基于AHP-模糊综合法的浅埋隧道施工风险评估

2012-03-07李得昌杨新安王树杰

华东交通大学学报 2012年3期

关键词：钟鸣综合法围岩

李得昌，杨新安，王树杰

（同济大学城市轨道与铁道工程系，上海 200092）

基于AHP-模糊综合法的浅埋隧道施工风险评估

李得昌，杨新安，王树杰

（同济大学城市轨道与铁道工程系，上海 200092）

浅埋隧道受地质、地形、环境的影响，在施工中容易发生边坡坍塌、塌方（冒顶）、山体开裂、变形失稳等风险，结合宁安城际铁路隧道分析了浅埋隧道施工安全、工期、环境风险。介绍了基于AHP（层次分析法）的改进模糊综合法进行浅埋隧道施工风险评估的基本原理和步骤，建立了浅埋隧道施工风险层次分析模型，采用改进的模糊数构建风险发生可能性判断矩阵。最后通过风险系数确定了宁安城际铁路钟鸣一号浅埋隧道施工风险等级，结合隧道施工特点及风险评估结果，提出典型风险控制措施。

浅埋隧道；层次分析；模糊综合法；风险评估

浅埋隧道较为常见，通常在隧道两端、冲沟段常为浅埋。浅埋隧道覆盖层薄、土质松散、围岩结构承载能力差，工程风险高。偏压、不良地质条件及外界环境的影响，会导致风险发生的概率增大，处理不当极易发生塌方、冒顶、山体开裂等风险。这些风险给工程带来了巨大的损失，造成很坏的社会影响，因此有必要对浅埋隧道施工风险进行研究，做到防患于未然［1］。由于地下空间的复杂性，隧道施工风险具有随机性和模糊性的特点［2］，难以用准确的量化数据表达，以概率、统计资料、专家评判为基础的单一定性分析方法难以准确评估风险对施工造成的影响。基于AHP的改进模糊综合法通过引入量化的计算方式，能准确分析风险发生的概率与后果等级，对浅埋隧道安全施工意义重大。本文以宁安城际铁路钟鸣一号隧道为例，分析了浅埋隧道施工期存在的风险，采用了基于AHP的改进模糊综合法对钟鸣一号隧道施工期风险进行评估，提出典型风险控制措施，为浅埋隧道施工风险管理提供参考依据。

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1 工程概况

宁安城际铁路是连接南京与安庆的重要客运通道，全长257 km，设计速度300 km·h-1，途径平原与丘陵地带，地势起伏较大，全线有钟鸣一号、钟鸣二号、大金山、红旗一号等8座新建隧道，各隧道都有不同长度的浅埋段。钟鸣一号隧道是宁安城际铁路的重点工程，起讫里程为DK139+970～DK140+716，设计全长746 m，单洞双线隧道，全线浅埋。隧道位于长江冲积平原丘陵地段，地貌主要为剥蚀丘陵、岗地及冲积平原区。丘陵地区地形起伏大，沟谷较发育，沟谷区隧道最大埋深仅3 m。隧道全线穿越Ⅴ级围岩，地表主要覆盖粉质粘土夹碎石，下伏第四系强风化沉积岩，基岩出露少，地表植被较发育。地下水主要为基岩裂隙水，不发育，隧道洞身位于地下水位以下，降雨后有渗透现象。

2 浅埋隧道施工风险

1）洞口明挖段。全线隧道进、出口明挖段边坡最高处达20 m，边坡坡度大（1∶0.75），且地表覆盖全风化粉质黏土风化层，地质条件差，易发生边坡垮塌。钟鸣一号隧道进口明暗交界处仰坡坡度大，地表覆盖为中更新统冰水沉积层粉质粘土及含圆砾粉质粘土，土质松软，遇水易软化，不稳定，易发生坍塌。

2）洞口浅埋暗挖段。全线隧道进、出口浅埋暗挖段地质条件差，多数隧道洞身上覆粘土、粗圆砾土、石英长斑岩，深约3～12.5 m，稳定性差。钟鸣一号隧道出口偏压段围岩受力不对称，隧道成拱效果差，初期支护完成前，在围岩侧向压力下，覆盖层薄的一侧洞身易出现坍塌，形成“神仙洞［3］”。

2）洞身塌方（冒顶）风险控制措施。围岩较差的浅埋暗挖段加强超前支护，采用40 m长管棚，并进行注浆，同时配合施作超前小导管，对管棚至开挖轮廓线内围岩进行支护。开挖过程中严格控制爆破及开挖进尺，仰拱及时闭合，二衬紧跟，控制预留变形量，同时加强监控量测。在浅埋偏压段，优化施工工法，优先采用CD法进行施工，施工从偏压较大的一侧开始。

钟鸣一号隧道洞身上覆地层软弱，裂隙多，围岩级别低，隧道顶部掉块严重；隧道洞身位于地下水位以下，受地下水的影响，粉质黏土和全风化层易变形，向洞室临空面挤出；雨天施工时地下水丰富，土体易渗漏，容易造成围岩内细颗粒的大量流失，极易发生塌方，引起洞壁失稳和地表沉陷。

3）洞身暗挖段。由洞室开挖后上覆岩（土）体形成自然平衡拱（坍落拱）高度计算公式［4］（见式（1））可知，宁安城际铁路钟鸣一号隧道的最大塌落拱高度为15.3 m，大于隧道埋深。

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式中：H为隧道塌落拱高度；B为隧道宽度；h为遂道高度；φ为土体内摩擦角；f为岩石坚固系数。

1）在水利工程应用中特殊用途的纤维混凝土的设计等级一般在C30以上，本试验中混凝土的抗压强度设计等级为C40，主要原材料包括聚丙烯短纤维、高效减水剂、胶凝材料（水泥、粉煤灰等）、细骨料（天然砂）和二级配的粗骨料等。依据《水工混凝土配合比设计规程》（DLT5330-2015），得出试验所需混凝土配合比基本参数范围。

风险发生后果损失值打分时，风险造成财产损失、人员伤亡等参考《铁路隧道风险评估暂行规定铁建设（2007）200号》［12］所述风险后果等级划分标准评定。

3 基于AHP的改进模糊综合法的隧道风险评估

施工风险是一个由相互关联的、众多的水文地质因素构成的复杂系统，风险评估是对风险因素的系统分析。浅埋隧道施工期风险因素复杂、众多且重要程度不一，常采用概率法并以试验、统计资料和专家评判为基础，依靠宏观定性的地质分析方法进行评估，会出现较大的主观偏差，不能客观、全面、系统地评价浅埋隧道的风险［6］。

基于AHP［7］（层次分析法）的改进模糊综合法按照一定规律将施工风险因素之间的相互关系层次化，结合模糊理论［8-9］引入改进的模糊数，对风险因素重要度进行量化分析，最后综合风险等级评判标准，对目标风险进行等级评定。主要有以下几个步骤：1建立风险评估指标体系；2建立风险评价指标的层次模型；3构建风险发生可能性模糊判断矩阵；4风险因素权重计算；5综合风险等级评定。

本节结合钟鸣一号隧道施工期风险评估介绍该方法在浅埋隧道风险评估中的应用。