基于DEMATEL的隧洞施工风险分析与控制

高黎颖 温雄飞

(中国水利水电建设工程咨询中南有限公司，湖南 长沙 410014)

重大水利水电工程建设施工中，时常要穿山越岭，地形复杂，开挖隧道过程中经常遇到地质情况较差、围岩不稳定的现象，施工过程存在着极大风险，常见的事故类型有物体打击、坍塌、涌水、淹溺、中毒和窒息等。肖尧等[1]运用WBS-RBS对引水隧洞施工中存在的风险因素进行识别与量化，利用CSRAM对岩爆、涌水等关键风险因素进行了分析。陈诚[2]利用功效系数法，选取了地质环境特征、自然因素和勘察设计作为隧洞塌方风险评价指标，以引水隧洞为例进行建模分析。马婷婷等[3]对南水北调的南干渠隧洞采用风险指数矩阵法对主要的风险进行分析和分级，提出了相应的建议措施。江时雨等[4]采用AHP和BP神经网络对水下隧道涌水风险进行了评价和预测分析。上述研究，对隧道施工过程中存在的涌水和塌方风险进行了深入研究和讨论，但在定量分析过程中存在取值不客观或样本偏少的现象，且未对可能导致的事故进行深入探讨。

鉴于此，本文通过扩大参与人员多样性和样本量，进一步细化研究对象，采用DEMATEL风险评价模型，以硬梁包水电站工程为例，进行定量和定性分析，细化风险控制措施，为工程后续安全管理提供参考。

1 DEMATEL简介

采用DEMATEL法分析产生的各风险子因素之间的相关影响关系，具体步骤如下[5-6]：

a.构建各因素之间的直接影响矩阵A：

(1)

其中，aij表示因素i对因素j的直接影响程度；n为因素数量。

b.规范化直接影响矩阵A，得矩阵B：

(2)

c.计算得到综合影响矩阵R：

R=B+B2+…+Bn=(rij)n×n

(3)

当n充分大时，可采用R=B(E-B)-1进行近似计算，其中，E为单位矩阵。

d.计算影响度U、被影响度X、中心度Y和原因度Z：

(4)

其中，Ui为系统中第i个影响因素对其他影响因素的综合影响值；Xj为其他影响因素对第j个影响因素的综合影响值；中心度Y表示该因素在系统中的重要程度；原因度Z表示该因素与该因素与其他因素的因果逻辑关系程度，为正成为原因因素，为负成为结果因素。

绘制因素的原因—结果图，据此得到各因素的重要性排序。

2 工程应用

2.1 工程概况

以公司承建的硬梁包水电站为例，其中5号施工支洞洞口底板高程为1255.0m，洞身全长1187.36m，轴线方向变化为N55°E～NE88°，洞身段主要为花岗岩，0+090.0—1+104.84段为微新岩体，呈次块状—镶嵌状结构，局部存在岩脉破碎带、断层及裂隙密集带，围岩总体为Ⅲ类，局部为Ⅳ、Ⅴ类。

根据工程实际情况，该水电站在隧洞施工过程中面临的最大风险为坍塌和涌水，选择这两种风险作为风险分析对象。

2.2 风险识别与分解

RBS(风险分解结构)分解法由WBS(工作分解结构)原理衍化而来，将风险目标作为导向，将工作自上而下逐层分解，直到将项目分解为一个合适的工作单元，更容易识别项目风险[7]，将其运用到隧洞施工风险分析中，可以分解得到风险子因素。

通过翻阅隧洞勘测设计文件，结合现场施工过程中遇到的问题以及相关文献资料[8-12]，对坍塌和涌水风险进行分解，构建RBS分解树，得到风险子因素，见图1和图2。

图1 坍塌风险RBS分解树

图2 涌水风险RBS分解树

2.3 风险分析

运用李克特量表法，将各子因素之间的互相影响程度量化，见表1[5]。

表1 各子因素影响程度量化值

选取施工单位25人、设计单位5人、监理单位15人发放问卷调查表，根据表1判断mij和nij。回收问卷调查表45份，经分析，其中有效问卷36份，据此形成坍塌和涌水风险的直接影响矩阵A1和A2。

根据式(2)和式(3)计算得到规范化矩阵B和综合影响矩阵R，根据式(4)计算得到各风险子因素影响度U、被影响度X、中心度Y和原因度Z，由于篇幅所限，不在此一一计算列明。根据计算结果，绘制了坍塌风险—中心度图和涌水风险原因—中心度图，见图3和图4。

图3 坍塌风险原因—中心度

图4 涌水风险原因—中心度

由图3和图4可以得到如下结论：

a.在坍塌风险中，地震作用m5对其他风险子因素的影响最大，是重点控制子因素，但由于地震无法精准预测，且控制难度极大，属于偶发因素，不予考虑。与地质结构符合程度m7对其他风险子因素的影响仅次于地震作用，属于重点控制子因素。因此，在施工过程中需要通过加强勘测设计，探明现场地质和围岩实际情况，重点了解实际地质结构与前期资料的符合程度。超前支护与衬砌类型m14、监测与预报频率m15、监测点设置m16容易受到其他风险子因素的影响，在施工过程中应重点注意，如有偏差及时调整。

b.在涌水风险中，不良地质n2容易对其他风险子因素产生影响，是控制重点，因此需要结合勘测设计、监测等手段，提前发现不良地质段，做好预警与排险工作。监测与预报频率n9、监测点设置n10容易受到其他风险子因素的影响，在施工过程中应重点注意，如有偏差及时调整。

3 隧洞施工风险控制

3.1 坍塌风险控制

根据上述分析，与地质结构符合程度容易对其他因素产生影响，超前支护与衬砌类型容易受到其他因素的影响。因此，在实际施工过程中，重点对这两类因素进行了控制[13]。

根据现场实际情况及地质勘探资料，施工支洞局部洞段围岩裂隙及断层较为发育，为有效保证施工支洞的施工质量和安全，杜绝围岩塌方等重大事故的产生，避免造成工期、人员和设备损失，安全顺利地通过不良地质洞段，主要采取了如下措施：

a.加强不良地质洞段的超前地质预测。通过已开挖揭露围岩情况及时进行地质预报，判明不良地质洞段的准确位置、产状及影响范围，然后有针对性地确定安全有效的施工方案。

b.加强不良地质洞段开挖的超前支护。超前支护采用超前锚杆或注浆小导管的形式，超前锚杆直径28mm，长6m，环向间距50cm，注浆小导管采用无缝加工，单根长4.5m，环向间距30cm。

c.开挖遵行“短进尺，弱爆破、强支护、勤观测”的原则进行。

d.如遇较大断层情况制定专门应用方案。

混凝土喷护根据开挖揭露的围岩情况适时进行支护，对Ⅲ类围岩进行开挖时，因地质条件较好，混凝土喷护施工可滞后于开挖掌子面一段距离进行。对于Ⅳ、Ⅴ类围岩及地质条件较差的洞段，为确保洞室围岩的稳定性和施工安全，开挖采取短进尺，喷混施工及时跟上。采用“先注浆后插杆”施工工艺，施工工艺流程见图5。

图5 “先注浆后插杆”施工工艺流程

3.2 涌水风险控制

根据前述分析，不良地质容易影响其他因素，监测与预报频率、监测点设置容易受到其他风险子因素的影响。结合现场实际情况，施工支洞局部洞段渗水较大，后续可能在施工过程中发生涌水和突水的情况，为确保能有效处置险情，拟采用“截、堵、引、排”的综合治理措施对涌水和突水进行控制，具体措施如下：

a.紧密与设计方地质人员配合，密切观察掌子面的渗水变化情况，及时向监理工程师反馈，对于可能引发地下涌水部位加强观测，对于可能产生涌水的部位观测地下水的活动规律，测定漏水量、压力，防止突然涌水。

b.对于探测或推测存在较大涌水或渗水部位，根据四方意见按实际情况制定应对方案。

c.对于渗水较大部位，在洞壁设置排水孔，引排水流。如通过引排无法实现控制渗水量，则采用超前灌浆等手段对渗水进行封堵，超前灌浆采用水玻璃+水泥浆的手段施工。

d.涌水、渗水引排措施为：对于渗水较大部位，在掌子面设置集水坑，用潜水泵将渗水集中抽排至开挖支护施工过程中开挖的分级集水池中。将渗水通过分级抽排自洞内排向洞外。

4 结 论

a.利用RBS分解树，得到了隧洞施工过程中存在的各类风险子因素，根据问卷调查和DEMATEL法，分析了各风险子因素之间的互相影响程度，定量地反映出施工过程中的薄弱环节和重点控制要求。

b.结合DEMATEL法分析结果，对坍塌风险和施工风险根据不同影响因素对风险采取了相应控制措施，取得了较好的控制效果，为后续施工处理蚀变岩积累了经验。

c.为进一步做好隧洞施工风险控制，需要提前做好人—材—机—环—管的总体协调，不仅要重视施工技术的应用和现场监测，也要重视人—管—环的影响和应急预案的应用。