基于模糊理论的闽北山岭隧道洞口段施工风险评估研究

[摘要]隧道洞口段是隧道工程的咽喉，也是塌方事故多发地段，若施工过程中处理不当，轻则难以进洞，重则山体塌方，故在隧道施工前对洞口段的各风险元素评估意义重大。结合京台高速公路南平段某工程实例，建立隧道洞口段模糊理论综合评估模型，并确定各风险元素对洞口施工影响，并制定了相应的施工措施，经实践证明相关措施可行，以期为今后同类隧道工程施工提供参考和借鉴。

[关键词]模糊综合评佑模型；隧道洞口段；风险元素 文章编号：2095-4085（2018）05-0070-03

隧道洞口是施工事故的多发段，因此在隧道正式进洞前，有必要通过整理隧道洞口段图纸及相关资料，通过分析洞口段的风险元素，采用模糊数学分析方法，建立风险模糊层次综合评估模型对隧道洞口段进行风险评估。美国著名学者Zadeh最早提出模糊理论，目前已广泛应用于各类模糊性较强、准确性较难把握的数据处理项目中，包含模糊数学、模糊系统、不确定性和信息、模糊决策等分支，并且分支并非独立，而是有紧密联系。其具体流程如图1。

1 工程概况

洋后隧道位于福建省南平市洋后镇路尾村东北部山区，属剥蚀丘陵地貌单元，围岩松散、地势陡峭，地表水系发达。隧道成洞面洞顶覆盖厚度约2～6m穿过断层，同时出口段有较大的偏压力，仰坡坡面坡度1：0.5，采用喷射C20砼10cm厚，Ф22mm的长3.5m的砂浆锚杆间距120cm×120cm，ф6mm钢筋网间距20cm防护，左线进口桩号Z3K53+875，出口桩号Z3K54+325，长450m：右线进口桩号K53+900，出口桩号K54+337，长437m，属于短隧道。隧道左右洞均位于直线上，左右洞纵坡均为-2.50%，设计采用进小净距-分离式双洞布置。

2 隧道洞口段风险元素大小确定

2.1 确立评判元素集及构造矩阵

通过对洋后隧道地质及周边水系情况、勘察设计情况的分析，可判断该隧道洞口存在的主要风险为山体滑坡、大变形引起的塌方、突水涌泥以及运营期间安全事故等风险事件。综合考虑将洋后隧道洞口段的评价体系分为：U={U1，U2，U3，U4，U5}={开挖支护形式（CD法）、地质及周边环境（地形地貌）、围岩类别、施工队伍能力、降雨情况（闽北地区雨季影响）}合计5个。同时根据评价指标体系所确定的各元素之间的关系，将下一层元素对上一层准则元素的重要程度进行比较，其中程度按照9个等级确认（表1）。

本文主要采用云算子软件来对模糊综合评估模型计算，并确保判断矩阵的一致前提下，进行最大特征值及权重计算。故根据模糊综合评估模型，建立分层元素对应U的矩阵表2。

计算可得该模型的最大特征值λmax=5.2625

因为判断矩阵模型人为因素占的比重较大，经常会出现判断不一致情况，故需对模型进行验证，具体步骤如下。

步骤一：计算一致性指标公式

步骤二：根据朱训生主编，《工程管理的模糊分析》，上海交通大学出版社（2004.10），P58。查找出的萨迪教授平均随机一致性指标RI（表3）。

本文模型为5阶矩阵，故RI=1.12

步骤三：计算一致性指标CR，根据公式计算出

故得出本文所建矩阵模型的一致性是可以接受的。

2.2 确立各元素权重值

计算元素的权重是以模型矩阵为基础，来确定各元素的影响程度大小，一般有小二乘法、特征根法、上三角元素法等。本文采用特征根法，其公式如下。

根据公式分别求出

进一步求出各元素所占比重为

元素1：开挖支护形式（CD法）

元素2：地质及周边环境（地形地貌）

元素3：围岩类别

元素4：施工队伍能力

元素5：降雨情况（闽北地区雨季影响）

由此得出洋后隧道洞口风险元素影响程度大小为：开挖支护形式（CD法）>降雨情况（闽北地区雨季影响）>地质及周边环境（地形地貌）>围岩类别>施工队伍能力。

3 对策与建议

（1）针对该工程风险元素最大的开挖支护形式（CD法）采取措施为：改善开挖方式，原隧道开挖CD法步距过长，初期衬砌较滞后，建议采用进一步缩短开挖步距（即0.5m～0.7m每循环），并进洞后抓紧施做仰拱，是应对洞口变形的合理方法。

（2）针对该工程风险元素降雨情况（闽北地区雨季影响）采取措施为：因福建闽北地区雨季时间有5个月之长，且在每年的雨季的6月份至8月份期間会伴有数个台风登陆或影响；故降雨情况成为闽北地区隧道洞口影响较大的风险元素。为确保洋后隧道洞口施工质量与安全，务必精心组织力量，合理安排施工程序，在实际施工过程中为确保在雨季安全施工，将原设计明洞外移5m，通过增长明洞长度，做到尽可能的不破坏原地貌，可以有效减少对隧道洞口仰坡的扰动。同时将原设计厚度2.5m套拱局部增加为3.8m，并在洞口底部增加厚度3.2m的片石混凝土挡墙进行防护，以抵挡隧道拱脚产生侧向位移力。

（3）针对该工程风险元素地质及周边环境（地形地貌）采取措施为：由于洋后隧道洞口段成洞面覆盖厚度约2～6m穿过断层，同时出口段有较大的偏压力，极易产生塌方。为此务必优化洞口的支护，尽快释放偏压应力，宜采用先放后抗、多重支护、变形留足、先柔后刚、逐渐约束围岩变形的施工原则。

（4）针对该工程风险元素围岩类别采取措施：由于洋后隧道洞口的掌子面围岩软弱，且属剥蚀丘陵地貌单元，遇水时会软化形成塑性变和流变，围岩强度减弱，导致隧道拱部支护会出现裂缝。为避免事故发生，在隧道进洞前对掌子面临时封闭，并局部进行注浆加固；通过对洞口软弱围岩注浆加固处理，有效改善节理裂隙发育段，使隧道洞口顶部及两侧提高了抗压强度和粘接性，最终实现安全施工的目的。

（5）针对该工程风险元素施工队伍能力采取措施为：在隧道施工准备阶段，检查相关单位及人员的安全生产许可证、特种作业资格证等证件；以及检查各项保证体系、安全生产责任制以及各项规章制度建立情况等。在隧道实施阶段，应检查隧道安全生产、文明施工等落实情况；定期检查施工现场各项指标是否符合安全标准要求；并加强隧道安全施工的理论知识与实践经验相结合（如对隧道作业务工人员的安全生产培训、应急演练等）。

通过对洋后隧道洞口风险元素充分分析，并对施工过程中可能出现的问题制定出相应的控制措施，以及严格按照制定的措施将各工序、环节的落实到位，最终洋后隧道顺利进洞，且隧道施工过程中质量整体可控。

4 结语

（1）本文结合闽北地区隧道洞口段风险元素，建立五个风险元素的模糊层次综合评估模型，对闽北地区隧道洞口段详细阐述了风险元素的内涵、辨识、估计等内容，根据现场调查及分析结果总结了闽北地区隧道洞口段风险元素为：开挖支护形式（CD法）、降雨情况（闽北地区雨季影响）、地质及周边环境（地形地貌）、围岩类别、施工队伍能力等五个。

（2）本文运用闽北地区隧道洞口段塌方风险模糊层次综合评估模型对五个风险元素进行分析计算，并运用模糊理论的矩阵确定各元素影响权重，最终得出目前闽北地区隧道洞口段风险较大的元素主要为：开挖支护形式（CD法）、降雨情况（闽北地区雨季影响）、地质及周边环境（地形地貌）。

（3）针对建立的评估模型对洋后隧道洞口段风险因素分析，制定了与之对应的施工措施，经实践证明相关措施可行，以期为今后同类隧道工程施工提供参考和借鉴。

参考文献：

[1]宋晓秋.模糊数学原理与方法[M].北京：中国矿业大学出版社，1999：201-204.

[2]朱训生.工程管理的模糊分析[M].上海交通大学出版社，2004：58-59.

[3]王余鹏.北京西站B号标段地铁开挖工序对邻近建筑影响[D].大连：大连交通大学，2010.

[4]袁龙.基于模糊层次综合评估法的隧道洞口段塌方风险评估[D].西安：长安大学，2010.