研究复杂深部环境隧道灾害评价系统

研究复杂深部环境隧道灾害评价系统

随着世界经济的持续发展，地下工程（城市地下空间开发与利用、矿山资源深部开采）已成为未来世界工程建设的重点和发展趋势。在这些地下空间工程建设中，由于建设规模大、地质条件复杂，岩爆、突水、地表沉陷、冲击地压、热动力灾害（火灾与爆炸）等灾害事故频发，造成重大人员伤亡和经济损失。地下工程重大灾害孕育演化规律与成灾机制、监测预警技术、关键控制理论与技术等已成为地下工程面临的关键科学与技术难题。

目前，国内外学者对于事故、灾难的研究大都局限于单个灾种，对多灾种共同作用导致的事故、灾难的发生机理、发展规律及其预测预报、风险评估理论等方面的研究甚少，尚缺乏系统的知识结构和完整的理论体系；单个灾种的信息数据库及其背景数据库比较完善，但多个数据库数据共享、信息融合，特别是大数据挖掘分析等方面的研究开展较少，尚缺乏数据共享机制及信息融合与分析方法等。此外，多参数耦合作用下事故、灾难的致灾机理和发展规律等方面的研究亦需得到重视。

纵观隧道的修建历史，制约长大隧道发展的因素可以分为两大类，一类是施工技术方面的，如：掘进技术、通风技术及支护衬砌技术等;另一类则是开挖可能遭遇的施工地质灾害的超前预报及其控制技术。施工地质灾害本质上是由水、岩、热、气等固体、准流体及流体构成的复杂地质系统对开挖扰动作出的响应或反馈，响应的方式和程度不同，灾害的类型和规模也就不同，具体灾种包括硬岩岩爆、软岩大变形、高压涌突水、高地温及瓦斯突出等(图1)。

风险概率增强系数,“风险概率增强系数”是将统计规律与实际应用结合起来而建立的一个数学关系。即针对不同的工程项目，不同风险事故的概率增加或减小的幅度。其采用的是通过专家调研的方式得到了相应的增强系数。表示为: [k]=[p][p°]-1

式中,[k]-风险系数的增强系数;[p]-风险事故实际发生概率;[p°]-风险事故发生统计意义上的平均概率。在隧道工程风险事故概率的基础上根据风险值的定义，工程项目总体风险值表达为:

各相互独立风险事故的风险值可按下式进行计算:

受到工程实践的驱动，20世纪后半叶，特别是后20年，以来，我国深埋长大隧道地质灾害研究取得了长足进展。其中，隧道危害自动化检测也是十分重要的一环节：

（1）数据采集层。该层级通过传感器系统获取传感器的模拟信号,并进- -步传送至数据采集系统。

（2）数据预处理及传输层。数据预处理即将模拟信号转换成数字信号,并通过无线网络的形式传送至云端数据处理系统。

（3）数据处理与系统控制层。数据处理与控制系统来完成,包括以下内容:①控制、管理传感器系统和数据采集系统的运行;②选择、处理、分析、显示所有来自数据采集系统的数据;③管理系统数据库。

（4）结构安全评价层。结构安全评价系统负责对结构安全进行评价,包括以下内容:①监测数据实时分析处理,并辨别当前预警信号;②显示、存档/存储所有分析结果;③生成结构安全监测报告和评估报告。

对各风险事故和项目总体风险水平的评价，在很多情况下需要进行定性描述:也就是需要定出风险级别，由于风险指标的计算包含了决策者个人对于风险的好恶，因此，相应的标准也比较难以建立。

深埋隧道不是理想地下空间，是通过各种工程技术手段开挖出来的;施工地质灾害是复杂围岩体系对开挖过程的响应或反馈，响应程度(灾害程度)，甚至是

可能出现的响应方式(灾害种类)，都与开挖过程密切相关，因此，选择合理的掘进方法、改进施工工艺是深埋隧道施工地质灾害控制的重要途径。

根据上诉所论证的几大情况，即隧道灾害评价系统应建立如下几个方面：（1）灾害识别功能

在搜集资料和广泛调研的基础上,将盾构隧道工程中主要的风险事故和致险因子进行分类总结,储存在数据库风险信息库中供用户备选。用户也可以自定义工程风险事故和相关的致险因子,并根据工程的实际情况进行添加或删除。（2）灾害估计功能

风险评估方法采用黄宏伟等人的研究成果,在专家调研法的基础之上,由基于CIM模型的概率叠加拟合方法,得到各致险因子的概率和各类风险损失分布曲线。

（3）灾害评价功能

该功能模块采用基于风险指标方法的风险评价模型对风险进行评价。对于每一项风险存在的几项损失的风险指标,用累计的方法对风险进行总体评价。（4）灾害决策功能

该功能模块以风险数据库中常用的风险事故风险库为基础,根据用户选择的决策策略,以具体风险的风险指标、风险概率、风险等级等具体参数为基础,对风险的风险回避、风险接受、风险自留、风险分散、风险转移等进行决策。用户也可以将决策存人数据库中,便于以后查询。

（5）查询和生成报表功能

提高工作效率并促进风险管理规范化，软件设计了查询和报表自动生成功能。用户可以对风险辨识结果,各个单位工程、分部工程,风险事故的评估和决策结果进行查询。用户还可以生成风险调研报表、风险辨识结果报表、风险评价决策结果报表等。

对于隧道灾害，在我国“十四五”发展阶段初期，尤其围绕建设灾害评价体系和防护措施的核心内容，确定符合我国国情的安全科学与工程学科的“十四五”发展战略，对促进我国铁路隧道开发与挖掘、更好的发展具有重要意义。