公路隧道設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的問題與對(duì)策

田偉， 王文星

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 浙江 杭州 310030)

公路隧道工程的安全狀態(tài)與地形地貌、工程地質(zhì)、水文等建設(shè)條件，工程設(shè)計(jì)、施工組織方案及運(yùn)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)、交通流量和組成等使用環(huán)境息息相關(guān)，并在勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)、管、養(yǎng)等各階段、各環(huán)節(jié)都不同程度地存在。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是隧道建設(shè)領(lǐng)域降低項(xiàng)目全生命周期安全風(fēng)險(xiǎn)的通用做法?？紤]到初步設(shè)計(jì)是確定工程建設(shè)方案的階段，也是工程安全管控的重要環(huán)節(jié)，交通運(yùn)輸部于2010年下發(fā)《關(guān)于在初步設(shè)計(jì)階段實(shí)行公路橋梁和隧道工程安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制度的通知》，要求從當(dāng)年9月1日開始在初步設(shè)計(jì)階段推行公路橋梁和隧道工程方案的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制度，對(duì)需要評(píng)估的四類特殊隧道作了界定，并在《公路橋梁和隧道工程設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》(下稱《指南》)中對(duì)評(píng)估流程和方法作了要求。這一制度的實(shí)施對(duì)于強(qiáng)化公路隧道設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)、降低事故概率、減少經(jīng)濟(jì)損失起到了積極作用。

安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是涉及路線、地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)、照明、監(jiān)控和交通安全等多個(gè)專業(yè)的系統(tǒng)性工程。國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合具體工程，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程、方法作了研究，如Rita L. Sousa、Audun Borg等采用貝葉斯方法開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，Ondrej Nyvlt等采用故障樹法進(jìn)行隧道運(yùn)營(yíng)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)事故評(píng)估，王立軍利用專家分析法和層次分析法確定風(fēng)險(xiǎn)控制因素與權(quán)值，白文琦等采用Monte Carlo法確定地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參數(shù)的敏感性和波動(dòng)性，何美麗等引入信息熵理論確定塌方風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)的權(quán)重并依照置信度識(shí)別準(zhǔn)則判定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，秦勝伍等采用最大熵原理和屬性區(qū)間識(shí)別理論建立了隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，侯東賽等采用綜合賦權(quán)-TOPSIS法評(píng)估隧道突水涌泥風(fēng)險(xiǎn)，楊卓等采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測(cè)巖溶隧道突涌水風(fēng)險(xiǎn)，黃宏偉等開發(fā)了基于數(shù)據(jù)庫的隧道工程風(fēng)險(xiǎn)管理軟件?？傮w而言，現(xiàn)有研究主要針對(duì)某一風(fēng)險(xiǎn)事件的評(píng)估方法，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的完備性、圍巖穩(wěn)定量化計(jì)算、風(fēng)險(xiǎn)綜合等級(jí)判定準(zhǔn)則一致性等方面還有待進(jìn)一步研究。此外，評(píng)估單位與專家之間的職責(zé)分工含糊，有些單位將專家調(diào)查表直接作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告。該文結(jié)合近年來參與的30余座隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體會(huì)，從安全等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)值分析作用、模糊綜合法評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、交通事故和火災(zāi)定量化評(píng)價(jià)、評(píng)估小組與專家對(duì)評(píng)估結(jié)論貢獻(xiàn)度等方面探討公路隧道設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中存在的問題與對(duì)策。

1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)偏于寬松和簡(jiǎn)單化

風(fēng)險(xiǎn)損失暨事故發(fā)生后果包括人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、質(zhì)量問題、工期延誤和環(huán)境影響等方面，每類后果等級(jí)分為5級(jí)?！吨改稀分杏嘘P(guān)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的判斷標(biāo)準(zhǔn)偏于寬松和簡(jiǎn)單化。

1.1 單個(gè)事故發(fā)生后果的判斷標(biāo)準(zhǔn)偏于寬松

風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)直接決定評(píng)估結(jié)論，但目前的標(biāo)準(zhǔn)過于寬松。如人員傷亡等級(jí)參考國務(wù)院《生產(chǎn)安全事故報(bào)告和調(diào)查處理?xiàng)l例》和《企業(yè)職工傷亡事故分類標(biāo)準(zhǔn)》確定判斷標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。

表1 人員傷亡等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前，公路工程建設(shè)已普遍落實(shí)安全生產(chǎn)責(zé)任制，全面推進(jìn)施工安全標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)公路建設(shè)“零事故、零傷亡”?！吨改稀分腥绱藢捤傻娜藛T傷亡等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)，已無法體現(xiàn)新時(shí)代尊重生命、以人為本的理念，也無法達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)控制的預(yù)期效果，建議大幅度提高標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。

環(huán)境影響等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)也類似，如2級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)為“需緊急轉(zhuǎn)移安置人數(shù)50人以上100人以下”，這種情況已經(jīng)是非常嚴(yán)重的社會(huì)影響。建議從地下水流失、危化品泄露、地表植被破壞面積等方面加以細(xì)化，并降低標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值。

1.2 確定風(fēng)險(xiǎn)后果等級(jí)的方法不夠周全

《指南》中評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)事件嚴(yán)重程度包括5個(gè)因素，并按照“就高”原則以等級(jí)最高的因素作為風(fēng)險(xiǎn)后果等級(jí)。如果各因素的等級(jí)非常接近，則這種確定風(fēng)險(xiǎn)后果等級(jí)的方法過于簡(jiǎn)單化。評(píng)價(jià)一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件的嚴(yán)重程度應(yīng)綜合各種風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生后的影響，考慮各種影響的累加效應(yīng)。因此，建議將各種風(fēng)險(xiǎn)后果折算成經(jīng)濟(jì)損失，如重傷1人的等價(jià)經(jīng)濟(jì)損失為20萬元、死亡1人為300萬元、工期延誤1 d為10萬元等，最后的總風(fēng)險(xiǎn)后果等級(jí)指標(biāo)值為5項(xiàng)等價(jià)經(jīng)濟(jì)損失的累加值，再按照《指南》中經(jīng)濟(jì)損失等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)綜合判斷風(fēng)險(xiǎn)后果等級(jí)。

2 風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率缺乏定量化評(píng)估手段

《指南》推薦的風(fēng)險(xiǎn)源發(fā)生概率和風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)估方法包括專家調(diào)查法、概率分析法、層次分析法、事故樹法和模糊綜合評(píng)價(jià)法，并均推薦采用專家調(diào)查法。專家調(diào)查法、層次分析法、模糊綜合法以其簡(jiǎn)便、明確的優(yōu)點(diǎn)而成為最常用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。但這種以定性為主、指標(biāo)體系法為輔的評(píng)估方法得出的結(jié)論與專家的經(jīng)驗(yàn)和樂觀程度有很大關(guān)系，實(shí)際評(píng)估中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同專家給出的結(jié)論存在較大偏差的現(xiàn)象。因此，建議借助數(shù)值分析方法作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要手段。

2.1 基于有限元強(qiáng)度折減法洞口失穩(wěn)概率分析

隧道洞口穩(wěn)定性是一個(gè)三維問題，建議采用基于有限元強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)作為評(píng)估洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率。強(qiáng)度折減法也稱為強(qiáng)度儲(chǔ)備法，其邊仰坡穩(wěn)定安全系數(shù)定義為使邊仰坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)巖土體抗剪強(qiáng)度(凝聚力c、摩擦角φ)折減程度，即巖土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時(shí)折減后抗剪強(qiáng)度的比值。其計(jì)算過程是對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)凝聚力c、摩擦角φ進(jìn)行折減[見式(1)、式(2)]，然后對(duì)隧道洞口進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，不斷加大折減系數(shù)反復(fù)計(jì)算，直至其達(dá)到臨界破壞，此時(shí)得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)Fs。

(1)

(2)

式中：cF為折減后凝聚力(kPa)；Ftrial為折減系數(shù)；φF為折減后摩擦角(°)。

分析時(shí)，建議參照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的要求，將安全系數(shù)1.50、1.25、1.00分別作為風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率等級(jí)1、3、5的定量分界值。

2.2 基于地層結(jié)構(gòu)法的塌方和巖爆概率分析

地層結(jié)構(gòu)法將隧道結(jié)構(gòu)和圍巖作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，在滿足變形協(xié)調(diào)條件的前提下分析隧道襯砌內(nèi)力及圍巖的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)。圍巖通?？刹捎梅蔷€性彈性、彈塑性或粘彈塑性模型，并采用釋放荷載和增量法模擬施工過程，最后根據(jù)圍巖的屈服接近度、塑性區(qū)范圍、襯砌構(gòu)件的安全系數(shù)等判斷圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

巖爆分析也可采用地層結(jié)構(gòu)法，通過施工過程模擬得到隧道開挖后重分布的應(yīng)力場(chǎng)，獲得最大主(拉)應(yīng)力σ1、最大切向應(yīng)力σθ，并根據(jù)巖石天然極限抗壓強(qiáng)度Rc、飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rb，采用盧森判據(jù)σθ/Rc、陶振宇判據(jù)Rc/σ1、樊建平判據(jù)Rb/σ1預(yù)測(cè)巖爆的烈度。3種判據(jù)的判別標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 巖爆判斷標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)際分析時(shí)，推薦采用陶振宇判據(jù)，將輕微、中等、強(qiáng)烈?guī)r爆分別作為風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率等級(jí)1、3、5的定量分界值。

3 模糊綜合評(píng)價(jià)法亟需可操作的指標(biāo)體系

模糊綜合法采用模糊理論和最大隸屬度原則對(duì)多因素系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，獲得目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)而獲得對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)，其中評(píng)價(jià)等級(jí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)范圍分別為[1，1.5)、[1.5，2.5)、[2.5，3.5)、[3.5，4]。該方法的基礎(chǔ)是建立風(fēng)險(xiǎn)事件評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。但《指南》中并未給出各單一風(fēng)險(xiǎn)事件的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包括風(fēng)險(xiǎn)源的二級(jí)指標(biāo)和權(quán)重、評(píng)價(jià)因素指標(biāo)的分界值等，導(dǎo)致評(píng)估人員無據(jù)可依，只能按照各自的認(rèn)知水準(zhǔn)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，很難保證不同工程師在背靠背情況下評(píng)估結(jié)論一致。下面以隧道施工過程中最常見的塌方和洞口失穩(wěn)兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件為例，提出評(píng)價(jià)因素指標(biāo)體系。

3.1 塌方事件的評(píng)價(jià)因素指標(biāo)

導(dǎo)致塌方的原因主要有地質(zhì)地貌、天氣水文、勘察設(shè)計(jì)、施工方法等4個(gè)客觀與主觀方面的因素，據(jù)此建立表3所示評(píng)價(jià)因素指標(biāo)體系。

表3 塌方模糊綜合評(píng)價(jià)因素指標(biāo)的分界值

注：B為隧道開挖洞徑(m)。

3.2 洞口穩(wěn)定的評(píng)價(jià)因素指標(biāo)

隧道洞口埋深較淺，圍巖壓力大，其穩(wěn)定性受地質(zhì)條件、水文條件、地形地貌、氣候、工程擾動(dòng)等多種因素控制。因此，建立表4所示評(píng)價(jià)因素指標(biāo)體系。

表4 洞口穩(wěn)定模糊綜合評(píng)價(jià)因素指標(biāo)的分界值

續(xù)表4

4 交通事故和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)事件缺乏量化標(biāo)準(zhǔn)

交通事故和火災(zāi)是隧道運(yùn)營(yíng)階段的兩個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)事件，與隧道平面線形、縱坡、橫斷面、通風(fēng)排煙方案、救援能力、監(jiān)控方案等因素有關(guān)，交通事故和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)決定隧道能否如期發(fā)揮交通功能。但《指南》中欠缺這兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率和事故等級(jí)判斷量化標(biāo)準(zhǔn)。建議以交通事故率、火災(zāi)發(fā)生率的定量化測(cè)算和隧道路段運(yùn)行速度差作為兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件評(píng)估依據(jù)。

4.1 交通事故率和火災(zāi)事故率的定量化測(cè)算

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》16.3.2條條文說明，交通事故和火災(zāi)發(fā)生率主要與長(zhǎng)度、交通量有關(guān)，按下式計(jì)算：

P=αLq×365×10-9

(3)

式中：P為隧道內(nèi)年事故概率估計(jì)值；α為隧道百萬車公里事故率；L為隧道長(zhǎng)度(m)；q為隧道單洞年平均日交通量(輛/d)。

參考國外標(biāo)準(zhǔn)和中國國情，該規(guī)范取隧道百萬車公里事故率為0.1、火災(zāi)事故率為0.04。

4.2 隧道路段的運(yùn)行速度檢驗(yàn)

公路交通事故與相鄰路段較大的運(yùn)行速度差有直接關(guān)系。運(yùn)行速度是指在特定路段(無橫向干擾等)，在干凈、潮濕條件和自由流的情況下，85%的駕駛員行車不會(huì)超過的行駛速度，簡(jiǎn)稱v85，它與公路平面、縱面、橫斷面和車型比例等設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)。運(yùn)行速度差越大，則事故率越高，由追尾等交通事故誘發(fā)的火災(zāi)發(fā)生率提高。因此，可將該指標(biāo)作為交通事故和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率等級(jí)評(píng)定依據(jù)。

評(píng)估時(shí)，先對(duì)隧道或隧道群內(nèi)路線進(jìn)行單元路段劃分，然后按照《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)指南》中的預(yù)測(cè)模型計(jì)算單元路段特征點(diǎn)的運(yùn)行速度v85，進(jìn)而得到各單元路段特征點(diǎn)的運(yùn)行速度差Δv85。當(dāng)同一隧道內(nèi)或毗鄰隧道群內(nèi)設(shè)計(jì)速度與運(yùn)行速度的差值大于20 km/h時(shí)，則對(duì)該路段進(jìn)行安全性檢驗(yàn)，如平曲線半徑、緩和曲線長(zhǎng)度、最小直線長(zhǎng)度、停車視距等檢驗(yàn)。建議將運(yùn)行速度差10、15、20 km/h作為交通事故風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率等級(jí)1、3、5的定量分界值。

5 評(píng)估單位和專家的關(guān)系欠明確

根據(jù)《指南》，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中需邀請(qǐng)不少于10名專家進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率等級(jí)、損失等級(jí)等調(diào)查，得到各事件區(qū)段風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)值的一維矩陣[R1]；評(píng)估單位也需采用一些定量與定性相結(jié)合的方法得到各風(fēng)險(xiǎn)事件等級(jí)值[R2]。但《指南》并未明確如何根據(jù)這兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件等級(jí)值得到最終風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)值[R]，有些單位則直接將專家調(diào)查結(jié)果作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)。

為體現(xiàn)評(píng)估單位的主體責(zé)任，同時(shí)吸收專家的智慧，建議按照評(píng)估單位60%、專家調(diào)查40%的權(quán)重比例匯總得到最終風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)值，即：

[R]=0.4×[R1]+0.6×[R2]

(4)

如果出現(xiàn)自評(píng)結(jié)果與專家調(diào)查結(jié)果偏差較大的情況，則進(jìn)行偏差分析，以免較高等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)因?yàn)椤氨黄骄倍z漏。

6 結(jié)語

針對(duì)公路隧道設(shè)計(jì)階段安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中存在的問題，結(jié)合大量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體會(huì)，提出一些對(duì)策措施，如嚴(yán)格化風(fēng)險(xiǎn)事故后果的判斷標(biāo)準(zhǔn)，將各種風(fēng)險(xiǎn)后果折算成經(jīng)濟(jì)損失并將總損失作為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；在洞口穩(wěn)定性、塌方、巖爆等風(fēng)險(xiǎn)事件評(píng)估中將數(shù)值分析結(jié)果作為風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率評(píng)估依據(jù)；細(xì)化和完善模糊綜合評(píng)價(jià)法的指標(biāo)體系；將交通事故和火災(zāi)發(fā)生率、運(yùn)行速度差作為評(píng)價(jià)交通事故和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的依據(jù)；將評(píng)估單位和專家調(diào)查結(jié)果分別按60%、40%的權(quán)重比例匯總成最終風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)值。這些對(duì)策措施尚屬個(gè)人淺見，還需收集更多的工程案例進(jìn)行驗(yàn)證，并開展多種評(píng)估方案之間的平行、對(duì)比研究，提高研究結(jié)論的客觀性和在背靠背情況下評(píng)估結(jié)果的一致性，為《指南》的修訂提供參考。