價(jià)表

表7 香爐山隧洞2#施工支洞施工風(fēng)險(xiǎn)損失程度調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

圖5 香爐山2#施工支洞施工風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)圖

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生產(chǎn)生活對(duì)水資源的需求日益增強(qiáng)，建設(shè)長(zhǎng)距離調(diào)水工程已成為解決水資源不均衡的重要舉措。隧洞因可以大大縮短輸水線(xiàn)路長(zhǎng)度，減少建筑物數(shù)量和移民占地面積，減小工程運(yùn)行管理難度，在工程實(shí)踐中獲得了廣泛運(yùn)用。但隧洞工程建設(shè)具有高風(fēng)險(xiǎn)性，特別是深埋輸水隧洞往往穿越諸多不良地質(zhì)，建設(shè)過(guò)程存在大量風(fēng)險(xiǎn)因素。識(shí)別和評(píng)價(jià)深埋輸水隧洞施工過(guò)程中可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)，建立風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)與控制機(jī)制，減少或避免因風(fēng)險(xiǎn)因素帶來(lái)的重大施工災(zāi)害損失和工期延誤，是深埋輸水隧洞施工必須關(guān)注的重要內(nèi)容。因此，有必要針對(duì)深埋隧洞開(kāi)展施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，建立考慮特殊地質(zhì)條件、工程設(shè)計(jì)要素和施工管理等風(fēng)險(xiǎn)因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程、評(píng)價(jià)模型及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及管控機(jī)制。在項(xiàng)目前期階段，由于掌握的資料相對(duì)較少，可考慮隧洞地質(zhì)條件、建設(shè)規(guī)模、地形條件、隧洞結(jié)構(gòu)等方面的因素，采用賦值打分法與專(zhuān)家打分相結(jié)合的方式進(jìn)行粗評(píng)，為項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)決策提供依據(jù)；項(xiàng)目實(shí)施階段，可在粗評(píng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)獲取的進(jìn)一步工程資料，深入分析隧洞施工致險(xiǎn)因素，構(gòu)建專(zhuān)項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，對(duì)隧洞分段展開(kāi)風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)估，為隧洞的設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)。