隧道坍方突发性事件风险可拓法综合评估

安永林^1,2，彭立敏²，吴波³，张峰³

(1. 湖南科技大学 湖南省普通高等学校土木工程施工过程与质量安全控制重点实验室，湖南 湘潭，411201；

2. 中南大学 土木建筑学院，湖南 长沙，410075；

3. 中国中铁四局集团有限公司，安徽 合肥，230023)

摘要：为了综合评价隧道坍方风险，在统计分析坍方诱因的基础上，借鉴可拓学原理，建立隧道坍方风险可拓评估流程，构建评价指标体系和评价标准，对定性指标进行量化，并对各指标进行归一化、无量纲化预处理，用简单关联函数计算指标权重，从而避免人为主观因素的影响，并将可拓评估模型应用到武广客运专线浏阳河隧道坍方风险评估中。研究结果表明：坍方主要诱因是降雨、围岩软弱破碎及施工方法不当等；浏阳河隧道的坍方风险为高度，预防坍方应加强施工地质勘测，重视监测信息反馈，提高施工应变和施工处理能力。

关键词：隧道工程；坍方；可拓评估；指标权重；预防措施

中图分类号：U459.2          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)02-0514-07

Comprehensive extension assessment on tunnel collapse risk

AN Yong-lin^1,2, PENG Li-min², WU Bo³, ZHANG Feng³

(1. Hunan College Key Laboratory of the Construction Process, Quality and Safety of Civil Engineering,

Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;

2. School of Civil Engineering and Architecture, Central South University, Changsha 410075, China;

3. China Railway No.4 Engineering Group Co. Ltd., Hefei 230023, China)

Abstract: On the basis of statistical analysis on inducing factors of tunnel collapse, extension theory was applied to comprehensively evaluate tunnel collapse risk. The process is as follows. Flow chart of extension assessment was firstly established, and some main influencing factors with non-dimension preprocessed, including the classification of tunnel collapse, were used to set up classical and limited matter-elements. A simple dependent function was then used to determine factor weight for avoiding human subjective effect. The extension assessment model was used to evaluate collapse risk in Liuyanghe tunnel. The results show that the main inducing factors of tunnel collapse are weak rock and rainfall, for weak rock has very poor mechanical properties and rainfall will weaken rock mechanics and reduce the effective stress in surrounding rock. Thus it is easy to yield and become more instable. Collapse risk of Liuyanghe tunnel is high and some prevention measures must be taken such as putting emphasis on geology survey and monitoring during construction, and improving treatment capacity of collapse as well.

Key words: tunnel engineering; collapse; extension assessment; factor weight; prevention measures

“突发性事件”，又称为“无责任事件”，它只针对事件案例的技术性及其工程对策进行分析，与“责任”无关。隧道工程的突发性事件是普遍现象，在每个国家都发生过。在隧道施工过程中，一旦发生灾难性突发事件，不仅延误工期，大幅度提高工程费用，而且会出现对人体的伤害。隧道中常见的突发性事件有岩爆、坍方等^[1-2]。坍方是最为常见的、比较典型的事故。造成坍方的原因多种多样，有地质上突发的因素，也有人们认识上的因素，但归根到底，地质因素是决定性的，因此，加强施工地质工作是避免和防止坍方事故发生的根本手段。必须改变“地质工作是设计人员的任务，而不是施工人员的事”的传统观念^[1-2]。目前，学者主要针对隧道坍方的个案开展研究并提出相应的整治措施^[2]：(1) 结合隧道施工进行围岩收敛、沉降量测，开展位移反分析和围岩失稳预测研究；(2) 隧道施工坍塌时围岩与支护结构的力学特性；(3) 隧道开挖引起围岩松弛圈范围和新型支护结构的研究。另外，也有利用极限的上、下限原理和数值方法推求隧道的安全系数，如：Broms等^[3]研究了黏土中竖向开口的稳定性；Davis等^[4]分析了浅埋隧道在黏性地层中的稳定系数；Lee等^[5-6]探讨了水渗透力作用下隧道的稳定性；姜功良^[7]利用极限原理推出了浅埋隧道的稳定系数；杨小礼等^[8]分析了应力剪胀对浅埋隧道稳定性系数的影响等。隧道坍方风险评估则主要有以下几方面：基于层次分析法评价钻钻爆法施工隧道塌方风险^[9]、建立事故树分析岩石公路隧道塌方风险^[10]、利用模糊理论评估山岭隧道坍方风险^[11]。模糊理论的关键是确定隶属度函数，在确定隶属度函数时有很大的主观性、随意性。另外，模糊评估中的指标权重要么是给定的(有很大的主观性)，要么是用半定量半定性的层次分析法即AHP方法确定的(也在一定程度上带有主观性)。层次分析法评估隧道坍方风险也存在同样的问题。为此，本文作者将可拓学应用于隧道坍方风险的评价中，从另一种角度探求隧道坍方风险的评价方法；并提出用简单关联函数法计算各评价指标的权重；同时，给出实例，并建议坍方风险的具体预防措施。

1  隧道坍方事故统计及原因分析

在对隧道坍方事故统计分析的基础上，总结了诱发隧道塌方的主要原因有地质上的内因，也有施工方法和措施不当的外因^[11-12]，如图1所示。

1.1  地质因素

(1) 穿过断层及破碎带；

(2) 通过各种堆积体，因结构松散颗粒间无胶结或胶结差；

(3) 在挤压破碎带、岩脉穿插带、节理密集带等碎裂结构地质中；

(4) 小褶曲、错动发育地段；

(5) 软弱岩体在地下水作用下，软弱面强度降低；

(6) 地下水的软化、浸泡、冲蚀、溶解等。

1.2  施工方法及措施不当

(1) 工序不合理，工序间距过长，地层暴露时间过久；

(2) 喷锚不及时；

(3) 支撑架设质量欠佳，与围岩不密贴，空隙填不实或连接不够稳定；

(4) 抽换支撑操作不当，或支撑受力过大未及时加固；

(5) 爆破作业不当，用药量过多；

(6) 处理危石不及时，危石坠落牵动岩层坍塌。

对上述原因做进一步的分析可知：断层破碎带和降水占的比例最多，这是因为断层破碎带处的围岩力学性能差(弹性模量、内摩擦角和粘聚力较小，围岩的自稳时间短，自稳能力差)；降水一方面裂化围岩力学性能，另一方面是降低了围岩的有效应力，从而更易屈服失稳。

图1  塌方诱发因素所占的比例

Fig.1  Proportion of inducing factors of tunnel collapse

2  隧道坍方风险可拓评估理论模型

2.1  隧道坍方风险可拓评估流程

可拓学是由蔡文于1983年创立的一门原创性学科。其描述事物的可变性，把是与非的定性描述发展为定量描述，并通过建立多指标的评估模型，来完整评价事物，为解决事物的评估问题提供了一个新的途径^[13]。隧道坍方风险的可拓评估流程如图2所示。

2.2  确定经典域、节域与待评物元

设物元^[13]

         (1)

式中：R_j为第j个同征物元；N_j为所划分的第j个评价级别；c_i表示第i个评价指标；V_ij=áa_ij, b_ij?为N_j关于指标c_i所规定的量值范围，即各级别关于对应的评价指标所取的数据范围即经典域；j=1，2，…，m。

          (2)

式中：P为待评隧道的全体；V_ip=áa_ip，b_ip?为p关于c_i所取的量值范围即P的节域，且V_ij?V_ip (i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)。

图2  隧道坍方风险可拓评估流程

Fig.2  Flow chart of extension assessment on tunnel collapse

对待评的隧道p，把所收集到的统计数据或分析结果用物元R表示，则称R为待评物元。

            (3)

式中：p为某一具体的隧道；v_i为p关于评价指标c_i的量值即待评隧道的具体指标数据。

2.3  计算评价指标权重

确定指标权重的方法很多，诸如专家打分法、AHP法、神经网络、灰色关联度法^[13]等，但大多带有一定的主观性，或者太复杂，不利于实际应用。基于此，本文用简单关联函数法确定各指标的权重。其考虑到各评价指标的权重并不是绝对的，而是相对的，是随具体的数据与标准而改变的，因此，更具有客观性、合理性。

  设                (4)            

式中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；

若(节域)，则

     (5)

若指标c_i的数据落入的级别越大，该指标应赋予越大的权重，则取

     (6)

否则，若指标c_i的数据落入的级别越大,该指标应赋予越小的权重，则取

  (7)

于是，指标c_i的权重为

                (8)

2.4  推求待评隧道物元等级的关联函数值

    (9)

式中：

      (10)

            (11)

    (12)

2.5  评估待评隧道坍方的风险

待评隧道坍方风险等级j的关联度如下：

         (13)

若

      (14)

则评定p属于等级j₀。

令

         (15)

                          (16)

则称j*为p的级别变量特征值。例如，j₀ =2，j*=2.6，表示p属于第2级偏向第3级(严格说来应属于2.6级)，据j*可以看出偏向另一级的程度。

3  可拓法坍方风险评估实例

3.1  确定评价指标及隧道坍方风险评估等级

3.1.1  确定评价指标体系

由于影响隧道坍方的因素很多，因而，各种评价指标的选取及其评价指标权重的确定成为隧道坍方风险评估的关键。然而，由于受到各种客观条件的限制，不可能将各种评价指标全部反映到隧道坍方风险的评估中，必须选取对坍方起控制作用的主要指标，并忽略对其影响较小的次要评价指标，参照坍方的相关研究^[11]，选取的评价指标如图3所示。

图3  隧道坍方的评价指标体系

Fig.3  Evaluation index system of tunnel collapse

3.1.2  确定评价等级

根据隧道坍方的特征和《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》，将坍方风险分为低度坍方风险(1级)、中度坍方风险(2级)、高度坍方风险(3级)和极高坍方风险(4级)，如表1所示。

其中，围岩级别和开挖跨度参照坍方统计而得；埋深根据开挖跨度而相应确定^[11]，具体是：h＜1D(D为隧道跨度)，坍塌风险很大；D＜h＜2D，坍塌风险大；2D＜h＜3D，坍塌风险一般；h＞3D，坍塌风险很小。偏压角度根据项目组的研究^[14]即“在地表倾角＜35°时，可以忽略偏压的影响”等结论而定。地下水、施工技术和管理水平为定性因素，分级是用定性语言描述的。

表1  隧道坍方各评价指标等级范围

Table 1  Standard of classification of tunnel collapse

3.1.3  定性指标量化处理

根据专家评分法将非量化的地质构造指标作量化处理。评分标尺的选择是专家评分法的关键，直接影响到专家能否表达其评价意见。评价标尺有2种^[15]：一种是采用离散的语言值标尺，如“1”代表好；另一种是采用连续的语言标尺，其中每个评语占据的是标尺中的一段，而不是1个点。连续的评价标尺相对于离散的评价标尺而言，更能充分地表达专家的意见，所以，这里采用连续的语言标尺。

对于地下水规定：(90~100)表示地下水相当丰富；(80~89)表示地下水丰富，有少量涌水；(70~79)表示地下水发育；(60~69)表示地下水不发育。

对于地质情况：(90~100) 表示地质非常复杂；(80~89) 表示地质复杂；(70~79) 表示地质一般；(60~69) 表示地质不复杂。

对于施工技术和管理水平规定：(60~69) 表示施工技术力量单薄，管理水平较差；(70~79) 表示施工技术一般管理水平一般；(80~89) 表示施工技术较好，管理水平较高；(90~100) 表示施工技术雄厚管理水平很高。

对于围岩级别，规定：Ⅰ和Ⅱ为(0.5~2.5)；Ⅲ和Ⅳ为(2.5~4.5)；Ⅴ为(4.5~5.5)；Ⅵ为(5.5~6.5)。评价时直接用数字1~6代表罗马数字Ⅰ~Ⅵ即可。

在实际隧道坍方具体评估中，可邀请若干业内专家或者总工程师、技术人员等参与，对非量化指标进行打分，然后，考虑打分人的学历、经验、职称等因素取加权平均。

3.1.4  评价指标归一化处理

为了使不同评价指标具有可比性，便于进行科学归纳，首先对各指标进行归一化、无量纲化预处理^[13]。对于指标c₂，c₄，c₅和c₆，因其对隧道坍方性的作用性质是正方向的，即数值越大越易坍方，所以，其处理方法是c_i′=(c_i-c_imin)/(c_imax-c_imin)，(i=1，2，4，5，6)；而对于指标c₁，c₃和c₇，因其对隧道坍方性的作用性质是反方向的,其处理方法是c_i′=(c_imax-c_i)/(c_imax-c_imin) (其中，i=3，7)。处理后的各指标等级范围如表2所示。武广客运专线浏阳河隧道DⅡK1565+120~ DⅡK1565+250段出现风化槽谷,此地段的原始指标数据为：围岩Ⅴ级，开挖跨度约为14 m，埋深45 m，无明显偏压，地下水较发育，地质高度复杂，施工技术和管理水平很高，开挖方法为三台阶法施工。其无量纲化后的数据如表2所示。

3.2  构造隧道坍方风险的物元

由式(1)和(2)可得隧道坍方风险的经典域和节域如下：

其中：j＝1，2，3，4。当j=1时，c₁，c₂，c₃，c₄，c₅，c₆和c₇的量值范围áa₁₁, b₁₁?，áa₂₁, b₂₁?，áa₃₁, b₃₁?，áa₄₁, b₄₁?，áa₅₁, b₅₁?，áa₆₁, b₆₁?和áa₇₁, b₇₁?分别取á0, 0.17?，   á0, 0.25?，á0, 0.52?，á0, 0.22?，á0, 0.25?，á0, 0.25?和     á0, 0.25?。

表2  隧道坍方风险评价指标归一化处理

Table 2  Normalized standard of classification

根据式(3)，可以得到待评隧道坍方风险的同征物元如下：

3.3  计算隧道坍方风险的评价指标权重

从安全(保守)的角度考虑，指标c_i的数据落入的级别越大，则隧道坍方风险的程度越高，因此，应赋以越大的权值。从而，根据式(4)~(6)和(8)，可以得到指标权重：

3.4  计算隧道坍方风险的关联函数值

根据式(9)，可以计算得到待评隧道坍方风险的关于各评价等级的关联函数值为：

3.5  隧道坍方风险的可拓评估结果与分析

根据式(9)~(13)，可以计算得到隧道坍方风险关于等级j的关联度：

根据式(14)，可以计算得到待评隧道坍方风险等级j₀=3，即隧道坍方风险等级为“高度风险”；根据式(15)和(16)，可以等到隧道坍方风险等级的变量特征值j*=3.5，表示浏阳河隧道在该段的坍方风险属于“高度风险”级别偏向 “极高风险”的级别(严格说来应属于3.5度风险)。这与该地段的范例推理的评价结果基本一致^[14]。

为此，提出了“台阶法+竖向钢支撑”的风险降低措施。现在武广客运专线浏阳河隧道已经贯通，该地段施工也很安全。图4所示为断面DIIK1565+165于2008-02-12至2008-04-12的拱顶沉降时程曲线。从图4可知：变形总体呈现台阶形状，安设竖向钢支撑后，拱顶沉降速率变缓；当中台阶的掌子面开挖到此断面时，由于此时要拆除临时竖向钢支撑，拱顶又出现一定的下沉。由此可见：竖向支撑对于控制拱顶沉降的效果是非常明显的，也表明提出的风险应对措施是合理可行的。

图4  DIIK1565+165断面拱顶沉降时程曲线

Fig.4  Settlement in center of surface DIIK1565+165

4  结论

 (1) 影响坍方的主要因素有降雨、偏压、围岩软弱破碎及施工方法。

(2) 借鉴可拓学，建立了隧道坍方风险的可拓综合评估流程，构建了坍方风险的多指标可拓综合评估模型，对定性指标做定量化处理并对评价指标进行归一化预处理，从而使得评估指标具有可比性；同时，提出用简单关联函数确定各指标权重，克服了以往确定指标权重时人为因素影响较大的缺陷。

(3) 武广客运专线浏阳河隧道DⅡK1565+120~ DⅡK1565+250风化槽地段坍方风险的可拓综合评估结果为高度风险，风险等级为3.5级，即“高度风险”级别偏向 “极高风险”的级别。

(4) 将构建的隧道坍方风险的可拓评估模型应用于隧道坍方风险安全管理工作中，可以量化隧道坍方的可能性，有利于降低隧道施工阶段发生事故的风险，促使隧道安全管理从事后分析型向事前预防型战略转变，做到防患于未然，为隧道行业建立现代职业安全健康管理体系奠定良好的基础。

参考文献：

[1] 关宝树. 隧道工程施工要点集[M]. 北京: 人民交通出版社, 2003: 270-271.
GUAN Bao-shu. Tunnel construction main points[M]. Beijing: People Transportation Press, 2003: 270-271.

[2] 王士民, 刘丰军, 叶飞, 等. 隧道坍方研究中的数值技术发展现状[J]. 现代隧道技术, 2006(增刊): 86-91.
WANG Shi-min, LIU Feng-jun, YE Fei, et al. Development on numerical simulation of tunnel collapse[J]. Modern Tunneling Technology, 2006(S): 86-91.

[3] Broms B B, Bennermark H. Stability of clay at vertical openings[J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, 1967, 96(1): 71-94.

[4] Davis E H, Gunn M J, Mair R J, et al. The stability of shallow tunnels and underground openings in cohesive material[J]. Geotechnique, 1980, 30(4): 397-416.

[5] Lee I M, Nam S W. The study of seepage forces acting on the tunnel lining and tunnel face in shallow tunnels[J]. Tunnels and Underground Space Technology, 2001, 16(1): 31-40.

[6] Lee I M, Nam S W, Jae H A. Effect of seepage force on tunnel face stability[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2003, 40(2): 342-350.

[7] 姜功良. 浅埋软土隧道稳定性极限分析[J]. 土木工程学报, 1998, 31(5): 65-72.
JIANG Gong-liang. Limit analysis of the stability of shallow tunnels in soft ground[J]. China Civil Engineering Journal, 1998, 31(5): 65-72.

[8] 杨小礼, 眭志荣. 应力剪胀对浅埋隧道稳定性系数的影响[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2008, 39(1): 190-195.
YANG Xiao-li, SUI Zhi-rong. Influences of stress dilatancy on stability factors of shallow tunnels[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2008, 39(1): 190-195.

[9] 王燕, 黄宏伟, 薛亚东. 钻爆法施工隧道塌方风险分析[J]. 沈阳建筑大学学报: 自然科学版, 2009, 25(1): 23-27.
WANG Yan, HUANG Hong-wei, XUE Ya-dong. Risk analysis of collapse for tunnels constructed by drill and blast method[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University: Natural Science, 2009, 25(1): 23-27.

[10] 周建昆, 吴坚. 岩石公路隧道塌方风险事故树分析[J]. 地下空间与工程学报, 2008, 4(6): 991-998.
ZHOU Jian-kun, WU Jian. Fault tree analysis of the collapse risk in rock highway tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2008, 4(6): 991-998.

[11] 周峰. 山岭隧道塌方风险模糊层次评估研究[D]. 长沙: 中南大学土木建筑学院, 2008: 40-51.
ZHOU Feng. Research on fuzzy-hierarchy assessment on mountain tunnel collapse[D]. Changsha: Central South University. School of Civil Engineering and Architecture, 2008: 40-51.

[12] 李刚. 防坍方救援方案浅析[J]. 山西建筑, 2007, 33(21): 335-336.
LI Gang. On the rescue program of the tunnel fall-in[J]. Shanxi Architecture, 2007, 33(21): 335-336.

[13] 彭立敏, 安永林, 张运良, 等. 可拓法识别勘测阶段隧道瓦斯突出的模型与实例[J]. 土木工程学报, 2008, 41(4): 81-85.
AN Yong-lin, PENG Li-min, ZHANG Yun-liang, et al. Identifying degree of gas ejection based extension theory in tunnel at prospecting stage: a case study[J]. China Civil Engineering Journal, 2008, 41(4): 81-85.

[14] 安永林. 结合邻近结构物变形控制的隧道施工风险评估研究[D]. 长沙: 中南大学土木建筑学院, 2009: 160-187.
AN Yong-lin. Study on tunnel construction safety and risk evaluation considering deformation standard of neighboring structures[D]. Changsha: Central South University. School of Civil Engineering and Architecture, 2008: 160-187.

[15] 傅鹤林, 韩汝才. 隧道衬砌荷载计算理论及岩溶处治技术[M]. 长沙: 中南大学出版社, 2005: 105-106.
FU He-lin, HAN Ru-cai. Tunnel lining load calculation theory and treatment technology on karst[M]. Changsha: Central South University Press, 2005: 105-106.

(编辑 杨幼平)

收稿日期：2010-02-12；修回日期：2010-05-26

基金项目：湖南省研究生创新基金资助项目(3340-74236000004); 湖南科技大学博士启动基金项目(E51095)

通信作者：安永林(1981-)，男，安徽寿县人，博士，讲师，从事隧道与地下工程结构与防灾的研究；电话：13203116711；E-mail：anyongling@yahoo.com.cn