基于层次分析法的铁路隧道岩溶风险评估与处理措施研究

廖 欣

(中国石油西南油气田公司规划计划处，四川成都610051)

铁路隧道工程具有施工技术复杂、施工项目多、不可预见风险因素多和所处介质复杂多变等特点，是一项高风险建设工程［1］。2002年到2006年，国家铁路正线延展里程由8.4万公里增加到9万公里，增长7.3%;国家铁路复线里程由2.3万公里增加到2.5万公里，增长9.1%［2］。

目前，国内外风险评估在工程中的研究也日趋深入，Einstein H H［3］指出了隧道工程风险分析的特点和理念，用可靠度方法对岩石隧道进行风险分析。国际隧道协会［4］颁布的Guidelines for Tunneling Risk Management，为隧道工程风险管理提供了参照标准。黄宏伟等［5］通过工程实例，对地铁工程施工过程中的风险因素进行了识别，用专家调查法和层次__模糊综合评判法对地铁工程施工期风险进行了评估。本文通过综合利用层次分析法(AHP)［6］、专家调查法建立了风险评价指标体系，对宜万铁路某隧道遭遇岩溶的风险进行了评估，并根据评估结果提出了建议措施。实践表明，该评估方法及指标体系为铁路隧道遇到岩溶时的风险评估提供了科学、可行的思路与方法。

1 工程概况

该隧道为宜万线某双线绕行隧道，最大线间距约250 m，全长908 m，最大埋深约140 m。隧道位于某复背斜北翼，背斜核部为寒武系地层，两翼为奥陶系及志留系地层。主要出露奥陶系灰岩，灰色～灰黄色，强～弱风化，节理裂隙较发育，岩体破碎。该隧道穿越的地层均为可溶岩，岩溶强烈发育，位于岩溶发育垂直渗流带内，发育的溶蚀裂隙、溶蚀管道向深性较好。隧道范围地处单面山坡，地表水排泄条件好，多经山涧峡谷汇集流向附近河流。地下水主要为岩溶水、基岩裂隙水，主要靠降雨补给。

地质勘探显示该隧道某段为大型充填性溶洞，溶腔沿线路纵向长约69 m，拱顶以上溶腔高度最大约为25 m，轨面以下溶腔深度最大约为31 m。溶腔填充物为细砂，稍湿，中密为主，部分松散。隧道位于垂直岩溶带，发育的溶蚀裂隙、溶蚀管道向深性较好，在降雨入渗后承接过路水，形成局部突水突泥的风险较大。

2 岩溶风险评估

针对岩溶隧道风险的实际情况，首先利用专家咨询与事故统计分析的方法建立风险指标体系，并结合专家调查和层次分析得出指标体系各层权重，然后利用专家经验对底层因素进行评价，计算出岩溶风险发生概率，最后结合《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》［7］的相关标准制定风险应对措施。

2.1 建立岩溶风险指标体系

在对岩溶形成机理、力学行为以及隧道工程概况仔细分析以后，建立了岩溶风险指标体系，如表1所示。

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2.2 构造判断矩阵

风险指标体系确定后，需对同一层的各风险元素进行两两比较，构造判断矩阵。判断矩阵是由专家评判组讨论形成，评判组成员由隧道设计专家、地勘专家、施工专家和高层领导组成，在对隧道工程和岩溶情况非常了解的基础上，评价者将各层风险因素两两比较构造出判断矩阵。采用这种方式，以对逻辑风险因素两两进行比较为例，其判断矩阵为:

同理，可得到因素层风险因素各自的判断矩阵 B1、B2、B3。

2.3 计算判断矩阵的特征向量

层次分析法关于权重的计算可采用本征向量法、最小平方权法、幂法(特征向量法)、和法、方根法等方法来确定，本工程采用方根法对风险指标体系中风险因素的权重进行计算。下面以计算矩阵A的特征向量WA为例:

2.4 一致性检验

在对系统要素进行相对重要性判断时，由于运用的主要是专家的经验知识，因而不可能完全准确的判断出aij的值，而只能对其进行估计，因此必须进行相容性和误差分析，据此定义相容性指标。

首先计算相容性指标C.I.=λmax－n/n－1，其中最大特征值，(［AW］i为矩阵［AW］的第 i个分量)。

再计算一致性比率 C.R.=C.I./R.I.，其中 R.I.为平均随机一致性指标，是根据足够多个随机发生的样本矩阵计算的一致性指标的平均值。R.I.的值如表2所示。

表2 平均随机一致性指标

若一致性指标C.R.＜0.10，则认为矩阵中各参数具有满意的一致性，权重向量W可以接受，否则计算结果无效，需重新进行判断。

采用上述的方法计算出 WA=0.03，WB1=0.06，WB2=0.08，WB3=0.04，WB4=0.06，一致性判断均满足要求。

2.5 评估结果

利用专家经验，结合现场地质、设计、施工和检测情况，评价出因素层对相应逻辑层风险因素的概率贡献值(表1)，再结合权重系数，由下向上计算出岩溶风险发生的概率P，计算公式为

式中，PI为上层风险因素概率值，Pij为下层风险因素概率值，Wij为第i层第j个风险因素的权重系数，且

通过以上方法，计算出岩溶风险发生的概率P=0.051，结合《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》中概率等级标准可知，该隧道可能发生岩溶风险，概率等级为4，需要采取有效措施降低该风险。

3 风险应对措施

结合该隧道工程地质、水文地质条件以及溶腔充填物的形态、规模，通过专家组的综合研究，决定在隧道溶腔及影响段采取挂Φ6(20 cm×20 cm)钢筋网、喷射20 cm厚混凝土、全环梅花形布置3 m中空注浆锚杆(1.0 m×1.0 m)的支护方法，同时利用I16型钢钢架加强支护。在以上支护方法的基础上，施工期间还对超前地质预报和加固措施进行了改进，具体如下。

3.1 超前支护

为确保施工期间及后期运营的安全，充填性溶腔段决定全部采用3 m超前帷幕注浆进行加固，并针对各种情况采取不同的超前支护措施。

(1)施工揭示为块石土段落，采用Φ42超前小导管注浆预支护，小导管长3.5 m，环向间距40 cm，纵向间距2.0 m/环;

(2)施工揭示为细砂段落，采用Φ76，厚5 mm超前管棚注浆预支护，管棚10～15 m/环;

(3)施工揭示为碎石土加细砂段落，采用Φ42超前小导管注浆预支护，小导管长4～6 m，环向间距20 cm，纵向间距2.0 m/环。

3.2 隧底加固

隧道底部为溶腔淤泥填充物段落，经专家讨论决定采取桩基承台、桩基托梁进行隧底加固，以减少施工期和运营期的沉降，保证线路平顺度。

桩基、承台以及托梁施工前要加强帷幕注浆效果的检查;加强隧道初期支护的监控量测，及时采用临时仰拱封闭措施。根据该溶洞遇到的地质情况，制定应对措施如下:

(1)隧底溶腔发育较深段落，采用桩基承台结构。桩基采用25Φ1.25 m的钻孔灌注桩，桩间距4.3 m×3.7 m(横×纵)，总桩长496.3 m。承台应分段施工，承台开挖时应将初期支护延长至承台底并及时封闭;

(2)隧底岩溶发育较浅段落，隧底采用C25混凝土换填加固;

(3)隧底岩溶发育较深且位于单侧，采用桩基托梁通过。桩基采用Φ1.5 m的钻孔灌注桩，采用C25钢筋混凝土，主筋为Φ26钢筋，保护层厚度为60 mm，主筋伸入托梁1 000 mm，桩长18 m。

4 结束语

(1)实践证明应用层次分析(AHP)、专家调查等方法，建立有效的风险指标体系，来评估岩溶风险是合理可行的;

(2)在隧道工程施工期针对典型风险进行评估，并有针对性的制定应对措施，提高隧道施工阶段的整体安全水平，可使工程得以顺利进行;

(3)对岩溶风险的处理，实践表明，做好超前地质预报和监控量测，加强超前支护、钢架支撑、锚网喷防护，进行顶部回填和隧底加固等一系列措施对降低风险有着非常重要的作用。

［1］钱七虎，戎晓力.中国地下工程安全风险管理的现状、问题及相关建议［J］.岩石力学与工程学报，2008(4):649－655

［2］郑健.中国铁路发展规划与建设实践［J］.城市交通，2010(1)

［3］EINSTEIN H H.Risk and risk analysis in rock engineering［J］.Tunneling and Underground Space Technology，1996，2(11):141－155

［4］ESKESEN S D，TENGBORG P，KAMPMANN J，et al.Guidelines for tunnelling risk management:international tunnelling association，working group No.2［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2004，19(3):217 －237

［5］王岩，黄宏伟.地铁区间隧道安全评估的层次模糊综合评判法［J］.地下空间，2004(3):301 －305

［6］许树柏.实用决策方法——层次分析法原理［M］.天津大学出版社，1988

［7］铁建设［2007］200号铁路隧道风险评估与管理暂行规定［S］