隧道施工安全风险的模糊综合评判

范玉祥， 何亚伯， 汪 琴， 李 祺

(1.武汉大学 土木建筑工程学院， 湖北 武汉 430072；2.中国科学院武汉岩土力学研究所， 湖北 武汉 430071)

近年来，全国各地铁路、轻轨铁路、磁悬浮铁路、高速公路、城市高等级公路等建设掀起高潮。隧道施工是铁路和公路建设施工中重要的一个环节，建立有效的隧道施工安全风险评价方法是确保隧道施工安全的关键。针对隧道施工条件复杂、施工条件恶劣、不确定性因素较多等施工特征，本文提出了隧道施工安全风险模糊综合评判方法。

综合评判是对多种属性的事物，或者说其总体优劣受多种因素影响的事物，做出一个能合理地综合这些属性或因素的总体评判。模糊逻辑是通过使用模糊集合来工作的，是一种精确解决不精确不完全信息的方法，其最大特点就是可以比较自然地处理人类思维的主动性和模糊性。本文根据隧道工程施工的特点，确定隧道施工安全风险因素，对隧道施工安全风险进行模糊估计，建立相应的评价矩阵，从而确定隧道施工安全风险水平等级。

1 工程概况

本项目属于厦门市城市快速公路上的一座分离式车行隧道，总体呈南北走向，为双向六车道特长隧道，单洞净宽13.5 m，净高5.0 m，总长1850 m。其中650 m采用浅埋暗挖法施工； 1200 m为明挖法施工。洞身段围岩以残积亚粘土、砂砾状～碎块状全～强风化正长岩和花岗岩为主，地下水埋深2～4 m，地质条件差；地面建筑物大部分为60～70年代建造的砖混结构，极少数为钢筋混凝土结构，且大部分房屋位于军事管制区内，不仅容易产生开裂等事故，而且一旦发生事故较难协调处理。因此在设计与施工过程中要充分重视隧道工程对周边地层变形的影响分析以及周边地层变形的预测与监测工作，以应对可能出现的各种突发情况。

浅埋暗挖段隧道工程地段大多属第四系堆积区，由于建筑需要，地面已被改造，地表普遍堆积了厚 2～5 m的人工填土，地面高程 13～21 m，略向北西倾斜。本隧道段主要从强风化带内通过，K7+500～K7+810段隧道洞身主要从砂砾状强风化带通过，地基土容许承载力300 kPa左右，压缩性中等偏低，围岩水稳性差，容易产生渗透变形破坏，K7+810～K8+000段，隧道主要从碎块状强风化中通过，地基承载力较高，低压缩性，但围岩较破碎且软硬不均，存在较多弱～微风化残余体，容易出现掉块、坍塌现象，此外围岩渗透性较强，水量较丰富。总体上讲，本隧道段工程地质条件不良，地面结构物太复杂。

2 隧道施工安全风险因素辨识

针对该隧道工程的施工特点，对其进行施工安全风险因素辨识，可以得出影响该隧道工程施工安全的主要风险因素如下：

(1)建筑物、地表、管线沉降。地表、建筑物和围护结构等沉降是隧道基坑开挖后围岩土体扰动的最直接反映，为了确保周边环境安全，通过沉降量变化规律预测施工对环境安全的影响。

(2)建(构)筑物裂缝。建筑物破坏前具有一个开裂过程，利用裂缝的开展与变化，可有效地评价隧道施工过程中附近建筑物的安全。当开挖接近该建(构)筑物后，要进行调查，与初始资料对比，并对裂缝的发展趋势作观测。利用建立的被监测建(构)筑物的裂缝状况档案，为及时准确评价施工安全风险提供依据。

(3)建(构)筑物倾斜。当建筑物差异沉降变形较大时，建筑物产生倾斜。当建筑物倾斜超过一定数值后，影响建筑的安全与使用。建(构)筑物倾斜可以通过测得的基础相对沉降值计算出倾斜值。

(4)土体测斜。依据国家标准《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)、《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266-99)的规定及本工程的特点，采用测斜仪对土体位移进行监测。对有明显位移的部位，绘制该深度的位移与时间关系曲线，变形发展与施工的关系曲线，当变形达到控制值时及时报警。

(5)地下水位。依据行业标准《城市地下水位动态观测规程》(CJJ/T76-98)的规定及本工程的特点，用水位沉降仪对地下水位进行监测，并作为施工安全风险评价指标。

(6)周边位移收敛。收敛位移直观明确，是围岩稳定情况的重要标志。可用来推算最终位移值，确定二次支护最佳时机。因此，应根据围岩地质条件、施工方法及围岩的时间和空间效应等因素，按一定的间距选择观测断面和测点位置，并以此作为施工安全风险评价的重要指标之一。

(7)隧道拱顶下沉量。拱顶下沉监测的作用是判断围岩稳定性及进行位移反分析，为二次衬砌的施工设计提供依据，还可作为用计算收敛监测各点绝对位移量的验证之用。拱顶下沉量测测点设置在收敛量测同一断面的拱顶中心及两侧适当位置，测点布置要根据现场施工情况，在各导坑/中导洞开挖完毕，具备条件后及时布置。

(8)爆破振动。对于可能用到爆破开挖的区间，在进行爆破施工时，有必要对周围典型建(构)筑物进行动态跟踪监测，采用爆破振动自记仪进行爆破影响监测，主要测试受监测处的质点速度、加速度。其目的是了解爆破振动对周围典型建筑物影响程度，及时反馈动态监测信息，为完善爆破设计、控制爆破规模、指导爆破施工提供可靠依据，从而使周围典型建(构)筑物受到的影响降低到可接受的范围内。

3 隧道施工安全风险模糊综合评判

3.1 建立施工安全风险因素集

建立因素集U=(u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7,u8)={建(构)筑物、地表、管线下沉，建(构)筑物裂缝，建(构)筑物倾斜，土体测斜，地下水位，周边位移收敛，隧道拱顶下沉量，爆破振动}。

3.2 建立施工安全风险评判集

确定该隧道工程施工安全评判标准，划分4个安全风险等级，建立评判集为V=(v1，v2，v3，v4)=(重度异常，轻度异常，基本正常，正常)。

3.3 风险因素权重集

评判因素对应的权重采用层次分析法求得。根据各因素对施工安全风险影响程度所得出的判断矩阵如下表1。

表1 风险因素对施工安全影响的判断矩阵

经计算，施工安全风险影响因素U=(u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7,u8)的权重向量为：

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

相应最大特征根λmax=8.556，判断矩阵最大特征根以外的其余特征根的负平均值C.I.为0.079；判断矩阵的平均随机一致性指标R.I.为1.41；随机一致性比率C.R.等于0.056<0.1。说明判断矩阵具有满意的一致性，其权重关系基本合理。

3.4 单因素模糊评判

3.4.1风险因素的模糊估计

风险因素的模糊估计就是确定各个风险因素的隶属度。针对该隧道工程特点，进行施工安全风险评判时首先通过专家经验法确定4个安全等级上的阀值(η1,η2,η3,η4,η5)。当实测值位于(η1,η2)之间，说明该风险因素处于重度异常；实测值位于(η2,η3)之间，说明该风险因素处于轻度异常；实测值位于(η3,η4)之间，说明该风险因素处于基本正常；实测值位于(η4,η5)之间，说明该风险因素处于正常。该隧道工程综合监测控制值如表2所示。以控制值为极限，设置不同阶段的分界点见表3。

表2 各类监测控制值

表3 隶属度函数计算边界控制值

建立各个安全风险因素的隶属度函数。第i个安全风险因素ui在安全等级“重度异常”、“轻度异常”、“基本正常”、“正常”上的隶属度函数分别为：

(1)

(2)

(3)

(4)

η1～η5的取值参见表1，c1～c4为分别为区间(η1,η2)、(η2,η3)、(η3,η4)、(η4,η5)的中点值，即：

(5)

图1 隶属函数

3.4.2计算各安全风险评价因素的隶属度

该工程2007年5月份一组实测数据如表4。根据实测结果、表3隶属度函数计算边界控制值规定，以及式(1)～式(5)，各安全风险因素ui在安全等级“重度异常”、“轻度异常”、“基本正常”、“正常”上的隶属度分别为：

建(构)筑下沉u1：μ(u1)=(0,0,0,1)

建(构)筑倾斜u2：μ(u2)=(0,0,0,1)

建(构)筑裂缝u3：μ(u3)=(0,0,0,1)

土体测斜u4：μ(u4)=(0,0,0,1)

表4 安全监测实测数据

地下水位u5：μ(u5)=(0,1,1,0)

爆破振动u6：μ(u6)=(0,1,0.67,0)

拱顶下沉u7：μ(u7)=(0,0,0,1)

隧道收敛u8：μ(u8)=(0,0,0,1)

3.4.3建立模糊判断矩阵

将各基本因素评价集的隶属度为行组成的模糊判断矩阵为

3.5 模糊综合评判

=(b1,b2,…,bn)

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

因此，模糊综合评判计算如下：

进行归一化则可以得到(0，0.241，0.181，0.578)，则bj取得最大值时所对应的安全等级为正常。从计算结果可以明显看出，目前隧道施工处于安全状态。

4 结 语

(1)厦门市某隧道工程地质条件不良，地面结构物极为复杂。为了对该工程进行施工安全风险评价以确保隧道施工安全，对其进行深入的施工安全风险因素辨识，确定了建(构)筑物、地表、管线下沉，建(构)筑物裂缝，建(构)筑物倾斜，土体测斜，地下水位，周边位移收敛，隧道拱顶下沉量，爆破振动这八个主要的施工安全风险因素。

(2)运用层次分析方法对影响隧道安全的因素进行了分析与排序。从理论上确定了隧道周边位移和隧道拱顶下沉量两个参数在众多因素(如周边建筑物、地面设施等的沉降；建筑物倾斜等)中重要地位，排序结果合理，具有较好的参考价值。

(3)基于模糊数学的基本理论，对该隧道工程建立的隧道施工安全风险模糊综合评判模型能够对该项目的施工安全状况进行较为客观、科学的综合评价，为项目的安全实施提供可靠的决策信息。

(4)本文的不足之处在于隧道施工安全风险因素的选取还不够完善，应采用专家调查法、统计方法等多种方法建立全面的影响因子及权重，以提高隧道施工安全风险模糊综合评判方法的可靠性和适用性。

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