基于NGBN和FCEM的复杂环境隧道施工风险评估*

卓 彬，高 昕，姜早龙,，陈大川

(1.湖南湖大建设监理有限公司，湖南 长沙 410082； 2.湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

近几年，基础建设已逐渐成为拉动经济增长、扩大短期有效需求和长期有效供给的重要措施。作为世界上建设隧道数量最多、发展速度最快的国家之一，完善的交通设施成为推进我国社会主义现代化建设的重要环节[1]。然而在多数隧道施工过程中，毗邻现有建(构)筑物、地质条件差、技术不当、机械故障以及管理不到位等问题层出不穷，易导致隧道出现拱部坍塌、侧壁失稳、地表沉降等安全事故，隧道施工面临着严峻考验[2-3]。因此，研究复杂环境隧道施工风险具有重要意义。

综上所述，目前大部分隧道施工风险研究对数据依赖高，存在仅从单方面不确定风险探讨各影响因素之间关系的情况，而较少关注复杂环境隧道施工全部风险因素之间的关系，忽视了风险发生可能性与其带来的损失，不利于对隧道进行充分评估。因此，在没有充足样本数据的情况下，为准确评估各种风险，本文针对围岩岩质软、裂隙发育、边坡稳定性差、周边紧邻现有通行隧道、建(构)筑物等复杂环境隧道施工风险评估问题，提出基于Noisy-or gate(MAX)贝叶斯网络模型和模糊综合评价法的隧道施工风险评估方法。

1 风险分析方法

1.1 贝叶斯网络

贝叶斯网络(Bayesian network, BN)是通过有向无环图(directed acyclic graph, DAG)来实现多变量关系可视化的概率图模型，对不确定性问题具有一定的表达和推理能力[13]，如图1所示。图模型由节点和有向边构成，表达了变量节点间的因果和条件相关关系。有向边出发的起点表示原因变量，称为父节点；有向边指向的节点为结果变量，称为子节点[14]。

图1 DAG示意

贝叶斯原理是BN的理论基础。父节点X1用先验概率表示为P(X1)，为边缘分布函数；其余节点用条件概率表示为P(Xi|π(Xi))，为条件概率分布函数，其中π(Xi)为Xi的父节点集合[15]，如式(1)所示。若各变量之间相互独立，n个变量的联合概率分布P(X1,X2,…,Xn)如式(2)所示。如果每个变量节点均为二元变量，则有n个父节点的子节点需要已知2n个条件概率。

(1)

(2)

1.2 Noisy-or gate模型

在利用贝叶斯网络进行风险推理时，最重要的是合理确定每个节点的条件概率。Noisy-or gate模型是用来描述变量间内在联系的交互模型。模型假设：每个节点变量只有两种状态且各父节点之间相互独立，即每个节点变量都可单独致险，并不会受到其他变量的影响。因此，对于二元变量节点的条件概率如式(3)所示。

(3)

式中：xH表示事件X发生的集合，pi表示仅Xi发生时导致Y发生的概率。

但应用过程中风险事件的描述往往有多种状态，Noisy-or gate模型计算受到限制。Noisy-MAX模型是Noisy-or gate模型的泛化表达，适用于含有多个状态的变量节点，且多元变量的多个状态按一定顺序排列，各变量之间相互独立。因此，对于多元变量节点的条件概率如式(4)，(5)所示。

1.3 模糊综合评价法

模糊综合评价法(fuzzy comprehensiv-e evaluation method, FCEM)是基于模糊理论，对不确定因素量化表达的评估方法，常用于模糊问题的定量评价。首先，在确定评价因素集与评语集的基础上，确定变量权重V。其次，利用隶属度函数将模糊不定的变量定量表达，进而建立模糊隶属度矩阵R。最后得出模糊综合评价向量C，如式(6)所示。

C=V×R

(6)

2 风险综合评估过程

2.1 识别风险因素

《安全生产事故隐患排查治理暂行规定》中将事故隐患定义为：可能导致事故发生的人的不安全行为、设备设施的不安全状态、运营或作业场所的不安全因素和管理上的缺陷。因此，风险因素可从人、设备、技术、环境、管理等方面考虑。同时基于全面质量管理理论，结合相关文献[1,14,16-18]和专家咨询，提炼出18个风险因素，从施工技术、机械、材料、环境、管理5个方面综合考虑，进而构建了复杂环境隧道施工风险评价指标体系，如图2所示。

图2 复杂环境隧道施工风险评价指标体系

参考《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南(试行)》中的四级风险评价准则评估复杂环境隧道施工风险。风险评价等级Ⅰ级到Ⅳ级分别从低到高表示低度、中度、高度、极高风险，风险等级越高表示越容易造成灾难性事故。风险等级划分如表1所示。

表1 风险等级划分

2.2 建立贝叶斯网络模型

确定贝叶斯网络模型包括确定网络结构和网络参数。为理清各风险因素之间的因果关系，本文将复杂环境隧道施工风险层次图转化为有向无环图，建立了BN结构模型。由于复杂环境隧道施工风险具有偶然性和多变性，难以通过具体的数据来评定，故本文主要通过邀请业内专家的方法来确定网络参数。风险因素X1～X5和X11～X54为二元变量，可通过Noisy-or gate模型确定条件概率；隧道施工风险为多元变量，由Noisy-MAX模型确定。

(7)

Netica由NORSYS software corp出品，是世界上应用最广泛的BN计算软件。本文通过此软件建立了贝叶斯网络模型，确定了复杂环境隧道施工的风险概率，实现了风险评估预测。

2.3 评估风险损失和确定风险值

根据模糊综合评价法的计算思路，首先确定评价因素集，即复杂环境隧道施工风险指标集，用X={X1,X2,…,Xn}表示，其中，Xi表示第i个评价指标。其次，确定风险指标评语集，用B={B1,B2,…,Bn}表示，与风险概率相对应，本文评语集B={高度，较高，中度，低度}来描述。再次，确定风险变量权重，本文由专家经验确定，通过1～5打分法具体表达，并进行一致性检验，保证评价结果无显著差异。由于评价指标的模糊不确定性，因此本文选择主观经验法来确定隶属度向量，建立了隶属度矩阵。最后，采用MATLAB计算复杂环境下隧道施工诱发安全事故所产生的风险损失。

风险值由风险发生概率与风险发生后果共同决定，即风险值为由贝叶斯网络确定的风险概率P和由模糊综合评价法确定的风险损失C的乘积，如式(8)所示。

D=P×C

(8)

3 案例分析

3.1 工程概况

张家界市西部旅游通道杨家界大道工程，南起张桑高速公路教字垭互通，北至武陵源景区杨家界门票站。全线设置教子垭和青龙垭2座连拱隧道，共463m，两座隧道均采用台阶法复合式衬砌施工，隧道效果如图3所示。

图3 隧道效果

根据地质勘察结果，隧址区主要为粉质黏土、少量碎石土等。隧道洞口仰坡土体，在雨水浸润、冲刷侵蚀作用下，易发生变形破坏，开挖后极易失稳。隧址区地表及地下水不发育，主要为溪流水、大气降水和基岩裂隙水渗流。隧址围岩岩体主要为强风化、中风化页岩及粉砂岩。强风化页岩及粉砂岩为隧道洞口段围岩的重要组成部分，属极软岩，由于长期受雨水浸泡影响，强度降低，自稳能力极差。中风化页岩及粉砂岩为洞身段围岩的重要组成部分，岩质总体较软，岩体完整性一般，自稳能力稍差。此类岩体在开挖受到扰动后易失稳产生崩塌。

两条隧道周边环境复杂多变。教字垭隧道进出口均有房屋，场地狭小，隧道顶有一中学；青龙垭隧道出口线路右侧紧邻两处民房，分别距隧道22，52m；隧道线路左侧近邻现有衬砌无钢筋通行隧道，两隧道最近距离7m，最远距离22m，且砂浆不饱满现象严重；隧道进口段洞口无工作面，施工困难。

总体来看，两隧道均存在洞口仰坡及左侧边坡坡体稳定性差，围岩岩质软、岩体破碎，自稳能力差等问题，无支护时拱部易坍塌，侧壁易失稳。

3.2 风险概率评估

选取教子垭和青龙垭两座连拱隧道为研究对象，邀请10位专家评估风险变量间的致险等级，进而计算每个风险因素的概率分布，利用Netica建立贝叶斯网络进行复杂环境施工风险评估。专家构成如表2所示，其中专家水平越高评价结果越具有权威性，所占权重越大。评估结果如图4所示。

图4 复杂环境隧道施工风险概率

表2 专家构成

风险概率评估结果显示，该隧道施工风险概率处于高度、中度、低度风险的可能性较大，分别达到22.6%，38.5%和32.5%。

3.3 风险损失评估和综合评估

通过专家打分得到两两风险因素之间的相对重要性评定数据，进而构造判断矩阵，借助Matlab计算得到最大特征值及风险变量权重，权重向量如表3所示，且CR均小于0.1，满足一致性检验。隶属度向量如式(9)～(14)所示。

表3 各风险因素的权重向量

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

根据权重向量和隶属度向量求得张家界市西部旅游通道杨家界大道隧道工程的风险损失C=[0.062，0.251，0.420，0.267]，由此得出，隧道的风险损失为中度。

根据风险值计算公式，可求得张家界市西部旅游通道杨家界大道隧道工程的综合风险D=[0.004，0.056 7，0.161 7，0.086 8]，各因素的风险值如表4所示，形成的折线如图5所示。由此得出，复杂环境隧道工程施工的综合风险为中度风险。其中，施工环境和施工技术是影响风险评级的重要因素，特别是在施工过程应多加注意不稳定的施工环境对隧道工程的影响，并提前采取相应措施，避免安全事故的发生。

表4 各因素的风险值

3.4 风险控制

针对复杂环境隧道施工风险评估等级，在施工过程中应对隧道洞内外进行观察，对周边位移、新建隧道进出口仰坡地表竖向变形，拱顶、地表下沉，爆破振动进行监测，根据监控量测结果，适时采取相应措施。因施工环境临近现有通行隧道、现有民房等建(构)筑物，为高度风险。因此隧道施工宜采用水压爆破技术来严控爆破参数，降低振动影响，保证现有建构筑物的安全。施工过程应按照少扰动、管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、紧衬砌、勤量测、速反馈的施工原则，尽量减轻对原有地质地貌的扰动，将超前地质预报与监测贯穿整个隧道施工过程，准确预报隧道情况，及时采取相应措施，确保隧道施工安全和结构稳定。

4 结语

隧道施工是一项受水文地质影响较大的高风险工程，面临极大的不确定性，因此对复杂环境隧道施工风险评估方法是否合理，将直接关系到整个隧道工程的安全。本文采用BN，Noisy-or Gate模型和FCEM对张家界市西部旅游通道杨家界大道隧道工程进行风险评估，主要结论如下。

1)采用文献查阅法，结合工程实际，建立了基于施工技术、施工机械、施工材料、施工环境和施工管理的复杂环境隧道施工风险评估指标体系，并将其转化为有向无环图，确定了贝叶斯网络结构模型。

2)基于Noisy-or gate(MAX)模型确定概率参数，通过NETICA建立贝叶斯网络，实现了复杂环境隧道施工风险评估预测。同时，基于FCEM计算风险损失，综合考虑了风险概率和风险损失对风险值的影响。

3)结合张家界市西部旅游通道杨家界大道项目的隧道工程，利用Noisy-or gate贝叶斯网络模型和模糊综合评价法进行复杂环境隧道施工风险评估，评估结果与工程实际情况相符，并提出风险管控措施。

除此之外，本文建立的静态贝叶斯网络未考虑施工动态影响，可结合监测数据做进一步研究，使评价过程和结果更加可靠、准确。同时，风险因素往往并非完全独立，未来可进一步考虑风险因素耦合作用，实现模型优化。