青藏高原典型隧道施工安全风险评价研究

魏利伟

摘要：针对高海拔寒区带来的复杂施工环境、恶劣气候条件对隧道施工的不利影响，提出对青藏高原典型隧道施工进行安全风险评价。采用模糊网络分析法构建青藏高原典型隧道施工安全风险评价模型，通过风险因素辨识、走访调查等方式构建安全风险评价指标体系。最后，以巴玉隧道进行实证研究，结果表明，巴玉隧道施工安全风险评价等级为高风险隧道，与实地调查情况相符，对较高风险源提出了应对措施。并为同类别的高海拔寒区隧道施工安全风险评价提供理论参考具有重要意义。

Abstract： In view of the adverse effects of complex construction environment and severe climatic conditions on tunnel construction caused by high altitude cold area， the safety risk assessment of typical tunnel construction on Qinghai-Tibet Plateau is proposed. The fuzzy network analysis method is used to construct a safety risk assessment model for typical tunnel construction in the Qinghai-Tibet Plateau. The risk risk assessment index system is constructed through risk factor identification and interview investigation. Finally， the empirical study of the Bayu tunnel shows that the construction safety risk assessment level of the Bayu tunnel is a high-risk tunnel， which is consistent with the field investigation and puts forward countermeasures for higher risk sources. It is of great significance to provide a theoretical reference for the safety risk assessment of high-altitude cold zone tunnel construction in the same category.

關键词：青藏高原;安全风险评价;模糊网络分析法;三角模糊数

Key words： Qinghai-Tibet Plateau;safety risk assessment;fuzzy network analysis method;triangular fuzzy number

中图分类号：U455.1                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）16-0042-04

0  引言

青藏高原隧道施工主要有典型的不良地质即高地应力、高地温等;此外，青藏高原人烟稀少、高寒缺氧等自然环境因素也对该地区工程项目施工带来了巨大的挑战。针对高海拔寒区隧道施工安全风险评价研究，周国恩[1]通过问卷调查与ANP建立寒区隧道冻害评价指标体系，采用模糊综合评价法建立了寒区隧道冻害风险评价模型;高焱[2]采用AHP和模糊综合评判法建立了寒区铁路隧道冻害评价模型;邓攀[3]采用数值模拟指标量化和AHP建立高海拔地区隧道工程施工方案评价模型。目前对于传统隧道施工的评价研究较多因此也取得了一些研究成果，但是对于高海拔寒区隧道施工安全风险评价研究极少。

在文献阅读过程中发现AHP建立的权重较多，其只考虑了每一层对上一层的影响，没有考虑同一层之间的影响因素，因此本文为了弥补AHP确定权重的缺陷提出采用F-ANP确立指标权重，充分考虑指标间、以及每一层关联性，有效克服AHP确立权重的缺陷。

1  构建评价模型

模糊网络分析法是德尔菲法、三角模糊数、网络分析法、层次分析法、模糊综合评价法于一体的评价方法，具体步骤如下：

①建立评价指标体系因素集B={B1，…，Bm}和评语因素集C={C1，…，Cm}，根据调查法对风险因素的各个评价指标进行模糊评价，得出B对应C模糊比较矩阵：

②F-ANP三角模糊数确定权重

1）以某元素为准则，按照其对某元素影响大小用三角模糊数进行间接优势度比较，构造模糊比较判断矩阵，并求出权重，建立模糊超级矩阵W;

2）将各个一级指标元素集进行两两模糊比较，重复1）的步骤构造因素集比较矩阵A，其中A为加权矩阵;

3）得到加权超矩阵W，即W=Wij=aijwij

4）对W求极限，即当W在t→+∞时极限存在，W∞=limWt;

5）当n趋于正无穷时，矩阵的每一列将完全一致，采用MATLAB计算G=limWn=（g1，g2，g3，…，gn-1，gn）;

6）得出风险综合评价结果，H=G·R=（h1，h2，…，hn-1，hn）。

③青藏高原地区典型隧道施工安全风险综合评价

1.1 青藏高原典型隧道施工安全风险评价指标体系构建

根据隧道施工风险因素辨识以及走访调查等方式，遵循指标具有代表性、可操作性原则等构建评价指标体系，该体系共计30个二级指标，如表1所示。

1.2 隧道施工安全风险评价基本结构图

根据青藏高原典型隧道施工安全风险因素的研究分析，发现评价指标之间是相互影响相互依赖，即各个一级指标之间、各个二级指标之间、以及一级指标与二级指标之间的关联性，如图1所示的网络结构图。

1.3 隧道施工安全风险单因素模糊评价

1.3.1 构造评语集

根据《铁路隧道风险评估与管理暂行规程》，《公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南》等相关标准，并结合青藏高原隧道施工特征，将风险评语等级划分为5个等级，C={C1，C2，C3，C4，C5}={高风险，较高风险，中等风险，较低风险，低风险}。

1.3.2 单因素评价

采用德尔菲法，针对每一个二级评价指标根据典型隧道施工安全风险的可能性、后果的严重程度以及风险发生后可控水平进行评价如表2所示。

1.3.3 模糊关系矩阵

根据表2构造单因素模糊关系矩阵，见式（2）所示，式中的20表示参加调查总人数。

1.4 F-ANP三角模糊数确定隧道施工安全风险评价指标权重

1.5 青藏高原典型隧道施工安全风险综合评价

本文采用M（·，⊕）算子确定评估项目风险的向量元素集：H=G·R=（h1，…，h5），其中h1，…，h5是归一化且分别对应评语集中的{高风险，较高风险，中等风险，较低风险，低风险}的程度。按照隶属度最大原则，h中的最大值所对应的评语集的位置说明该隧道施工风险发生的可能性最大。

2  实例分析

2.1 工程概况

巴玉隧道位于桑加峡谷区中下游段，巴玉车站至藏木车站间。隧道进口里程DK190+388，出口里程DK203+461，全长13073m，其中单线隧道12482m，双线隧道384m，三线隧道207m，隧道最大埋深约2080m。隧址海拔平均高度为3560m。隧道纵坡为单面下坡，轨面标高3344.109～3464.081m。

2.1.1 气象特征

加桑峡谷干旱少雨年平均气温8.8℃，极端最低气温

-17.6℃，极端最高气温29℃，年平均降雨量479.2mm，年最大雨量705.7mm，最大积雪厚度12cm，冻土厚度16cm。

2.1.2 地质概况

①地层岩性。隧道区覆盖层主要为第四系碎石土，下伏基岩为中粒角闪黑云花岗岩。②地质构造。隧道于DK200+006处穿越藏木断层，该断层两侧均为第三纪始新世溶母棍巴单元（E2R）中粒角闪黑云花岗岩，断层长约2.1km，破碎带宽度10～20m，具剪张性质。节理一般延伸不远，裂隙宽1～10mm，最大宽度15mm，多呈微张及半张开状，局部可见充填物，节理间距多在2～4m间。③不良地质。隧道范围主要发育的不良地质有危岩落石、岩爆、高地温、放射性、冻害。

2.2 确定模糊关系矩阵

为了全面、系统评价巴玉隧道施工项目风险，本模型选择设计、施工等熟悉此项目的20位相关专业人士;采用问卷调查的方式对巴玉隧道施工项目30个二级指标进行单因素评价。根据（2）式得到评价结果的模糊评价矩阵R30×5如下：

2.3 F-ANP确定权重

2.4 计算一级指标模糊权重A

2.5 加权矩阵W极限排序向量

根据归一化极限排序向量可得，二级指标风险因素的影响权重排在前3位的为高地应力（岩爆与大变形）/高低温（权重为0.0616），冻土/冻害（权重为0.0566），危岩落石（权重为0.0524），显然这3个风险指标是直接影响着巴玉隧道施工项目主要风险源。

2.6 巴玉隧道施工项目的综合评价

3  应对措施

①高地应力（岩爆与大变形）。根据地质勘探报告，全隧正洞预计发生轻微岩爆段落长度4106m、中等岩爆段落长度5922m、强烈岩爆段落长度2214m。上软岩大变形地段施工防止软岩变形的技术措施有五项，主要措施是超前预支护，用短进尺、多循环、弱爆破开挖，尽量减少对围岩的扰动，为了防止岩面对开挖面的挤入，一是预留沉落量，二是按设计做好联合支护。

②高地温。施工中采取加强施工通风、人员供氧、降温通风、岩面隔离材料、超前帷幕注浆、局部径向注浆、隔热管排水等措施。

③冻土/冻害。冻土隧道围岩保护，在不同季节采取不同的供热、保温的措施。寒季中，采用洞口保温设施、混凝土拌和热、生产设施保温和结合施工通风的加热、供热等综合防寒保温体系。暖季，依据青藏高原昼夜温差较大特点合理调整隧道施工工序，在早晨、夜晚多通风，中午高温阶段少通風或者不通风。因此，控制和调整隧道内环境温度。

冻害防治措施，设置防寒泄水洞，地下水通过钻孔或岩石裂隙直接进入泄水洞，排水效果理想，安全稳定，能够消除地下水给隧道造成的冻害;隧道进出口及横洞洞口500m范围内侧沟采用保温水沟。

④危岩落石。

隧道进、出口段发育危岩落石，为保证施工及运营安全，施工时应结合危岩落石情况，采取清除、拦截、嵌补、支顶、设置主被动防护网等综合防治措施。

4  结论

本文通过对川藏线巴玉隧道施工安全风险评价得出如下结论：通过归一化极限向量排序，二级指标风险因素的影响权重排在前3位的分别为高地应力/高低温，冻土/冻害，危岩落石，直接影响着巴玉隧道施工的质量、进度等;并针对高风险指标因素提出对应措施。依据最大隶属度原则hmax=0.4333，结果表明巴玉隧道施工风险项目是高风险隧道施工项目，与实地调查情况相符。

参考文献：

[1]周国恩.基于ANP与模糊理论的寒区隧道冻害风险评估与管理研究[J].现代隧道技术，2013，50（01）：60-66.

[2]高焱，夏晶晶，耿纪莹，周君，朱永全.基于模糊综合评判法的寒区铁路隧道冻害评价体系研究[J].铁道标准设计，2018，62（07）：124-129.

[3]邓攀.高海拔地区隧道工程施工方案评价研究[D].重庆交通大学，2015.

[4]黄俐.北京地铁盾构施工沉降风险机理研究及评价模型构建[D].中国矿业大学（北京），2012.

[5]唐小丽.模糊网络分析法及其在大型工程项目风险评价中的应用研究[D].南京理工大学，2007.