基于不可靠度的岩溶隧道涌水突泥概率风险评价

2015-04-26彭逢春

湖南交通科技 2015年1期

王亮，彭逢春

(1.湖南省永龙高速公路建设有限公司，湖南长沙 410001;2.湖南省公路设计有限公司，湖南长沙 410001)

0 引言

在广西、湖南及广东等岩溶发育地区修建隧道所遇到的地质灾害较多，经常遇到涌水突泥、塌方、瓦斯泄露等地质灾害。涌水突泥灾害轻则冲毁机具、贻误工期，重则造成人员伤亡及重大财产损失，岩溶隧道涌水突泥风险评价与预防预警已成为亟待解决的问题。因此对岩溶隧道风险评价方法及处治技术的研究较多。黄新任［1］及李术才［2］等人基于区间数学理论对岩溶隧道风险进行评估，使风险评估值为一区间值，该法可考虑风险的不确定性，比采用定值更具有合理性。翁其能［3］及许振浩［4］等人基于层次分析法对岩溶隧道涌水突泥风险进行评价，该评价法可得出评价体系各分部、各层次及总体风险值，便于针对薄弱项做出处治措施。黄小城［5］等人基于可拓理论，利用可拓优度法及熵权法对岩溶隧道风险进行评估。本文采用概率风险评估法，考虑环境及操作人员的不可靠度构建岩溶隧道涌水突泥概率风险评价模型。

1 涌水突泥概率风险评价理论

1.1 岩溶隧道涌水突泥风险特征

隧道洞前方或周围内的岩溶构造物中的水流把洞壁击穿所突然爆发出来水和泥的现象叫做突水涌泥。一般来说，水的流量超过0.1 m3/s，其流速和压力到达一定程度时为涌水;当突出液体固体物质的含量过半时为突泥，在工程实际中将二者并称为涌水突泥。突水涌泥的发生是在一瞬间突然爆发的，此外在时间上、空间分布、涌水量及填充物质构成上还有以下特征。

1.1.1 滞后性

岩溶地区岩溶隧道涌水的滞后性，主要表现在隧道内涌水水量的增大，但不随地表大气降雨量的出现而立即增大，而是当雨量积累到一定量时才突然爆发。一般而言滞后时间与岩溶段埋深和管道贯通度有关，埋深越大，时间越长，贯通度越高，时间越短。

1.1.2 间歇性

在突水涌泥发生后，水中所带含泥沙固体物质由于水速的下降，堵塞突水口，致使灾害暂时中断。当水位再次上升，堵塞体又再次被破坏，从而形成次生突水涌泥。

1.1.3 空间特性

岩溶地下水的分带，造就了突水涌泥的空间分布。在垂直渗流通道中的水，主要是受大气降雨影响，当雨季雨量造成的水压很大时，施工所造成的垂直的岩溶层的破坏，使雨水沿90°方向向隧道洞内涌进。在深部缓流带，隧道周边的突水涌泥主要是由于有很大的静水压力，一般发生在深部缓流带。在混流带因岩溶发育，突水涌泥经常是由富水管中的水破坏隔水层而发生的。在构造位置上，背斜轴部或者向斜两翼是浅埋隧道突水涌泥发生最为常见的地方;深埋隧道岩溶涌水则多发生在背斜两翼或者向斜核部;张压性断裂带中的裂隙也为突水涌泥提供了条件。

这一次，宫宝田彻底算是看开了，在乡下每天跟老友逗趣，偶尔在一群大姑娘小媳妇面前显露一下武功逗她们开心，他还教了两个徒弟，一个是李书文的弟子刘云樵，跟他学武但是没有师徒名分，另一个则是王壮飞，此人后来自称八卦拳王，一生小人行径，生平恶臭难闻，故不提他。对了，宫宝田还染了个不好的习惯——抽大烟。

1.1.4 水量特征

隧道施工期揭穿岩溶型和岩溶突破型突水，在不同的岩溶地区，突水涌泥的水量变化有所不同，在开放区由大到小后稳定，在封闭区由大到小到枯竭。

突水涌泥的水量大小还与大气降水有关，通常会因随着降雨的大小经历增大到稳定最后减小，在雨季结束后最终趋于稳定的常量突水，或者在雨季结束后水量枯竭。

1.2 涌水突泥风险评价

风险评价是工程项目管理实践的主要内容之一，隧道风险评估分定量及定性两种方法。对岩溶隧道涌水突泥风险进行评价，从而为消除及降低危险提供决策依据。采用合适的风险评价方法是落实“安全第一、预防为主”的保障。常用隧道涌水突泥风险评价方法有安全检查表法、层次分析法、常规统计法、经验评估法、头脑风暴法、蒙特卡洛模拟法、鱼刺法、支持向量机等方法。各风险评估方法均遵循风险源的辨识、风险损失量评价及风险等级的划定。

风险源的辨识是风险评估及风险控制的第一步，一般风险源包括潜在危险性、触发因素及存在条件等三要素。一类风险源辨识是依据有害物质的破坏力程度与范围。二类风险源则指的是人的不安全行为和物的不安全状态。其中二类风险源具有较强的隐蔽性及复杂性，是风险评价的重点。涌水突泥风险评价为得出灾害发生时对人民生命财产造成的损失，可表达为:

式中:R 为涌水突泥可能造成的损失后果;P 为岩溶隧道涌水突泥发生的概率;E 为危害承受体，如人口，财产及环境等;V 为灾害对象受损程度(取值为0 ～1)。

涌水突泥是岩溶隧道修建最常见的地质灾害之一，对涌水突泥风险分析，得到涌水突泥灾害发生概率、后果程度及所造成的生命财产损失，从而为岩溶隧道治理提供技术支撑。

1.3 概率风险评价理论

概率风险评价是一种用以辨识与评估复杂系统的可靠性、安全性为目标的结构化、集成化的逻辑分析方法。概率风险评价综合应用了系统工程、概率论、可靠性工程及决策理论等知识，主要用于分析那些发生概率低、后果严重并且统计数据有限的事件。概率风险评价是基于某种伤亡或财产损失事故的发生概率而进行的系统风险评价方法，主要是将风险发生的概率、严重程度及通过与安全目标值的对比而评价系统的危险性。概率风险评价的主要要素有事件链、主逻辑图、事件序列图、事件树及故障树等。

概率风险评价是定性与定量综合的分析方法，概率风险评价方法应用于岩溶隧道涌水突泥风险评价中，主要考虑围岩劣化并出现涌水突泥现象及人的失误概率。在隧道开挖过程中由于应力重分布围岩发生失效的概率称为不可靠度，记作F(t)，为时间t 的函数。不可靠度表达式为下式:

当N 为有限大数时不可靠度近似为:

系统出现危险状态由单元故障及人的失误组成，故计算某一事件的风险概率应当考虑系统运作中人的失误概率。人的失误概率指的是作业者在一定时间及特定条件下出现失误或差错的概率，称为人的不可靠度，常用人的失误概率分布函数(式4)及人的纠错分布函数(式5)表示。

在隧道施工中人的不可靠度的影响因素主要为行为的复杂性、时间的紧张性、人机环境的匹配度、施工人员的经验等。

2 涌水突泥概率风险评价模型的构建

2.1 涌水突泥主逻辑图分析

层次性是复杂系统的一个特性。通常复杂系统由相互作用的各子系统构成，每个子系统又由多层多个更低级的子系统构成，直至基本事件。因此在进行主逻辑图分析时应根据系统的层次性从功能角度由上至下逐次剖解。

利用主逻辑图分析岩溶隧道涌水突泥灾害，按照主逻辑图分析的方法按照评价系统的功能逐层向下分析考虑。隧道发生涌水突泥风险因子较多，体现在围岩的稳定性及排水系统的可靠性，主要包括岩溶发育情况、地质构造、水文地质条件、施工因素及其他。围岩的稳定性主要从渗流破坏及自身特性考虑，排水系统则从溶腔蓄水量及排洪能力考虑。从系统元素来讲重点在于尾矿库既是拦砂建筑物，也是泄水建筑物，因此对应地从系统层面上应重点分析体现自身的稳定性和排水系统的可靠性。从系统元素的角度分析，主要包括岩溶成分、岩石结构、岩石特征、褶皱构造、断层性质、断层宽度、地下水含量、承压水压力、含水层渗透率、地形地貌、隧道埋深、降雨量、开挖情况、地下水处理及超前地质预报等。具体的主逻辑图模型如图1 所示。

图1 岩溶隧道涌水突泥主逻辑图

2.2 涌水突泥事件链及事件树方法

事件链为概率风险评价的关键，通过事件树模型对初始时间经中间过程至灾害形成全过程进行演绎。主要步骤为通过事件树分析法对风险事件形成的先后次序及因果关系进行建模，再估计灾害形成的后果及程度。事件链包括初因事件、关键事件及后果状态，并需对各事件的安全或危险进行评判及事件的逻辑关系。

事件树分析方法是一种时序逻辑的事故分析方法，采用追踪方法对系统分析的每一步均做稳靠及失效判定，并以水平树状图表示。事件树分析主要步骤为确定系统失效事件(即不期望风险事故)、掌握系统构成及事故存在条件、调查事故因子的因果关系及相关性、得出事故发生概率及后果程度并对之做出评价及相应的响应措施。

2.3 涌水突泥风险评价体系

岩溶隧道涌水突泥风险分级与其他风险等级划分类似，即为风险事件发生概率等级划分、风险事故损失等级划分和风险接受等级标准等、风险接受准则与风险响应处理措施等级，如表1 ～表5。

岩溶隧道发生涌水突泥灾害必然会对建设单位、施工单位、使用人员等造成不同等次的经济损失，根据经济损失(不包括间接经济损失)可分级如表2 所示;根据人员伤亡情况可分级如表3 所示。

岩溶隧道涌水突泥风险响应根据不同等级的风险采用相应等级的风险管理及风险控制，其相应的涌水突泥风险等级划分标准如表4 所示;风险接受准则如表5 所示。

表1 岩溶隧道涌水突泥风险概率等级划分

表2 岩溶隧道涌水突泥风险经济损失等级标准

表3 岩溶隧道涌水突泥风险人员伤亡等级标准

表4 岩溶隧道涌水突泥风险等级标准

表5 岩溶隧道涌水突泥风险接受准则及处治措施

3 工程应用

3.1 工程简介

严岭二号隧道属左右分离式隧道，左洞长2 105 m，右洞长2 005 m，围岩为Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级，其中Ⅲ级围岩长2 165 m，Ⅳ级围岩长1 210 m，Ⅴ级围岩735 m。隧址区溶洞发育，发育溶岩主要以水平溶洞为主，一般为干溶洞，形状多样不规则;其中隧道左线ZK8+850 ～ZK9+040 段距地表35 m、ZK9+510～ZK9+620 段地表20 m 以下发育有宽约70 m、隧道右线YK8+980 ～YK9+160 段50 ～70 m 距地表80 m 及YK9+645 ～YK9+800 段地下40 ～60 m 等地方均有高强水压溶腔水，极易发生涌水突泥灾害，对隧道安全修建及营运威胁较大。

3.2 涌水突泥概率风险评价

初因事件识别:严岭二号隧道址区岩溶发育明显，溶腔围岩属可溶岩，在地下流水作用下，溶腔围岩劣化速率较大。隧道的开挖使得安全厚度不足，在雨期具有良好的岩溶水补给，造成溶腔水压增大，涌水突泥风险值增大。

事件链:地质预报不准→未能及时排水→支挡结构强度不足→人员机械未及时撤离，导致:涌水突泥灾害发生并造成损失。

事件树分析:根据岩溶隧道涌水突泥形成条件及风险特征，找出各子系统失效原因，防排水系统及支挡系统二元事故树如图2 所示。

图2 防排水及支挡系统事故树

参照层次综合法评定该隧道风险等级为中度。令事件树中各事件均为相互独立的，同时考虑人及环境的不可靠度进行概率计算。相关概率值结合工程实际及参照项目专家组经验评定，选地质预报失误概率1.3×10－5，防排水系统失效概率2.4×10－4，支挡结构失效概率1.6×10－5，及受教育程度与工程经验影响的操作人员失误效率1.5×10－5，采用系统失效概率公式求得4.74×10－8，概率值较小，说明该隧道风险等级为中度，评价结果具有较强的稳健性。