項(xiàng) 琴，朱宏偉，杜義祥，李明駿

(1.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010;2.四川振通檢測股份有限公司，四川 綿陽 621010)

0 引言

在隧道施工地質(zhì)災(zāi)害中，突泥涌水發(fā)生的概率和傷亡規(guī)模均居于前列。由于隧道突泥涌水事故風(fēng)險(xiǎn)因素眾多、難以精確預(yù)報(bào)、現(xiàn)場情況復(fù)雜、救援疏散緊急、決策時(shí)間緊迫，使得其風(fēng)險(xiǎn)管控和應(yīng)急準(zhǔn)備尤為重要。突發(fā)事件情景構(gòu)建技術(shù)可為突發(fā)事件應(yīng)急準(zhǔn)備、應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急演練提供依據(jù)，將其應(yīng)用于隧道突泥涌水應(yīng)急管理，具有非常迫切的需求。

學(xué)者們普遍認(rèn)為突發(fā)事件情景構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)災(zāi)害應(yīng)急管理的有效手段[1-3]。以王永明[1]、劉鐵民[4]、李湖生[5]等為代表的應(yīng)急管理專家和學(xué)者對情景構(gòu)建方法展開了研究，提出了情景構(gòu)建的技術(shù)框架為“構(gòu)建情景-梳理任務(wù)-評估能力”；屈靜等[6]基于動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了輸油管道泄漏事故的情景推演模型；王喆等[7]采用知識元模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，研究了城鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害情景的演化過程；王海東等[8]針對LNG船舶港口碰撞發(fā)生泄漏事故，建立了LNG船舶在港口卸船期間發(fā)生泄漏事故的情景構(gòu)建方案。

目前，對于隧道突泥涌水事故的研究主要集中在災(zāi)害機(jī)理分析、風(fēng)險(xiǎn)評估及處治策略等方面，而將情景構(gòu)建與風(fēng)險(xiǎn)分析、應(yīng)急準(zhǔn)備有機(jī)結(jié)合的成果較少。鑒于此，本文在情景構(gòu)建理論的基礎(chǔ)上，分析隧道突泥涌水情景要素構(gòu)成，基于承災(zāi)體損失進(jìn)行災(zāi)害情景分級，研究災(zāi)害情景的演化規(guī)律，并建立情景演化路徑圖，構(gòu)建災(zāi)害情景演化狀態(tài)預(yù)測矩陣，提出情景概率計(jì)算方法，以期為隧道突泥涌水應(yīng)急管理提供科學(xué)有效的依據(jù)。

1 隧道突泥涌水的情景要素

1.1 隧道突泥涌水情景要素構(gòu)成

構(gòu)建隧道突泥涌水情景，首要工作是確定其情景要素構(gòu)成。研究表明，突發(fā)事件的情景組成要素可歸納為孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、驅(qū)動要素以及承災(zāi)體要素等[9]。

1)孕災(zāi)環(huán)境

孕災(zāi)環(huán)境是指事故發(fā)生時(shí)的外部環(huán)境。隧道突泥涌水事故的發(fā)生概率及突泥涌水規(guī)模，與隧道穿越區(qū)域的地形地貌、水文地質(zhì)特征有著密切的聯(lián)系。從歷史數(shù)據(jù)來看，所處環(huán)境地形高差大、水源易匯集、強(qiáng)富水、高承壓、巖體破碎或溶洞發(fā)育的隧道，突泥涌水災(zāi)害發(fā)生的概率較高[10]。因此，隧道突泥涌水的孕災(zāi)環(huán)境集合H={地形特征H1,地質(zhì)特征H2,水文特征H3}。

2)致災(zāi)因子

隧道突泥涌水災(zāi)害是孕災(zāi)環(huán)境與致災(zāi)因子綜合作用的結(jié)果，孕災(zāi)環(huán)境是內(nèi)在因素，而致災(zāi)因子是外在誘因。實(shí)踐證明，施工期的降雨強(qiáng)度、隧道與不良地質(zhì)的空間位置關(guān)系、施工方法和操作管理的合理性等因素在一定程度上決定了隧道發(fā)生突泥涌水災(zāi)害的概率及規(guī)模[10]。因此，隧道突泥涌水的致災(zāi)因子集合Z={施工期降雨強(qiáng)度Z1,隧道與不良地質(zhì)的空間位置關(guān)系Z2,施工方法Z3,現(xiàn)場管理水平Z4}。

3)驅(qū)動要素

情景驅(qū)動要素是指在情景發(fā)展過程中起主要推動作用的要素。其既包含事件客觀發(fā)展的關(guān)鍵因素(前兆跡象、隔水結(jié)構(gòu)破壞等)，也包含決策者主觀上采取的應(yīng)對措施(風(fēng)險(xiǎn)評估、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、啟動應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)害處治等)。隧道突泥涌水的驅(qū)動要素根據(jù)趨向性可分為正向和負(fù)向2類；其中正向驅(qū)動要素集合Q1={風(fēng)險(xiǎn)評估Q11,超前地質(zhì)預(yù)報(bào)Q12,啟動應(yīng)急響應(yīng)Q13,采取治理措施Q14}；負(fù)向驅(qū)動要素集合Q2={前兆跡象Q21,隔水結(jié)構(gòu)破壞Q22}。

4)承災(zāi)體要素

隧道突泥涌水事故發(fā)生時(shí)，主要造成的危害為：施工人員傷亡、掌子面上方塌陷、隧道襯砌損毀、隧道模板臺車、開挖臺架、防水板臺架等設(shè)備被損毀、經(jīng)濟(jì)及社會影響損失。因此，隧道突泥涌水的承災(zāi)體要素集合C={施工人員C1,掌子面上方圍巖C2,隧道襯砌C3,施工設(shè)備C4,經(jīng)濟(jì)損失C5,社會影響C6}。

1.2 隧道突泥涌水情景要素的屬性參數(shù)

1)孕災(zāi)環(huán)境的屬性參數(shù)

孕災(zāi)環(huán)境的屬性參數(shù)為突泥涌水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)等級。通過勘察調(diào)研現(xiàn)場地形地貌、水文地質(zhì)等孕災(zāi)條件，將隧道突泥涌水風(fēng)險(xiǎn)分為4個等級：低、較低、高、極高。

2)致災(zāi)因子的屬性參數(shù)

致災(zāi)因子的屬性參數(shù)為致災(zāi)強(qiáng)度，根據(jù)施工期的氣候條件、隧道與不良地質(zhì)的空間位置關(guān)系、具體的施工方案及開挖工法、現(xiàn)場管理水平等影響因子進(jìn)行評價(jià)。致災(zāi)強(qiáng)度也可分為4個等級：弱、較弱、強(qiáng)、極強(qiáng)。

3)驅(qū)動要素的屬性參數(shù)

驅(qū)動要素的屬性參數(shù)為趨向性和驅(qū)動強(qiáng)度。正向驅(qū)動要素主要為斷鏈減災(zāi)措施，其驅(qū)動強(qiáng)度表征了應(yīng)對措施的有效程度；負(fù)向驅(qū)動要素為前兆跡象和隔水結(jié)構(gòu)破壞。驅(qū)動強(qiáng)度同樣分為4個等級：弱、較弱、強(qiáng)、極強(qiáng)。后文所提的驅(qū)動要素主要為防災(zāi)措施。

4)承災(zāi)體要素的屬性參數(shù)

承災(zāi)體要素的屬性參數(shù)為承災(zāi)體抗災(zāi)能力和承災(zāi)體損失。抗災(zāi)能力應(yīng)根據(jù)施工人員應(yīng)急培訓(xùn)情況、設(shè)備狀況等因素，由建設(shè)單位通過自評確定，分為4個等級：弱、較弱、強(qiáng)、極強(qiáng)。承災(zāi)體損失是突泥涌水各情景要素相互作用演化的結(jié)果，是突泥涌水災(zāi)害情景等級劃分的依據(jù),下文將詳細(xì)闡述。

2 隧道突泥涌水情景的分級及演化規(guī)律

2.1 基于承災(zāi)體損失的隧道突泥涌水情景分級

為了明確隧道突泥涌水災(zāi)害情景演化規(guī)律及預(yù)測情景等級，設(shè)定一系列基本可信的突發(fā)事件情景，并基于承災(zāi)體損失對情景進(jìn)行分級。情景等級用集合D表示，參照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分為6個等級，即D={D1,D2,D3,D4,D5,D6}。分析近年來典型隧道突泥涌水案例[10-11]，參考隧道施工風(fēng)險(xiǎn)后果等級劃分，進(jìn)行情景分級及相應(yīng)的承災(zāi)體損失描述，見表1。

表1 基于承災(zāi)體損失的隧道突泥涌水情景分級Table 1 Scenario levels of water and mud inrush in tunnel based on loss of disaster-bearing carriers

2.2 隧道突泥涌水情景的演化階段及應(yīng)急任務(wù)

隧道突泥涌水災(zāi)害的演化一般經(jīng)歷3個階段：隱患期、前兆期、發(fā)生期。各階段的特征及應(yīng)急任務(wù)見表2。

表2 情景的演化階段及應(yīng)急任務(wù)Table 2 Evolution stages and emergency tasks of scenario

2.3 隧道突泥涌水情景的演化規(guī)律

構(gòu)建具體的事故災(zāi)害情景，核心工作是明確災(zāi)害演化規(guī)律。研究表明，突發(fā)事故是由孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子在驅(qū)動要素的推動下，作用于承災(zāi)體而產(chǎn)生的結(jié)果，呈現(xiàn)出多米諾骨牌效應(yīng)的鏈?zhǔn)窖莼?guī)律[12]。其鏈?zhǔn)窖莼?guī)律如圖1所示。

圖1 事故情景鏈?zhǔn)窖莼?guī)律Fig.1 Chained evolution law of accident scenario

在隧道突泥涌水情景演化過程中，孕災(zāi)環(huán)境為客觀因素，致災(zāi)因子為主觀誘因，二者相互作用，在各階段防治措施的驅(qū)動下，導(dǎo)致不同的承災(zāi)體損失，演化為不同等級的突泥涌水情景。

3 隧道突泥涌水情景的演化路徑及模型

3.1 隧道突泥涌水情景的演化路徑

在災(zāi)害情景演化各階段，情景要素的屬性不同，則災(zāi)害的演化路徑也不同。參考隧道突泥涌水的演化特征、前兆判識等文獻(xiàn)[13-15]，結(jié)合典型案例分析，設(shè)定4個表征情景狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)層和3個表征屬性參數(shù)等級的路徑層，具體內(nèi)容見表3，情景演化路徑如圖2所示。

表3 情景演化的節(jié)點(diǎn)和路徑Table 3 Nodes and paths of scenario evolution

圖2 災(zāi)害情景演化路徑Fig.2 Evolution paths of accident scenario

3.2 隧道突泥涌水情景狀態(tài)的演化模型

根據(jù)圖2，突泥涌水災(zāi)害演化的初始狀態(tài)為孕災(zāi)環(huán)境，其特征屬性為風(fēng)險(xiǎn)等級，在不同強(qiáng)度的致災(zāi)因子影響下，演化為不同等級的前兆狀態(tài)；前兆狀態(tài)在各級驅(qū)動要素的驅(qū)動下，演化為不同等級的突泥涌水狀態(tài)；突泥涌水狀態(tài)作用于各級抗災(zāi)能力的承災(zāi)體，演化成不同等級的承災(zāi)體損失。根據(jù)前文分析，孕災(zāi)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)等級、致災(zāi)因子的致災(zāi)強(qiáng)度、驅(qū)動要素的驅(qū)動有效程度及承災(zāi)體的抗災(zāi)能力，可通過多目標(biāo)決策評估獲取。參考ALARP風(fēng)險(xiǎn)矩陣形式，通過專家咨詢法，考慮偏向不利的預(yù)測原則，確定突泥涌水情景狀態(tài)演化矩陣及相應(yīng)的概率系數(shù)。前兆狀態(tài)、突泥涌水狀態(tài)及承災(zāi)體損失的等級及概率可通過演化矩陣獲取，見表4～6。

表4 前兆狀態(tài)演化矩陣Table 4 Evolution matrix of precursor state

表5 突泥涌水狀態(tài)演化矩陣Table 5 Evolution matrix of water and mud inrush state

表6 承災(zāi)體損失演化矩陣Table 6 Evolution matrix of loss of disaster-bearing carriers

3.3 隧道突泥涌水情景演化狀態(tài)的概率計(jì)算

通過多目標(biāo)決策評估獲取孕災(zāi)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)等級、致災(zāi)因子的致災(zāi)強(qiáng)度、驅(qū)動要素的驅(qū)動有效程度及承災(zāi)體的抗災(zāi)能力的等級概率分布后，即可根據(jù)鏈?zhǔn)絺鬟f法則，推算出前兆狀態(tài)、突泥涌水狀態(tài)及承災(zāi)體損失的概率等級分布。

令孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級{S1,S2,S3,S4}的概率分布為{Ph1,Ph2,Ph3,Ph4}；致災(zāi)因子的致災(zāi)強(qiáng)度等級{極強(qiáng),強(qiáng),較弱,弱}的概率分布為{Pz1,Pz2,Pz3,Pz4}，根據(jù)表4即可計(jì)算前兆狀態(tài)各等級的概率，見表7。

表7 前兆狀態(tài)等級的概率計(jì)算數(shù)據(jù)Table 7 Probability calculating data of precursor state level

對表7中各等級的概率疊加計(jì)算，可求得前兆狀態(tài)等級{S5,S6,S7}對應(yīng)的概率分布{P1,P2,P3}，如式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

令驅(qū)動要素的驅(qū)動強(qiáng)度等級{弱,較弱,強(qiáng),極強(qiáng)}的概率分布為{Pq1,Pq2,Pq3,Pq4}，同理，根據(jù)表5可求得突泥涌水狀態(tài)等級{S8,S9,S10}對應(yīng)的概率分布{P4,P5,P6}，見式(4)～(6)。

(4)

(5)

P6=Pq1×P3+0.5Pq1×P2+0.5Pq2×P3

(6)

最后，令承災(zāi)體抗災(zāi)能力等級{弱,較弱,強(qiáng),極強(qiáng)}的概率分布為{Pk1,Pk2,Pk3,Pk4}，根據(jù)表6可求得承災(zāi)體損失等級{D1,D2,D3,D4,D5,D6}對應(yīng)的概率分布{P7,P8,P9,P10,P11,P12}，見式(7)～(12)。

P7=Pk1×P6

(7)

P8=Pk1×P5+Pk2×P6

(8)

P9=Pk1×P4+Pk2×P5+Pk3×P6

(9)

P10=Pk2×P4+Pk3×P5+Pk4×P6

(10)

P11=Pk3×P4+Pk4×P5

(11)

P12=Pk4×P4

(12)

4 實(shí)例分析

擬建雅葉高速公路康定折多山隧道全長8.4 km，隧道進(jìn)口位于康定縣城大草壩折多河右岸二臺子附近，距康定新縣城直線距離約10～13 km，出口位于距新都橋鎮(zhèn)東約22 km的貢布卡。經(jīng)勘查，折多山隧道位于龍門山地震帶影響范圍內(nèi)，所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，具有高富水、高承壓的特點(diǎn)，屬于典型的斷層破碎帶型突涌水風(fēng)險(xiǎn)高發(fā)隧道。圖3為折多山隧道地質(zhì)縱剖面圖。

圖3 折多山隧道地質(zhì)縱剖面Fig.3 Geological profile of Zheduo mountain tunnel

建設(shè)單位組織了10名隧道工程方面的專家對折多山隧道K0+613～K1+145段圍巖突涌水的風(fēng)險(xiǎn)等級、致災(zāi)因子的致災(zāi)強(qiáng)度及驅(qū)動要素的驅(qū)動強(qiáng)度(即防災(zāi)措施的有效程度)進(jìn)行評估，并向10名現(xiàn)場技術(shù)人員發(fā)放了自評表，獲取承災(zāi)體抗災(zāi)能力等級的概率分布。評估結(jié)果如下：

1)孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級{S1,S2,S3,S4}對應(yīng)的概率分布{Ph1,Ph2,Ph3,Ph4}={0.2,0.8,0,0}。

2)致災(zāi)因子的致災(zāi)強(qiáng)度為{極強(qiáng),強(qiáng),較弱,弱}的概率分布{Pz1,Pz2,Pz3,Pz4}={0,0.6,0.4,0}。

3)驅(qū)動要素的驅(qū)動強(qiáng)度為{弱,較弱,強(qiáng),極強(qiáng)}的概率分布{Pq1,Pq2,Pq3,Pq4}={0,0.2,0.8,0}。

4)承災(zāi)體抗災(zāi)能力等級為{弱,較弱,強(qiáng),極強(qiáng)}的概率分布{Pk1,Pk2,Pk3,Pk4}={0,0.4,0.6,0}。

根據(jù)式(1)～(3)，可求得前兆狀態(tài)等級{S5,S6,S7}對應(yīng)的概率分布{P1,P2,P3}={0.14,0.41,0.45}；根據(jù)式(4)～(6)，可求得突涌水狀態(tài)等級{S8,S9,S10}對應(yīng)的概率分布{P4,P5,P6}={0.262,0.693,0.045}；根據(jù)式(7)～(12)，可求得承災(zāi)體損失等級{D1,D2,D3,D4,D5,D6}對應(yīng)的概率分布{P7,P8,P9,P10,P11,P12}={0,0.018,0.304,0.521,0.157,0}。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，預(yù)測折多山隧道K0+613～K1+145段圍巖突涌水前兆狀態(tài)主要為S6和S7，即前兆持續(xù)時(shí)間30 min以下，建設(shè)方應(yīng)高度重視人員逃生和設(shè)備撤離的演練。此外，預(yù)測突涌水狀態(tài)處于S9的概率為0.693，說明集中突涌量較大，建設(shè)方應(yīng)做好治理準(zhǔn)備。最后，預(yù)測發(fā)生D4級承災(zāi)體損失的概率為0.521，為6個概率值中的最大者。

實(shí)際施工過程中，折多山隧道進(jìn)口K1+035掌子面在噴射混凝土?xí)r，左上角突然出現(xiàn)股狀涌水，施工單位立即采取措施封堵，但無濟(jì)于事，遂緊急撤離了現(xiàn)場施工人員及設(shè)備。2 d后封閉該掌子面過程中突發(fā)較大突泥涌水，最大集中突涌量達(dá)13 500 m3，導(dǎo)致隧道洞身150 m被掩埋，地表形成直徑約30 m塌坑，塌陷區(qū)域面積約600 m2，所幸人員撤離迅速，無傷亡。根據(jù)建設(shè)方統(tǒng)計(jì)的損失數(shù)據(jù)[16]，此次發(fā)生的突泥涌水情景等級為D4級，與預(yù)測等級一致。

5 結(jié)論

1)突發(fā)事件情景演化模型可用于模擬隧道突泥涌水全過程的演化路徑及情景狀態(tài)，設(shè)定4個表征情景狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)層和3個表征屬性參數(shù)等級的路徑層，構(gòu)建情景演化路徑圖。其中，情景要素的屬性參數(shù)可通過多目標(biāo)決策評估獲取，前兆狀態(tài)、突泥涌水狀態(tài)及承災(zāi)體損失的等級、概率分布可通過演化矩陣計(jì)算獲取。

2)在隧道突泥涌水情景演化過程中，孕災(zāi)環(huán)境為客觀因素，致災(zāi)因子為主觀誘因，二者相互作用，在各階段防治措施的驅(qū)動下，災(zāi)害情景狀態(tài)趨好，承災(zāi)體損失減少。根據(jù)隧道突泥涌水情景演化預(yù)測結(jié)果，建設(shè)單位可摸清災(zāi)害情景演化狀態(tài)，抓住防災(zāi)任務(wù)側(cè)重點(diǎn)，以驅(qū)動情景狀態(tài)向好發(fā)展。

3)通過實(shí)例分析表明，提出的模型和方法具備較強(qiáng)的可操作性和實(shí)效性，計(jì)算簡便，該方法亦可為其他突發(fā)事件情景構(gòu)建及推演提供參考。由于隧道圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜多變，在施工前可采用本文提出的方法對隧道突泥涌水情景等級進(jìn)行初步辨識，并結(jié)合隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行全面準(zhǔn)確評價(jià)。