穿越断层破碎带铁路隧道施工安全多重风险网络研究

黄健陵，杨云,2，蔡茜，蔡超勋

(1.中南大学，湖南 长沙 410075；2.中铁二十五局集团有限公司，广东 广州 510660；3.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081)

为满足全国人民的出行方便，国家大力推进铁路工程建设，然而由于铁路工程本身的复杂性和施工环境的多样性，导致了铁路工程施工过程需面对多重复杂的安全风险。因大量铁路跨越山区，隧道工程是我国铁路工程的重要组成部分，但是由于该建造环境深入山体腹内，且地质条件复杂，隧道工程的施工过程面临更多的安全风险问题[1]。近年来，我国铁路建设逐渐向西南山区推进，大量的隧道工程需要长距离穿越断层破碎带。断层破碎带环境下，地壳运动频繁，地质地形条件极为复杂(比如，高地应力和高水压力)，同时这类隧道工程沿线自然条件险恶导致地质条件难以准确探明，则该环境下，隧道工程施工将面临极为严重的安全风险，稍有不慎则可能导致安全事故，产生大量的经济和社会损失。学术界对穿越断层破碎带隧道施工安全风险开展了部分研究，主要聚焦于隧道施工安全风险识别、风险评估和风险管控等方面。针对安全风险识别的研究，前期研究多从地质特征、施工工艺、隧道设计等方面系统识别穿越断层破碎带的施工安全风险。左昌群等[2]指出地质类安全风险主要体现在地层岩性、地质构造、水文地质等方面；张胜等[3]将穿越断层破碎带的隧道施工风险识别为地质预测、开挖、初始支护、爆破及防水措施、监测测量等风险；ZHENG等[4]指出了隧道埋深、断面尺寸、坡度、长度等设计安全风险因素。针对安全风险评估的研究重点在于评估方法，以往学者采用的安全风险评估方法主要有模糊层次分析法、灰色模糊方法、模糊熵权法、AHP-Cloud等[5−7]。也有部分学者采用特殊方法对穿越破碎带隧道工程进行风险评估。李钊[8]采用基于案例推理方法对浏阳河隧道塌方概率接近油方头隧道塌方概率进行评估；DIMITRAKOPOULOS等[9]利用随机故障模拟方法量化了故障存在的风险；MIKAEIL等[10]使用和谐搜索算法(HSA)对ardbil-mianeh铁路隧道地质灾害风险进行评估。针对风险管控方面的研究，以往主要关注穿越断层破碎带隧道施工单一风险事件的风险因素控制。张胜等[3]认为，需要从围岩变形量，在地质预测、开挖方法、一次支护、二次衬砌、爆破方法等方面避免塌方安全事故；杨斌[11]提出控制涌水泥浆的注浆堵水综合治理方案；ZHONG等[12-13]结合实际工程提出了一系列的隧道盾构施工安全管控思路和方法。综合分析上述研究可知，有关穿越断层破碎带隧道施工安全风险的研究多局限在分析安全风险因素与安全事件之间的单层因果逻辑，并未考虑安全风险因素之间的多层复杂影响，而探明安全风险因素之间的关系是了解安全风险事件发生过程并制定合理风险管控策略的前提。基于此，本文选用扎根理论质性分析31份隧道工程风险评估报告，识别断层破碎带隧道施工安全风险因素，提炼安全风险因素之间的因果逻辑，构建安全风险传导网络；并利用社会网络分析法(SNA)识别安全风险传导网络中的关键风险因素及关键链路，以此提出风险管理策略并高效阻断风险传导。研究成果有利于隧道工程安全管理人员提前明晰安全事件的发生过程并提前制定合理的安全策略，降低甚至规避隧道工程安全事故的发生。

1 研究理论与方法

1.1 扎根理论

扎根理论是一种质性分析方法，该方法以原始资料中的经验事实为依据，通过对原始资料系统科学地编码进而发现或构建新的理论[13]。扎根理论的编码过程包括开放编码、主轴编码和选择编码等3个子过程。本文以31份穿越断层破碎带的隧道施工风险评估报告作为原始文本资料，这些隧道施工风险评估报告是从本课题组有合作经验的施工企业获得，且均依托于铁路隧道工程。本文利用nvivo11 plus软件包开展具体的扎根分析过程。

1.2 风险传导理论

隧道工程施工安全事故是多种安全风险因素综合作用下产生的，每个安全风险事件的发育和形成都涉及不同安全风险因素间的相互影响，通过探明不同安全风险因素之间的关系可明晰安全风险的传导过程[14]。以隧道塌方为例，在勘察设计阶段，若地质工程师未能识别断层破碎带的地质特征，可影响到设计师对洞口开挖方式的选择，从而可影响防护工程的超前支护方案和地表加固方案，进而可能因设计方案与实际施工情境不符导致塌方事故。

1.3 社会网络分析法

社会网络分析(social network analysis，简称SNA)是基于图论，利用关系数据，从多角度定量分析网络结构特征指标的方法[15]。本文从风险因素间的因果关系着手，运用SNA中的核心模型分析整体和个体网络，利用核心边缘模型确定处于核心地位的风险节点，利用点度中心度确定风险传导网络中影响其他风险因素最多的风险节点，从而获得关键风险因素(风险传导网络中的核心节点)[16]，而中介中心度主要显示2个节点之间的联系在整个风险传导网络中风险传导的作用，数值越大，说明该关系风险传导作用越重要。因此本文进一步分析关键风险因素之间连线(关系)的中心度，辨识风险传导网络中的关键关系；同时采取相关措施减少风险因素之间的关键关系的联系。

2 安全风险因素识别

1)开放编码

将断层破碎带隧道工程案例相关资料无序化，通过阅读文本材料仅保留与断层破碎带安全风险相关的客观语句，经分析和比较将这些原始语句分解成独立的事件、念头等现象；然后命名这些现象，构建概念；接着分析这些概念的属性和维度，并将描述同一现象的概念归类，形成范畴。本文从铁路隧道施工案例中提炼出413个概念，将其归为水文地质、地形地貌、地层岩性、坡度、埋深、断面、辅助坑道等50个范畴。

2)主轴编码

在主轴编码阶段，每次围绕一个范畴搜寻与其相关的其他范畴。例如，先选定“水文地质”为轴心，其与“特殊岩土”、“地形地貌”“地层岩性”“不良地质”“自然条件”存在对等关系，于是把它们归入同一个类属。将主轴编码、开放式编码所得到的50个范畴归纳为10个主范畴：R1地形地质、R2自然条件、R3隧道特征、R4施工准备情况、R5施工地质勘察、R6开挖情况、R7施工期防排水、R8支护及衬砌情况、R9监控量测、R10施工管理。

3)选择编码

选择编码是在系统层面将分析主范畴进而识别核心范畴，并探明核心范畴与其它范畴间的关系，进一步精炼理论的过程[17]。通过选择编码，将10个主范畴归为3个类别，即环境风险、技术风险和管理风险。基于此，最终得到2项环境风险因素、6项技术风险因素和2项管理风险因素，将10类安全风险编号为R1～R10，并对其进行赋值，如表1所示。

表1 隧道施工安全风险因素集Table 1 Risk factors set for tunnel construction safety

然后，将余下的10个案例中的数据，重复“开放编码-主轴编码-选择编码”分析过程，通过与上述分析结果相比较，并没有增加或改变相应的结论，证明上文编码分析的结果已经达到饱和，可以停止理论抽样。

日常教学要注意引导学生动手实践能力的发展，将物理知识与日常实践紧密结合。例如在学习针孔成像时，要求学生开展课堂小实验的动手操作，进而引导学生思考相机成像原理，把物理知识拓展挪移到现实生活当中，激发学生学习兴趣。

3 社会网络模型构建及分析

3.1 邻接矩阵构建

以上述识别出10类安全风险中的50个安全风险因素为节点，利用扎根理论和风险传导理论，用以下4种符号来表示因素间的相互关系：X表示因素a会直接影响因b；Y表示因素b会直接影响因素a；Z表示因素a和因素b互相影响；O表示因素a和因素b互不相关。根据文本挖掘结果，参照公式(1)将X，Y，Z，O4种关系用0或1替代。

本文对31份报告进行文本挖掘，利用扎根理论和风险传递链找出50个风险因素之间影响关系，最终得到风险因素的邻接矩阵。

3.2 数据可视化分析

利用Ucinet6.0和NetDraw软件可视化安全风险因素之间的多层结构关系，形成安全风险传导网络(如图1(a)所示)。该图表明影响隧道施工的50个风险因素之间均存在某种相互关系，并因此构建成风险网络。

1)关键安全风险因素识别

为了定量描述安全风险因素的重要程度，首先借助Ucinet6.0软件分析整体网络，从全局角度挖掘风险传导网络的核心风险子群。本文采用核心边缘缺失模型[16]，发现具有核心子群的18个风险因素，即R12，R13，R14，R16，R21，R33，R42，R43，R45，R46，R53，R71，R72，R82，R83，R84，R94和R98，如图1(b)所示。

个体网络分析旨在测度单个风险因素在风险传导网络中的重要程度，其结果有助于识别居于核心地位的风险因素[17]。通过对单个风险因素的中心性分析，可获得隧道施工风险传导网络中节点的度数中心度。在风险传导网络中，点度数中心度越大的点表示节点越容易与其他风险因素组合共同导致风险事件的发生，居于网络的中心，风险性越大。其中R13，R14，R16，R42，R43，R45，R46，R53，R71，R72，R82，R83，R84，R94，R98和R105共16个风险因素占据整体的前30%(四舍五入)，表明这些风险因素所代表的节点在网络中发挥了主要作用，如图1(c)所示。

图1 穿越断层破碎带隧道施工风险网络分析Fig.1 Risk network analysis of tunnel construction through fault fracture zone

然后计算整体网络分析和个体网络分析获得风险因素的交集，提炼出15个关键风险因素：R13地质构造(围岩级别高，断层破碎带)、R14不良地质(岩溶和高应力)、R16水文地质、R42设计文件的核对情况、R43拟开挖方式不合理、R45拟支护方式不合理、R46实施性施工组织设计；R53超前地质预报不准确，不合理、R72排水降水措施不合理或者实际效果不佳、R71注浆帷幕措施不合理或实际效果不佳、R84地层加固与改良不到位、R82超前支护不到位、R83预注浆、R94量测器材及布置、R98信息反馈及处理。

2)关键安全风险链路及安全风险管控策略

线的中间中心度测度：即一条线在多大程度上位于图中其他线的“中间”程度。对于安全风险传导网络，若某一条线(链路)在网络中的中介中心度越大，表明该链路是关键的风险传导链路。通过识别风险传导网络中的关键风险传导链路，有助于采取有效的应对措施阻断部分风险在网络中的传导。经过计算，15个关键风险因素总共存在175个风险传导链路，除去外部环境类风险之间的链路后共有134个关键风险链路，此处取前30%的关键风险链路共计40条(见表2)。

安全风险管控策略的提出源自安全风险链路的截断机制，即通过控制关注安全风险的事前风险因素和事后风险。基于该截断机制，从表2可以看出，对外部环境相关风险因素R13(地质构造)、R14不良地质，R16水文地质可采取以下措施：①在施工准备阶段，针对不同围岩级别采用合理的开挖方式、爆破方式和支护方式；②施工过程中需注意实施性施工组织设计的合理性，以地质资料和实际施工为依据，实现动态设计；③施工过程中需额外注意爆破情况和掌子面减压情况；④采取合理的注浆堵水和排水降水；⑤支护与衬砌过程中，注意地层加固与改良和闭合成环周期的时机；⑥监控量测要注意量测器材质量以及测点的合理性。

表2 穿越断层破碎带隧道施工安全关键风险因素的关键关系识别Table 2 key relationship identification of key risk factors for tunnel construction safety

同理，对施工单位相关关键风险因素R42设计文件的核对情况、R43拟开挖方式不合理、R45拟支护方式不合理和R46实施性施工组织设计，应强化动态设计，可以采取以下措施：①施工单位应注重超前地质预报，根据超前地质预报制定详细的实施方案；②在进行动态设计时，及时了解实时不良地质位置和掌子面稳定状况，同时注意信息的及时反馈与处理；③当发生紧急情况时，加强应急管理，并同步调整施工组织设计，确保每一版施工组织设计科学合理，符合现实施工状况。对勘察单位相关关键风险因素R53超前地质预报，需要做到：①保证地层加固与改良质量合格和掌子面稳定，以便超前地质预报能够获得准确数据，及时调整施工方法；②成立超前地质预报小组，配备相关专业人员和设备，采用工程地质分析法，依据相关规范进行超前地质预测预报工作，根据所获得的信息调整隧道施工方案。施工阶段相关的关键风险因素R72排水降水措施不合理或者实际效果不佳、R71注浆帷幕措施不合理或实际效果不佳、R82超前支护不到位、R83预注浆、R84地层加固与改良不到位，需采取以下措施：①辅助坑道设计合理；②完善监控量测技术体系，加强洞内及地表水量、水压和水质，做到及时量测、反馈，并根据结果动态调整施工参数。对监控量测相关的关键风险因素R94量测器材与布置不合理和R98信息反馈不准确及处理不及时，需采取以下措施：①支护质量合格；②监控量测严格按照《铁路隧道监控量测技术规程》的规定建立等级管理、信息反馈和报告制度，规范监控量测器材使用、布置和测频率合理；③监控量测应作为关键工序纳入现场施工组织，并对支护体系的稳定性进行判别，监控量测必须设置专职人员并经培训后上岗。

3)效果检测

从穿越断层破碎带的隧道施工安全风险网络来看，对15个关键风险因素的40个关键关系得到控制后，重新构建风险网络如图1(d)所示。通过对图1(a)与图1(d)直观比较，风险网络变的稀疏，表明网络中节点联系的紧密程度显著降低。

4 结论

1)运用扎根理论质性分析了31份铁路隧道施工安全风险评估报告，识别出十大风险因素、50个风险子因素，并将穿越断层破碎带的铁路隧道施工风险分为环境风险、技术风险和管理风险3类。

2)通过文本挖掘，辨明了50个风险子因素的相互影响关系，构建穿越断层破碎带的隧道施工风险传导网络，并利用NETdraw软件将其可视化。

3)应用社会网络分析方法识别风险传导网络的关键风险因素及关键风险传导链路，最终确定13个关键风险因素指标；依据链路截断机制提出了针对性的安全风险管控策略，并进行风险管控效果检测。