綜合管廊全生命周期安全風險辨識體系

強萬明， 商冬凡， 盧 明， 趙一凡

(河北省建筑科學研究院有限公司， 河北 石家莊 050022)

2015年以來，我國綜合管廊建設里程井噴式增長，至2018年4月，管廊擬在建里程已超7800 km[1,2]。管廊作為城市的“生命線工程”，一旦發(fā)生安全事故將會導致連鎖反應，造成供電、供暖和供水等設施癱瘓。因此如何構建合理、系統(tǒng)的綜合管廊風險辨識體系值得探究。本文在綜合管廊安全風險辨識研究中，引入全生命周期概念，構建完善的綜合管廊全生命周期安全風險辨識體系，為管廊建設決策提供了有力依據(jù)。

1 管廊安全風險辨識概述

1.1 綜合管廊安全風險辨識對象

綜合管廊安全風險辨識對象包括：綜合管廊廊體、附屬系統(tǒng)、入廊管線[3]。附屬系統(tǒng)主要包括:通風系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、標識系統(tǒng)、監(jiān)控與報警系統(tǒng)。入廊管線主要包括：給水管道、再生水管道、排水管道、天然氣管道、熱力管道、電力電纜和通信線纜。

1.2 綜合管廊安全風險辨識技術現(xiàn)狀

目前，國外在綜合管廊安全風險辨識方面的研究主要涉及與其他基礎設施的功能兼容和管廊運營中的風險控制等[4]，通過對項目區(qū)域的歷史用途進行全面研究，識別地下結構和管道的風險因素，在整體上多參考隧道風險辨識。另外在盾構隧道方面，大量采用故障樹分析法和層次分析法，對隧道掘進過程中可能發(fā)生不良事件的潛在風險進行探討。

在政策上，我國出臺的《城市地下綜合管廊運行維護及安全技術標準》，從設計參數(shù)和運營兩方面對管廊建設進行了規(guī)定。在技術上，多采用肯特法進行管線安全風險辨識[5]。目前，我國新建管廊將雨污水管道、再生水管道等也納入管廊，未來還考慮將垃圾管等納入管廊[6]，管道種類的增加也給安全風險辨識帶來更大的挑戰(zhàn)。

1.3 綜合管廊全生命周期安全風險辨識

本文在綜合管廊全生命周期理論的基礎上，根據(jù)階段可交付成果合理劃分單元進行聚類分析，再通過文獻對比、HHM(Hierarchical Holographic Model)層次全息模型法、WBS(Work Breakdown Structure)工作分解結構法和肯特法構建綜合管廊全生命周期安全風險辨識體系。對綜合管廊中存在的有害因素進行辨識和分析，為提出合理可行的安全對策和管理決策提供科學依據(jù)。

2 管廊全生命周期風險指標體系

在構建綜合管廊全生命周期風險指標體系時，首先進行全生命周期單元劃分，然后針對不同單元的性質(zhì)使用不同方法展開風險識別。最后通過德爾菲法、AHP(Analytic Hierarchy Process)層次分析法構建風險矩陣，量化指標。

2.1 綜合管廊全生命周期單元劃分

本文首先采用WBS分解結構法，遵循SMART原則，即：具體、可量化、可實現(xiàn)、相關性和有時限五個條件，分析管廊全生命周期。管廊項目全生命周期三級劃分結果如表1所示。根據(jù)表1，完成綜合管廊全生命周期的單元劃分，為管理決策提供科學依據(jù)。

表1 綜合管廊項目全生命周期的三級分解

綜合管廊全生命周期分為六個階段(圖1)，不同階段有不同的風險源，部分風險源存在交叉耦合，通過分析，將規(guī)劃階段和可研階段歸并為策劃階段，施工階段與驗收階段歸并為施工階段，故將綜合管廊依照：策劃階段、設計階段、施工階段和運營階段共四個單元進行全生命周期風險識別，梳理風險機理，建立風險清單，形成綜合管廊全生命周期風險指標體系。

圖1 綜合管廊全生命周期單元劃分

2.2 策劃階段風險

綜合管廊設計使用年限為100年，規(guī)劃和選址方面需要與道路和地鐵等地下空間協(xié)同進行，策劃階段考慮整個城市的未來發(fā)展。通過查閱資料，采用文獻對比的方法得到策劃階段主要風險：社會穩(wěn)定風險、項目融投資風險、土地使用風險、政策法律風險、信用和合同風險、項目審批風險、環(huán)境風險、項目公司風險和不可抗力風險。

2.3 設計階段風險

設計階段的風險具有隨機性、復雜性和多因素的特點，因此本文采用層次全息模型HHM法進行其風險因素的識別，從多維度、多視角、不同層面進行風險分析[7]。首先構建圖2所示的綜合管廊設計階段的風險識別HHM框架。將利益相關者、設計方案和設計目標管理作為綜合管廊設計階段風險識別的三個視角，它們處于平行層面，采用等級可變動的方法進行不同視角的風險識別[8]，如圖3所示。分析不同類別之間的內(nèi)在聯(lián)系，得到綜合管廊設計階段的風險因素清單，如表2所示。

圖2 設計階段的風險識別HHM框架

圖3 基于等級可變的綜合管廊設計階段風險識別流程

階段風險因素設計階段環(huán)保政策變動風險管線敷設安全距離管廊政策變動風險管道與廊體的間距資金供應風險管線引出口尺寸出入口尺寸逃生口尺寸入廊管線分艙依據(jù)人員通行區(qū)域尺寸斷面尺寸防火分區(qū)設計廊體分艙數(shù)目設計圖內(nèi)容缺失入廊管線種類各線路間產(chǎn)生碰撞最小埋深設計各專業(yè)溝通不暢設計人員設計理念圖紙與現(xiàn)場不符吊裝口設計通風設計接口設計管線支撐結構設計人員專業(yè)性設計方法新技術的應用材料、設備的選用防水設計線位設計干線、支線和纜線綜合管廊分布廊體與道路兩側建筑間距

2.4 施工階段風險

綜合管廊施工技術日趨完善，向著信息化、數(shù)據(jù)化和綠色環(huán)保的方向邁進。通過在施工階段應用BIM技術，對每一個施工步驟嚴格把關，最大程度上降低能耗、節(jié)約資源。綜合管廊的使用壽命關乎一座城市的發(fā)展，而施工的質(zhì)量在綜合管廊能否達到設計使用年限中起直接作用[9]。

基于施工技術的多樣性、復雜性和施工組織設計的特點，該階段采用WBS分解結構法分別進行風險識別。第一級將其分解為項目建設階段、項目試運行階段和竣工驗收階段，如圖4所示。

圖4 施工階段WBS任務分解

依據(jù)施工過程中階段可交付成果為導向?qū)椖抗ぷ鲀?nèi)容進行逐層分組。綜合考慮施工階段中的組織關系、外部制約、強制性邏輯、工藝流程、材料設備、人力資源、季節(jié)溫度并進行風險識別。

前期準備中存在：信用風險、施工組織方案、材料供應、地質(zhì)勘查、設計方案和施工作業(yè)環(huán)境風險。施工操作中存在：技術人員水平、地基處理、排水、支護襯砌、噪聲污染、水污染、揚塵、交通影響、工程變更、群眾干預、估計廢棄物污染和人員變動風險。施工管理中存在：缺乏高層管理支持、管理能力不足、預算不足、通風防火、自然災害、人員安全、管廊防水、隱蔽工程驗收、不同標段質(zhì)量不齊和關鍵人員沖突風險。移交過程存在：提前移交風險、不可抗力風險、驗收及竣工移交不到位風險。

2.5 運營階段風險

在綜合管廊的運營過程中，由于電力、雨水、污水、給水、燃氣等管線共同敷設，不同種類管線物理和化學性質(zhì)差異大，互相之間存在干擾，會引起耦合致災，必須要做到早發(fā)現(xiàn)、早解決。

本文基于肯特分析法，運用多災種耦合致災分析法進行改進建立綜合管廊運營階段的風險識別，其識別流程圖如圖5所示。

圖5 運營階段的風險識別流程

將綜合管廊運營階段風險識別的因素劃分為四個一級影響因素：第三方破壞、腐蝕因素、廊體因素和操作失誤。分別對四個一級影響因素進行研究，得到二級影響因素，并對所有二級影響因素進行耦合致災作用機理的分析，最終得到綜合管廊運營階段的風險因素。

(1)第三方破壞

管道事故的主要誘因是第三方破壞，其中包含人為破壞和環(huán)境破壞兩方面。具體因素指：管道標識、資金票據(jù)、人口密度、線路狀態(tài)、交通繁忙程度、巡線頻率、占壓情況、公共教育、地質(zhì)環(huán)境、附屬設備、運維系統(tǒng)、人為損害和信息共享安全。

(2)腐蝕因素

綜合管廊的腐蝕主要是兩部分：管道腐蝕和廊體腐蝕，都是由于與其他物質(zhì)接觸時發(fā)生物理及化學反應。管道腐蝕主要由于大氣環(huán)境腐蝕、輸送介質(zhì)腐蝕、管道內(nèi)防護、管道運行年限和防腐層種類；廊體結構腐蝕主要由于氯離子剝離、碳化、凍融作用，土壤對廊體的化學腐蝕、土壤中微生物對廊體的腐蝕、土壤對廊體的電化學腐蝕等。

(3)廊體因素

廊體因素主要包括廊體斷面尺寸和平面布局等設計因素，施工工藝和質(zhì)量等施工因素，以及綜合管廊運維中廊體產(chǎn)生的變形等風險。本節(jié)主要分析綜合管廊運維情況對廊體的影響。運維中誘發(fā)廊體安全事故的風險因素主要有：管線質(zhì)量、管線疲勞失效、管材材料老化、溫度、濕度、壓力、入廊管線安裝、管道接口檢測、廊體變形、出入口堵塞和日常監(jiān)測。

(4)操作失誤

綜合管廊在運營過程中采用了大量的新技術，例如：BIM、GIS、RS、可視化運維管理和物聯(lián)網(wǎng)等。其中涉及到龐雜的數(shù)據(jù)、軟件和算法，都存在人員操作失誤的風險。另外政府的補貼力度、入廊管線的意愿、運營期間責任問題、政府失信、運維制度的建立、管線入廊模式的選取等在運營過程中均存在操作失誤的風險，會導致經(jīng)濟損失，影響整個綜合管廊體系的使用[10]。

(5)多災種耦合機理分析

綜合管廊在使用過程中，由于管線問題、地質(zhì)變化和維護不當，有可能發(fā)生坍塌、不均勻沉降、爆炸、火災和中毒等災害。各管線中含有不同介質(zhì)，它們之間可以發(fā)生相互作用，導致各災種之間可能發(fā)生耦合、蔓延和衍生，其作用機理如圖6所示。

圖6 各災種作用機理

2.6 風險清單

在初級風險因素清單建立的基礎之上，通過與市政工程建設方面的專家進行交流，確認已經(jīng)識別的風險因素是否合理。再綜合考慮某項風險因素導致風險事件后綜合管廊系統(tǒng)的恢復能力，以及日常監(jiān)測維護活動可以規(guī)避的風險，過濾微小和較小的風險因素，建立最終地下綜合管廊風險因素清單如表3所示。

3 定量化分析

基于上述分析，采用德爾菲法和AHP層次分析法，確定各風險指標權重，再依據(jù)風險矩陣表確定風險等級。

3.1 構建風險判斷矩陣

首先設計調(diào)查問卷并且向30位管廊設計、施工和運營方面的專家發(fā)放問卷。針對判斷矩陣的準則，采用[1～9]尺度做為重要性標度，其中元素兩兩比較，判斷哪個重要，重要多少。

3.2 風險指標權重量化

依據(jù)上述標準，得到4個單元風險指標構成的4個風險矩陣，以及4個單元構成的風險矩陣，判斷是否滿足一致性并計算權重，最后根據(jù)4個單元構成的風險矩陣對各單元風險指標權重進行加權，得到綜合管廊全生命周期安全風險辨識體系中各指標的權重。根據(jù)權重的大小判斷其風險等級，如表3所示。

表3 風險指標權重及風險等級

4 結 語

目前在綜合管廊安全風險辨識研究中，仍處于跟蹤階段，存在層次不夠明顯，內(nèi)容不夠系統(tǒng)，辨識結果不夠客觀的現(xiàn)狀。對此，本文基于全生命周期概念，提供針對性的方法對各單元進行風險識別，選用層次分析法等進行數(shù)據(jù)處理，最終完成整個辨識體系的構建，兼具整體性、針對性、實踐性和數(shù)字化，對管廊的安全管理更具指導意義。具體研究結果如下：

(1)形成綜合管廊全生命周期具體概念，采用WBS分解結構法分析后將其劃分為：策劃階段、設計階段、施工階段和運營階段。

(2)通過文獻對比、層次全息模型法、多災種耦合分析和肯特法對4個階段進行深入的風險識別，形成包含109項指標的初級風險因素清單。

(3)結合層次分析法、德爾菲法和1～9標度法對初級風險指標進行篩分，過濾微小和極小風險指標，最終得到31項風險指標：策劃階段5項，設計階段9項，施工階段8項和運維階段9項，再通過構建風險矩陣計算權重，確定了風險等級。

綜合管廊建設和城市建設日新月異，地下物流系統(tǒng)和智慧城市理論不斷發(fā)展，雨污水管線和垃圾管道等新型管線逐步入廊，管廊與地鐵和地下商業(yè)等地下設施協(xié)同規(guī)劃，不同結構間的影響仍需進一步探究，綜合管廊全生命周期風險辨識體系仍需要不斷修正、更加深入。