基于管理單元思想的隧道施工安全風險控制方法

馬佶卿

(中國鐵建股份有限公司 北京 100054)

1 引言

風險評估是鐵路建設工程必須開展的工作。隨著川藏鐵路等一大批國家重大工程的實施，隧道建設規(guī)模與技術難度越來越大，施工安全管控存在諸多不確定因素。因此，在隧道工程施工中，安全風險控制的精細化[1]、智能化要求越來越高，對建設人員提出了新的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的風險評估方法有基于風險評估模型的動態(tài)風險評估法和基于監(jiān)測數據的動態(tài)風險管理法，已廣泛應用于長大隧道施工管理。但是隧道施工環(huán)境復雜，有時難以明確導致風險事件發(fā)生的風險源，也難以將風險評估與風險事件結合起來考慮。隧道隱蔽工程多，水文地質條件復雜，機械設備多，風險管理死角易被遺漏，因此應以智能感知技術進行不安全狀態(tài)的監(jiān)測手段，運用深度學習進行風險識別、預測[2]。

對施工現場進行模塊化管理，實時發(fā)現問題、預測風險并高效決策，及時調整施工狀態(tài)，有助于施工安全風險控制。為此，本文從管理單元的角度出發(fā)，提出單元綜合評級模型，為復雜隧道施工安全風險提供評級與管理策略，為場所、地段、崗位、設備風險智能化辨識提供思路，有利于降低安全風險發(fā)生概率。

2 風險管理單元的定義與劃分

2.1 管理單元應用現狀及在隧道中的適應性

風險管理單元的應用多見于防災減災、化工風險管控等領域。焦紅等[3]將城市防災劃分為若干空間單元；張耀文等[4]將縣域作為洪澇災害風險評價管理單元；徐一星等[5]探討?；髽I(yè)風險管控單元的分級方法?；谶^程風險的單元管理理念被引入到生產過程中[6-8]，物料、設備操作、污染源等的風險管理水平得到加強。

長大隧道施工安全風險高，管理難度大，分段落、分場所管理符合現場實際，適合采用管理單元的方法進行風險評價與分級管控。根據隧道工程施工的場所、地段、崗位、設備等的不同，將隧道施工安全風險分配到各單元加以辨識、評估，并進行網格化控制，從而消除易漏風險的管理死角。劃分風險管理單元時，應確保每個單元劃分的獨立性(盡量不重疊)，且易于評價、管理。

2.2 隧道中風險單元的劃分方法

風險單元可分為場所類、地段類、崗位類、設備類。

場所類單元是指炸藥庫、油庫、拌和站、工人駐地、鋼架加工場等。為了便于風險管理，將每一處場所直接劃為一個單元。鑒于油庫、炸藥庫的特殊性，無需評估風險而直接劃為高風險單元。

地段類單元是指不良地質和特殊巖土地段，包括巖溶、富水軟弱破碎圍巖、風積沙和含水砂層、瓦斯、巖爆、膨脹性和擠壓性圍巖、黃土、凍土。鑒于各種不良地質和特殊巖土地段隧道的高風險特點，當隧道遇有高風險情況，每一段落應劃為一個單元；無不良地質和特殊巖土地段，按照一定的長度范圍劃分單元，可借鑒路基單位工程的劃分方法，每500 m劃為一個單元，地段類型變化處應作為單元分界點。因洞口地段安全風險很高，應單獨劃分管理單元。

崗位類單元是指將崗位或工種劃為單獨單元。工種包括架子工、焊工、電工、鉆爆工等。管理崗位包括項目經理、安全副經理、安全總監(jiān)等。不同崗位人員的安全意識、知識、技能、經驗等不同，應將每人劃為一個管理單元。其風險評估結果作為聘用、培訓依據。

大型施工裝備安全風險差異大，盾構機、通風機、移動臺車、自卸車、扒渣機、仰拱棧橋等大中型機械裝備，應單獨劃為單元。

3 管理單元綜合評級與管理

3.1 評級模型

每一種施工安全風險，可根據事故后果等級評分和發(fā)生概率等級評分結果，結合事故后果等級敏感系數和事故概率等級敏感系數[9]計算得到風險值:

式中:RISKi為第i種風險的評估值。li為第i種風險事故的后果等級評分，將后果嚴重性等級分為5級(輕微、一般、嚴重、很嚴重、災難)，采用事故案例庫歸納總結得到。pi為第i種風險事故的概率等級評分，將事故發(fā)生概率分為5級(很可能、可能、偶然、不可能、幾乎不可能)；場所類、崗位類管理單元的事故概率等級評分可由專家根據風險源和場所的關聯性給出，地段類、設備類管理單元的事故概率等級評分可由機器學習、智能預測給出。Sl(li)為第i種風險的事故發(fā)生后果等級敏感系數，為事故后果等級評分的因變量；結合事故案例庫，通過專家調查法加以確定。Sp(pi)為第i種風險的事故發(fā)生概率等級敏感系數，為事故概率等級評分的因變量；結合事故案例庫，通過專家調查法加以確定。

隨著智能建造技術發(fā)展，也可采用智能感知數據，運用智慧決策理論、機器學習理論等，預測每一風險的后果發(fā)生概率li。采用智能的方法確定事故后果嚴重性等級，評級方法:預先搜集大量的場景相關數據，將數據按風險源分類后，標定標簽，分為5種，即“輕微、一般、嚴重、很嚴重、災難”，生成相應的數據集(應區(qū)分訓練集、驗證集、測試集)，訓練神經網絡模型。在實際應用中，將管理單元內監(jiān)測到的可用指標(圖片、文本等格式的一切感知數據)，進行數據處理后作為輸入，判定是否符合該單元內的風險源特征。若符合某幾項風險事故特征，該模型會對應輸出等級評分值li。

3.2 評價步驟

借鑒風險源評估方法，風險管理單元的風險等級可按以下方法加以評定:

(1)由安全經驗豐富、熟悉類似工程的人員組成風險評估小組，將項目劃為若干單元。劃分單元時，應注意體量相近，尤其是地段類單元應確保其線路長度接近，以確保評價具有可對比性。

(2)針對工程現場實際情況，選擇某一單元，梳理其范圍內可能存在的風險。

(3)確定該單元每一風險的后果嚴重性等級，再采用智能方法確定事故后果發(fā)生概率pi。人工對每一后果等級評分li和每一事故后果發(fā)生概率pi做進一步進行真?zhèn)闻卸?，剔除失真數據?/p>

(4)根據事故后果等級評分、發(fā)生概率等級評分、事故后果等級敏感系數、事故概率等級敏感系數[9]計算得到某一風險值。

(5)累加單元范圍內的所有風險值，得到該風險管理單元的風險評估總分:

(6)分類對單元按評分(Runit)從高到低進行排序，其中崗位類單元應按人均風險評分進行排序:前30%的屬于高風險單元；30%～70%的屬于中風險單元；70%以后的屬于低風險單元。

4 單項風險評級與管理

采用劃分風險管理單元的方法能消除盲區(qū)、補齊短板。但當兩個管理單元工程體量差異較大或者風險數量差異較大時，風險值高的管理單元，其所轄重大風險源不一定多或突出，其分值可能是由大量一般風險源累加所致；反之，風險值低的管理單元，其重大風險源則可能存在，究其原因，可能是一般風險源較少。鑒于此，應采用單項風險的管控，以此補充存在的不足。

通過評價每一項風險的風險值，并按標準進行風險管理，可實現單項風險的分級控制。單項風險的評級，可采取以下3種方法:

(1)排序法

對于每一類風險單元中的單一風險(RISKi)評分從高到低進行排序，前30%的風險屬于高風險，30%～70%的風險屬于中風險，70%以后的風險屬于低風險。

(2)平均分值法

平均值法針對某一特定風險，其事故后果等級評分和發(fā)生概率等級評分均取所有專家評分的平均值，不區(qū)分專家水平和經驗程度。在考慮敏感系數后，采用式(1)計算出所有單項風險的評分，并根據評分所在區(qū)間劃分等級。具體為:①風險值處于(0，20)區(qū)間的，表示低風險。此類風險不需采取風險處理措施和監(jiān)測。②風險值位于(20，50)區(qū)間的，為中度風險。此類風險一般不需采取風險處理措施，但需予以監(jiān)測并加強風險管理。③風險值處于于(50，100)區(qū)間的，為高風險，必須采取風險處理措施以降低風險，加強監(jiān)測與風險管理，且滿足降低風險的成本不高于風險發(fā)生后的損失。④風險值高于100(含)的，表示極高風險。此類風險不可接受，必須高度重視并規(guī)避，要將風險至少降低到不期望的程度。

(3)專家權值法

專家的專業(yè)知識、經驗水平有所差異，評分結果往往不同。能力越強、經驗越豐富的專家，評價風險的準確度越高。因此，在計算某一單項風險的評價值時，可借鑒專家權值(wE)法[10]，即在專家評分時附加一個專家權重。

5 工程應用實例

5.1 工程概況

冬奧會崇禮鐵路是山區(qū)高標準、智能化高速鐵路，正盤臺隧道為其控制性工程。按冬奧要求，崇禮鐵路與京張高鐵2019年底同步開通，工期僅40個月。地質條件復雜，構造裂隙及地下水發(fā)育，施工期間受外部環(huán)境、實際揭示水文地質情況、施工效率等因素影響，工期異常緊張。

本文依據隧道勘察設計階段成果對涉及的塌方、涌水、突泥、大變形、下穿重要建筑物等典型風險進行了評估。本隧道綜合評估結果為高度風險隧道，需按照Ⅰ級風險進行管理。

5.2 綜合風險評級與管理

本文闡述正盤臺隧道的風險單元劃分情況，限于篇幅，不介紹崗位類單元劃分。

(1)場所類風險管理單元的劃分

經梳理，正盤臺隧道場所類風險管理單元共有23個，其中隧道進口炸藥庫、隧道出口炸藥庫和油庫直接劃為高風險單元；其余20個單元分別按照風險級別劃分方法進行打分排序，根據排序結果，高風險單元有隧道進口炸藥庫、隧道出口炸藥庫、油庫、鋼材庫、進口加工場、4＃斜井加工場、3＃斜井拌和站、隧道出口拌和站、進口拌和站。

(2)地段類風險管理單元的劃分

隧道圍巖級別、不良地質與特殊巖土地段在未開挖之前存在不確定性，只能根據勘察設計成果做初步劃分。故地段類風險管理單元應隨隧道掘進進行動態(tài)調整，同一管理單元的風險也隨之動態(tài)變化。

下列情況直接劃分為高風險單元(包含但不限于):洞口段；Ⅳ、Ⅴ級圍巖段掌子面；Ⅳ、Ⅴ級圍巖未施作二襯段；出現突涌水、瓦斯段；遭遇溶洞段；超前地質預報發(fā)現的有地下水體、溶洞等不良水文地質段；監(jiān)控量測異常段；下穿古長城段。出現下列情況之一時，立即提升風險級別(包含但不限于):圍巖級別提高；有突涌水征兆；瓦斯逸出；發(fā)生巖爆。

隨著隧道掘進，遭遇風險點會越來越多。隧道貫通前，風險點達到峰值；貫通后，風險點迅速減少。限于篇幅，不再詳列各階段風險管理單元劃分評級情況。

(3)設備類風險管理單元

設備類的風險評級應根據新舊程度、維護程度、安全防護水平、使用環(huán)境(潮濕環(huán)境、密閉空間)等確定。自卸車等移動設備應考慮制動、爬坡性能；用電設備關注漏電保護、絕緣性能等。

5.3 單項風險的信息化控制

信息化、智能化是鐵路隧道建造的發(fā)展方向[11]。正盤臺隧道施工過程中，研發(fā)并應用了一些智能技術，為安全風險控制提供物防與技防手段。

在超前地質預報中配合孔內成像技術，精準判斷掌子面前方地下水賦存部位、水量大小、節(jié)理數量、節(jié)理發(fā)育位置及圍巖完整性情況；結合其他預報技術，綜合分析掌子面前方水文、地質情況，制定針對性措施。

隧道洞門設置鐳射燈，將文字投影于地面以作警示；將監(jiān)控量測納入工序進行管理，開挖、仰拱及二襯施工等每一道工序開始前必須將監(jiān)控量測數據分析報告作為施工依據。

通過隧道門禁系統(tǒng)、安全定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現施工安全風險管控。隧道門禁系統(tǒng)由門禁桿、人員閘機、顯示屏、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)組成。顯示屏(LED)與人員定位系統(tǒng)結合，顯示進洞各工班人數及洞內人員總人數；人員定位系統(tǒng)采用在安全帽上添加芯片，精確顯示施工人員洞內位置，實時掌握各里程段施工人數；視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測掌子面及二襯施工情況。

6 結束語

在崇禮鐵路正盤臺隧道施工過程中，運用單元管理思想，通過精細化分析施工安全風險，精準采用安全風險控制策略，效果較為明顯；通過采用機械化作業(yè)線，減少作業(yè)人員數量，大幅減少風險控制薄弱環(huán)節(jié)，確保了正盤臺隧道按期安全竣工。

總體來看，研究成果的應用在正盤臺隧道重大方案優(yōu)化、施工過程安全風險控制與工期控制方面發(fā)揮了重要作用，充分說明風險管理單元劃分合理、安全風險評價與分級控制方法科學可行，據此所采取的安全風險管控措施得當、工期控制方案合理。