摘要: 通过对地质信息、施工信息和监测信息的获取与分析，以风险评估理论为基础，以模糊数学综合评判法为手段，对地铁施工的风险进行综合预测预报，并及时反馈。

关键词: 地铁隧道 施工 风险评估 预警系统

 

      为了便于进行隧道施工中信息的及时传递交流，利用网络平台( 如网站、腾讯 QQ 或飞信等即时通讯平台) 建立一个施工风险预警系统，随时向业主、监理单位、设计单位和施工单位提供地质咨询。本文所设计的隧道施工风险预警系统包括 3 个子部分: 信息采集、施工风险评估、信息反馈预警( 如图 1 所示) 。

      1) 信息采集包括地质信息采集、施工信息采集和监测信息采集。地质编录作为隧道施工地质信息采集的主要方法之一，通过了解掌子面围岩的工程地质、水文地质状况，进而推断出掌子面前方的施工地质条件，为后续施工提供合理的施工方案。通过施工信息和监测信息采集，获得科学数据，进行整理分析，掌握隧道施工、围岩动态、支护结构的工作状态以及周边环境状态，修正设计支护参数和开挖方案。

      2) 选用模糊数学综合评判法对施工风险进行评估，为了保证计算结果的准确性和节省时间，将模糊数学计算过程用 Java 语言编写出专门的一个操作简捷易懂的计算程序。根据风险评估的结果，参照警度判断表，及时做出信息的反馈和风险的预警。

      3) 信息反馈预警包括信息反馈、风险预警、风险排除 3 部分，采用网站和腾讯 QQ 或飞信等即时通讯平台，将网站的“静”和腾讯即时通讯平台或飞信平台的“动”结合起来，实时高效。

 

      隧道施工安全风险对地质条件有高度敏感性，地质资料的完整程度与可靠程度决定了隧道施工安全风险评价的成败，因此，地质资料的收集成为整个资料收集的重点^［5］。

      地质信息采集记录卡的内容主要包括地层岩性( 岩石名称、颜色、结构面产状、岩体结构、成岩及胶结情况、岩石的软硬状态) 、风化程度、裂隙特征( 节理发育程度和裂隙产状) 、围岩完整程度、水文地质特征、围岩分类、不良地质现象、工程地质评价、素描示意图和掌子面照片。施工地质编录采用观察、素描、实测、摄影、录像等手段，搜集、记录施工开挖揭露的各种地质现象。

      1) 基本信息，包括标段、施工单位、设计单位、勘察单位、监理单位、监测单位、业主代表等;

      2) 施工信息，包括工程进度、开挖面位置、人员配置、机械配置、开挖方法等。

      首先建立网络平台( 比如隧道施工信息实时管理系统等) ，然后由施工单位人员及时在线填报施工信息。

      隧道监测的内容分为两大部分，即隧道本体监测和周边环境监测。隧道本体监测包括拱顶下沉、锚杆内力及抗拔力、围岩体内位移、围岩压力及两层施工间压力、地下水等; 周边环境监测包括周围地层、地下管线、周边建筑物、周边道路等。隧道工程的监测项目应与隧道工程设计、施工方案相匹配。应针对监测对象的关键部位，做到重点观测、项目配套并形成有效的、完整的监测系统。

      施工监控量测是在隧道开挖过程中，使用各种量测仪表和工具对围岩变化情况和支护结构的工作状态进行量测，及时提供围岩稳定程度和支护结构可靠性的安全信息，预见事故和险情，作为调整和修改支护设计的依据，并在复合式衬砌中，依据量测结果确定二次衬砌施作时间。

 

      隧道施工中潜含的各种风险因素很大一部分难以用数字来准确地加以定量描述，但都可以利用经验或专家知识，用语言去描述出它们的性质及其可能的影响结果，这种性质最适合于采用模糊数学模型来解决问题。模糊数学处理非数字化、模糊的变量有独到之处，并能提供数学规则去解决变量问题，相应得出的数学结果又能通过一定的方法转语言描述。这一特性适用于解决隧道施工中普遍存在的潜在风险。

      设参加对地质情况进行评估的人数为 S 名，评估因素有地层岩性、围岩分级、设计因素、施工因素、其它灾害因素( 如洪水、地震等) 5 项，每个评估因素有优、良、中、差、很差 5 个定性的评估等级。每个评估者对隧道施工情况在评估因素的 5 个评估等级中确定一个级别，记为 R_ij，这样就得到评估表格^［7］( 如表 1 所示) 。

式中，r_ij= R_ij/ S。

      由于评估因素在评估中的权重不同，因此要对评估因素赋予权值，用权重系数模糊阵 A = ( a₁，a₂，a₃，a₄，a₅) ( 其中 ) 表示。通过层次分析或专家综合评分法，在本系统中权重系数模糊矩阵取 A =( 0. 1，0. 3，0. 1，0. 3，0. 2) 。

      设隧道施工地质情况的评估矩阵为 B，则 B = A·R。

      A 与 R 是两个模糊矩阵，它们的乘积是矩阵的Zadeh 乘积，Zadeh 乘积是将 A 矩阵中的每一行与 R矩阵中的每一列合并作为乘积的元素，合并的规则是:将 A 矩阵中的 a₁与 R 矩阵中第一列的 r₁₁相比取小，a₂与 R 矩阵中第一列的 r₁₂相比取小，a_m与 R 矩阵中第一列的 r_1m相比取小，得到一组数列设为: y₁，y₂，…，y_m，然后取其中最大者为 A 矩阵中的第一行与 R 矩阵中的第一列合并的结果元素。

      为了量化评估，需要给每个等级赋值，如优赋予90 分，良赋予 70 分，中赋予 50 分，差赋予 30 分，  很差赋予 10 分^［8］。设赋值后得到的矩阵为 V，这样综合评估的最终评估分数就是 L = B·V。

      将施工风险评估结果反馈于设计、施工亦是信息化设计与施工中的重要一环，当前采用的反馈设计的方法主要是根据一些经验判据或经验准则，将风险评估的信息用于修正设计和指导施工。

      对于某一工程，建一个信息反馈的网站，不仅可以存放所采集的地质、施工、监测信息供用户随时随地查看，而且当施工中出现风险时可及时做出预警，比如武汉地铁矿山法隧道施工风险预警系统( 如图 2 所示) 。

      地质编录人员运用模糊数学综合评判法进行评估。根据警度判断表( 如表 2 所示) 对隧道的施工处在哪个状态进行预警，并根据工程地质条件对隧道施工提出一些施工建议，再把最终结果上传到网站或QQ 群里。若有什么疑问，相关单位的人员可以很方便地在 QQ 群里讨论，不受现实地理位置的限制。如果施工状态处于高风险状态，在网站上发出预警的同时，通过 QQ 或飞信将预警信息发至相关人员手机，并提供链接至网站。

      施工单位人员可以根据风险值和警度，及时调整围岩分级和施工方法，提出相应的施工措施。加强联系，当现场施工情况与设计情况不符合时，及时向设计单位提出变更申请，积极协助设计单位做好施工中的信息反馈工作和优化设计，以确保工程进度、施工安全及质量。

 

      下面就以武汉轨道交通二号线一期工程十七标段为例，说明隧道施工风险预警系统在工程实际中的应用。

      在十七标段的施工中，存在开挖所揭示的地质情况和前期勘察的地质情况有些地方不相符的情况，给隧道的施工增加更大的模糊性和盲目性。以下是参考了 2010 年 5 月 8 日的记录卡，可以看出地层岩性左线以粉砂土、右线以石英砂岩为主，风化程度属于强风化和中等风化，裂隙特征左线不发育，右线较发育，围岩完整程度左线完整右线破碎，水文地质特征左线干燥右线有滴水，围岩分级均为Ⅱ级，不良地质现象是都有掉块，工程地质评价总体稳定。

      由 10 位从事武汉地铁工程项目的项目经理、总工和教授组成的专家评审团进行评估，得到统计表格( 如表 3 所示) ，输入到 Java 程序中并运行。

      按提示 继 续 进 行 计 算，得 到 最 终 的 风 险 值 为62. 0.

      在武汉地铁轨道交通十七标段的应用中，通过地质编录和风险评估，计算出的评估值为 62. 0，得到警度为无警，亮牌为蓝牌，施工状态为正常状态。根据隧道地质情况给施工单位提出一些施工建议: ①对于掌子面有掉块的现象，建议施工中加强监测，发现有不稳定块体时应及时进行处理，施工人员应提高警惕，加强自身保护。②在浅埋地段施工时，建议对浅埋段围岩进行超前加固，然后再进行隧道掘进施工。③在右线大里程方向掌子面出现渗水现象，地下水大量渗漏到隧洞中，易使围岩软化、崩解，将降低洞底泥岩强度，会导致隧洞洞顶、洞壁失稳。最后将这些信息及时添加到 excel 表格并将它上传到网站和 QQ 群相册里。

 

      通过隧道施工风险预警系统在工程应用的结果认识到地质工作具有渐进性和风险评估具有超前性。勘察阶段对地质已经有了初步的认识，而施工阶段则是一个实践的过程，隧道掘进过程中揭露的地质情况加深了对地质情况的认识。从一些工程实例可以看出风险是可以预测的，这也就说明施工风险预警系统将具有很强的实用性。选用的模糊数学综合评判法适合于解决隧道施工中各种风险因素难以用数字定量描述的问题。

 

［1］陈建平，吴立，闫天俊，等． 地下建筑结构［M］． 北京: 人民交通出版社，2008．

［2］中华人民共和国建设部． 建标［1999］318 号 地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，2000．

［3］高谦，乔兰，吴顺川，等． 地下工程系统分析与设计［M］． 北京: 中国建材工业出版社，2005．

［4］赵天熙． 超前地质预报技术在西格二线关角隧道的应用［J］． 铁道建筑，2010( 1) : 146-150．

［5］周大勇． 向莆铁路岩溶隧道超前地质预报技术［J］． 铁道建筑，2010( 4) : 56-58．