湿陷性黄土隧道洞口开挖安全风险评价及对策研究 - 土木工程 土木项目论文湿陷性黄土隧道风险辨认层次分析法 本文是一篇土木项目论文研究，本文立足于紫云山公路隧道施工工程，紫云山隧道洞口段施工由于其工序繁琐、地质水文条件复杂及在施工过程中存在诸多的风险因素，导致施工风险性较高为了防止因风险因素考虑不周产生施工事故，通过对紫云山隧道洞口段施工过程进行风险因素归纳辨认及相应的神经网络模型分析，完成了洞口段施工过程中的平安风险评价，对风险应对计划进行研究与归纳1 绪论1.1 选题背景及意义随着国家“一带一路〞建议的提出和贯彻，西北地区作为“古丝绸之路〞的重要节点，在响应国家“一带一路〞建议的过程中具有先天优势，同时在其带动下，对西部的开展战略贯彻产生了直接的促进作用交通建设作为地区开展的“先行军〞首当其冲，一大批交通根底设施工程规划和启动，此举在补充完善西北地区交通路网的同时，更是方便了人们的出行，推进了西北地区贸易、旅游产业的繁荣而在路网的规划过程中，西北地区湿陷性黄土的存在却成为滞碍路网完善的主要阻力众所周知黄土是第四系堆积的陆相沉积物，在我国分布面积达 64 万 km2，约占国土总面积的 6.3%。
而甘肃作为“一带一路〞的枢纽，位于我国黄土高原的西部，是我国主要黄土分布省份，如图1.1，省内分布面积达 12 万 km2，约占我国黄土面积的 19%，占甘肃省总面积的 25.1%且黄土大局部位于甘肃中东部中高山区，该地区以黄土梁、峁地形为主，冲沟十分发育[1-3]在此特殊地理环境因素影响下，隧道交通成为路网结构的重要组成局部历来甘肃地区因其黄土分布的广泛性和其自身的软弱项目特性被诟病颇多，成为学术界和项目界的重要研究课题尤其是甘肃在公路路网建设中，由于山脉众多，不可防止选择以隧道贯穿的形式，为项目的建设提出了极大挑战在甘肃省建设的馋柳、兰海、兰临、平定等高速公路中，已经施工完成了较多的黄土隧道，而隧道通过的黄土层多具有大孔隙、普遍存在垂直节理和管状孔道等特征在天然含水量稳定时强度水平相对较高，能较好的维持高差较大的大倾角边坡，一旦发生较大程度的渗水情况，黄土颗粒内部结构那么发生破坏崩解，表现为较强的湿陷特性，加上隧道施工存在的围岩应力调整失衡等原因，给公路隧道施工带来了极大的平安风险[4-7]定临高速公路全长 69.8km，是一条高速公路联络线，是连接定西市安定区、临洮县的一条便捷通道，同时也是甘肃东部地区通往临夏、甘南、青海南部地区的一条便捷快速通道，工程的建设能够有效改善定西市的交通环境，极大地促进贫困地区同周边城市之间的交通联系与经济往来，带动区域经济跨越式开展。
紫云山隧道全长 3.9km，是定临高速公路全线的重点控制性项目，隧道穿越地层地质结构复杂，尤其洞口段处于第四系上更新统冲积黄土、中更新统粉质黏土、卵石，围岩稳定性差，开挖易坍塌并可能引起坡体的变形等，存在极大的施工平安风险1.2 国内外研究现状及分析1.2.1 国外研究现状及分析风险管理作为一门新兴的管理学科，最早起源于美国在 1929 年~1933 年，由于世界性经济危机的影响，“风险〞一词开始出现，保险和金融行业成为了最早出现风险管理行业到了 20 世纪中页，风险管理研究作为热门学科开始席卷欧洲及其他国家[15]进而风险管理揭开了其神秘的面纱，走进群众视野，开始影响着我们生活的方方面面美国作为风险管理研究的先行者，在风险管理研究领域已经取得了丰硕的成果的其早期风险管理主要集中于金融效劳行业自 20 世纪中期以来，国内开始渐渐将风险管理研究带入各学科的开展隧道早期的风险管理研究学者主要包括国外学者 Vik E A[16]、Okazaki K[17]、Kwong A K L[18]，Vik E A 对隧道施工中使用的化学灌浆剂的环境风险管理经验进行总结，Okazaki K 采用了直升机实时监测的办法进行隧道施工风险管理，Kwong A K L 对香港东区海底隧道修建引入了风险管理与预测的办法。
在国内，关于隧道风险的研究早期为沈富荣[19]在上海外环隧道中采用风险管理，对隧道施工风险进行了相应研究通过近年来以胡根友[20]为代表的国内学者等对风险管理办法的优化与更新，对隧道施工风险评价理论和办法进行了大量的研究，取得了丰硕的成果美国 Einstein H H 在?Risk and Risk Analysis in Rock Engineering》(1996)一文中指出了隧道等岩土项目领域风险分析的理念和特点[21]，并在?Decision Aids in Tunneling》[22](1998)详细介绍了 DAT 隧道风险决策辅助系统1996 年，Sturk 等考虑到现场实地考察存在诸多不确定因素难以波及的前提下，将事故树法、德尔菲法〔专家调查法〕等办法综合应用到公路隧道的平安风险评价体系的构建中[23]Reilly J 于 2022 年提出了隧道项目主要波及人员、财产、本钱、工期四个方面，其风险源同样存在于这四个方面并指出在隧道风险管理的过程中应将风险管理、风险分担考虑其过程的动态性贯通于隧道项目建设的全部过程中[24]2022 年，Weiss E H[25]等人通过运用“mediation〞运算途径，对隧道发生风险的概率进行定量计算，开创了隧道风险定量评价的先河，也为后续隧道风险发生概率评价提供了科学的理论根底。
国际隧道协会〔ITA〕在 2022年发表了?隧道风险管理指南》一书，介绍比照了了其他行业已经成熟应用的风险评估办法[26]，进而完善了风险管理在隧道项目中具体过程和步骤Marian 采用贝叶斯网络构建了公路隧道施工风险模型，并以波兰维斯瓦河下的公路隧道为例，验证了模型的有效性[27]2 隧道施工平安风险管理理论2.1 隧道施工平安风险管理的意义风险管理是指对存在的风险辨认、评价并采取相应措施躲避、缓解、分散或转移的过程风险因子诱发风险源，风险源造成风险后果，因此辨认的是风险因子，评价的是风险源，躲避、缓解、分散或转移的是风险后果[58]风险管理在时间顺序上包含两个方面，即风险源发生之前的风险管理和风险源发生之后的风险管理，风险管理要求风险管理者在风险源发生前采取科学的预防措施，防患于未然，在一定程度上有效降低风险源的发生概率，如假设风险源的发生无法防止，应在风险源发生后，积极迅速地采取合理的风险控制措施，将风险后果尽量控制到一个较小范围内，并预防风险损失的进一步扩大风险的不确定性造成了风险源发生的不可预测性，因此风险管理实际上是预测风险发生的概率并制定相应防备、控制措施的过程[59-60]。
隧道施工风险管理指的是：为了保证隧道施工的平安顺利进行，风险管理者运用科学伎俩对可能影响隧道平安施工或已经对隧道的平安施工造成危害的风险因素进行辨认，并分析评估其可能在施工过程中造成哪种项目事故以及事故发生后可能的损失大小，最后制定预防控制措施，降低施工事故发生的概率或事故发生后积极采取防控措施，将风险控制在可控范围内隧道施工平安风险管理过程是一个连续、动态的过程其连续性表现在风险管理的过程是环环相扣的，一阶段工作完成后才能进行下一阶段的工作，风险因子辨认前方能进行可能发生的风险源的分析，风险源分析完成前方能预测风险损失的严重程度，然后根据风险损失的严重等级采取相应的避免措施，整个过程步步为营，环环相扣，缺一不可[61-64]其动态性表现在由于隧道施工后方围岩情况的相对不确定性，所采取的支护体系要根据实际情况来设置，因此造成了施工过程中对隧道平安影响的风险因素的辨认不明晰，此时所采取预防和控制措施都要跟随隧道动态施工来变更，隧道风险管理的动态性造成了风险源和风险损失更难预测2.2 隧道施工平安风险管理的流程隧道风险管理的一般流程是：风险辨认、风险分析、风险评价和风险控制，具体流程图如图 2.1 所示。
2.2.1 风险辨认风险辨认即对可能造成风险源发生的风险因子进行科学合理辨认的过程风险辨认要求对隧道施工过程中所有潜在风险因子进行辨认并统计辨认主要风险因子，最后形成合理的风险因子清单但是风险辨认并不是一项简单的工作，尤其是在隧道施工过程中，由于后方围岩情况的相对不确定性，造成了风险因子的随机性，风险因子并不是一成不变的，可能当施工进行了一段时间后随着围岩情况和支护结构的改变，旧的风险因子减少甚至消失，新的风险因子出现，以前的主要风险因子变成了次要风险因子，而次要风险因子反而变成了影响隧道平安的主要风险因子此外，隧道施工过程中个别风险因子具有极强的隐蔽性，风险因子辨认困难或难以辨认，但这些辨认困难或难以辨认的风险因子可能正是影响隧道平安的主要因素[65-67]因此运用科学合理的风险因子辨认办法，在隧道施工过程中辨认主要风险因子，对于隧道施工平安和生命财产平安具有重要意义[68]3 紫云山洞口段开挖平安风险评价指标体系的建立 ............263.1 紫云山隧道项目概况 .................263.1.1 地形地貌 ......................263.1.2 水文条件 ............................264 基于 BP 神经网络的隧道洞口段施工平安风险评价 ....................................424. 12 土木项目论文湿陷性黄土隧道风险辨认层次分析法 1 评价过程设计 .....................424.2 BP 神经网络设计 .....................425 紫云山隧道洞口段开挖施工平安风险应对措施 .......................... 495.1 洞口边坡失稳平安风险应对措施 ..................495.2 塌方平安风险应对措施 ...............505 紫云山隧道洞口段开挖施工平安风险应对措施5.1 洞口边坡失稳平安风险应对措施紫云山隧道在定西端进口和临洮段出口处由于山体成坡角度和水文地质的原因，需要对洞口段边坡进行平安风险控制。
由第三章紫云山项目背景可知定西端进口处隧道山体斜坡坡度约为 20°~30°，出露土层为第四系上更新统冲积黄土、中更新统粉质粘土、卵石，围岩的自稳能力较差在进行隧道开挖时土体扰动对坡体的影响较大，且开挖极易引起坡体变形，通过对隧道施工管理设计文件的研究，倡议采取下列措施进行应对：〔1〕做好平安技术教育积极发展三级平安教育和平安培训，落实平安技术交底制度，将平安施工、应急防备、自救等知识贯彻到每一位施工人员心中；工程部技术人员向施工作业人员进行技术和平安交底，详细表明隧道平安的有关技术要求和重大危险源，落实工前教育制度，标准进洞管理〔2〕做好开挖前的的准备工作隧道洞口土石方开挖及进洞之前，必须率先施工边坡顶上和坡面平台截水沟、急流槽、排水沟，完善洞口排水系统；雨天应加强巡查，确保洞口排水顺畅，无淤积、梗塞现象，避免地表水渗透或冲刷边坡造成洞口失稳；对边坡和仰坡以上可能滑塌的土体、灌木、孤石及碎落石块，应及时去除，采取有效的防护和加固措施确保边仰坡稳定、不滑塌，确保隧道施工平安〔3〕严守边坡开挖技术要求明挖作业前应将设计边线以外至少 5m 范围内的涣散堆积体、杂物等去除干净，必要时边坡开挖截水沟，设平安防护栏〔墙〕；边坡开挖应至上而下进行施工，凡未经平安技术论证和总项目师批准，禁止采用自上而下、先挖坡脚的施工办法；对开挖部位设计开口线以外的坡面、岸坡和坑槽开挖，假设遇有不平安因素，必须及时处理，采取有效防护措施；对开挖深度较大的坡〔壁〕面，每下降 5m，按设计要求及时进行防护加固。
6 结论与展望6.1 结论本文立足于紫云山公路隧道施工工程，紫云山隧道洞口段施工由于其工序繁琐、地质水文条件复杂及在施工过程中存在诸多的风险因素，导致施工风险性较高为了防止因风险因素考虑不周产生施工事故，通过对紫云山隧道洞口段施工过程进行风险因素归纳辨认及相应的神经网络模型分析，完成了洞口段施工过程中的平安风险评价，对风险应对计划进行研究与归纳主要结论包括下列三个方面：〔1〕建立隧道洞口段施工风险辨认体系通过现场调研及文献查阅，对洞口段施工过程中在技术层和工程管理层存在的风险因素进行详细分析，得出大变形、边坡失稳、塌方为洞口段施工的主要风险，为后续的分析和评价体系奠定了一定的根底〔2〕建立洞口段风险评价体系采用层次分析法〔AHP〕及含糊综合法对筛选过的风险因素进行了归一化、求特征值和特征向量、一致性验证、权重排序等处理，整理出紫云山隧道洞口段施工过程中各风险项的风险权重奉献比例，进行风险项的精细化处理〔3〕采用 BP 神经网络的办法结合洞口段现场实测的数据对风险项进行评估定级，针对隧道洞口段产生的大变形风险、隧道塌方风险、洞口段边坡失稳等风险因素设立了专项处理计划评价体系为甘肃地区湿陷性黄土隧道洞口段施工风险管控工程提供了良好的依据，提高了隧道洞口段施工的平安系数，具有一定的借鉴意义。
参考文献〔略〕 12 。