基于模糊层次分析法的公路隧道施工坍塌事故风险评估

李 毅

(益阳市交通建设质量安全监督站， 湖南 益阳 413000)

影响隧道施工安全的因素众多，包括各种自然因素以及人为因素，各种因素之间相互作用，导致现场施工有很多不确定性。常规的风险分析方法有模糊评价法、专家法、层次分析法、可拓理论法和贝叶斯法等[1-3]，其中模糊评价法十分简洁实用且具有系统性，但该法许多因子的权重系数不好确定，而层次分析法却能很简单地确定因子权重。模糊层次分析法结合了模糊法和层次分析法的优点，是一种多准则相对灵活且非常实用的决策方法。本文采用模糊层次分析法对公路隧道施工坍塌事故风险进行研究，对类似工程风险评估具有一定的参考价值。

1 隧道施工坍塌风险影响因素分析

根据现场资料和现有研究成果[4-6]，结合业内专家调查分析结果，影响隧道塌方事故的主要因素有地质、环境、施工和勘察设计因素。其中地质因素包括：围岩级别、断层破碎情况、渗水状态以及隧道偏压；环境因素包括：大气降雨和自然灾害；施工因素包括：技术水平、施工经验以及现场管理；勘察设计因素包括：地质符合情况、施工方法、施工步距。

2 建立公路隧道施工坍塌事故风险模糊层次分析模型

2.1 建立层次结构模型

通过对隧道施工坍塌事故的影响因素分析，建立隧道施工坍塌事故风险评估指标体系，根据模糊层次分析原理建立隧道施工坍塌事故可能性风险评估层次递阶模型，见表1 。

表1 隧道施工塌方可能性层次分析递阶模型目标层准则层指标层隧道施工坍塌事故可能性评估指标A围岩级别C1地质因素B1断层破碎情况C2渗水状态C3隧道偏压C4技术水平C5施工因素B2施工经验C6现场管理C7环境因素B3大气降雨C8自然灾害C9地质符合情况C10勘察设计因素B4施工方法C11施工步距C12

2.2 确定个评价指标的权重

层次分析法中使用专家调查法，计算每层影响因素的权重系数。根据层次分析法的基本原理采用1-9标度法，让专家根据隧道现场调查资料对同一层次的影响因素指标两两之间重要性进行评判，建立准测层的判断矩阵如下：

(1)

(2)

得到：

W甲=(0.651 4，0.059 8，0.094 4，0.194 4)

利用MATLAB软件计算出最大特征值λ甲max=4.100 9，RI=0.89。可得：

0.037 8<0.1

所以特征向量W甲有效。

同理，可得：

W乙=(0.611 0， 0.048 5， 0.104 3， 0.236 2)，

W丙=(0.670 1， 0.076 5， 0.081 9， 0.171 5)，

W丁=(0.590 6， 0.103 8， 0.086 2， 0.219 4)。

假如不用考虑每位专家的决策能力和权威性，采用加权平均综合法对以上指标权重值进行计算得到综合权重(见表2)，仍采用如上层次分析法得到指标层各因素权重(见表3)。

表2 准则层指标权重最终值准则层地质因素施工因素环境因素勘查设计因素权重W0.630 80.072 40.091 70.205 4

表3 第三层指标综合权重最终值准则层评价因素C权重V最终权重围岩级别C10.376 30.237 4地质因素B1断层破碎情况C20.313 50.197 8渗水状态C30.108 50.068 4隧道偏压C40.201 70.127 2技术水平C50.103 20.007 5施工因素B2施工经验C60.632 90.045 8现场管理C70.263 90.019 1环境因素B3大气降雨C80.342 30.031 4自然灾害C90.657 7 0.060 3地质符合情况C100.231 10.047 5勘查设计因素B4施工方法C110.287 30.059 0施工步距C120.481 60.098 9

2.3 制定隧道施工坍塌风险评估评分标准

进行现场调研，由专家对影响公路隧道施工坍塌风险的影响因素进行评分，每单项评分分为4个等级，总分值为13分，分值对应的可能性划分标准见表4,评分标准见表5。

表4 隧道坍塌事故可能性评估标准计算分值P事故可能性描述等级P≥9.5很可能46.5≤P<9.5可能33.5≤P<6.5偶然20≤P<3.5不太可能1

表5 各因素评分标准评分值Ⅰ(0～3)Ⅱ(4～6)Ⅲ(7～9)Ⅳ(10～13)围岩级别C1Ⅰ、ⅡⅢⅣⅤ、Ⅵ断层破碎宽度 C20～20 m20～35 m35～50 m>50 m渗水状态C3干-滴渗线状线状-股状岩溶管道式涌水隧道偏压 C40°～20°20°～30°30°～40°>40°技术水平C5很好好差很差施工经验C6较丰富丰富缺乏严重不足现场管理C7较规范规范较差很差大气降雨C8很少少较多频繁自然灾害C9极少偶尔经常频繁地质符合情况C10完全符合基本符合差别较大差别很大施工方法C11适合基本适合不适合很不适合施工步距C12<70 m70～120 m120～200 m>200 m

3 工程实例研究

某公路隧道地处丘陵地貌，地形起伏较大，起讫桩号为K23+506～K25+392，全长1 886 m，为单洞双线隧道。隧道范围内中线高程374.14～656.82 m，最大高差约282.68 m。山体自然坡度20°～30°，植被较发育。隧址区地表水不发育，主要为隧道进、出口所处冲沟内的溪流水，靠大气降水和基岩裂隙水渗流补给，属季节性溪流，大部分时间溪流水量小或干旱季节断流。隧址区第四系覆盖层厚度不大，主要为坡残积成因的粉质黏土、碎石，不均匀分布于隧道山体；出露基岩为前震旦系下统富禄组(Nh1f)变质砂岩，山体坡脚部位见强 — 中风化基岩裸露。围岩级别为Ⅲ～Ⅳ级。

该隧道主要由III、IV、V这3个级别的围岩构成，按照围岩等级情况不同，分别对不同区段坍塌事故的风险等级进行估测。根据调查资料可得，隧道洞身段：K25+380～K25+392为V级围岩段。为简化计算，采用专家调查法，在资料收集和现场调查的基础上，由4名专家按指标对该隧道K25+380～K25+392进行评分，统计专家做出的判断分值如表6所示。

根据专家评分表建立指标层模糊评价矩阵Xi:

表6 指标层专家评分表准测层准测层权重W指标层指标层权重V专家甲专家乙专家丙专家丁围岩级别C10.376 311101211断层破碎情况C20.313 50101地质因素B10.630 8渗水状态C30.108 54566隧道偏压C40.201 71232技术水平C50.103 23412施工因素B20.072 4施工经验C60.632 91121现场管理C70.263 93231环境因素B30.0917大气降雨C80.342 34354自然灾害C90.657 7 0100地质符合情况C100.231 13321勘查设计因素B40.205 4施工方法C110.287 31111施工步距C120.481 64555

根据指标层各因素权重向量V得到准测层矩阵评价公式为Yi=Vi×Xi，求得各因素评价矩阵：

Y1=V1×X1=

( 4.775 0 5.022 4 5.771 7 5.507 2)

Y2=V2×X2=

( 1.734 2 1.573 5 2.160 7 1.103 2)

Y3=V3×X3=

(1.369 6 1.684 9 1.712 0 1.369 6)

Y4=V4×X4=

( 2.656 5 2.887 6 2.406 0 1.924 4)

得到准测层评价矩阵

再根据准测层权重向量W得到最终评价矩阵公式为Zi=Wi×Yi，计算得：

Z=[ 3.808 9 4.029 7 4.448 4 4.074 7]

由上述计算可知，综合考虑各专家意见，得到该隧道K25+380～K25+392段最终评分结果为:

根据表4可得该隧道K25+380～K25+392Ⅴ级围岩段发生坍塌事故的可能性为偶然。重复上述步骤得到该隧道K23+530～K23+560、K25+265～K25+360Ⅳ级围岩段及K23+560～K25+265Ⅲ级围岩段发生坍塌的可能性皆为偶然。结果表明与《湖南省公路桥梁与隧道工程施工安全风险评估实施细则》(试行)推荐方法得到的评价结果一致。

4 结论

以某隧道施工为背景，基于模糊层次分析法对该隧道施工坍塌事故进行风险评估。首先对隧道施工塌方影响因素进行分析，并建立了隧道施工塌方风险评价指标体系，然后采用层次分析法确定了各评价指标的权重，结合专家评分，得到隧道施工坍塌事故的可能性等级，最后对模型结果进行了验证。结果表明该模型是有效的。与现行《湖南省公路桥梁与隧道工程施工安全风险评估实施细则》(试行)相比，该方法考虑因素更全面合理，避免了因施工单位安全管理折减系数对非施工因素进行折减，该方法得到的评估结果更客观。