刘 恒，刘 春，周义舒

（重庆科技学院 安全工程学院，重庆401331）

1 概述

随着我国交通基础设施建设迅速发展，在工程实际中越来越多的浅埋偏压隧道呈现于隧道工作者的面前。由于浅埋偏压隧道洞身段围岩岩体结构特征较为复杂，隧道开挖过程中围岩应力及周围变形较大，很难保证岩体稳定性，极易引发冒顶、坍塌等工程事故，对于施工人员生命和财产安全造成严重威胁并严重影响施工进度，所以对于浅埋偏压隧道段的风险研究显得尤为重要。

国内外学者对隧道风险评估均开展了研究工作，从理论方法、数学模型到程序设计和开发等方面都有涉及，且取得了一定的研究和技术成果。自20 世纪70年代美国Einstein.H.H 等最先在地下空间工程与隧道中引入风险分析概念[1]，自此欧美国家在隧道风险评价与风险管理等方面开展了大量研究工作。我国地下空间工程与隧道风险评估研究起步较晚，但随着我国地下空间大规模开发应用，隧道风险评估工作也得到了广泛关注。毛儒[2]引入风险指数法在隧道工程风险评估中应用的思想，得到许多隧道工作者认可和应用，此后很多学者运用数学模型开展研究隧道风险评估工作。陈洁金等[3]采用模糊层次综合评判法对隧道施工塌方开展了风险评估工作，分析各影响因素与塌方发生概率之间的隶属函数，并综合确定评价指标的权重，从而建立塌方风险模糊层次评估模型。顾伟红等[4]运用系统工程解释结构模型（ISM）结合模糊故障树模型方法对铁路黄土隧道塌方事故进行风险分析，两种模型相结合，从定性定量的角度对隧道施工风险规律特征进行了描述。雷刚等[5]以青岛地铁青人区间为依托，采用层次分析法开展了风险评估工作，得出了危险因素的风险指数并对各项风险源提出了相应的防范措施。宋平原[6]以某工程为背景，利用可拓模型并结合层次分析法对隧道洞口段进行了风险评估，该评估模型成功地应用于实际工程中。Sun 等[7]基于模糊贝叶斯网络并结合以往数据、专家评价、概率分布、差异分析、敏感性分析，提出了隧道塌方风险综合评估方法。

上述研究都是以隧道施工过程状态为初始时间线开展分析并评价系统整体的风险等级，提出综合防范措施[8-11]，而对隧道施工风险评估的研究对象及影响系统安全的关键因素没有进行具体的过程描述。本文从安全系统的理论和观点出发，对隧道施工过程的危险因素采用PHA 法进行系统地描述和分析，充分采取与综合各专家、管理人员意见后，得出LEC 评价分值表，找出危险性分值最高的因素，对风险分析的结果进一步运用AHP 法进行风险评价。由权重值的定量结果得到关键因素，提出具体的防范措施，实现合理且完整的隧道施工风险评估过程。

2 人和隧道工程概况

人和隧道位于重庆市云阳县境内，为单线双洞隧道。隧道进口段位于岩堆上，地形高陡，中心里程为DK788+144，全长8292m。本文选取人和隧道线路DK792+100～DK792+300 段，该段岩层分布主要为泥质砂岩块石，碎石约占60%，粒径10～20cm 居多，块石约占20%，粒径20～100cm，余为岩质角砾及粉质黏土填充，厚5～15cm。隧道洞身围岩为侏罗系上沙溪庙组（J2s）和下沙溪庙组（J2xs）泥岩夹砂岩、砂岩。隧道岩层总体单斜，产状变化较大，倾角较缓，岩层走向与线路夹角一般为4°～41°，倾向线路左侧，在横断面视倾角14°～22°，隧道洞身右侧存在地形偏压。

3 人和隧道施工风险评估

3.1 隧道施工风险评估概述

在隧道建设工程中风险评估是不可或缺的一个环节，其中风险分析[12]是风险评估的首要内容以及关键环节。通过开展风险评估工作，辨识隧道施工过程中的风险因素，识别风险发生的潜在规律，从而正确把握风险发生的实质，降低风险演变为事故的可能性，确保施工过程中的人员和财产安全。

3.2 人和隧道施工预先危险性分析

根据人和隧道的施工设计、安全技术、安全文件等资料，依据相关法律法规结合人和隧道线路DK792+100～DK792+300 段地质特征，对人和隧道施工进行预先危险性分析如表1。

表1 人和隧道施工预先危险性分析

表2 危险性等级分布表

3.3 偏压隧道施工作业条件危险性评价

由于预先危险性分析法确定的危险等级是根据专家对类似工程风险的经验判断带有人为的主观性，不能很好地反映风险事件的危险性。因此，决定采用作业条件危险性评价（LEC）法重新定量分析上述表格中的危险等级，给出科学合理的定量分析过程。

作业条件危险性评价（LEC）法，主要是通过安全指标定量分析研究工作人员在施工作业中的风险性，以三种安全指标值的乘积得出的数值来对比评价工作的危险性。这三种指标分别是：L（likelihood，偏压隧道施工中风险事件发生的可能性）、E（exposure，隧道作业人员暴露于危险环境中的频率）和C（criticality，风险事件导致事故后造成的后果）。根据风险事件在隧道工程中的实际情况，给出三个因素的分值，作为自变量。作业条件的危险性D（danger）作为应变量，其与三个因素的函数关系式为：

由上述函数关系式，充分整合专家意见分值，计算出风险因素的危险性分值，按分值大小与危险性程度等级表进行对比，得出危险程度。

偏压隧道施工作业条件中的各项分值如表3-表6。

根据上述函数关系式及表格结合现场技术人员的咨询及相关专家的意见，充分综合考量后对人和隧道施工PHA 中的危险因素的危险等级重新进行定量分析计算，分析结果如表7。

表3 偏压隧道施工中风险事件发生的可能性分值（L）

表4 隧道作业人员暴露于危险环境中的频率（E）

表6 危险性程度等级

表7 偏压隧道施工作业条件危险性评价

通过运用PHA-LEC 法[13]对人和隧道施工过程进行了风险分析，其中危险等级最高的为隧洞原岩应力变化失衡，其危险性分值为1440，是其他危险性因素分值的几倍之多，因此针对隧道施工影响原岩应力变化失衡的因素应开展进一步分析。本文采用层次分析法对影响围岩应力稳定性的各因素加以权重数量化的描述，更深层次的挖掘影响偏压隧道工程围岩稳定性的关键因素。对于偏压隧道施工过程中其他危险因素也不可忽略，在开发设计、专项检查、日常维护等过程中工作人员、管理人员、技术人员应严格遵守相关安全规定、设计要求，落实到位具体安全责任，保证隧道施工安全标准化、细则化，尽最大限度减少因人为失误导致隧道施工过程中事故发生的可能性。

4 人和隧道施工风险评价

由上述风险分析已给出偏压隧道施工过程中风险因素的危险等级，针对隧洞原岩应力失衡开展风险评价，找出影响隧洞围岩应力稳定性的关键因素。本文采用层次分析法（AHP）对影响偏压隧道围岩稳定性的因素进行分析，从工程地质、工程技术、岩体力学特征三个方面考虑，计算得到各因素对于总目标的权重值并进行排序，根据得到的结果做出相应的风险评价，实现对上述定性事故定量分析的过程，找出影响偏压隧道洞身段围岩应力失稳变化的关键因素并提出相应建议。

4.1 层次分析法（AHP）步骤

（1）根据层次分析法的理论知识结合人和隧道特殊段的地质特征，从工程地质、工程技术、岩体力学特征三个方面构建层次递阶结构模型，如图1。

图1 偏压隧道围岩变化失稳层次结构模型

（2）根据偏压隧道围岩变化失稳层次结构模型，依据相关专家意见对比得到因素间的相对重要性，构造判断矩阵。对于判断矩阵中各因素之间的相对重要性比较采用标度法表示，具体含义如表8 所示。构造判断矩阵G-C如表9。

表8 判断矩阵标度含义

（3）层次单排序是构造判断矩阵G-C 对于目标层而言各因素的单层权重。由公式3 对列向量归一化，再由公式4 及公式5 求行和并归一化，即可求得准则层C 中各因素的权重向量wi。

表9 判断矩阵G-C

对于判断矩阵G-C 计算得其权重向量为：

（4）根据公式（5）计算判断矩阵最大特征值λmax。

求得λmax=3.0539。

判断矩阵的一致性是通过一致性比例CR 来检验的，其计算公式如下：

其中RI 代表随机一致性指标，其具体数值含义是根据以往研究者得到的结论，经过学者检验使用得到大众普遍认可。具体赋值含义如表10。

表10 随机一致性指标RI

当CR<0.1 时，可以判断矩阵具有一致性，如若CR>0.1 则该判断矩阵不具有一致性，需要对其中的数据重新判断，采取多位专家意见，确定合理的指标数值。有上述公式，经计算得到判断矩阵G-C 的一致性比例CR=0.0465<0.1，满足一致性。

表11 判断矩阵C1-P

表12 判断矩阵C2-P

（5）同理，可计算方案层P 各因素对于准则层C 的层次单排序，见表11-13。

表13 判断矩阵C3-P

对上述三个判断矩阵的一致性进行检验，计算得到CR，其计算结果如表14 所示。

表14 判断矩阵一致性检验结果

4.2 AHP 评价结果分析

上述结果已表明层次单排序的权值，根据各指标层的单层排序权值可以计算出方案层中的每一个因素对于目标层相对重要性的总权重，计算结果如表15 所示。

表15 影响因素层次总排序

层次分析结果表明，岩体结构特征所占权重最大，分值为0.2924。其次分别是地应力、岩体强度，权重值分别为0.2296、0.1681。由于隧道工程要穿越的地段早已形成固有的岩体结构及地质特征，且考虑到环境资源、路线长度等实际影响，在正式施工前一定要预先做好地质勘察工作，详细了解隧道周围的岩体结构特征及地形地貌，特别是软弱、破碎岩层的具体位置。所以针对隧道工程安全施工的关键应该是在固有的地形地貌上分析其复杂的地质特征从而找出应对复杂地质特征的施工方法及安全决策。而仅次于这三个因素的是施工方法，居于总排序的第四位，其权重值达到了0.0946。说明施工方法也是影响偏压隧道围岩稳定性的一个重要因素，且可根据项目工程地段的固有地质特征选用合理可行的施工方案是人为可控的，并在遵循自然规律的前提下充分发挥人的主观能动性符合人类社会发展规律。

5 防范策略

基于上述隧道施工风险评估过程，从安全系统优化角度对人和隧道施工方法及安全控制措施进行科学选择和评价，具体防范措施及建议如下：

（1）按照相关标准及设计要求可采用超前小导管、超前周边注浆等预加固措施，向设计、建设单位及时反馈，确保预加固效果明显。

（2）充分保护隧洞围岩稳定性，采用人-机结合的方式进行开挖，临近隧道轮廓线时人工开挖。

（3）为保证施工安全，软弱、破碎围岩浅埋偏压段，开挖时严格采用控制变形相对较好的施工方法，如CD 法或双侧壁导坑法施工。

（4）根据不同的施工方法及围岩特性，选择合理的支护类型、支护参数，严格控制支护闭合时间及开挖循环进尺，确保施工安全。

（5）配备专业人员进行隧道支护、沉降、变形等监控量测工作，及时向相关部门反应情况，提前做好防护工作。

6 结论

本文以人和隧道为工程研究背景，开展隧道施工系统风险评估工作，综合分析偏压隧道施工过程风险因素，本文得到的主要结论如下：

（1）运用PHA-LEC 法识别出隧道施工过程危险因素并对各项因素评估危险性分值。分析结果表明隧道施工过程状态中最主要的危险因素为隧洞原岩应力变化失衡，其危险性分值远高于其他因素。

（2）利用层次分析法进一步评价影响隧洞围岩应力稳定性的各指标因素，其中，岩石强度、岩体结构特征及地应力是影响围岩失稳的前三位重要因素，施工方法是偏压隧道施工过程中围岩应力变化失稳的第四位重要因素。考虑到前三位固有因素对本隧道产生的不可避免影响，故设计合理可行的施工方案才是本隧道施工过程中的关键可控因素。

（3）本文通过预先危险性分析、作业条件危险性分析结合层次分析法对隧道施工状态开展了科学完整的风险评估工作。评估过程中对各项风险因素均提出了相应的防范措施，如短开挖，强支护，勤监测等，同时对危险性最大的因素，即隧洞原岩应力失衡提出了相应的防范策略，以达到施工安全的目的。