基于动态权重的隧道施工安全风险评估方法研究

2022-12-26刘冠男王志朋王玉田郑昌盛

北方交通 2022年12期

刘冠男，王志朋，王玉田，郑昌盛，沈健

(1.上海宝冶集团有限公司上海市 200941；2. 青岛理工大学土木工程学院青岛市 266033)

0 引言

隧道施工中存在诸多施工风险，不仅会引发严重的施工事故，还会给国家带来难以估计的损失。

为减少隧道风险突发率，有必要对施工安全风险进行风险评估。国内外学者在隧道施工风险评估领域开展了深入探索。如：王迎超等[1]对隧道塌方风险因素，借助层次分析法进行了针对性分析；邓祥辉等[2]采用最大隶属度原则对隧道施工安全风险因素处理，确定出各风险因素的概率等级。

上述对隧道施工风险评估的研究属于静态风险评估，但隧道施工风险是动态变化的，仅靠静态风险评估难以全方位掌控和跟踪施工风险。因此，对隧道施工风险采用动态评估显得尤为重要。

目前在隧道施工动态评估领域的研究相对较少，郝银[3]将动态风险理论应用于隧道风险等级分析中，确定了隧道施工动态风险等级；李利平等[4]基于监控量测的方式，针对隧道涌水风险因素开展了深入研究，得到了涌水风险评估指标的动态权重。

鉴于此，提出一种基于动态权重的隧道施工安全风险评估方法，通过建立隧道施工安全动态风险评估模型，确定出隧道施工风险的动态权重，并将该方法应用于某隧道施工安全风险评估中。该方法基于实时反馈的隧道施工风险权重的动态变化，实现了对隧道施工安全风险的动态分析。

1 隧道施工动态权重的定义

1.1 动态权重的定义

动态权重是在常权重的基础上得到的一种状态权重。由于施工中常权重未考虑施工状态的影响，因而难以真实反映隧道施工风险的动态变化[5]。因而，动态权重本质上是对常权重的动态修正。

1.2 风险评估指标动态权重的实现

风险评估指标动态权重内容包括：建立隧道施工风险评估指标体系；确定常权重；监控量测数据的采集及回归分析；确定风险评估指标的施工状态；确定风险评估指标的动态权重；确定隧道总体施工安全风险等级。

2 隧道施工安全动态风险评估模型的建立

2.1 隧道施工风险评估指标体系的建立

对以往隧道施工中常见突发事故影响因素归纳总结，结合表1中量测项目及现场调研情况，建立了表2中隧道施工安全风险评估指标体系。

表1 新奥法施工常用量测项目

表2 隧道施工安全风险评估指标体系

2.2 风险指标常权重的确定

按照静态风险评估模式，采用层次分析法，构造判断矩阵等，确定出表2中各风险评估指标的常权重，见表3。

表3 隧道施工安全风险评估指标常权重

2.3 监控量测数据的采集及回归分析

监控量测数据包含风险评估指标的位移、应力及位移速率。由于监控量测数据在采集过程中可能会受到人为操作、读数错误、测量设备精度不高等偶然因素的影响，加之施工中温度、压强等随机因素也不可避免地会对围岩及支护结构的位移、应力产生影响。因而，监控量测数据受外界因素的影响较大，致使监控量测信息难以真实反映围岩及支护结构的变形及内力情况。此外监控量测数据具有离散型，没有规律性可言，不利于对围岩及支护结构的位移及应力变化情况进行分析。因此，为减少上述因素对监控量测数据准确度的影响，同时更好地反映围岩及支护结构的位移及应力规律，指导后续隧道开挖施工，需要对监控量测数据回归分析[6]。

通常采用指数函数、对数函数、双曲线函数，对监控量测位移进行回归分析。由于采集的监控量测应力数据上下波动，尝试对相邻天数间的应力值采用移动平均的方法进行回归分析。监控量测位移速率则通过位移回归曲线中点的斜率来反映。

2.3.1监控量测位移回归分析

(1)建立位移-时间坐标系，绘制监控量测位移数据对应的点，得到散点图。

(2)将散点图绘制成光滑曲线，使曲线尽可能贴近所有点。

(3)根据步骤(2)中曲线的形状，选择下列函数曲线作为回归分析函数。

(1)

式中：t为时间；μ(t)为位移量；e为自然对数函数的底数；A、B为回归系数，根据监控量测的时间及位移，通过最小二乘法求出。

假定对围岩的位移连续监测n天，其量测时间及位移分别为：

t1,t2,t3,…,ti,…,tn

μ1,μ2,μ3,…μi,...,μn

式中：ti为监测的第i天，μi为第i天的监测位移值，n为监测天数。A、B确定后，代入式(1)中，得到回归分析函数[7]。

2.3.2监控量测应力回归分析

监控量测的应力曲线上下波动，假定对锚杆应力连续测量n天，应力随时间变化情况如下：

t1,t2,t3,…,ti,…,tn

σ1,σ2,σ3,…,σi,...,σn

按公式(2)，从t2天的量测应力值算起，对应力依次进行移动平均回归分析：

(2)

式中：ti为监测的第i天；σi为i天的监测应力值；n为监测天数。

2.3.3监控量测位移速率回归分析

监控量测位移速率则通过位移回归曲线中点的斜率来反映位移速率与量测时间的关系。

2.4 风险评估指标施工状态的确定

为使监控量测的施工信息准确反映出隧道施工风险评估指标的施工状态，通过阅读相关文献、咨询专家等，制定了表4风险评估指标施工状态等级评判标准。将回归分析后的结果与表4对比，确定出各风险评估指标的施工状态等级。

为确定风险评估指标的施工状态，对其制定了赋分区间，作为风险评估指标施工状态定量分析的依据。参考《公路隧道施工技术细则》、结合专家意见，多次对各风险评估指标的施工状态赋分试算，试算表明对各指标的施工状态进行如下赋分区间时更合理。仅以A12、A21、A31、A41为例，见表5。

表4 隧道施工风险评估指标施工状态等级划分

表5 隧道施工风险评估指标施工状态赋分区间描述

为方便A2、A3、A4回归分析后的结果与表4对比，对其进行量纲处理，即A21/U、A22/U、A31/U，U为位移允许值，A41/D、A42/D、A43/D，D为锚杆轴力允许值。

2.5 风险评估指标动态权重的确定

研究表明隧道施工安全风险评估指标的权重与各指标的施工状态紧密有关。由于常权重难以真实反映出隧道施工安全状态。因此，借助状态变权理论[11]确定出各评估指标的权重。由于各风险评估指标的施工状态不断变化，导致各评估指标的权重也在变化，故状态变权理论确定的权重本质是动态权重。

状态权重公式(3)综合考虑了各评估指标间的相对重要程度及施工状态两个因素对风险评估指标权重的影响。

(3)

式中：Wij为第j个风险评估指标在第i天时的状态权重；wij为第j个风险评估指标在第i天时的常权重；xij为第j个风险评估指标在第i天时的施工状态值，α为状态变权均衡系数，通常取1/2，此时式(3)为：

(4)

xij可通过第j个指标在第i天的监测数据回归分析后的结果分别与表4及表5对比后确定出，与wij一起代入式(4)得到Wij。

2.6 确定隧道总体施工安全风险等级

根据隧道各评估指标动态权重，结合风险因素隶属度及模糊综合评价法，参考表6风险水平分级及表7风险接受准则确定出隧道总体施工安全风险等级，并根据风险等级情况制定相应的风险控制措施。

3 工程实例分析

为验证提出的基于动态权重的隧道施工安全动态风险评估方法能否全程动态实时跟踪和掌控隧道施工安全风险，将理论分析应用于XX隧道施工中。

表6 风险水平分级

表7 风险接受准则

XX隧道属小净距分离式隧道，围岩等级主要为Ⅲ、Ⅳ级，节理裂隙较发育，岩层多为中风化岩，岩体风化较弱，自稳能力差。因此，有必要在隧道施工中构建其动态风险评估模型，确定出隧道施工风险动态权重，达到对隧道施工安全风险的动态分析的目的。

在XX隧道施工中先根据其围岩情况、节理裂隙发育、施工状况等信息识别出隧道施工中的风险因素，以建立出XX隧道施工安全风险评估指标，进而按照层次分析法确定出XX隧道施工安全风险评估指标的常权重值wij。

按照提供的监控量测数据回归分析方法，先对各评估指标对应的监控量测信息不间断地采集1周，然后分别对风险评估指标的位移和应力采用提供的方法进行回归分析，以使监控量测数据更加真实反映出XX隧道的围岩、支护结构的位移及应力规律，指导后续XX隧道开挖施工。

将XX隧道监控量测数据回归分析后的结果分别与表4及表5对比，实现对各指标施工状态的定量分析，以确定出XX隧道施工风险评估指标的施工状态值xij在连续1周内的数据变化情况，并绘制于表8中。为确定各评估指标的状态权重值，可将1周内各指标对应的常权重值wij及施工状态值xij一起代入式(4)，确定出各评估指标的动态权重值Wij在连续1周内的数据变化情况，并绘制于表9中。

结合静态风险评估流程，采用上述模糊综合评价法对XX隧道施工风险进行评价，参考表6和表7中风险评价标准，得出1周内XX隧道的总体施工安全风险等级，并绘制于图1。

表8 XX隧道风险评估指标施工状态值

表9 XX隧道风险评估指标动态权重值

图1 XX隧道总体施工安全动态风险等级随时间变化图

表8中第4天A11及A12的施工状态值出现了大幅度变化，经调查第4天围岩在开挖时开挖断面不稳定，出现了塌方。而表9及图1中第4天对应的隧道风险评估指标动态权重值和隧道总体施工安全风险等级在这一周内也显示最大，表明第4天隧道开挖时存在施工安全风险，出现隧道施工安全事故的概率较大，在开挖断面时应采取相应的风险管控措施。

提出的基于动态权重的隧道施工安全风险评估方法在XX隧道工程中的应用表明，提供的隧道施工安全动态风险评估方法确定出的XX隧道总体施工安全风险评估结果与对XX隧道进行现场调研的施工安全风险状况基本一致，对于后期XX隧道断面开挖中全方位掌控和动态跟踪施工风险，达到规避施工安全风险、降低XX隧道施工安全事故突发率起到了良好的指导作用，并能为此类隧道施工安全动态风险评估提供借鉴。