公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估若干問(wèn)題的探討

周慶昕 薛亞?wèn)|

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

我國(guó)的公路隧道建設(shè)在近十幾年間快速發(fā)展，1993年我國(guó)的公路隧道通車?yán)锍虨?36km／682座，2000年我國(guó)隧道通車?yán)锍桃堰_(dá)628km／1684座，近10年來(lái)，公路隧道平均每年新建350km.公路隧道的高速發(fā)展一方面帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的建設(shè)，另一方面也造成了相關(guān)工程事故的發(fā)生數(shù)量的增多，如2005年12月22日14時(shí)40分，四川省都江堰至汶川高速公路董家山右線隧道發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，造成44人死亡，11人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失2035萬(wàn)元.因此對(duì)公路隧道進(jìn)行施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，能夠在施工前確定施工過(guò)程中潛在的重大風(fēng)險(xiǎn)事故，從而提出相應(yīng)的措施以增強(qiáng)施工的安全性.

在隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理的探索中，國(guó)外起步較早［1］，已經(jīng)在控制坍塌事故風(fēng)險(xiǎn)的方面取得了成功，國(guó)際隧道與地下空間協(xié)會(huì)發(fā)布了隧道風(fēng)險(xiǎn)管理指南［2］，對(duì)于施工的風(fēng)險(xiǎn)控制具有重要的指導(dǎo)意義.

國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了大量風(fēng)險(xiǎn)理論引進(jìn)和研究，許多專家學(xué)者從隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的整體出發(fā)，對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系進(jìn)行了探索：程遠(yuǎn)等提出了采用專家調(diào)查法與層次分析法相結(jié)合的方式對(duì)大跨度淺埋公路隧道進(jìn)行施工風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別［3］；劉偉運(yùn)用層次分析法確定公路隧道風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重［4］；賀志軍引入了“當(dāng)量”這個(gè)概念，以施工后果當(dāng)量估計(jì)方法來(lái)解決山嶺鐵路隧道施工后果的估計(jì)問(wèn)題［5］.

很多專家學(xué)者從隧道的典型施工步出發(fā)，建立了特定施工過(guò)程、特定風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)管理體系：劉科偉進(jìn)行了系統(tǒng)的隧道建設(shè)期塌方風(fēng)險(xiǎn)分析與研究［6］；陳蔚通過(guò)層次分析法對(duì)洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行了辨識(shí)與排序［7］；鄧加亮采用專家調(diào)查法識(shí)別出隧道施工過(guò)程中瓦斯存在的風(fēng)險(xiǎn)因素［8］.現(xiàn)階段施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估項(xiàng)目主要依據(jù)《指南》中的內(nèi)容，公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要從兩方面進(jìn)行：一是施工總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，二是專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估.本文通過(guò)若干公路施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估項(xiàng)目，提出了在實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中遇到的問(wèn)題，提出了自己的解決辦法.

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的計(jì)算

1.1 地質(zhì)條件的取值

根據(jù)《指南》中的內(nèi)容，公路隧道總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)包括地質(zhì)條件G（包含圍巖情況、瓦斯含量及富水情況）、開(kāi)挖斷面A、隧道全長(zhǎng)L、洞口形式S以及洞口特征C五大方面，風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值R＝G×（A＋L＋S＋C），這樣就將隧道的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)定量化為了一定的數(shù)值.

從公式R＝G×（A＋L＋S）可以看出，地質(zhì)情況G占有的權(quán)重很高，地質(zhì)情況的惡化往往會(huì)造成風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值的顯著提高，但從《指南》中會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)G取值為0時(shí)，無(wú)論開(kāi)挖斷面、隧道全長(zhǎng)、洞口形式、洞口特征各取值為多少，最后都將得出隧道總體為低度風(fēng)險(xiǎn)，這顯然是不合理的.所以針對(duì)這種問(wèn)題應(yīng)規(guī)定G值不小于1，即當(dāng)G值為零時(shí)取G＝1.

在確定地質(zhì)情況G的取值時(shí)，要確定隧道圍巖狀況a的取值，圍巖狀況a的取值依據(jù)見(jiàn)表1.圍巖狀況的確定依據(jù)主要是Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖長(zhǎng)度占隧道全長(zhǎng)的百分比，然而在實(shí)際的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中往往存在著這樣的隧道，其Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖所占比重可能不高，僅僅為20%，根據(jù)《指南》圍巖狀況a取值為0，但是其隧道當(dāng)中一次存在的Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖長(zhǎng)度30m，長(zhǎng)距離的Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖隧道施工會(huì)提高隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)，所以在進(jìn)行圍巖狀況的取值時(shí)，更客觀的方法應(yīng)當(dāng)引入Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖最長(zhǎng)連續(xù)長(zhǎng)度這一指標(biāo)，與Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖占全長(zhǎng)百分比這一指標(biāo)采取并集運(yùn)算的方式，詳細(xì)表述見(jiàn)表2.

表1 圍巖情況指標(biāo)值

表2 圍巖情況指標(biāo)值改進(jìn)方法

1.2 洞口特征指標(biāo)的確定

根據(jù)《指南》中的內(nèi)容，在對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)洞口特征C進(jìn)行取值時(shí)的依據(jù)就是主觀評(píng)定隧道進(jìn)口施工是否困難，帶有很強(qiáng)的主觀性與模糊性，然而眾所周知，在隧道的修建過(guò)程中洞口歷來(lái)就是施工的難點(diǎn)，常有“進(jìn)洞難”的說(shuō)法.

所以在進(jìn)行隧道總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的過(guò)程中，洞口特征這一指標(biāo)值不應(yīng)簡(jiǎn)單依靠專家調(diào)查法進(jìn)行模糊主觀的評(píng)判，而是應(yīng)該從洞口特征出發(fā)，得到定量的指標(biāo)值.

通過(guò)實(shí)際的評(píng)估過(guò)程發(fā)現(xiàn)，影響洞口施工風(fēng)險(xiǎn)的主要因素有洞口圍巖特性、施工工藝與地形特點(diǎn).所以在進(jìn)行隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，建議采用將洞口特征風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值定量化的方式將洞口特征指標(biāo)值細(xì)化，包括洞口圍巖特性、施工工藝成熟度、地形特點(diǎn)三個(gè)組成部分，具體分類見(jiàn)表3.對(duì)于表中的建議取值，其值設(shè)定參照了《指南》中橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)于施工工藝及地形特點(diǎn)的取值.

表3 洞口特征指標(biāo)值

在進(jìn)行洞口特征這個(gè)指標(biāo)的選取時(shí)我們已經(jīng)考慮了洞口圍巖條件的因素，并且洞口處的特征是與隧道整體的圍巖情況無(wú)關(guān)的，所以公式變?yōu)镽＝G×（A＋L＋S＋C），這樣就可以避免在進(jìn)行總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)對(duì)圍巖情況進(jìn)行重復(fù)考慮.

1.3 總體風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的補(bǔ)充

《指南》當(dāng)中關(guān)于總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)有地質(zhì)條件、開(kāi)挖斷面、隧道全長(zhǎng)、洞口形式、洞口特征四項(xiàng)內(nèi)容.在實(shí)際的評(píng)估過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著隧道工程的日益增多，一些長(zhǎng)大隧道工程也隨之增長(zhǎng)，長(zhǎng)大隧道在施工過(guò)程中往往會(huì)采取多作業(yè)面同時(shí)作業(yè)的形式，作業(yè)面的增加往往伴隨著豎井、斜井?dāng)?shù)量的增加以及人為因素影響的增強(qiáng)，所以建議在公路隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中引入作業(yè)面?zhèn)€數(shù)這一指標(biāo)值.

此外隨著公路隧道工程分布的廣泛，一些特定區(qū)域的極端氣候條件也會(huì)對(duì)施工的安全造成很大影響.比如在公路隧道的施工過(guò)程中，降雨往往是影響施工安全的重要方面，區(qū)域降雨量較高，大范圍降水多發(fā)往往會(huì)造成隧道上方地表水的下滲，尤其是當(dāng)巖體較為破碎時(shí)這種情況更加明顯，地表水的下滲會(huì)使圍巖穩(wěn)定性降低，從而造成坍塌事故的發(fā)生.所以區(qū)域氣候條件也可以作為總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的指標(biāo)之一.

1.4 關(guān)于洞口形式指標(biāo)值的建議

《指南》中對(duì)于洞口形式這一指標(biāo)值，采取豎井、斜井、水平洞分別賦值的辦法進(jìn)行洞口形式指標(biāo)值的確定，但是在實(shí)際工程當(dāng)中，往往洞口的形式并不是單一的，很多公路隧道工程中既有豎井，又有斜井與水平洞，所以這就使得洞口形式這一指標(biāo)值很難確定，比較恰當(dāng)?shù)淖龇梢允菍⒇Q井個(gè)數(shù)所占洞口總數(shù)的百分比作為洞口形式指標(biāo)值確定的依據(jù)，具體的取值情況可進(jìn)行后續(xù)的研究.

2 專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1 專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

通過(guò)公路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)《指南》中對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)源和風(fēng)險(xiǎn)事件兩個(gè)概念有些混淆，顧名思義風(fēng)險(xiǎn)源表示引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)事件的原因或因素，包括地質(zhì)條件、氣候條件、人為因素等等，從概念上出發(fā)風(fēng)險(xiǎn)源只是誘因，本身不是風(fēng)險(xiǎn)事件，也不一定會(huì)形成風(fēng)險(xiǎn)事件，而風(fēng)險(xiǎn)事件表示具體的風(fēng)險(xiǎn)事故.

《指南》當(dāng)中的風(fēng)險(xiǎn)估測(cè)建議應(yīng)是針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件，比如塌方、瓦斯爆炸等等，分析這些具體事件發(fā)生的概率及產(chǎn)生的影響；風(fēng)險(xiǎn)源普查的作用主要是找出產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)事件的誘因，從而能夠全面分析風(fēng)險(xiǎn)可能性.

在實(shí)際的評(píng)估過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)針對(duì)某一特定的公路隧道工程進(jìn)行專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，往往很難準(zhǔn)確快速地確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的內(nèi)容，很難找到切入點(diǎn)，《指南》中提出了瓦斯爆炸、塌方、圍巖穩(wěn)定等等風(fēng)險(xiǎn)事件供評(píng)估人員進(jìn)行參考，結(jié)合《指南》中已有的內(nèi)容與實(shí)際的評(píng)估過(guò)程，提出了如下的專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程：首先對(duì)該隧道進(jìn)行施工作業(yè)分解，針對(duì)整條隧道施工作業(yè)總體分解為：左右線洞口明挖施工、洞口暗埋段施工、巖溶段開(kāi)挖施工、隧道正常段開(kāi)挖施工四大部分；然后進(jìn)一步細(xì)化到施工單元步，包括：爆破開(kāi)挖、支護(hù)、防水、洞口邊仰坡防護(hù)等等；之后通過(guò)專家調(diào)查法分析各施工單元步當(dāng)中包含的風(fēng)險(xiǎn)事件及風(fēng)險(xiǎn)源，隧道專項(xiàng)評(píng)估的重大風(fēng)險(xiǎn)事件一般主要包括：洞口失穩(wěn)、塌方、大變形、結(jié)構(gòu)損壞、瓦斯、滲漏水及環(huán)境影響，風(fēng)險(xiǎn)源的普查可以按照建設(shè)條件、結(jié)構(gòu)因素、施工因素三方面進(jìn)行.最后按照施工作業(yè)劃分板塊，對(duì)單元施工步進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源普查與風(fēng)險(xiǎn)事件分析，結(jié)合《指南》中參考提供的風(fēng)險(xiǎn)事件評(píng)估方法進(jìn)行專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估.

2.2 數(shù)值模擬在專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、計(jì)算速度的加快、計(jì)算理論的完善，數(shù)值模擬在隧道工程中的作用也日漸明顯.數(shù)值模擬在隧道工程的設(shè)計(jì)、施工、研究等方面以其快速、相對(duì)準(zhǔn)確、方便等特點(diǎn)逐漸得到了更廣闊的應(yīng)用.

《指南》當(dāng)中在進(jìn)行塌方及穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)沒(méi)有引入數(shù)值模擬驗(yàn)算這一部分內(nèi)容，而是單純采用了指標(biāo)體系法的方式，該方法簡(jiǎn)便、明確，適合于實(shí)際工程當(dāng)中的應(yīng)用，但是在進(jìn)行實(shí)際工程的專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬往往又是必要的，單獨(dú)采用指標(biāo)體系法進(jìn)行塌方、穩(wěn)定性等的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)往往缺乏說(shuō)服力.

所以在對(duì)公路隧道進(jìn)行專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)建議引入數(shù)值分析的內(nèi)容.通過(guò)數(shù)值分析，可以模擬出隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性情況與巖體的位移情況，這些結(jié)果與定量評(píng)價(jià)體系相結(jié)合針對(duì)塌方、穩(wěn)定等風(fēng)險(xiǎn)得出更全面的結(jié)論；數(shù)值分析得出的位移、應(yīng)力云圖可以分析得出隧道斷面結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)與應(yīng)力集中點(diǎn)，從而在施工階段采取結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)措施，預(yù)防事故的發(fā)生.

2.3 風(fēng)險(xiǎn)事件嚴(yán)重等級(jí)的確定

《指南》當(dāng)中采用指標(biāo)體系法的方式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)事件嚴(yán)重程度的估測(cè)，主要從人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、社會(huì)影響、環(huán)境影響幾個(gè)角度來(lái)進(jìn)行嚴(yán)重等級(jí)的估測(cè).當(dāng)幾種角度評(píng)估的嚴(yán)重等級(jí)存在矛盾時(shí)，采取“就高”原則.

但是這種方法也會(huì)存在弊端，評(píng)價(jià)一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件的嚴(yán)重程度不應(yīng)該只選取其嚴(yán)重程度最高的方面，而是應(yīng)該綜合考慮事故發(fā)生后方方面面的影響，得到一個(gè)全面的估計(jì).所以在對(duì)某公路隧道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)事故嚴(yán)重等級(jí)估計(jì)時(shí)，根據(jù)參考文獻(xiàn)［6］中關(guān)于事故后果“當(dāng)量”的概念，將風(fēng)險(xiǎn)后果分為：直接經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡后果、工期損失后果、間接經(jīng)濟(jì)損失后果，總風(fēng)險(xiǎn)后果指標(biāo)值為四項(xiàng)指標(biāo)值之和.四項(xiàng)指標(biāo)采用“當(dāng)量”進(jìn)行轉(zhuǎn)化，根據(jù)國(guó)內(nèi)外安全理念，死亡1人為一個(gè)基本單位“當(dāng)量”，按照國(guó)內(nèi)外安全理念慣例，“一當(dāng)量”對(duì)應(yīng)事故損失結(jié)果為：死亡1人、10人重傷或50人輕傷、工期延誤30d、300萬(wàn)元直接損失、隱蔽損失統(tǒng)一以500萬(wàn)元表示，則總體后果指標(biāo)：

式中，Cz為事故直接損失（萬(wàn)元）；Cr1為死亡人數(shù)（人）；Cr2為重傷人數(shù)（人）；Cr3為輕傷人數(shù)（人）；Cy為工期延誤損失（d）；Cj為間接隱蔽損失（萬(wàn)元）.

各后果指標(biāo)值對(duì)應(yīng)的事故后果嚴(yán)重性等級(jí)見(jiàn)表4.

表4 事故嚴(yán)重性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

在確定風(fēng)險(xiǎn)事件的損失時(shí)，常常采用的是專家調(diào)查法，依靠相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)得到風(fēng)險(xiǎn)事件可能造成的具體損失，其他方法尚在探索當(dāng)中.對(duì)于事故嚴(yán)重性等級(jí)的建議取值，參考了參考文獻(xiàn)［6］中國(guó)內(nèi)外對(duì)于事故嚴(yán)重性評(píng)定的準(zhǔn)則，并結(jié)合《指南》中原有的事故嚴(yán)重性等級(jí)的建議取值而提出.

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上的分析，我們總結(jié)了在進(jìn)行公路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工程當(dāng)中遇到的問(wèn)題及相應(yīng)的解決辦法：①對(duì)洞口特征C采取了更加客觀的定量評(píng)價(jià)方法，并對(duì)圍巖狀況指標(biāo)值確定方式進(jìn)行了改進(jìn).②明確了風(fēng)險(xiǎn)源與風(fēng)險(xiǎn)事件的概念，提出了合理的專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估步驟.③在塌方、圍巖穩(wěn)定等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，補(bǔ)充了三維有限元施工模擬的內(nèi)容，與定量的指標(biāo)體系法相結(jié)合.④在確定風(fēng)險(xiǎn)事件嚴(yán)重程度等級(jí)時(shí)，《指南》當(dāng)中采取就高原則確定風(fēng)險(xiǎn)事件嚴(yán)重等級(jí)，本文采取“當(dāng)量”轉(zhuǎn)化的方法，將所有損失轉(zhuǎn)化成當(dāng)量計(jì)算綜合，綜合考慮了各個(gè)方面對(duì)最終風(fēng)險(xiǎn)事件嚴(yán)重等級(jí)的影響.

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