岩溶与采空区隧道涌水突泥区间概率风险响应研究

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路与 汽运

总第180期

Highways & Automotive Applications

岩溶与采空区隧道涌水突泥区间概率风险响应研究

闫凯旋，刘辉，潘岳，蒋小军

(长沙理工大学，湖南长沙 410004)

摘要：湘中地区岩溶与采空区十分普遍，修建隧道发生涌水突泥事故会造成较大损失，需在施

工前进行专项风险评估。文中根据岩溶与采空区隧道涌水突泥事故特点，耦合概率风险评价与区 间数学理论进行风险响应研究；以湘中地区安平隧道为例，采用风险区间概率法得出施工中发生 涌水突泥的风险为f级，通过超前帷幕注浆等技术措施将其风险等级降至n级，从而符合公路隧 道安全施工的要求。

关键词：隧道；岩溶；涌水突泥；区间概率风险评价方法

中图分类号：U415.1 文献标志码：A 文章编号：1671 — 2668(2017)03 — 0198 — 03岩溶地区进行隧道施工时，涌水突泥、岩爆、瓦 斯等地质灾害频发，其中涌水突泥出现次数最多，损 失和影响最为严重，急需针对其建立有效的风险评 价方案，以采取有针对性的风险应对措施。近几年 国内不少学者对隧道涌水突泥风险分析进行了大量 研究，李利平等针对隧道勘察和设计阶段进行突泥 涌水风险评估，采用模糊层次评价法对突泥涌水的 影响因素进行了分析；午振浩等采用层次分析法计 算岩溶隧道突水各风险因素的权值，根据权值高低 有针对性地提出了岩溶隧道涌水突泥三阶段控制措 施；翁其能等结合层次分析法和模糊综合评价法构 建风险评价模型，主要对岩溶发育状况、地质条件、 水文地质条件、施工因素等风险因子的权重及其相 互之间的影响进行了分析；周宗青基于属性数学理 论，选取隧址区岩溶水文地质及工程地质条件等作 为属性评价的一、二级指标，实现了对涌水突泥风险 的定量分析。该文采用区间概率评价法构建岩溶隧 道涌水突泥风险评价模型，并对湘中地区安平隧道 涌水突泥风险进行评价。1

l.i

评价方法，拥有定性分析与定量分析的特点，能有效 地对复杂系统各发展阶段的风险进行评估分析。运 用概率风险评价方法进行监控系统风险分析，能确 定事故发生的关键影响因素，有助于找出系统的薄 弱环节，提高系统的安全性，也可对各种相关因素进 行综合分析与量化，通过确定各类因素对系统风险 的影响程度判定系统产生风险的概率及影响程度。 概率风险评价法可表示为：

D=f(P,C)=PC 为损失程度。2

涌水突泥区间概率风险评价模型的构建

(1)

式中犇为系统的危险性犘为事故发生的概率犆

2.1涌水突泥主逻辑图

主逻辑图是一种层次结构图，一般用于确定事 故发生的初始原因事件，它根据事件系统的层次性 从上至下分级剖解实现事件的分析。在用主逻辑图 分析法分析岩溶隧道涌水突泥风险时，需根据项目 实际情况对各风险因素进行分层细化，将隧道涌水 突泥事故作为涌水突泥主逻辑图中的顶事件。隧道 发生涌水突泥的风险因子较多，将其分解为一组新 的下级事件，每个新的下级事件都是导致隧道发生 涌水突泥的必要条件，体现在水文地质条件、岩溶发 育情况、防排水系统、施工因素四方面。对每个新的 下级事件继续进行分解，分解后的新事件是导致隧 道发生涌水突泥的必要条件。水文地质情况主要考 虑超前地质预报所提供的信息是否准确；岩溶发育 情况从岩溶成分、岩石特征、岩石结构、层面与层间 裂隙等方面考虑；方排水系统则从其有效性及突发

涌水突泥区间概率风险评价的基本理论岩溶隧道涌水突泥风险

在岩溶地区进行隧道施工时极易遭遇涌水突泥

事故，轻则引起施工中断、工期增长，重则导致人员 伤亡。相比塌方、岩爆等灾害，涌水突泥的风险损失 程度高很多。现阶段对岩溶隧道涌水突泥风险的研 究多为定性评估，定量评估相对较少。

1.2 区间概率风险评价理论

概率风险评价法作为近年来新出现的一种风险

2017年第3期闫凯旋，等：岩溶与采空区隧道涌水突泥区间概率风险响应研究

表

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岩溶水强补给等方面考虑；施工因素主要从支挡结 构是否及时、监控量测是否准确等方面考虑。涌水 突泥主逻辑图见图1。

涌水突泥风险

1

岩溶隧道涌水突泥事故发生概率等级标准

概率等级

I级n级膝

概率量化区间P

PC0.010.01概率等级描述几乎不可能发生很少发生可能发生频繁发生

W级水文地质情况

岩溶发育情况

防排水系统

施工因素

表

岩体性质'、含 层面与层间裂 防排水系统失 支挡结构施工不 水量、地质勘 隙大z4、岩溶 效'、突发岩 及时x8、监控量 察预报不准z3发育程度强z5溶水强补给z7测不准确工9

图1

岩溶隧道涌水突泥风险评价的主逻辑图

2

岩溶隧道涌水突泥事故损失程度等级标准

损失

等级

I级n级

2.2涌水突泥区间概率风险评价体系

岩溶隧道涌水突泥风险评价体系由事故发生概 率等级标准(见表1)、损失程度等级标准(见表2)及 风险接受准则（见表3)三部分构成。

表

定量判断标准

死亡人 直接经济 数/人损失/万元

[0,100)[0,3)

[3,10)[100,500)

[10,30)[500,1 000)[30，c〇)[000,〇)

〇

损失程

度C

C<2

损失等级描述不需考虑需重视非常严重特别严重

腺

F级

2C>7

3

岩溶隧道涌水突泥风险接受准则

风险等级I级n级腺

w级系统危险性D犇 <0.40.4<犇<1.61.6<犇<3.6犇 >3.6系统危险性描述

风险等级较低，可不作处理

风险出现会对隧道产生轻微影响，采取措施后风险消除风险出现会对隧道产生较大影响，但其影响可控风险出现将严重影响隧道施工，必须提前预防、重点监控

由于涌水突泥事故的发生概率不可能确定在某 个范围内，在隧道涌水突泥区间概率风险评价体系

中选取尖型隶属函数。设L、i?为模糊数的参照函 数，若式（2)成立，则称模糊数为L一只型模糊数，并记为犿=(犿，a，/?)犔犚。 一m)//?]，(x>m ^>0)式中：m为模糊数的均值;a、/?分别为左、右分布，a、 ?为零时m不是模糊数，a?越大m越模糊。

在涌水突泥事件发生概率计算中使用模糊数描 述基本事件发生的概率，事故树的模糊分析可减少 工程经验和主观判断。根据尖型隶属函数的计算公 式，得：

^xi (x )=烄犔犻[m犻 一x)/a犻]= 1/[1 + (m!—x)/，,]，xmi烆

i=x”X2,…，又9)

3工程应用

3.1工程简介

湘中地区安平隧道为分离式特长隧道，左洞长

3 560 m,右洞长3 550 m。受区域构造及地下水活 动的影响，隧道区发育多处带状岩溶发育带，岩体构 造节理发育，溶隙、溶沟、溶洞较发育，富水，局部充 填土地表出现串珠状岩溶漏斗、洼地及落水洞，极易 产生涌水突泥现象。

3.2涌水突泥区间概率风险评价

该隧道穿越发育区域性断层，其中强烈作用带 及影响带总宽度为70〜130 m，且为地表水转人地 下水的人口地带，地下水水量丰富、活动强烈，形成 规模不等的溶蚀裂隙、溶洞甚至地下暗河，地下水位 高，水量丰富，是一条高压富水带。同时该隧道于 NK16 + 020 — 360段通过长冲煤矿采空区，虽然该 煤矿因透水严重已关闭4年多，采空区的塌陷已基 本完成，但采空区地段已成为地下水的主要径流和 汇集通道，隧道通过该段时极易产生涌水突泥现象。 另外，受采空区的影响，隧道从小里程往大里程方向 依次通过垮落带、裂隙带和弯曲带。

犿(狓)=

一:c)/a]，(x^m

\\R [(x

〇>0)（2)

求得：

P = (m ,a ,?)LR = (0.613,0.024 5,0.024 5)LR =

(0.587 6 〜0.637 5)

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公路与 汽运

隧道风险评价的可行性。

2017年5月

计算结果表明该隧道涌水突泥事件的发生概率 为0.587 6〜0.637 5,且发生概率为0.613的可能性 最大，其隶属度为1。考虑到岩溶隧道涌水突泥事 故的影响较大，取其损失程度C = 6.0。按式（1)计 算，得：

D=PC = 6.0X(0.613,0.024 5,0.024 5)=

区间概率风险评价是一种定性与定量分析相结 合，且评价结果较系统的评价方法，但在具体实施过 程中，由于操作人员的不可靠度，模型可能产生误 差，需从如何减小操作人员对模型的影响的角度继 续优化评价模型。

参考文献：

(3.678,0.15,0.15)

该隧道发生涌水突泥事件的危险性D大于 3.6,根据表3,涌水突泥风险等级为F级，属于最高 [1]李术才，周宗青，李利平.岩溶隧道突水风险评价理论

等级风险，必须提前预防、重点监控。3.3涌水突泥及塌方风险响应

对于破碎带或涌水的地段，设计超前地质探孔 进行探测，探明地下水发育位置，并采用超前泄水孔 降低地下水的水头压力，这样施工开挖时即便打通 巷道发生涌水，由于水头压力小，涌水造成的破坏也 小，风险损失等级能降低至I级。

采用超前帷幕注浆方式超前加固围岩，将隧道 周边5 m范围固结成一个密实的圆柱体，隧道在洞 内超前长管棚的保护下从圆柱体中间穿过，即便发 生长冲煤矿主矿井风道坍塌，地下水水头比开挖工 作面高程仅高7.38 m，地下水水头压力也不足以破 坏围岩，事故发生概率等级可由I级“可能发生”降 低至n级“很少发生”。

施工期间发生强降水时，加强地下水监测，做好 地表水截排分流和应急预案。采取上述处置措施 后，综合风险损失等级I级、风险发生概率n级，判 定隧道发生涌水突泥的危险性D值为0.4〜1.6,风 险等级为n级，为有条件接收的风险，施工中进一步 加强施工管理和控制，能实现对风险的有效控制。4

结语

该文将区间概率风险评价法引人风险评价过 程，构建了岩溶隧道涌水突泥风险评估模型，同时确 立水文地质情况、岩溶发育情况、防排水系统、施工 因素4个重要风险因子，并对这些风险因子进行量 化处理。该模型较全面地考虑了引发岩溶隧道涌水 突泥风险的各类风险因素，根据不同风险等级，给出 了不同风险接受准则。采用该模型对湘中地区安平 隧道涌水突泥风险性进行评价，确定其风险发生概 率为0.2〜0.8、损失程度为3〜7、风险等级为F级， 通过超前帷幕注浆等技术措施可将风险等级降为n 级。通过与现场施工情况对比，该评价结果基本符 合开挖情况，证实了区间概率风险评价法用于岩溶

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收稿日期：2017 — 01 — 27