渤海灣海底隧道運營風(fēng)險評估分析

王永紅，劉 兵，張永剛

（北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

渤海灣海底隧道運營風(fēng)險評估分析

王永紅，劉 兵，張永剛

（北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

特長海底隧道運營是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，存在較大的不確定性和安全風(fēng)險。根據(jù)隧道工程運營期風(fēng)險評估的一般流程，對渤海灣海底隧道工程在其運營期的風(fēng)險進(jìn)行了評估。評估中考慮的主要風(fēng)險因素有水害、襯砌裂損、凍害、襯砌腐蝕、震害、洞內(nèi)空氣污染、火災(zāi)和列車脫軌事故8種類型。綜合運用信心指數(shù)法和層次分析法，參照隧道與地下工程風(fēng)險接受準(zhǔn)則和風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)，對渤海灣海底隧道運營期間的風(fēng)險進(jìn)行估計與評價。給出了該海底隧道運營期的風(fēng)險等級，并討論了本評估工作中尚存在的一些問題和今后有待深入的工作。

海底隧道；運營期；風(fēng)險分析；風(fēng)險評估

1 前言

渤海灣海底隧道工程運營期的安全性控制是我國和國際特長海底隧道工程所面臨的核心技術(shù)難題，不僅要解決運營風(fēng)險評估的理論問題和關(guān)鍵技術(shù)，而且形成系統(tǒng)控制體系也非常重要。例如，2000年9月興交嶺隧道出現(xiàn)的襯砌掉塊和2001年10月達(dá)成鐵路出現(xiàn)的大范圍掉塊，以及2001年12月寶中線清涼山隧道襯砌掉塊，都險些造成嚴(yán)重的行車事故[1]。風(fēng)險研究可以對這些不確定性因素進(jìn)行分析，將不可預(yù)見的風(fēng)險因素轉(zhuǎn)化為定量的指標(biāo)，幫助有關(guān)部門完成最后的決策，并通過計算風(fēng)險效益來選擇風(fēng)險控制措施降低各種風(fēng)險，以達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、高效的管理目標(biāo)。研究的目的在于通過對隧道工程運營過程存在的各種風(fēng)險進(jìn)行分析和評估，在此基礎(chǔ)上對風(fēng)險實施有效的控制。提前做好風(fēng)險防范預(yù)案，期望降低風(fēng)險帶來的損失程度，并為渤海灣海底隧道運營風(fēng)險評估體系設(shè)計提供必要的依據(jù)[2]。

2 工程概況

渤海灣海底隧道全長約125 km，其地層縱剖面圖及方案總體布置如圖1、圖2所示。

圖1 渤海灣海底隧道地層縱剖面圖Fig.1 The formation longitudinal section of the Bohai Bay subsea tunnel

渤海海峽北起旅順，南至蓬萊，是渤海與黃海的天然分界線，如圖2所示。兩端最短距離約106 km，平均水深25 m。海峽北部的老鐵山水道是黃海海水進(jìn)入渤海的最主要水道，寬約42 km，平均水深40 m以上，最深處約85 m。渤海海峽出露的地層分為兩類：一類下部為夾石英巖的千枚巖，上部為夾石英巖的板巖；另一類下部為板巖和石英巖互層，上部則為石英巖和板巖互層，巖質(zhì)堅硬[3]。

圖2 渤海灣隧道方案總體布置平面圖Fig.2 The general layout plan of the Bohai Bay tunnel

渤海灣隧道采用單洞單線隧道+服務(wù)隧道+單洞單線隧道的模式，采用隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）的掘進(jìn)模式，照渤海灣海底隧道線路的規(guī)劃結(jié)果，將隧道分為三個段進(jìn)行施工：蓬萊—北長山島段、北長山島—北城隍島段、北城隍島—旅順段。隧道最小埋深在80 m左右，長約125 km。行車設(shè)計時速為250 km/h，隧道內(nèi)運行客車、貨車和背負(fù)式列車。

3 運營風(fēng)險分析

3.1 風(fēng)險辨識

風(fēng)險辨識，即分析階段所有的潛在風(fēng)險因素，并進(jìn)行歸類、篩選和整理，重點考慮那些對目標(biāo)參數(shù)影響較大的風(fēng)險因素[4]。從用戶、運營管理、隧道基礎(chǔ)設(shè)施、車輛等幾方面綜合考慮，目前隧道運營中常見的病害主要有隧道水害、襯砌裂損、凍害、襯砌腐蝕、震害、洞內(nèi)空氣污染、火災(zāi)和列車脫軌事故8種類型。

3.2 風(fēng)險因素分析

3.2.1 隧道水害

隧道水害的成因是修建隧道破壞了山體原始的水系統(tǒng)平衡，隧道成為穿過山體附近地下水集聚的通道。當(dāng)隧道圍巖和含水地層連通，而襯砌的防水及排水措施、方法不完善時，就必然要發(fā)生隧道水害。造成水害的原因可以分為兩種：隧道穿過含水的地層和隧道襯砌防水以及排水設(shè)施不完善。

3.2.2 隧道襯砌裂損

襯砌裂損變形的主要危害有降低襯砌結(jié)構(gòu)對圍巖的承載能力；使隧道凈空變小，侵入建筑限界，影響車輛安全通過；拱部襯砌掉塊，影響行車和人身安全；裂縫漏水，造成洞內(nèi)設(shè)施銹蝕，道床翻漿，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)產(chǎn)生凍害；鋪底和仰拱破損、基床翻漿、線路變形、危及行車安全，被迫降低車輛運行速度，大量增加養(yǎng)護(hù)維修工程量；在運營條件下對裂損襯砌進(jìn)行大修整治，施工與運輸互相干擾，費用增大[5]。

3.2.3 隧道凍害

隧道凍害是寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)的隧道內(nèi)水流和圍巖積水凍結(jié)，引起隧道拱部掛冰、邊墻結(jié)冰、洞內(nèi)網(wǎng)線設(shè)備掛冰、圍巖凍脹、襯砌脹裂、隧底冰錐、水溝冰塞、線路凍起等，影響安全運營和建筑物的正常使用的各種病害。凍害的成因主要有寒冷氣溫的作用、季節(jié)凍結(jié)圈的形成、圍巖的巖性對凍脹的影響、隧道設(shè)計和施工的影響。

3.2.4 隧道襯砌腐蝕

渤海灣隧道所接觸的地質(zhì)條件千差萬別。其中有些地區(qū)富含腐蝕性介質(zhì)。襯砌背后的腐蝕性環(huán)境水容易沿襯砌的毛細(xì)孔、工作縫、變形縫及其他孔洞滲流到襯砌內(nèi)側(cè)，成為隧道滲漏水，對襯砌混凝土和砌石、灰縫產(chǎn)生物理性或化學(xué)性的侵蝕作用，造成襯砌腐蝕。襯砌腐蝕可分為物理性侵蝕和化學(xué)性侵蝕兩類。隧道襯砌腐蝕的主要影響因素有襯砌施工的質(zhì)量和水泥的品種，滲流到襯砌內(nèi)部的環(huán)境水含侵蝕性介質(zhì)的種類和濃度，環(huán)境的溫度和濕度等自然條件。

3.2.5 隧道震害

地震中隧道遭受破壞的例子很多，因震害停運及由此造成的經(jīng)濟(jì)損失超過隧道本身的修復(fù)費用。造成隧道地震破壞的原因有工程地質(zhì)條件、抗震設(shè)計質(zhì)量以及施工水平等。

3.2.6 隧道洞內(nèi)空氣污染

隧道在運營過程中鐵路車輛、電氣設(shè)備、拋棄的廢棄物等釋放出多種有害氣體，而隧道是一個封閉空間，一般只有進(jìn)出口與大氣相通，有害氣體不能很快消散，當(dāng)積累的濃度超過一定值時，會引起嚴(yán)重影響。國內(nèi)外研究表明，運營隧道空氣中的主要有害物質(zhì)一般應(yīng)包括NOx、CO、SO2、O3、總烴和粉塵這6種。

3.2.7 隧道火災(zāi)

隧道是鐵路的咽喉要道，無論是鐵路隧道火災(zāi)，還是地鐵隧道火災(zāi)都是極其危險的，其危險性在于危及人身安全。造成隧道中產(chǎn)生火災(zāi)事故的原因多種多樣，甚至是多種因素造成的，包括人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)。

3.2.8 列車脫軌事故

渤海灣隧道擬采用單洞單線隧道+服務(wù)隧道+單洞單線隧道的模式，通過隧道的汽車及貨物由火車托運（見圖3），設(shè)計時速為250 km/h，高速和重載加劇了輪軌的動態(tài)作用，對運行安全性提出了更為嚴(yán)峻的考驗。

圖3 列車托運方式示意圖Fig.3 The schematic diagram of the train shipping method

機(jī)車運行事故主要是由于運行過程中人、列車、環(huán)境等因素的影響而導(dǎo)致的列車出現(xiàn)不能正常運行甚至造成重大事故的現(xiàn)象。機(jī)車運行事故將對人身安全和國家財產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失，近些年來列車事故頻發(fā)，這就給正在運營的以及即將建設(shè)的鐵路隧道工程敲響了警鐘[6，7]。導(dǎo)致機(jī)車運行事故的主要原因有駕駛員、車輛及軌道、環(huán)境因素三方面。

4 運營期風(fēng)險評估與評價

4.1 風(fēng)險評估的程序

風(fēng)險評估的程序如圖4所示。

4.2 風(fēng)險評估方法

風(fēng)險評估與分析的常用方法主要有基于信心指數(shù)的專家調(diào)查法、模糊綜合評判方法、層次分析法、故障樹分析方法、德爾斐法、檢查表法、流程圖法等[8]。

4.3 風(fēng)險接受準(zhǔn)則

圖4 風(fēng)險評估的程序圖Fig.4 The program graph of the risk assessment

根據(jù)國內(nèi)隧道及地下工程領(lǐng)域風(fēng)險管理研究中已提出的定性的風(fēng)險接受準(zhǔn)則，提出定性的海底隧道工程施工風(fēng)險接受準(zhǔn)則[9]。依據(jù)風(fēng)險事故發(fā)生概率的大小，可將其分為5級（見表1）。

表1 風(fēng)險概率等級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The criterion of the risk probability

風(fēng)險矩陣法是最常用且被普遍接受的定性風(fēng)險分析方法。下面根據(jù)不同的風(fēng)險概率等級和損失后果等級，建立風(fēng)險等級評價矩陣，如表2所示[10]。

風(fēng)險接受準(zhǔn)則作為可接受風(fēng)險水平的評判標(biāo)準(zhǔn)，其評判對象就是通過風(fēng)險分析方法得出的風(fēng)險水平。依據(jù)風(fēng)險矩陣法這一被普遍運用和接受的定性風(fēng)險分析方法，提出定性的海底隧道工程運營風(fēng)險接受準(zhǔn)則。不同的風(fēng)險水平需采用不同的風(fēng)險管理與控制措施，結(jié)合風(fēng)險評估矩陣，不同等級風(fēng)險的接受準(zhǔn)則和相應(yīng)的控制對策如表3所示。

4.4 風(fēng)險評價

根據(jù)海底隧道運營的特點，建立了一個基于多層次模糊綜合評判的施工風(fēng)險評價模型，通過綜合考慮海底隧道工程運營風(fēng)險因素（水害、襯砌裂損、凍害、襯砌腐蝕、震害、洞內(nèi)空氣污染、火災(zāi)、列車脫軌事故）發(fā)生的概率和風(fēng)險因素對運營的影響程度，確定運營風(fēng)險的大小。首先，利用層次分析法建立海底隧道運營風(fēng)險評價指標(biāo)體系，確定各項指標(biāo)的相對權(quán)重；其次，根據(jù)海底隧道運營的特點，利用專家經(jīng)驗法的模糊估計方式，對各基本風(fēng)險因素進(jìn)行風(fēng)險估計；再次，在基本風(fēng)險因素的風(fēng)險概率模糊集和風(fēng)險損失模糊集的基礎(chǔ)上，基于模型，綜合考慮風(fēng)險發(fā)生概率及造成的后果對風(fēng)險評價的影響，建立風(fēng)險評估矩陣及風(fēng)險登記區(qū)域，得到基本風(fēng)險因素的評價指標(biāo)，采用加權(quán)平均的方法對評價指標(biāo)進(jìn)行處理，最終確定海底隧道運營的基本風(fēng)險因素的風(fēng)險水平等級。通過多級模糊綜合評價模型，確定高層次風(fēng)險因素及運營的風(fēng)險評價指標(biāo)，從而確定高層次風(fēng)險因素及整體風(fēng)險水平等級[11]。其風(fēng)險等級如表4所示。

表2 風(fēng)險評價矩陣Table 2 The matrix of the risk assessment

表3 風(fēng)險接受準(zhǔn)則Table 3 The criteria of the risk acceptance

海底隧道運營期水害、火災(zāi)及列車脫軌事故風(fēng)險為四級，風(fēng)險等級較高，屬于不可接受范圍，需高度重視。建議采用現(xiàn)代化的監(jiān)控手段和科學(xué)的管理方法，制定控制、預(yù)警措施，采取有效的風(fēng)險控制措施。

表4 風(fēng)險等級表Table 4 The table of the risk level

5 運營風(fēng)險控制及殘余風(fēng)險評估

針對渤海灣隧道工程出現(xiàn)的風(fēng)險，本文提出了運營風(fēng)險控制措施。

5.1 隧道水害防治

根據(jù)隧道的具體情況，因地制宜地貫徹“截、排、堵結(jié)合綜合防治的原則”，力求達(dá)到建立完善的隧道防排水系統(tǒng)、使用的材料安全而耐久、工藝先進(jìn)、質(zhì)量可靠、方便維修、經(jīng)濟(jì)合理的目的。常用的整治隧道水害的基本方法有適當(dāng)疏排、注漿堵水、增設(shè)內(nèi)防水層。

5.2 隧道襯砌裂損整治

襯砌裂損整治措施，主要分為以下幾種情況：a.裂縫整修；b.襯砌背后空洞壓漿；c.底板的穩(wěn)定處理；d.換拱、換邊墻。

5.3 隧道凍害整治

嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)隧道凍害的防治，其基本措施是綜合治水、更換土壤、保溫防凍、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、防止融坍等，根據(jù)實際情況綜合運用。

5.4 隧道襯砌腐蝕防治

從勘測設(shè)計入手，掌握隧道工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，查明環(huán)境水含侵蝕性介質(zhì)的來源和成分，在正確判定其對襯砌混凝土侵蝕程度的基礎(chǔ)上，因地制宜地采取防治措施。

5.5 運營隧道震害防治

將海底隧道結(jié)構(gòu)建于均勻、穩(wěn)定地基中，遠(yuǎn)離斷層，避免過分靠近山坡坡面，避免山坡不穩(wěn)定地段，盡量避免飽和沙土地基而減少地震液化；在相同條件下，盡量選取埋深較大的線路，遠(yuǎn)離風(fēng)化巖層區(qū)；區(qū)間隧道轉(zhuǎn)角處的交角不宜太小，應(yīng)加強(qiáng)出入口處的抗震性能。

5.6 隧道內(nèi)空氣污染防治

對于隧道空氣污染問題，可通過以下措施進(jìn)行控制：利用自然通風(fēng)或使用機(jī)械通風(fēng)將有害氣體排出洞外；在隧道中配置可以吸收洞內(nèi)有害氣體的設(shè)備；徹底消除污染源。

5.7 運營隧道火災(zāi)整治

設(shè)置疏散避難設(shè)施，如避難通道、隧道兩側(cè)的誘導(dǎo)路、定點急救避難場所等，對于雙孔隧道，可把橫通道作為避難設(shè)施；還應(yīng)設(shè)置其他消防設(shè)施，如消防進(jìn)攻道路的設(shè)計、截流溝或可燃液體疏導(dǎo)溝的設(shè)置等；加強(qiáng)隧道消防管理和鐵路管理，如不得隨意超車停車、限制載有易燃易爆物及其他危險品的車輛進(jìn)入隧道等，以及經(jīng)常檢查隧道的防火安全工作等。

5.8 列車脫軌事故防治

加強(qiáng)駕駛員的技能培訓(xùn)，增強(qiáng)業(yè)務(wù)的熟練程度，選擇一些經(jīng)驗豐富，應(yīng)變能力強(qiáng)的駕駛員，以便在事故突發(fā)的時候能夠沉著應(yīng)變，保證機(jī)車的安全行駛；對車輛應(yīng)該定期檢修，遇到問題及時更換零件設(shè)施，尤其是剎車器等關(guān)鍵部位，使其在遇到突發(fā)事件時能夠保證安全制動；提高設(shè)備的質(zhì)量，保持較高的安全技術(shù)性能；研制開發(fā)列車脫軌報警系統(tǒng)；制定事故的應(yīng)急方案，以最快速度恢復(fù)正常行車，開展事故調(diào)查，防止類似事件再發(fā)生[4，12，13]。

殘余風(fēng)險是指在實現(xiàn)了新的或增強(qiáng)的安全控制后還剩下的風(fēng)險。對各風(fēng)險因素經(jīng)過控制以后的殘余風(fēng)險經(jīng)營評估結(jié)果如表5所示。

由表5可知，對風(fēng)險因素加以控制以后，大部分處在可允許、可接受的范圍內(nèi)，說明風(fēng)險因素得到了很好的控制，運營階段的主要風(fēng)險因素都在可控的范圍之內(nèi)。

6 結(jié)論

本文將渤海灣海底隧道運營期可能的主要危險事故進(jìn)行羅列，對可能出現(xiàn)的隧道水害、襯砌裂損、凍害、襯砌腐蝕、震害、洞內(nèi)空氣污染、火災(zāi)和列車脫軌8種事故及其損失進(jìn)行評估、排序，使實際工程中可以有的放矢地采取對策。此外，風(fēng)險評估和風(fēng)險管理應(yīng)該是動態(tài)的，即在工程進(jìn)行的過程中，根據(jù)工程結(jié)構(gòu)發(fā)展情況（如風(fēng)險的發(fā)生還可能帶來二次風(fēng)險）實時更新信息，進(jìn)而更新評價模型，得到更為準(zhǔn)確的評價結(jié)果。

表5 殘余風(fēng)險等級表Table 5 The table of the residual risk level

[1]柳新華，劉良忠，侯鮮明.國內(nèi)外跨海通道發(fā)展百年回顧與前睹[J].科技導(dǎo)報，2006，24（11）：78-89.

[2]趙晉友.海底隧道經(jīng)濟(jì)分析與評價的關(guān)鍵問題[J].巖土工程界，2006，9（5）：21-23．

[3]中國科學(xué)院海洋研究所海洋地質(zhì)研究室.渤海地質(zhì)[M].北京：科學(xué)出版社，1985.

[4]劉海京.公路隧道健康診斷計算模型研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[5]孫 鈞.海底隧道工程設(shè)計施工若干關(guān)鍵技術(shù)的商榷[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25（8）：1513-1521.

[6]Tunnel Study Centre.Guide to road tunnel safety documentation booklet3：Risk analyses relating to dangerous goods transport[M].France：CETU，2005.

[7]曾慶元，向 俊，婁 平，等.列車脫軌的力學(xué)機(jī)理與防止脫軌理論[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2004，1（1）：19-31.

[8]Einstein H H.Risk and risk analysis in rock engineering[J].Tunnelling and Underground Space Technology，1996，11（2）：141-155.

[9]王夢恕.廈門海底隧道設(shè)計、施工、運營安全風(fēng)險分析[J].施工技術(shù)，2005（S1）：1-4.

[10]同濟(jì)大學(xué).崇明越江通道工程風(fēng)險分析研究總報告[R].上海：同濟(jì)大學(xué)，2002.

[11]劉鐵民，張興凱.安全評價方法應(yīng)用指南[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[12]羅積玉，邢 瑛.經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計分析方法及預(yù)測[M].北京：清華大學(xué)出版社，1987：198-201.

[13]史定華，王松瑞.故障樹分析技術(shù)方法和理論[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，1993.

Risk assessment on Bohai Bay subsea tunnel in its operational period

Wang Yonghong，Liu Bing，Zhang Yonggang
（School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

The operation of super-long subsea tunnel is a extremly complex system project，has larger uncertainty and safety risk.The procedure of risk assessment was explained in detail，and its application on Bohai Bay subsea tunnel project was proposed as a case study in this paper.Firstly，lots of different risk factors of the subsea tunnel operation were identified systematically，which involved water damage，tunnel lining crack，tunnel freezing，tunnel lining corrosion，tunnel earthquake disaster，the air pollution inside the cave，tunnel fire and the train derailment accident.Then，those operational risks were analyzed and assessed by the confidence index method and analytic hierarchy process，and were classified and discussed gradually according to the risk acceptance criterion.Finally，some topics about risk assessment on the subsea tunnel operational risk needed to the further research were high-lighted here.

subsea tunnel；operational period；risk analysis；risk assessment

U459.2

A

1009-1742（2013）12-0107-06

2013-10-08

國家自然科學(xué)基金面上項目（C11A300120）

王永紅（1958—），男，山東青島市人，教授，主要從事隧道與地下工程方面的研究與教學(xué)工作；E-mail：yonghongw@163.com