風險管理在隧道工程監控量測中的應用

盧穎明

(中國鐵道科學研究院，北京 100081)

1 隧道工程概況

銅鑼山隧道是納黔高速公路C19合同段重點控制工程，設計行車速度為80 km/h，主洞建筑界限為10.25 m×5.00 m(凈寬×凈高)。隧道進口位于曲線段，為雙洞單向行車隧道，左洞長度為2 133 m(ZK128+260～ZK130+393)，右洞長度為2 068 m(YK128+267～YK130+335)，隧道進出口均采用削竹式洞門。

進洞段位于斜坡上，斜坡自然坡度15°～30°，隧道洞口軸線與地形等高線近于垂直。洞口段地形條件較好，無斜坡變形現象。通過地表工程地質測繪未發現滑坡、崩塌等不良地質現象。

Ⅳ級圍巖拱部無支護時，圍巖自穩時間短，在隧道洞室的拱部、肩部均易發生松動變形、小塌方，進而發展為中、大塌方。Ⅴ級圍巖開挖后，圍巖易坍塌，處理不當會出現大坍塌。因此施工方邊開挖邊進行噴錨臨時支護，采用臺階分部開挖，初期支護應及時，及時封閉成環。

隧址區地震基本烈度為6度。

2 隧道工程建設中風險管理的定義

隧道結構處于地下，其地質條件、圍巖特性、水文情況等的不確定，使其在建設過程中、運營期間包含的風險比一般的土木工程要大得多。因此隧道工程的風險管理日益成為研究的焦點問題。

目前對于隧道工程風險的定義比較多，本文結合各方理論綜合分析，將隧道工程風險簡單定義為

式中，R為隧道風險;P為風險發生的概率;C為風險造成的損失。

其中，風險發生的概率并不是某一公式直接得來，也不是隨便估計出來的，應該綜合考慮多方面的因素。作為新奧法修建的隧道工程，監控量測更是應該作為重點考慮的一項。

隧道工程項目風險管理的內容包括四個方面:風險識別、風險評估、風險應對和風險監控。

3 隧道工程風險識別

風險識別是工程項目風險管理的第一步，也是十分重要的一步，它是風險管理系統的基礎。風險識別包括收集資料、分析不確定性、確定風險事件、編制風險識別報告等，其過程為:收集數據→分析不確定性→確定風險事件并歸類→編制風險識別報告。

識別風險的過程應根據工程實際情況，針對銅鑼山隧道工程建設所有可能的風險來源和結果進行實事求是的調查。銅鑼山隧道工程的風險可劃分為六大方面:

1)隧道工程地質水文狀況的不確定性、圍巖級別差，地震等級高等風險。

2)施工風險。包括施工技術風險、施工現場風險、施工機械設備風險、施工材料風險、操作人員素質風險和施工管理風險。

3)施工工期風險。包括來自工程建設環境、業主、承包方、設計方、監理方的風險因素。

4)投資風險。包括項目決策風險、項目技術風險、項目采購風險、參建方信用風險、工程完工風險、生產經營風險、宏觀經濟變化、社會政治風險、環境保護風險和不可抗力風險。

5)環境風險。包括施工期的水污染、空氣污染、噪聲、固體廢棄物、振動等對周邊環境帶來的影響。

6)運營風險。包括隧道結構安全性、穩定性、耐久性風險，隧道防水可靠性、耐腐蝕性風險，運營通風系統的可靠性風險，消防設施可靠性風險，以及典型災害事故風險，如火災、地震等。

銅鑼山隧道工程的風險多集中于以上六個方面，特別是隧道建設中的風險，越來越受到重視。一旦出現事故，將會威脅到工作人員的生命安全，造成不良社會影響，耽誤施工進度，經濟損失更是不可估計。因此，在隧道的風險管理中，應充分重視施工期間的監控量測。只有做好監控量測，才能及時地預測預報出施工過程中可能出現的風險，避免風險的發生，才能保護施工人員的人生安全，將風險損失降到最低。

4 基于監控量測的隧道工程風險評估

4.1 監測項目

1)鋼架內力量測。在選測鋼架內力的斷面，設置6個測點，如圖1所示，分別在拱頂、左右拱腰、左右邊墻及仰拱位置。采用表面應變計進行量測，采用頻率儀進行讀數。每個測點安裝2個表面應變計，分別位于鋼架的內、外緣上，即圖2中1、2號點。

圖1 測點布置

圖2 表面應變計布置

2)圍巖與混凝土接觸壓力量測。在選測圍巖與混凝土接觸壓力的斷面，設置10個測點，分別在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右邊墻位置、左右墻腳、仰拱，如圖3所示。采用壓力盒進行量測，采用頻率儀進行讀數。安裝圍巖與混凝土接觸壓力測試的壓力盒時，壓力盒安裝在初支背后，壓力盒承壓面與巖面密貼。

圖3 測點布置

圖4 混凝土應變計布置

3)噴射混凝土內部應力量測。在選測噴射混凝土內部應力的斷面，設置10個測點，分別在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右邊墻位置、左右墻腳、仰拱，如圖3所示。采用混凝土應力計進行量測，采用頻率儀進行讀數。安裝噴射混凝土內部應力測試的應力計時，每個測點安裝2個應力計，位于噴射混凝土中，布置如圖4所示。

4)初支與二次襯砌間接觸壓力量測。在選測初支與二次襯砌間接觸壓力的斷面，設置10個測點，每個測點安裝1個壓力盒，測點埋設及布置同圍巖與混凝土接觸壓力量測。

5)二次襯砌內部應力量測。在選測二次襯砌內部應力的斷面，設置10個測點，每個測點安裝2個應力計，測點埋設及布置同噴射混凝土內部應力量測。

6)圍巖內部位移。在選測斷面，設置2個測樁，位于左右邊墻位置，如圖3中8、9號點的位置。每測樁設5個位移測點，采用多點位移計進行量測。

4.2 監測數據

下面是位于銅鑼山隧道Ⅴ級圍巖YK130+020斷面監測數據圖(見圖5～圖11)。監測內容包括圍巖壓力、初支混凝土應力、初支型鋼應力、圍巖位移。其中，圍巖壓力受壓為正，初支混凝土和型鋼受壓為負，圍巖位移向下為負。

圖5 YK130+020斷面圍巖壓力時態曲線

圖6 YK130+020斷面內側初期支護混凝土應力時態曲線

圖7 YK130+020斷面外側初期支護混凝土應力時態曲線

圖8 YK130+020斷面型鋼拱架內側應力時態曲線

圖9 YK130+020斷面型鋼拱架外側應力時態曲線

圖10 YK130+020斷面右邊墻圍巖位移時態曲線

圖11 YK130+020斷面左邊墻圍巖位移時態曲線

在2010年1月13日，隧道開挖底部仰拱。由圖5～圖9可知，在仰拱開挖后圍巖壓力，初支應力，型鋼應力沒有明顯變化，但是由圖10、圖11圍巖位移監測數據可知圍巖向下移動。如果按照通常的風險評估理論，完全可以忽略該隧道斷面的風險。但仔細分析可知，當仰拱開挖后，型鋼拱架腳底失去支撐，圍巖壓力，初支應力，型鋼應力沒有明顯變化是比較正常的。但是有經驗的隧道工作人員認為此時開挖仰拱，圍巖應力重分布，在仰拱施作前是比較危險的，并不能忽略其破壞的風險。

隧道工程在建設過程中的風險評估有多種方案。如概率法、矩陣法、專家法、模糊數學法等。但這些方法都是建立在一個類似空中樓閣的理想的模型上，或者是很大程度上依賴于評估者個人的主觀認識，并沒有真正反映隧道施工的實際情況。在此，本文將結合隧道監控量測數據，運用樹狀層次分析的風險評估方法，以具體的監測數據分析評估該隧道建設中的風險。

樹狀層次分析法先根據現場施工情況確定各個監測數據的權重。以納黔銅鑼山隧道為例，此隧道右洞YK130+020斷面，2010年1月14日開挖仰拱，初期支護及時施作，但二次襯砌還沒有及時跟上，所以在上面四項監測數據中與仰拱開挖最緊密的墻角圍巖位移的數據應該占比較大的權重。經專家系統數據庫分析可取0.4。而其它幾項的權重取平均值0.2。如圖12。再分析監測數據。將風險按表1分五級打分。

圖12 風險等級

表1 風險評估打分規則

結合銅鑼山隧道的監測數據，按照表1的方法打分，結果見表2。

表2 監測數據風險評估

最后計算風險百分比:(1×0.2+2×0.2+1×0.2+1×0.4)/4=30%

由此可以判斷銅鑼山隧道是穩定的，沒有坍塌的風險。

但是不同的地質條件，不同的圍巖支護，不同的設計、施工、監理隊伍，不同的施工工序，隧道工程發生風險的概率不同，風險評估的權重也不盡相同。比如在開挖掌子面時拱頂沉降所占的權重就比較大。在風險評估時應咨詢相關專家，綜合考慮各項監測數據，給予某些監測項目較大系數，而并不是平均分配。這樣得出的風險評估才更切合實際。

5 隧道工程風險應對

通過風險的識別、評估，可以掌握隧道施工過程中潛在的風險及其可能造成的損失。隧道工程的風險應對是指面對隧道工程風險應采取措施，盡可能回避、減少或降低工程風險損失，完成工程預期目標的工作。該工作順序為:分析風險識別及評價的結論→比選風險處理方案→提出處理方案→組織落實。隧道工程常用的風險處理措施有:風險回避、風險減輕、風險轉移、風險分散、風險自留、風險修正等。針對銅鑼山隧道風險評估的結果，可采取以下具體措施:

1)隧道圍巖級別差，應采取臺階法施工，短進尺;

2)針對隧道圍巖位移變化大的情況，應在墻角施做鎖腳錨桿;

3)在開挖仰拱后應該及時封閉成環;

4)針對施工的具體情況，加強監測頻率。

6 隧道工程風險監控

隧道風險管理中風險的識別、評估、應對三個環節已經構成一個整體。但是在工程項目的實施過程中，風險會不斷發生變化，可能有新的風險出現，也可能預期的風險會消失。隧道工程由于其環境的特殊性和不可預知性，風險變化的可能性顯得尤為明顯。因此，對隧道工程進行風險監控是十分重要的。

風險監控的主要任務是隨著工程項目的進展，密切跟蹤已識別的風險，監視殘余風險和識別新的風險，監控已經采取應對的風險效果，進一步尋找機會，細化風險應對措施，實現消除或減輕風險的目標。

風險監控的依據有:風險管理計劃、風險應對計劃、工程項目的變更和已發生的風險事件。

風險監控的主要方法和技術有:項目風險應對審計;定期項目評估;增值分析;技術因素度量;附加風險應對計劃;獨立風險分析。

風險監控的內容主要包括:計劃風險監控;風險管理有效性監控;設備安全可靠性監控;行為風險監控;作業環境監控;項目融資風險監控。

風險監控的成果:隨機應變措施;糾偏措施;變更請求;修改風險應對計劃;風險數據庫;更新風險評估。

7 結論

隧道工程風險是隧道工程必須面對的一個重大問題，如何降低損失、化解風險是學術界、工程界共同面對的一個重大課題。風險管理者只有通過全面的識別、細致的分析、合理的評判、恰當的處理、實時的監控，才能使工程免受重大損失，保證工程效益。

我國對隧道工程風險管理的研究起步較晚，本文主要有以下幾點說明:

1)隧道風險識別、分析與管理應該成為隧道工程項目風險管理或項目監理的一個有機組成部分。應充分認識隧道工程地質條件變化等不可預見的風險，認真做好超前地質預報。通過對隧道工程風險管理所包含的幾個部分的深入研究，建立隧道工程項目整個實施階段的系統的風險管理技術。

2)定量分析是風險分析的一大特點，但有時很難確定風險發生的概率，單純的主觀估計意義又不大。因此，應該研究定性與定量相結合的適應于隧道工程的風險分析與評價方法，以便為制訂科學的風險響應策略提供理論基礎。

3)風險評價中最關鍵的是風險概率和權重的取值。本文提出建立與風險因素數據庫相結合的專家分析數據庫。該工作是將現場條件、施工狀況等各種可能的風險因素列出清單，再細化分類，存儲在數據庫。第一時間通過網絡遠程傳輸到各位專家手中，運用專家的淵博知識和豐富經驗，對可能存在的風險進行打分，確定各種狀況下的風險因素的概率和權重，再按風險公式計算得出風險等級值，最后再反饋給專家，提出切實可行的規避方案。

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