基于ISM的山岭公路隧道施工坍塌风险分析

摘要：以降低山岭公路隧道坍塌风险为目的，采用解释结构模型（ISM）分析20个坍塌风险因素之间的层次关系，建立了6级递阶结构关系。结果显示：山岭公路隧道坍塌事故的直接原因有：支护强度不足、施工扰动过大、施工队伍整体状况差;深层原因可归为偏压严重、开挖方法选择不当、施工现场安全管理不到位、地质与设计不符等。

Abstract： For the purpose of reducing the collapse risk of mountain highway tunnels， an interpreted structural model （ISM） was used to analyze the hierarchical relationship between 20 collapse risk factors， and a 6-level hierarchical structure relationship was established. The results show that the direct causes of the collapse accident of the mountain highway tunnel are： insufficient support strength， excessive construction disturbance， and poor overall condition of the construction team. The deep-seated causes can be attributed to severe bias， improper choice of excavation methods， inadequate safety management at the construction site， and inconsistency between geology and design.

关键词：山岭公路隧道;坍塌;解释结构模型（ISM）;风险分析

Key words： mountain highway tunnel;collapse;Interpretative Structural Model（ISM）;risk analysis

中图分类号：U458.3                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）22-0050-03

0  引言

截止2019年末[1]，全国公路隧道19067处、18966.6km，增加1329处、1730.5km，在隧道大规模建设过程中，公路隧道建设向山岭进军，由于地质条件、水文自然环境条件复杂，若安全防范不足，则容易导致施工事故。郑艾辰[2]对2008-2016年间我国发生的隧道施工安全事故进行了统计，事故中以隧道坍塌最为常见，死亡人数最多;张军伟[3]统计了2006-2016年我国隧道建设（不含地铁隧道、市政隧道）中发生的89起事故，坍塌是隧道建设事故的主要类型。

许多学者开展了隧道施工坍塌事故风险分析方面的研究。高登[4]以上坪格隧道坍塌案例为基础，分析了坍塌机理并提出了相应的工程处治措施;张建军[5]调查了奥陶系浅变质板岩隧道坍塌的原因，坍塌的基本原因是不良地质结构隧道开挖极易造成大面积坍塌;坍塌的直接原因是块石荷载超过初期支护支撑强度导致开裂，在此基础上提出坍塌的处治方案;侯艳娟[6]結合典型事故案例统计，将隧道坍塌事故分为围岩失稳、构造破坏和环境扰动，发现围岩与支护之间的关系最密切，并提出了事故控制措施;苏永华[7]结合隧道坍塌事故统计资料，确定了包含地质因素、设计施工质量等在内的6大坍塌风险因素，建立了以粗糙集与模糊重心理论为基础的公路隧道施工期坍塌评估方法，并进行实证分析;元晓贵[8]以某工程施工隧道为研究对象，从勘察、设计、施工情况，施工方式及支护结构，地质水文因素，监控测量与地质预报和施工管理5个方面建立了因素集，对隧道施工坍塌风险进行模糊层次综合评价。

针对隧道施工坍塌风险的研究主要是从事故的统计分析、坍塌机理分析和控制、施工坍塌风险的评价以及坍塌的关键因素。隧道施工坍塌是一个复杂系统，坍塌事故的造成一般是多种风险因素的耦合，对隧道施工坍塌风险进行综合评价以及事故统计分析时，无法明确风险因素之间的关联关系，ISM作为一种系统分析方法可以用来探讨隧道施工坍塌事故的成因，进而得到风险因素间的因果关系。

1  山岭公路隧道施工坍塌风险因素识别

山岭公路隧道，即公路穿越丘陵、山岭等地形所修建的隧道，其穿越地段地质条件复杂多变，其围岩以岩质为主。坍塌过程中常伴有突水涌泥现象，事故发生的地段多为在围岩稳定性较差区域：如岩石风化带、断层破碎带、或者其他特殊不良地质构造。这些地段岩体具有破碎、节理裂隙多、易透水、强度差等特点，由于施工环境的暴露性，一旦地下水流入破碎岩体中，使得岩体的稳定性降低，在自身重力、地下水以及施工扰动等诸多因素共同作用下打破其力学平衡，导致坍塌事故的发生。为了深入了解山岭公路隧道施工坍塌事故的致因，从安全监督管理局网站、安全管理网收集到2008-2019年17起山岭公路隧道施工坍塌事故调查报告，表1列出了几起较大山岭公路隧道施工坍塌事故调查报告的原因。

通过对山岭公路隧道施工坍塌事故调查报告的总结并结合成因分析，从三个方面对事故原因进行分类：人的因素、地质水文因素、施工因素。

人的因素，从现场施工来看，施工现场主要包括管理人员（如项目负责人、施工负责人、安全员等）和施工人员（一线操作人员）。未进行三级教育培训或三级教育培训效果差，使得施工人员安全意识淡薄、自我防护能力不强，进而导致整个施工班组氛围差，就会对施工现场环境和风险认识不足，会给施工带来安全隐患。若管理人员对施工现场进行严格的安全管理，安全事故发生率会明显降低，反之，事故发生率会提高。

施工因素，隧道施工包括开挖作业、初期支护、二次衬砌三个大的阶段，也包含超前地质预报、监控量测[9]施工工序，整个施工过程都存在风险因素。为了维持围岩的稳定，要做好隧道支护时机的选择、强度形成的把握（如隧道开挖前的超前支护、开挖后的初期支护及紧接着施做的二次衬），施工过程中，通常超前支护不足，容易造成石块松动导致小规模塌方发生，而初期支护强度不足可能造成严重的塌方事故。施工质量问题经常发生，如超挖，监控量测数据失真，信息反馈不及时，喷射混凝土不致密，喷射混凝土强度不能满足设计要求等可能直接造成坍塌。隧道开挖后，岩体的应力重分布与开挖扰动相结合，导致围岩变形和失稳，围岩的原始平衡是隧道坍塌的原因和必要条件。导致围岩受力情况（稳定性）突变的因素[10]有：开挖方法、开挖作业、断面尺寸、超挖、工序合理性等。二衬到掌子面的距离（施工步距）与隧道整体受力有关，是影响隧道稳定性的一个重要因素。

地质水文因素，主要包括隧道所处的地形地貌特征、自然环境等。地质主要考虑围岩级别、富水情况、特殊地质，这些因素是隧道发生坍塌事故的主要客观条件。一般来说，隧道围岩稳定性的一个主要因素是隧道施工中中级围岩所占比例大小（通常坍塌地段的围岩以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主），高级别围岩的自稳能力很差。地下水是引起塌方的重要因素（据统计80%左右的隧道塌方都与地下水有关），主要体现在两个方面：①地下水会进入破碎或节理发育的岩体，造成结构不稳定;②地下水使得支护结构整体强度不足。山岭隧道中断层破碎带、偏压地段居多，偏压严重，隧道塌方风险增加。

2  建立山岭公路隧道施工坍塌风险因素ISM

2.1 ISM原理

ISM（解释结构模型），最开始是用来分析复杂的经济系统问题，原理是借助图论和矩阵的相关理论，利用人们的知识和经验描述出各种已知的关系，将复杂系统分解为若干个子系统，通过矩阵做进一步运算，最终将复杂系统转化为一个多层递阶解释结构模型。其基本步骤[11]如下：①确定系统要素的二元关系;②根据二元关系，做出有向图，建立邻接矩阵;③根据邻接矩阵，计算得到可达矩阵;④对可达矩阵进行区域划分，得到各要素的层级分配;⑤建立解释结构模型。

2.2 确定风险因素

基于上文对山岭公路隧道施工坍塌事故风险因素识别归类，并征询专家的意见。专家小组包括有经验的3位教授，以及7位有隧道施工经验的项目管理人员。通过专家们的深入分析，最终确定了造成山岭公路隧道施工坍塌事故的20项风险因素，即Si=1，2，…，20（见表2）。

2.3 建立风险因素的邻接矩阵

在确定了山岭公路隧道坍塌风险因素之后，就可以对因素之间的作用关系进行分析，根据专家经验，将20个影响因素以及结果指标坍塌事故（S21）进行关联分析。邻接矩阵是有向图的一种存储方式，按照式（1）建立风险因素之间的两两作用关系。如三级教育及安全培训不够S2会直接造成施工队伍整体状况差S3，则S2可达S3，相应的矩阵数值为1;再如渗水状态S18对偏压严重S19无直接影响，则S18不可达S19，相应矩阵数值为0。

深入分析20个影响因素之间的逻辑关系，建立山岭公路隧道施工坍塌风险因素的邻接矩阵A。

2.4 生成风险因素的可达矩阵

将邻接矩阵A与单位矩阵I的相加，基于布尔代数的运算规则，对某一整数n做矩阵A+I的幂运算计算出可达矩阵M，M应满足式（2）的条件。

当成立时，就得到了可达矩阵M=（A+I）n。同样，可达矩阵中的矩阵元素1或0代表着因素之间是否可达，1为可达，两者有直接影响，0为不可达，则Si与Sj之间无影响。计算坍塌事故风险因素的可达矩阵M如下：

2.5 划分层级及建立解释结构模型

可达矩阵的层级划分是为了确定造成山岭公路隧道施工坍塌事故的各风险因素所处的层次关系，有利于明晰各因素之间的关系。层级划分过程如下：首先，对于得到的可达矩阵，抽取出因素所对应的行中，矩阵元素为1的列构成可达集合R（Si）;其次，抽取出因素所对应的列中，矩阵元素为1的行构成先行集合Q（Si）;最后根据判断条件R（Si）∩Q（Si）=R（Si），找出最高级因素，并删除，直到层级划分结束。

依照上述过程，可以使用软件进行计算，最终得到层级划分：节点：L1={S21}，第2级节点：L2={S3，S12，S15}，第3级节点：L3={S1，S2，S5，S7，S13，S14}，第4级节点：L4={S4，S8，S10，S11，S19}，第5级节点L5={S16，S18，S20}，第6级节点L6={S6，S9，S17}。顶层节点表示坍塌事故风险系统中的最直接风险因素，往下每一层因素是上一层因素的原因，继而得出（如图2所示）的层次结构。

3  山岭公路隧道施工坍塌风险ISM分析

山岭公路隧道施工坍塌风险因素ISM是一个6级递阶结构，这6个层级反映了山岭公路隧道施工坍塌风险形成的逻辑关系。

山岭公路隧道坍塌事故的直接原因有三个：支护强度不足、施工扰动过大、施工队伍整体状况差。首先，施工人员安全意识淡薄、三级教育及安全培训不够是造成施工队伍整体状况差的原因，引起施工队伍整体状况差的深层原因可能是施工现场安全管理不到位。其次，导致施工扰动过大的原因，其一是与施工人员相关（安全意识淡薄、三级教育及安全培训不够）;其二主要是开挖作业造成的，即开挖过程中循环进尺过大，使得所形成的断面过大，隧道整体的稳定性降低。造成开挖过程中进尺过大，是由于两方面的原因即开挖方法选择不当和闭合周期长，闭合周期过长的原因可能是超前支护不足，而开挖方式不当与超前支护不足和偏压的影响有关，超前支护不足主要是由于量测频率及信息反馈不及时、围岩强度差、渗水状态，地质与设计不符对地下水、围岩强度、量测情况有影响，而地质勘探与地质情况具有强关联。则导致隧道塌方的直接风险因素施工扰动过大发生的深层原因有四个：开挖方法选择不当、施工现场安全管理不到位、地质与设计不符、不良地质的影响。最后，初支与围岩不密贴是造成支护强度不足的原因，深层原因可能是喷锚质量差，但是渗水状态对喷混凝土质量具有很强的影响。所以造成山岭公路隧道施工坍塌事故的深层原因为：施工现场安全管理不到位、地质与设计不符、开挖方法选择不当、偏压严重、不良地质的影响、喷锚质量差、渗水状态。

4  结语

山岭公路隧道施工坍塌风险因素ISM以风险因素间作用关系为依托，通过案例分析、文献研究、专家经验量化了因素间相互关系，最终得到了坍塌事故风险因素的层次结构，明晰了因素之间的因果关系。

参考文献：

[1]2019年交通运输行业发展统计公报[J].中国水运，2020（05）：40-43.

[2]郑艾辰，黄锋，林志.2008年至2016年我国隧道工程施工安全事故统计与分析[J].施工技术，2017，46（S1）：833-836.

[3]张軍伟，陈云尧，孙毅夫，等.我国隧道施工坍塌事故分布特征分析（2006-2016）[J].灾害学，2017，32（4）：132-137.

[4]高登.上坪格隧道塌方原因分析及处治措施研究[J].现代隧道技术，2017，54（1）：191-197.

[5]张建军.奥陶系浅变质板岩地层半山隧道坍塌成因分析与处治[J].铁道科学与工程学报，2016，13（6）：1149-1155.

[6]侯艳娟，张顶立，李奥.隧道施工塌方事故分析与控制[J].现代隧道技术，2018，55（1）：45-52.

[7]苏永华，刘科伟，张进华.基于粗糙集重心理论的公路隧道塌方风险分析[J].湖南大学学报，2013，13（1）：21-26.

[8]元晓贵，陈一洲.基于模糊层次综合评判法的隧道坍塌风险评估[J].安全与环境学报，2016，16（5）：37-40.

[9]孟超，刘向东，李晓萌，等.基于ISM和信息熵的铁路隧道塌方风险分析[J].中国安全科学学报，2018，28（S1）：64-70.

[10]岳诚东.隧道工程施工塌方风险评估研究[D].兰州大学，2016：17-33.

[11]胡嘉伟，彭伟，薛韦一.基于ISM法的公路隧道火灾事故致因研究[J].中国安全生产科学技术，2014，10（2）：57-62.

作者简介：吴正生（1975-），男，湖南株洲人，本科，中级职称，研究方向为公路桥梁与隧道。