長(zhǎng)大隧道建設(shè)與運(yùn)營(yíng)安全致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估綜述

仉文崗，梁文灝，覃長(zhǎng)兵，呂 剛，劉漢龍

(1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，在交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的指引下，我國(guó)公路及鐵路建設(shè)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，長(zhǎng)大、特大隧道不斷涌現(xiàn)。隨著隧道工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，目前，特長(zhǎng)隧道通常指長(zhǎng)度超過10 km的鐵路隧道或超過3 km的公路隧道，大直徑隧道通常指直徑超過10 m的隧道。截至2021年年底，我國(guó)投入運(yùn)營(yíng)的特長(zhǎng)公路隧道共1 599處，長(zhǎng)隧道6 211處。公路隧道總長(zhǎng)2 469.89萬延米，其中特長(zhǎng)隧道總長(zhǎng)717.08萬延米，長(zhǎng)隧道總長(zhǎng)1 084.43萬延米；我國(guó)投入運(yùn)營(yíng)的特長(zhǎng)鐵路隧道共235座，長(zhǎng)3 152 km；在建特長(zhǎng)鐵路隧道150座，長(zhǎng)2 435 km；規(guī)劃特長(zhǎng)鐵路隧道301座，長(zhǎng)約4 244 km[1]。已建成的直徑達(dá)10～14 m盾構(gòu)隧道工程共65項(xiàng)，14 m及以上超大直徑盾構(gòu)隧道工程共59項(xiàng)[2]。我國(guó)長(zhǎng)大隧道工程規(guī)模較大，但其施工成本較為高昂，且在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)階段的潛在風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)較高。然而，相比于我國(guó)隧道建設(shè)領(lǐng)域的高速發(fā)展，我國(guó)隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域的發(fā)展稍顯滯后，相關(guān)領(lǐng)域的研究還不夠充分和深入。本文對(duì)我國(guó)目前隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)安全致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，以期為該領(lǐng)域研究和工程人員提供一定參考。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)麻省理工學(xué)院Einstein H.H.教授是隧道及地下工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域早期研究的代表性人物。Einstein于20世紀(jì)70年代首次將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論引入隧道及地下工程領(lǐng)域，提出了隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估特點(diǎn)和應(yīng)遵循的理念，首次將不確定性引入隧道工程評(píng)估，針對(duì)硬巖隧道提出了基于計(jì)算機(jī)模擬的TCL(Tunnel Cost Model)隧道成本模型[3]。TCL模型考慮了施工過程中的地質(zhì)條件預(yù)測(cè)不確定性和施工過程中的不確定性因素。隨后，基于TCL模型，Einstein及其團(tuán)隊(duì)提出了DAT(Decision Aids in Tunneling)模型，研發(fā)了DAT隧道風(fēng)險(xiǎn)決策輔助系統(tǒng)，并在之后對(duì)其進(jìn)行不斷改進(jìn)[4]。

在Einstein研究基礎(chǔ)上，LEDEZMA研究了隧道不確定性因素和隧道成本之間的風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系[5]。STRUCK等結(jié)合已有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，以擬建斯德哥爾摩環(huán)形公路隧道工程背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析，提出一套應(yīng)用于公路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法[6]。KAMPMANN提出具體的隧道工程分類體系，并引入了蒙特卡洛方法(Monte Carlo Simulation)和電子表格(Spreadsheet)，構(gòu)建地鐵風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)模型[7]。KOLIC等以克羅地亞Mala Kapela公路隧道為工程背景，首次采用定性和定量相結(jié)合的方法，對(duì)MTM和TBM兩種典型隧道施工技術(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[8]。SNEL等以阿姆斯特丹南北地鐵為工程背景，提出IPB(Inventory of critical aspects、 Preventive measures、 Backup measure)風(fēng)險(xiǎn)管理模式[9]。

隨著隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域的逐漸發(fā)展，一系列隧道及地下工程領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)管理文件逐漸出臺(tái)。歐洲成立了Euro Test機(jī)構(gòu)，并提出Euro TAP(European Tunnel Assessment Program)計(jì)劃，對(duì)歐洲運(yùn)營(yíng)公路隧道展開逐年安全評(píng)估工作，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果制定相應(yīng)的隧道運(yùn)營(yíng)安全管理標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際隧道協(xié)會(huì)(International Tunnelling association， ITA)發(fā)布《隧道風(fēng)險(xiǎn)管理指南》，為隧道工程風(fēng)險(xiǎn)管理提供一套完整的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)。英國(guó)隧道協(xié)會(huì)聯(lián)合ITA發(fā)布《隧道及地下工程管理作業(yè)規(guī)范》。國(guó)際隧道工程保險(xiǎn)集團(tuán)發(fā)布《隧道工程風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)踐規(guī)程》。歐盟頒布《歐洲隧道安全指南》，指出針對(duì)各種隧道的定量評(píng)估方法。隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的理念逐漸得到廣泛接受。

早期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法多為定性方法，例如失敗樹(Fault Tree Analysis， FTA)方法、事件樹(Event Tree Analysis， ETA)方法等。其中，代表性方法有Eskesen等提出的風(fēng)險(xiǎn)矩陣法(Risk Matrix)，Clark等提出的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法(Risk Index)[10]等。隨著隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域的不斷發(fā)展，單純的定性方法不再滿足工程和研究人員的需求，半定量方法以及定量方法(Quantitative Risk Assessment，QRA)被引入進(jìn)隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域。

其中，層次分析法(Analytic Hierarchy Process， AHP)以及模糊層次分析法(Fuzzy Analytical Hierarchy Process， FAHP)得到廣泛應(yīng)用。AHP法是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty T.L.于20世紀(jì)70年代提出的評(píng)估方法，是一種將定性和定量分析方法相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法。AHP法在專家調(diào)查法的基礎(chǔ)上運(yùn)用數(shù)學(xué)方法來確定權(quán)值，在一定程度上減少了專家主觀因素的影響。其主要思想為通過將復(fù)雜問題分解為若干層次和若干因素，對(duì)兩兩指標(biāo)之間的重要程度作出比較判斷，建立判斷矩陣，通過計(jì)算判斷矩陣的最大特征值以及對(duì)應(yīng)特征向量，以得到不同方案重要性程度的權(quán)重，為最佳方案選擇提供依據(jù)[11]。AHP法為半定性半定量方法，由于其概念清晰，實(shí)用性強(qiáng)，該方法在隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。需要指出的是，對(duì)于AHP法，不同指標(biāo)相對(duì)權(quán)重的確定是該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的重點(diǎn)，如何合理確定不同元素的相對(duì)權(quán)重對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果有重要影響。而傳統(tǒng)的層次分析法在確定指標(biāo)相對(duì)權(quán)重時(shí)，由于其自身局限性，其判斷矩陣的一致性和權(quán)重排序向量的精度難以得到保證。實(shí)際工程應(yīng)用中，AHP方法往往與專家打分法相結(jié)合，因而指標(biāo)相對(duì)權(quán)重的確定具有一定主觀因素，從而對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

在AHP法的基礎(chǔ)上，模糊層次分析法(FAHP)逐漸發(fā)展起來。FAHP法將AHP法和模糊綜合評(píng)價(jià)相結(jié)合，在使用AHP法確定各指標(biāo)權(quán)重后，用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)模糊指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定。相比于AHP法，F(xiàn)AHP法在步驟上僅有兩點(diǎn)不同[12]。

(1)在AHP中通過元素的兩兩比較構(gòu)造判斷矩陣，而在FAHP中通過元素兩兩比較構(gòu)造模糊一致判斷矩陣。

(2)由模糊一致矩陣求表示各元素相對(duì)重要性的權(quán)重方法與由判斷矩陣求權(quán)重的方法不同。

FAHP方法在一定程度上彌補(bǔ)了AHP方法的自身理論缺陷，將模糊數(shù)學(xué)引入隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中。由于在隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域存在著大量的模糊現(xiàn)象和模糊概念，F(xiàn)AHP法相比于AHP法在該領(lǐng)域得到了更為廣泛的應(yīng)用，迄今為止仍被大量研究人員和工程人員采用，用于隧道工程單因素或多因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中。KHADEMI HAMIDI等采用FAHP方法，以Zagros隧道為工程背景，開展了惡劣地質(zhì)條件下的隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并基于評(píng)估結(jié)果選擇了合適的TBM型號(hào)進(jìn)行隧道施工[13]。ALIAHMADI以Resalat隧道為案例，基于智能專家決策法和FAHP，對(duì)隧道設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中的風(fēng)險(xiǎn)管理提供了解決方案[14]。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian Networks， BN)也被應(yīng)用于隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)又稱“信度網(wǎng)絡(luò)”，于1985年由Judea Pearl率先提出，是圖論和概率論結(jié)合的產(chǎn)物，所有網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)清晰可見。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)有向無環(huán)圖，由節(jié)點(diǎn)變量與有向邊組合構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)代表隨機(jī)變量，有向邊表示變量間的直接依賴或因果關(guān)系，是由父節(jié)點(diǎn)指向后代節(jié)點(diǎn)[15-16]。BN法具有強(qiáng)大的計(jì)算和推理能力，能夠根據(jù)新輸入的數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行更新，且即使部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，也能夠進(jìn)行學(xué)習(xí)和計(jì)算，在復(fù)雜項(xiàng)目管理中體現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，BN法可以由FTA方法構(gòu)建的事故樹轉(zhuǎn)化而來，從而避免了直接構(gòu)造貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的難題。基于以上優(yōu)點(diǎn)，BN法在隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中得到了一定程度的應(yīng)用。SOUSA等以葡萄牙Porto Metro項(xiàng)目為工程背景，基于BN提出了地質(zhì)預(yù)測(cè)-施工決策組合模型，在隧道施工前預(yù)測(cè)地質(zhì)以選擇風(fēng)險(xiǎn)最小的施工策略[17]。同樣基于BN，ZHANG和SKIBNEWSKI等對(duì)復(fù)雜項(xiàng)目環(huán)境條件下隧道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估和全過程控制決策分析[18]。進(jìn)一步地，WU和SKIBNEWSKI等采用了動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Dynamic Bayesian Networks，DBN)模型，在原BN模型上作出了改進(jìn)[19]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

相比于國(guó)外，我國(guó)開展隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相對(duì)較晚。同濟(jì)大學(xué)丁士昭教授是我國(guó)大陸最早開展隧道及地下工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究人員。丁士昭和其研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了計(jì)算機(jī)管理信息系統(tǒng)(PMIS-SM)，并將其應(yīng)用于上海地鐵1號(hào)線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理[20]。

然而，我國(guó)在隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域發(fā)展十分迅速。范益群等將可靠性理論運(yùn)用于隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，提出了改進(jìn)的層級(jí)分析方法[21]。毛儒將國(guó)外風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估成果引進(jìn)國(guó)內(nèi)，采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法對(duì)沉管隧道和圓形隧道進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[22]。路美麗等對(duì)國(guó)內(nèi)外隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法進(jìn)行了總結(jié)，為后續(xù)研究指明了方向[10]。黃宏偉針對(duì)國(guó)內(nèi)外風(fēng)險(xiǎn)管理研究進(jìn)展進(jìn)行了討論，指出了我國(guó)目前在領(lǐng)域存在的問題[23]。邊亦海、黃宏偉等將可信性風(fēng)險(xiǎn)分析方法和基于權(quán)重的專家調(diào)查法引入深基坑施工期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中[24]。夏永旭等建立了我國(guó)公路隧道安全等級(jí)劃分計(jì)算模型，并將我國(guó)公路隧道安全等級(jí)劃分為五級(jí)[25]。胡群芳對(duì)盾構(gòu)隧道建設(shè)期襯砌結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，并對(duì)其各風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了重要度排序[26]。陳亮、黃宏偉等研發(fā)并改進(jìn)了盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)管控系統(tǒng)[27]。吳波撰寫了《隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理研究與實(shí)務(wù)》一書，對(duì)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理進(jìn)行了系統(tǒng)研究[28]。仉文崗等對(duì)隧道施工與運(yùn)營(yíng)過程中的風(fēng)險(xiǎn)可靠度分析方法進(jìn)行了綜述，進(jìn)一步提出其研究方向?qū)⒊騾?shù)的不確定性表征、發(fā)展高效的可靠度計(jì)算方法、新舊隧道與近接構(gòu)筑物的風(fēng)險(xiǎn)分析、以及運(yùn)營(yíng)隧道的風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估體系建立4個(gè)方面發(fā)展。

國(guó)內(nèi)也逐漸開始制定隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相關(guān)的規(guī)范與指南。2003年，建設(shè)部等九部委聯(lián)合頒布了《地鐵與地下工程建設(shè)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)控制導(dǎo)則》。2007年，原鐵道部頒布了《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理暫行規(guī)定》，中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)編制完成了《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理暫行規(guī)定》。2011年，交通部頒布了《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南(試行)》。2012年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布了GB50652—2011《軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》。

隨著隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域在國(guó)內(nèi)的飛速發(fā)展，眾多研究人員將國(guó)外風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法引入國(guó)內(nèi)。迄今為止，已有大量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法被應(yīng)用于隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域，如AHP方法、FAHP方法、BN方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等。和國(guó)外研究現(xiàn)狀相似，AHP法以及FAHP法應(yīng)用最為廣泛。羅玉屏采用AHP法建立了公路隧道交通安全模糊評(píng)判體系[29]。劉輝等采用FAHP方法，建立了公路隧道施工安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[30]。鞏航軍采用Delph法和AHP法，建立了高速公路隧道運(yùn)營(yíng)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[31]。程遠(yuǎn)等綜合采用工程地質(zhì)勘察和專家調(diào)查法，找出了茅山隧道施工中可能存在的6項(xiàng)基本風(fēng)險(xiǎn)，并采用AHP方法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重進(jìn)行了確定[32]。劉偉采用FAHP法對(duì)山嶺公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估[33]。馬安震采用FAHP法對(duì)長(zhǎng)大隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估[34]。

BN方法也被引入國(guó)內(nèi)隧道工程中。趙冬安基于FTA和BN方法，對(duì)于地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估[16]。張姣基于實(shí)際事故數(shù)據(jù)，提出了基于BN模型的地鐵盾構(gòu)隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[35]。郭發(fā)蔚等以龍家?guī)r隧道數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出了基于BN方法的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)估方法[15]。WANG等采用BN方法和RVM(Relevance Vector Machine)方法，對(duì)隧道引起的對(duì)鄰近建筑物的損傷進(jìn)行了評(píng)估[36]。

同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法也逐漸被應(yīng)用于隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域，尤其被應(yīng)用于隧道巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中[37-38]。BP網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一種由輸入到輸出的映射，能夠?qū)W習(xí)大量的輸入和輸出之間的映射關(guān)系，而不需要任何輸入和輸出之間的精確數(shù)學(xué)表達(dá)式，只需要用已知的模式對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)加以訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò)就有輸入輸出之間的映射能力[37]。隧道工程地質(zhì)和工程環(huán)境復(fù)雜，致災(zāi)因子眾多，分析和確定各因素權(quán)重的過程較為復(fù)雜，且存在一定的主觀因素。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法通過大量的數(shù)據(jù)輸入對(duì)模型進(jìn)行迭代和改進(jìn)，以使輸出結(jié)果與輸出結(jié)果更好地吻合。在有大量數(shù)據(jù)供其學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果較為吻合[38-39]，能夠一定程度上為實(shí)際工程提供指導(dǎo)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的優(yōu)點(diǎn)在于，不需要確定致災(zāi)因子和災(zāi)害之間具體的關(guān)系和表達(dá)式，只需要通過大量數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷的訓(xùn)練和迭代，就可以對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。其缺點(diǎn)同樣在于，需要提供大量、精確的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，而在實(shí)際工程中難于獲得如此翔實(shí)的數(shù)據(jù)。尤其是當(dāng)實(shí)際工程地質(zhì)情況與輸入訓(xùn)練數(shù)據(jù)發(fā)生較大改變時(shí)，其預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性仍待進(jìn)一步檢驗(yàn)。

除上述提到的主要方法外，隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域還涌現(xiàn)出了許多新的或改良的研究方法。曹文貴等建立了新奧法隧道施工風(fēng)險(xiǎn)非線性模糊評(píng)判方法，并驗(yàn)證了該方法的可行性[40]。劉保國(guó)等建立了集德爾菲法、模糊綜合評(píng)判和網(wǎng)絡(luò)分析法于一體的模糊網(wǎng)絡(luò)分析法，并將其應(yīng)用于公路山嶺隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中[41]。桂志敬等針對(duì)《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南(試行)》進(jìn)行了分析，指出了其存在的不足，進(jìn)一步提出了公路隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的優(yōu)化建議[42]。

從上述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法逐漸由定性分析方法向半定量或定量分析方法轉(zhuǎn)變。同時(shí)，在以往單一風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法基礎(chǔ)上，研究人員對(duì)于不同風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法進(jìn)行組合，以期針對(duì)不同的實(shí)際工程狀況進(jìn)行更為準(zhǔn)確的隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2 隧道建設(shè)與運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系及評(píng)估方法

隧道環(huán)境復(fù)雜，具有多種風(fēng)險(xiǎn)源。建立全面且有效的隧道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系是進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)。常見的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系分為單因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系和多因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。單因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估針對(duì)隧道項(xiàng)目某一具體災(zāi)害進(jìn)行研究，分析其風(fēng)險(xiǎn)源，能夠?qū)υ摓?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行更為精準(zhǔn)的評(píng)估。由于不夠全面，對(duì)項(xiàng)目可能遭受的其他災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有所欠缺。相對(duì)地，多因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估則針對(duì)隧道項(xiàng)目整體，分析其可能發(fā)生的各類災(zāi)害及對(duì)應(yīng)的致災(zāi)因子，對(duì)項(xiàng)目整體風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面分析。然而，缺乏對(duì)重點(diǎn)災(zāi)害細(xì)致深入的單項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)該災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和后果可能估計(jì)不足。在實(shí)際工程中，將單因素專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和多因素整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相結(jié)合，能夠在全面評(píng)估隧道項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，又針對(duì)重點(diǎn)災(zāi)害進(jìn)行單因素、單項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，使項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估更為全面、細(xì)致和完善。下面將主要介紹單因素和多因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究方法和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的區(qū)別。由于篇幅所限，本章所列表格中，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系僅列舉了一級(jí)指標(biāo)。

2.1 單因素隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1.1 建設(shè)階段

隧道建設(shè)過程中風(fēng)險(xiǎn)眾多，截至目前，已有眾多學(xué)者針對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行了隧道建設(shè)階段單因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。本節(jié)選取了涌水、塌方、巖爆三類代表性隧道致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行介紹。

(1)涌水

涌水又稱突水或突泥，是隧道工程中常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，其實(shí)質(zhì)為圍巖的含水層結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力條件和圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)因隧道開挖而發(fā)生急劇變化，存貯在地下水體中的能量瞬間釋放，并以流體形式高速地向隧道內(nèi)運(yùn)移的一種動(dòng)力破壞現(xiàn)象[43]。迄今為止，隧道涌水單因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系和評(píng)估方法中，代表性的評(píng)估體系和評(píng)估方法如表1所示。

表1 隧道建設(shè)階段涌水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

由表1可知，隧道涌水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系主要由工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、隧道設(shè)計(jì)及施工構(gòu)成。研究人員將眾多新風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和AHP法以及FAHP法相結(jié)合，應(yīng)用到隧道涌水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中。除表1中列舉以外，一些研究人員還采用了其他風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)隧道涌水進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，如加權(quán)平均法、多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)方法、BN方法等。此外，研究表明，季節(jié)變動(dòng)引起的含水層變化對(duì)巖溶隧道涌水風(fēng)險(xiǎn)有一定程度影響[54]。

(2)塌方

塌方是隧道工程主要風(fēng)險(xiǎn)源之一，致塌因素眾多，機(jī)制復(fù)雜，具有諸多不確定性[55]。迄今為止隧道塌方單因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系和評(píng)估方法中，代表性的評(píng)估體系和評(píng)估方法如表2所示。

表2 隧道建設(shè)階段塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

比較表2可知，隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系和隧道涌水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系主要構(gòu)成類似，同樣由工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、隧道設(shè)計(jì)及施工構(gòu)成。區(qū)別在于評(píng)估涌水風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，細(xì)分評(píng)價(jià)指標(biāo)更偏向于水文地質(zhì)；而評(píng)價(jià)塌方風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，細(xì)分評(píng)價(jià)指標(biāo)更偏向于工程地質(zhì)和隧道設(shè)計(jì)及施工。隧道塌方和涌水在細(xì)分評(píng)價(jià)指標(biāo)上，以及后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)權(quán)重計(jì)算上的區(qū)別，共同反映出隧道塌方和涌水風(fēng)險(xiǎn)孕災(zāi)機(jī)制的不同。此外，李宜城等通過引入動(dòng)態(tài)權(quán)重的概念，提出了一種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估新方法，以隧道工程施工塌方風(fēng)險(xiǎn)為例，詳細(xì)論述了以動(dòng)態(tài)權(quán)重為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程[65]。

(3)巖爆

巖爆是高應(yīng)力巖石地下工程一種常見災(zāi)害，常常表現(xiàn)為片狀剝落、嚴(yán)重片幫，有的伴有聲響及巖片彈射、能量猛烈釋放、洞室突然破壞[66]。由于巖爆具有極高的復(fù)雜性和不確定性，迄今為止，巖爆預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域已涌現(xiàn)眾多方法，本小節(jié)主要介紹隧道巖爆預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法中的代表性方法，如表3所示。

表3 隧道建設(shè)階段巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

由表3可以發(fā)現(xiàn)，相比于隧道涌水和塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，由于巖爆致災(zāi)因素眾多，隧道巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法更為多樣，同時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工智能方法在該領(lǐng)域得到了更多應(yīng)用。

除表3所列巖爆預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法以外，眾多研究人員在巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估上開展了綜合研究。呂慶等通過三維有限元反演工程區(qū)的初始應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)合隧道斷面開挖數(shù)值分析結(jié)果和現(xiàn)有多種巖爆判別準(zhǔn)則，對(duì)蒼嶺隧道巖爆進(jìn)行了預(yù)測(cè)[74]。王慶武等以拉林鐵路巴玉隧道為研究對(duì)象，利用工程類比和三維數(shù)值反演方法獲得隧道工程區(qū)初始應(yīng)力場(chǎng)，利用修改后的谷-陶巖爆判據(jù)對(duì)隧道進(jìn)行了巖爆預(yù)測(cè)[75]。肖亞勛等在錦屏Ⅱ水電站3號(hào)引水隧洞極強(qiáng)巖爆段段實(shí)施了“先半導(dǎo)洞+TBM聯(lián)合掘進(jìn)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，TBM半導(dǎo)洞掘進(jìn)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于TBM全斷面掘進(jìn)[76]。劉成禹等以烏茲別克斯坦卡姆奇克隧道為工程背景，將巖體結(jié)構(gòu)分析與電磁輻射監(jiān)測(cè)相結(jié)合，對(duì)巖爆進(jìn)行了預(yù)測(cè)[77]。

2.1.2 運(yùn)營(yíng)階段

我國(guó)對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估起步較晚。在隧道運(yùn)營(yíng)階段，由交通事故造成隧道的損害可主要?dú)w納為車輛碰撞和火災(zāi)。目前我國(guó)關(guān)于隧道運(yùn)營(yíng)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估多為綜合性評(píng)估，單因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究較少，主要關(guān)注隧道運(yùn)營(yíng)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

趙峰對(duì)公路隧道運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了深入研究，對(duì)國(guó)內(nèi)外公路隧道事故數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，首次提出了針對(duì)我國(guó)的隧道運(yùn)營(yíng)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，并將其和國(guó)外準(zhǔn)則進(jìn)行了對(duì)比[78]，此外，他對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)和逃生進(jìn)行研究，結(jié)合場(chǎng)景分析法和系統(tǒng)分析法，建立了適用于我國(guó)的公路隧道運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。張玉春等根據(jù)隧道火災(zāi)時(shí)人員疏散的隨機(jī)性特性，采用蒙特卡洛方法建立了隧道火災(zāi)人員死亡概率風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估方法，并基于該模型，利用FDS軟件對(duì)某特長(zhǎng)隧道進(jìn)行了模擬分析[79]。張崇對(duì)于公路隧道火災(zāi)致災(zāi)機(jī)理進(jìn)行了研究，繪制了火災(zāi)致災(zāi)機(jī)理圖，按消防設(shè)計(jì)規(guī)范建立了指標(biāo)體系，采用AHP方法進(jìn)行了公路隧道消防安全評(píng)估[80]?？的葘?duì)公路隧道火災(zāi)危險(xiǎn)源進(jìn)行了辨識(shí)，分析了隧道火災(zāi)的動(dòng)態(tài)變化過程，通過改進(jìn)的FAHP方法，建立了公路隧道運(yùn)營(yíng)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系[81]。

2.2 多因素隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

如前文所述，隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)階段環(huán)境極為復(fù)雜，致災(zāi)因子眾多，容易導(dǎo)致多種災(zāi)害。采用多因素隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，能更好地對(duì)隧道不同階段所有可能發(fā)生的災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。本小節(jié)從建設(shè)和運(yùn)營(yíng)兩個(gè)階段出發(fā)，對(duì)多因素隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

2.2.1 建設(shè)階段

建設(shè)階段代表性的隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究現(xiàn)狀如表4所示。

表4 隧道建設(shè)階段多因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

由此可知，早期隧道建設(shè)階段多因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法仍主要以AHP方法和FAHP法為主。隨著該領(lǐng)域逐漸發(fā)展，研究人員逐漸將其他風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法應(yīng)用于該領(lǐng)域。研究人員建立隧道建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的方法也有所不同，如馬安震[34]、梁宏浩[39]等主要根據(jù)環(huán)境、施工、管理對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行分類；黃震等根據(jù)盾構(gòu)隧道開挖不同階段對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行分類[82]。除表4提及的文獻(xiàn)外，趙東安針對(duì)地鐵車站深基坑工程建設(shè)，將其風(fēng)險(xiǎn)因素劃分為6類：基坑開挖現(xiàn)場(chǎng)、連續(xù)墻施工現(xiàn)場(chǎng)、輕軌加固現(xiàn)場(chǎng)、圍擋現(xiàn)場(chǎng)、注漿施工現(xiàn)場(chǎng)、現(xiàn)場(chǎng)管理[16]。

2.2.2 運(yùn)營(yíng)階段

目前常見的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法綜合考慮了人、車、隧道、管理4方面，對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)階段風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，如表5所示。

表5 隧道運(yùn)營(yíng)階段多因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

在隧道運(yùn)營(yíng)階段，目前的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法絕大多數(shù)仍以傳統(tǒng)的模糊綜合評(píng)價(jià)法和AHP法為主。未來在該領(lǐng)域研究人員可考慮將其他風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法引入隧道運(yùn)營(yíng)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，或?qū)⑵渌L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法與現(xiàn)有方法相結(jié)合。

3 結(jié)論與未來研究展望

針對(duì)隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并就目前國(guó)內(nèi)外主要隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法進(jìn)行總結(jié)，對(duì)主要風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法進(jìn)行介紹，得到如下結(jié)論。

(1)隨著隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域的不斷發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要采用定量或半定量方法，單純的定性分析法已較少被采用。

(2)目前最為廣泛采用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法為層次分析法和模糊層次分析法。此外，貝葉斯方法、蒙特卡洛方法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、可拓綜合評(píng)判法等其他方法也逐步被應(yīng)用于隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域。本文就層次分析法和模糊層次分析法、貝葉斯方法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

(3)涌水、塌方、巖爆等是隧道建設(shè)階段面臨的主要災(zāi)害。在采取多因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的同時(shí)，對(duì)于發(fā)生概率較高的災(zāi)害還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行專項(xiàng)單因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。對(duì)于隧道建設(shè)階段多因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，其指標(biāo)體系主要考慮工程自身、地質(zhì)環(huán)境、施工管理等因素。

(4)車輛碰撞、火災(zāi)是隧道運(yùn)營(yíng)階段可能遭受的主要災(zāi)害。對(duì)于隧道運(yùn)營(yíng)階段多因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，其指標(biāo)體系主要考慮了人、車、隧道、管理等因素。此外，應(yīng)更關(guān)注長(zhǎng)大運(yùn)營(yíng)隧道異常事件的危害性，這類異常事件包括飄落物、異常停車、交通事故、車輛冒煙起火、異常行車、行人闖入等。一般而言，異常事件難于快速發(fā)現(xiàn)和預(yù)警，預(yù)警管控不達(dá)標(biāo)會(huì)造成事件事故負(fù)面影響的擴(kuò)大；其次，隧道是一個(gè)密閉空間，空間感差，視野受限，與公路這類開放式環(huán)境事件處置截然不同，救援難度大；再者，隧道的特殊性導(dǎo)致事故易發(fā)、多發(fā)，以及二次事故，且事故處置代價(jià)大。因此，亟需構(gòu)建包括全息感知、科學(xué)決策、精準(zhǔn)管控、有效處置四大功能體系的一個(gè)全局快速聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。其具體工作主要包括：①應(yīng)用AI圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)隧道內(nèi)的安全隱患實(shí)施全息感知；②開展前端多源數(shù)據(jù)融合和大數(shù)據(jù)算法進(jìn)行后端管理；③預(yù)置各場(chǎng)景的應(yīng)急預(yù)案、知識(shí)圖譜；④建立知識(shí)-數(shù)據(jù)協(xié)同驅(qū)動(dòng)隧道預(yù)警平臺(tái)進(jìn)行綜合分析決策。

總體而言，國(guó)內(nèi)外隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以半定量或定量方法為主，且單一風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的精準(zhǔn)性和全面性不再能滿足復(fù)雜的實(shí)際工程狀況，不同風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和新技術(shù)之間的交叉融合是該領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢(shì)。建議綜合實(shí)際工程狀況，在傳統(tǒng)FAHP方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合BN方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、云理論、可拓評(píng)判法、熵權(quán)法等，對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行更為全面和精確的評(píng)估。在隧道建設(shè)階段，既需要對(duì)隧道進(jìn)行多因素的整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，也需要對(duì)重點(diǎn)災(zāi)害進(jìn)行單項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，如塌方、巖爆、涌水、瓦斯等。在隧道運(yùn)營(yíng)階段，目前研究多集中于因交通事故而導(dǎo)致的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及處置。對(duì)于通風(fēng)、光照變化等其他致災(zāi)因子的研究有一定進(jìn)展，但還不夠全面與系統(tǒng)，亟需進(jìn)一步深入研究。此外，加強(qiáng)AI、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在長(zhǎng)大隧道建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的研究與應(yīng)用，并以新技術(shù)、新設(shè)備不斷賦能隧道運(yùn)營(yíng)安全管理。