肯特指數(shù)法在高速公路隧道中的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

余鵬程，王意明，喻 東

(1.廣西桂東高速公路有限公司，廣西 貴港 537300；2.中車建設(shè)工程有限公司，北京 100071)

0 引言

近幾年國(guó)內(nèi)高速公路建設(shè)勢(shì)頭迅猛，到2017年，全國(guó)高速公路里程已達(dá)13.1萬km[1]。隨著高速公路建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，公路隧道建設(shè)規(guī)模也與日俱增，而高速公路隧道經(jīng)常會(huì)穿越復(fù)雜的地下環(huán)境，如江河流域或高山峻嶺等，這些都給隧道施工安全帶來了很大的風(fēng)險(xiǎn)隱患，施工事故發(fā)生概率普遍高于其他工程[2]。高速公路隧道的建設(shè)需要多個(gè)部門共同協(xié)調(diào)工作，包括協(xié)調(diào)施工方內(nèi)部各部門、施工方與設(shè)計(jì)方、施工方與材料供應(yīng)商、施工方與當(dāng)?shù)卣块T、施工方與當(dāng)?shù)匕傩盏?，而這些因素都具有不確定性和模糊性[3]。

高速公路隧道施工過程中遇到的各種因素都存在一定的隨機(jī)性和不確定性，目前通常采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)這些因素進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，從中得到這些因素對(duì)公路隧道影響程度的大小，進(jìn)而確定該高速公路隧道的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。目前常用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法有[4-10]：專家調(diào)查打分法、風(fēng)險(xiǎn)矩陣法、模糊數(shù)學(xué)法、層次分析法、風(fēng)險(xiǎn)樹分析法(RTA或ETA)、肯特指數(shù)法等。本文根據(jù)安全評(píng)價(jià)的原則和要求，選擇肯特指數(shù)法對(duì)廣西某高速公路隧道施工安全進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將施工安全水平定量化，為其他公路隧道安全施工提供指導(dǎo)。

1 公路隧道施工概況

該隧道位于廣西某高速公路，為曲線連拱隧道，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道，隧道全長(zhǎng)為315 m，屬于短隧道，最大埋深74.22 m，隧道凈空(寬×高)10.75 m×5.0 m，采用新奧法進(jìn)行施工。隧址區(qū)位于廣西山字型構(gòu)造前弧東翼外側(cè)，華夏構(gòu)造帶北緣，經(jīng)歷了加里東、印支等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，有相互改造、相互干擾、相互疊加的特征，斷層和褶皺發(fā)育。洞身圍巖主要是由強(qiáng)-中風(fēng)化粉、細(xì)砂巖夾薄層頁巖石灰?guī)r組成。圍巖級(jí)別為Ⅴ～Ⅳ級(jí)，局部穩(wěn)定性差，開挖后如不及時(shí)支護(hù)可能產(chǎn)生大的坍塌。地下水位位于洞頂以上，預(yù)測(cè)每延米涌水量為1.34 m3/d，開挖后隧道可能出現(xiàn)淋雨、涌流狀出水現(xiàn)象，雨季涌水更大。

2 高速公路隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)分析

2.1 高速公路隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)高速公路隧道的特點(diǎn)，從環(huán)境因素、設(shè)計(jì)因素和施工技術(shù)因素對(duì)該隧道的施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。

2.1.1 環(huán)境因素風(fēng)險(xiǎn)

環(huán)境因素包括自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境和施工環(huán)境三個(gè)方面。自然環(huán)境是該隧道所穿越的地質(zhì)條件，從工程資料和施工現(xiàn)場(chǎng)可以知道，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，圍巖等級(jí)低，開挖后如不及時(shí)支護(hù)可能發(fā)生大的坍塌；隧道從山嶺中穿越，社會(huì)環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單；施工環(huán)境受人為因素影響比較大，當(dāng)自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境都對(duì)施工不利時(shí)，通過調(diào)整施工環(huán)境可以減少施工過程中的安全隱患。

2.1.2 設(shè)計(jì)因素風(fēng)險(xiǎn)

設(shè)計(jì)因素風(fēng)險(xiǎn)一般分為勘察技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。在隧道開挖之前，需要對(duì)隧道的地質(zhì)情況進(jìn)行勘察，但由于地質(zhì)情況復(fù)雜、勘察技術(shù)水平受限和人為因素的影響，會(huì)出現(xiàn)勘察資料不準(zhǔn)確、鉆探后試驗(yàn)提供的土層物理力學(xué)性能指標(biāo)不符合實(shí)際、勘探鉆孔選點(diǎn)不恰當(dāng)或者鉆探數(shù)量較少等問題，這些都是不可避免的風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)與施工脫節(jié)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需要、設(shè)計(jì)方法不夠合理等，這些風(fēng)險(xiǎn)因素的存在是設(shè)計(jì)人員考慮不周、現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)不足等所導(dǎo)致的。

2.1.3 施工技術(shù)因素風(fēng)險(xiǎn)

施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)是三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)中最主要的風(fēng)險(xiǎn)因素，影響施工技術(shù)水平的因素主要包括施工設(shè)備材料、工作人員素質(zhì)和施工管理等。

2.2 肯特指數(shù)法的建立

肯特指數(shù)法是由美國(guó)最早提出并應(yīng)用于管道的一種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分指標(biāo)體系[11]。由于該方法分析簡(jiǎn)明、操作簡(jiǎn)單，逐漸應(yīng)用于其他行業(yè)和工程。與之相類似，隧道工程的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管道評(píng)估流程一致。

2.2.1 指數(shù)分類

結(jié)合高速公路隧道施工的特點(diǎn)和上節(jié)對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)因素的分析，將指數(shù)分為四個(gè)大類：基本指數(shù)、設(shè)計(jì)指數(shù)、施工指數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)損失指數(shù)?；局笖?shù)包括地形地質(zhì)、周邊環(huán)境和隧道自身特征(長(zhǎng)度、開挖斷面、洞口形式和施工方法等)。設(shè)計(jì)指數(shù)主要包括勘察設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)。施工指數(shù)主要包括施工設(shè)備材料、工作人員素質(zhì)和施工管理三個(gè)方面。施工指數(shù)權(quán)重可以參照《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》[12]，通過專家打分和隧道事故具體原因分析來確定肯特指數(shù)權(quán)重性及評(píng)分，如表1所示。風(fēng)險(xiǎn)損失指數(shù)也是參照文獻(xiàn)[12]進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定，主要考慮人員傷亡數(shù)量、社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失，如表2所示。

2.2.2 計(jì)算公式的確定

基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基本概念，風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)R等于風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率P×風(fēng)險(xiǎn)損失指數(shù)D。結(jié)合公路隧道指數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)險(xiǎn)概率指數(shù)包括基本系數(shù)A、設(shè)計(jì)系數(shù)B、施工系數(shù)C。相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下：

R=P×D

(1)

P=A×B×C

(2)

A=(a1+a2+a3)/a

(3)

B=(b1+b2)/b

(4)

C=(c1+c2+c3)/c

(5)

式中：a、b、c分別表示基本指數(shù)、設(shè)計(jì)指數(shù)和施工指數(shù)最大值的1/2。

肯特指數(shù)法對(duì)高速公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的流程如圖1所示。

表1 施工指數(shù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)表

表2 人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失等級(jí)表

圖1 隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程圖

2.2.3 肯特指數(shù)法評(píng)分準(zhǔn)則

參照《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》[12]，風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則分為：不可接受(R≥100)、不愿接受(50≤R<100)、可接受(20≤R<50)和可忽略(R<20)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分別是Ⅰ～Ⅳ級(jí)(可忽略～不可接受)。

2.3 肯特指數(shù)法的工程應(yīng)用

通過肯特指數(shù)法的評(píng)估過程與公路隧道的實(shí)際概況相結(jié)合，得到該公路隧道的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)類型?？咸刂笖?shù)法評(píng)估的步驟為：

(1)由于基本指數(shù)和設(shè)計(jì)指數(shù)沒有列出具體的打分標(biāo)準(zhǔn)，所以采用專家打分確定基本系數(shù)和設(shè)計(jì)系數(shù)的數(shù)值[13]。

(2)每個(gè)施工指數(shù)類型的指數(shù)值根據(jù)表1進(jìn)行確定，最終得到施工系數(shù)C為6.273。

(3)根據(jù)下頁表3可以確定風(fēng)險(xiǎn)損失指數(shù)D為18。

(4)將上述確定的系數(shù)和指數(shù)分別代入公式(1)、公式(2)，最終得到隧道風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)D為32.4。

利用肯特指數(shù)法對(duì)公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，其評(píng)估結(jié)果見下頁表3。

表3 某高速公路隧道的肯特法評(píng)估結(jié)果表

由表3可知，該高速公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)R為32.4，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可以判斷該公路隧道的風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果在可接受范圍之內(nèi)，這與實(shí)際隧道施工現(xiàn)狀比較吻合，所以需要加強(qiáng)該高速公路隧道的施工安全措施，保證施工過程的順利進(jìn)行。

3 結(jié)語

(1)本文結(jié)合隧道施工風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，將肯特指數(shù)法的評(píng)估指數(shù)分為基礎(chǔ)指數(shù)、設(shè)計(jì)指數(shù)、施工指數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)損失指數(shù)，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程的要求。

(2)運(yùn)用建立的肯特指數(shù)法模型對(duì)某高速公路隧道施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并對(duì)各個(gè)指數(shù)的取值進(jìn)行確定，得到的評(píng)估結(jié)果認(rèn)為該高速公路隧道施工處于可接受風(fēng)險(xiǎn)水平，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安全檢查基本吻合，從而驗(yàn)證了該方法可以進(jìn)行隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，需要采取相應(yīng)措施加強(qiáng)隧道施工過程的安全。