公路隧道施工安全風險評估方法優化研究*

桂志敬，吳忠廣，嚴瓊，張晨曦

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；2.交通運輸部科學研究院標準與計量研究中心，北京 100029；3.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；4. 中電建路橋集團有限公司，北京 100083)

0 引言

近年來，各類隧道工程施工過程中，由于施工環境復雜、地質條件差、影響因素多等原因，隧道事故呈現“易發、頻發、多發”等特點[1]。根據原國家安全生產監督管理總局公布的隧道施工事故統計，2004—2008年，我國共發生46起隧道施工安全事故[2]；2008—2016年，共發生62起隧道施工安全事故，死亡213人[3]，導致了嚴重的人員傷亡和經濟損失，并造成惡劣的社會影響。對在建隧道工程開展施工安全風險評估，已經成為加強隧道施工安全風險管理的一項重要舉措，2011年，交通運輸部出臺了《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南(試行)》(以下簡稱“現行指南”)[4]，開始在公路隧道工程施工階段推行施工安全風險評估工作。

然而，我國幅員遼闊，不同地區的地形地質條件復雜，公路隧道施工面臨長大、深埋、高地應力及大變形等突出問題，隧道施工安全面臨嚴峻挑戰。現行指南中，相關評估體系已難以滿足當前風險評估的需要，國內一些研究學者[1]針對現行指南中的某些指標體系提出相關修改建議，或是通過數學方法對實際隧道工程進行施工安全風險評估。但這些研究大多只是針對某些評估指標或隧道工程提出更為合理的評估方案，未見對現行指南整體的研究評價與優化。

在此背景下，本文對公路隧道工程施工安全風險評估進行全面深入的調研與分析，綜合相關專家對現行指南的應用建議，對比國內外相關規范指南，提出“動態風險評估”的觀點，對現行指南做出整體評價與優化建議。

1 隧道施工風險評估方法研究進展

當前，國內外多所科研機構和高校在風險評估方法、應用模型、系統程序開發等方面進行了深入研究，并取得一定的技術成果。

程遠等[5]選出6項風險因素，采用層次分析法評估隧道施工總體風險等級；馬安震[6]基于模糊層次綜合評估法和專家調查法，建立了長大隧道施工安全風險評估模型；劉偉等[7]采用統計調查法，對國內山嶺公路隧道施工重大災害事故收集整理分析，建立了多級評價指標體系下的山嶺公路隧道施工風險評估方法；曹文貴等[8]在全面分析新奧法隧道施工風險影響因素基礎上，建立新奧法隧道施工風險非線性模糊評判方法，并驗證了該方法的可行性；劉保國等[9]基于模糊網絡分析法，建立了公路山嶺隧道施工風險評價指標體系；郭發蔚等[10]基于貝葉斯網絡，提出隧道施工風險模糊綜合評估方法；徐峰[11]采用可拓綜合評判法對老龍頭隧道開展施工安全風險評估，界定了隧道初級風險等級區段；熊靜霆[12]運用層次分析法及灰色系統理論，構建隧道風險綜合評價模型；Wang 等[13]基于模糊綜合貝葉斯網絡(FCBN)，提出針對地鐵建設項目安全風險分析的系統性決策方法；Fan等[14]基于貝葉斯網絡(BN)和支持向量機(SVM)技術，建立隧道風險概率及其危害可能性評估模型，并通過工程實例證明了該模型的可行性和準確性；陳亮[15-16]基于專家調查方法，建立風險評估模型并開發了盾構隧道工程施工風險管理與控制軟件(TRM)；池秀文等[17]開發了基于ArcGIS Engine平臺的地下工程施工安全風險管理系統；Kim[18]在考慮隧道施工復雜度的基礎上，建立風險分析系統；Hyun-Ho Choi等[19]基于模糊理論的風險評估模型，并將以此模型開發的風險評估軟件成功應用于首爾地鐵項目；M.M.Fouladgar等[20]基于TOPSIS方法和模糊理論，考慮多種影響因素，建立了新的風險評估模型，并將其應用于Ghomroud輸水隧道工程；Rita L.Sousa等[21]基于貝葉斯網絡，建立系統評估和管理隧道施工風險的方法，其中包括地質預測模型與施工戰略決策模型；Mcfest-Smith[22]通過調查亞洲50多個隧道的施工風險，從融資和保險的角度提出IMS風險評估方法。

2 各類工程風險評估方法分析

2.1 鐵路隧道工程風險評估

2007年，原鐵道部公布實施了《鐵路隧道風險評估暫行規定》[23]，其與現行指南有以下不同，如表1所示。

表1 與《鐵路隧道風險評估暫行規定》內容對比Table1 Comparison with the contents of “Interim provisions on railway tunnel risk assessment”

2.2 地鐵及地下工程建設風險管理

2007年，原建設部出臺了《地鐵及地下工程建設風險管理指南》[24]，其與現行指南有如下不同，如表2所示。

2.3 高速公路路塹高邊坡工程施工安全風險評估

交通運輸部于2015年3月1日實施了《高速公路路塹高邊坡工程施工安全風險評估指南(試行)》[25]，其與現行指南主要有以下不同，如表3所示。

表2 與《地鐵及地下工程建設風險管理指南》內容對比Table 2 Comparison with the contents of “Guidelines of risk management for construction of subway and underground works”

表3 與《高速公路路塹高邊坡工程施工安全風險評估指南》內容對比Table 3 Comparison with the contents of “Guidelines for construction safety risk assessment of expressway high slope engineering”

2.4 港口工程施工風險評估

2017年9月15日，交通運輸部公布實施了《港口工程施工安全風險評估指南》[26]，其與現行指南主要有以下不同，如表4所示。

2.5 國際隧道工程風險管理

2004年，國際隧道協會根據各國隧道建設的情況，經過充分論證，制定了《Guidelines for Tunnelling Risk Management》，中文譯為《隧道風險管理指南》，為各國隧道工程風險管理提供了評估方法和參照標準[27]。

表4 與《港口工程施工安全風險評估指南》內容對比Table 4 Comparison with the contents of “Guidelines for port construction construction safety risk assessment”

該指南與現行指南直接相關的為第七章“風險管理的典型組成部分”，包括風險識別、分級及定量評估。風險識別從以下3個方面進行。

1)審查從合作伙伴公司提交的書面文件中得出的類似項目在世界范圍內的運作經驗。

2)研究正在實施項目的相關風險類型的通用處置原則。

3)與世界各地的項目團隊和其他組織的專家進行討論，并給出分組建議。

該指南中，風險發生后果包括：工人或急救人員傷害、第三方傷害、第三方財產損害、環境破壞、工期延遲、業主經濟損失及商譽損失，再由風險發生頻率和嚴重程度構成風險矩陣，并給出風險接受準則。而現行指南中，未涉及對第三方危害的相關內容。

該指南中，提出了簡單的定量風險評估方法，分別賦值其發生頻率(F)及后果(C)，∑F×C(所有危險源風險總和)即為該風險值，并強調該方法沒有描述風險評估的不確定性。

2.6 隧道工程巖土風險管理

2009年11月8日，我國香港特別行政區土木工程拓展署巖土工程辦公室實施了《Geotechnical Risk Management for Tunnel Works》(隧道工程巖土風險管理)，在巖土風險識別和風險評估方面，《Geotechnical Risk Management for Tunnel Works》與現行指南相關且可借鑒的內容包括[28]：

1)為評估巖土風險等級，首先應確定當前建設的隧道線路及與工程相關的巖土風險源、施工方法和敏感區域。

2)對影響工程的地質災害、設計和施工相關的風險，風險評估應在項目風險登記簿中記錄下來，并應該建立風險接受度標準。

3)實地調研勘測是識別巖土風險的主要手段之一，包括綜合的書面研究、場地勘查，尤其針對特定項目設計的地面勘察和敏感區域狀況的調查。

4)巖土風險相對等級的確定，應通過半定量或定性風險評估，確定減輕巖土風險的優先次序，并確定已達到可接受水平的巖土風險，且風險可在不需要主動減輕的情況下接受。

3 現行指南存在的主要問題

通過將現行指南與以上國內外相關規范和風險管理辦法對比分析，并結合實際應用經驗，分析總結為以下4方面問題。

3.1 靜態風險評估體系不盡合理

現行指南評估體系實際執行時，僅從勘察報告、設計文件、現場調查及相關標準規范等資料查找評估體系中需要使用的信息，而這些信息往往非常局限，由此得到的風險評估結果不足以概括整個施工階段的安全狀況。具體表現在：

1)缺乏動態風險評估思路。實際隧道工程中，巖體性質復雜多變，圍巖穩定性等級不同所用施工方法不同，其施工組織設計亦有所差別，故隧道工程施工風險評估應是1個動態過程。

2)缺少評估基礎信息的獲取方式。可將數值仿真、監控量測、超前地質預報等隧道工程常用的技術方法與風險評估相結合，得到適用且可信度高的風險評估基礎信息。

3.2 評估指標類型有待增加

隨著“西部大開發”及“一帶一路”戰略的深入實施，公路隧道工程不斷增多，隧道工程地質條件將愈加復雜，僅對地質條件、隧道斷面、洞口類型、誘發條件、資料完整性等5項內容開展總體風險評估，已難以滿足實際隧道工程風險評估的需求，具體表現在：

1)長大、深埋隧道工程增多，長大隧道往往采用多作業面同時開挖，深埋隧道可能存在嚴重的高地應力問題，成為引發安全事故的潛在因素。

2)地質、水文、氣候等多因素會對公路隧道工程施工安全造成影響，如大范圍降水往往會造成隧道上方地表水的下滲，若圍巖等級低，將顯著增加施工風險，嚴重威脅隧道施工安全。

3)隧道類型日益豐富，跨江、跨河、跨海等復雜條件下的公路隧道工程增多，盾構法、頂管法也逐步應用于公路隧道，其對施工要求更為苛刻，面臨的安全問題將更為突出。

3.3 評估指標定義針對性不強

隧道洞口往往是隧道施工安全事故的高發區域，現行指南將洞口特征分為2類：隧道進口施工困難及隧道進口施工較容易。實際評估中帶有很強的模糊性和主觀性，且分類過于簡單，具體表現在：僅從施工便道難易、地形特點等方面考慮，無法較為準確地判斷洞口施工的難易程度，此外，影響洞口施工安全性的因素還應包括洞口斜坡角度、偏壓情況及淺埋段長度等。

3.4 事故嚴重程度等級界定不夠清晰

現行指南指出：事故嚴重程度采用指標體系法估測，主要考慮人員傷亡和直接經濟損失，也可以根據實際情況，考慮工期延誤、環境破壞及社會影響等方面的后果，按照“就高原則”，對多種后果同時產生時，將最嚴重的確定為最終程度等級。依據“就高原則”確定事故嚴重程度等級不盡全面，具體表現在：若由“就高原則”確定出2個事故嚴重程度等級相同，而其中1個事故后果的某些方面指標差距較大，而另1個差距不大，則2事故最終影響結果必不相同，故應綜合考慮事故發生后各方面的影響，采用定量的方法對事故后果進行綜合全面的估測。

4 現有評估方法優化建議

4.1 優化思路

現行指南自2011年實施以來，為管控橋隧施工安全風險、促進行業安全管理水平提升發揮了積極作用，但在實際操作中尚存在上述技術問題。為更好地發揮現行指南的技術引導和強化管理功能，建議從以下2個方面進行優化。

4.1.1 技術層面優化

在技術層面上，突出評估方法的多元化。現行指南作為行業技術性標準，在貼近實際應用的同時，應突出技術水平與層次，既要有針對普通隧道的指標體系方法，又要根據不同隧道、不同區段的風險差異情況推薦采取不同的評估方法，使其更能接近實際工程需要，而為不改變現行總體評估與專項評估的方法體系，可在宏觀層面采用直接判定與綜合判定相結合的思路，其中，直接判定方法可采用較為簡便的指標體系法、專家調查法(可借鑒《港口工程施工安全風險評估指南》)等，綜合判定方法應結合隧道監控量測、地質預報、數值模擬計算等量化評估，輔以專家研討，確定風險等級。

1)對于總體風險評估，推薦指標體系法、專家調查法等定性評估方法，對現有評估指標進行優化，修改模糊性和主觀性較強的指標，細化指標分類。在計算指標體系法分值、確定總體風險等級時，不宜采用簡單的線性疊加進行計算，可以參考《高速公路路塹高邊坡工程施工安全風險評估》引入權重系數或者采用其他更為科學的計算方法。

2)對于專項風險評估，應分2階段開展：施工前專項風險評估和施工過程中專項風險評估，分別對應參考《鐵路隧道工程風險評估》中的設計階段、施工階段。施工前專項風險評估推薦采用指標體系法，關鍵工點區段，如洞口、特殊地質等，應結合設計圖紙參數輔以數值計算、定性與定量結合的方法開展，同時引入再評估機制，即根據不同設計方案、不同設計措施等再次評估確定該階段采取控制措施后的殘留風險。而對于施工過程專項風險評估，則應突出動態性，結合地質圍巖情況變化，根據施工監控量測、地質超前預報、數值模擬計算等精細化量化評估，推薦采用多種綜合風險評估方法，如指標體系法、模糊層次綜合評判法、貝葉斯網絡方法等。

3)增加隧道類型與事故類型。可增加盾構隧道、沉管隧道、雙連拱隧道等不同隧道施工類型，增加軟巖大變形、硬巖巖爆等典型事故類型，完善坍塌、涌水突泥、瓦斯爆炸等現有指標體系。

4.1.2 管理層面優化

在管理層面上，加強評估與施工安全管理的融合。針對現行的評估過程與實際施工結合不緊密等問題，建議將評估結果與專項施工方案相銜接，現行指南中應強化銜接的環節、具體落實要求等。

4.2 建議增加評估方法

4.2.1 模糊層次分析法

模糊層次分析法(F-AHP)將模糊數學的基本理論與層次分析法結合起來，綜合了層次分析法的客觀性與模糊數學的包容性，是1種靈活且適用性強的多準則決策方法。

就隧道工程的風險狀態和分級標準視為模糊的、不確定性的，風險評估就成為一個多因素、多層次的綜合評估問題。而模糊層次綜合評估法將模糊的定性指標量化，能較好地進行多因素、多層次綜合評價。同時，以調查數據為基礎，用量化計算來度量風險概率，結果較客觀具有說服力。

4.2.2 貝葉斯網絡方法

貝葉斯定理以概率論中的條件概率公式為基礎，在風險與可靠度領域，貝葉斯統計學的概率信度觀點已成功應用于工程領域。

隨著隧道工程施工開挖推進，以掌子面揭露情況作為依據，利用貝葉斯更新(Bayesian updating)技術，動態更新圍巖地質情況，更新風險預測變量，可得到風險變量的后驗分布概率，據此進行量化風險的后驗更新，實現風險的動態評估。基于貝葉斯網絡的特點，可靈活地將其轉化為影響圖，并建立效用函數進行風險決策。

4.2.3 蒙特卡洛模擬與事件樹法

事故后果與損失包括：經濟損失與工期延誤。其中，前者主要為設備機具損毀、支護結構毀壞、擴挖及重建支護結構，或額外工程治理所導致的經濟費用；后者主要有擴挖、重建支護結構所需的時間成本，或因事故造成的停工整頓時間。

對于工期延誤的計算，可采用基于PERT(項目評估與審查技術)的蒙特卡洛(MCS)模擬方法，可得到延誤時間的累積分布。

經濟損失的量化計算，可基于事件樹的風險計算方法，綜合考慮事故發生的概率及嚴重程度、時間概率、空間概率及其承災體易損性、價值，通過條件概率的形式表達。

4.2.4 事故后果當量估計法

事故后果當量估計法綜合考慮人員傷亡、工期延誤、經濟損失、環境影響及社會影響等5方面事故后果。目前，事故后果的估計主要以人員死亡來描述事故后果等級，將1個單位基本當量定義為死亡1人，其它事故后果可進行當量等價換算。基于國內相關法律法規或標準的規定，借鑒國內外學者對于事故損失統計與估算的相關研究成果，按照公路隧道程的特點，從國民經濟和賠償角度等方面來確定傷亡當量指標[29]，引入修正系數考慮各個地方的福利標準、工程項目大小等參數影響。其中，1個后果當量的等價指標建議參照表5所示的標準；環境影響、社會影響后果分值建議參照表6來獲取。

表5 1個當量等價指標建議取值Table 5 One equivalent equivalent indicator recommended value

表6 環境影響、社會影響后果分值Table 6 Environmental impact, social impact scores

后果當量總值用DC表示，則可表示為：

DC=r1(CJ1/300+CJ2/500+
r2(CR1/1+CR2/10+CR3/50)+
r3(CG/30)+r4(CH/9)+r5(CS/9)

(1)

式中：DC為事故當量函數，取線性關系；CJ1為直接經濟損失后果，CJ2為間接經濟損失后果；CR1、CR2、CR3分別為死傷、重傷及輕傷人數(人員傷亡后果)；CG為工期損失后果；CH為環境影響損失后果；CS為社會影響損失后果。

ri(i=1,2，3,4,5)為5種事故后果損失修正值，可由安全管理各方根據自己的標準和工程實況調整。

在得到事故總當量值后，事故后果分級標準建議采用表7確定。

表7 事故后果等級標準Table 7 Standard table for grade of accidents

5 工程算例

5.1 工程概況

以湖南某高速公路隧道洞口坍塌事故為例，驗證提出的專項風險評估方法。該隧道屬長隧道，左線隧道長度2 305 m，右線隧道長度2 325 m。山頂最大高程為454.2 m，最大埋深約255 m。洞口段屬于小凈距隧道，中間段屬分離式隧道，左右線進口端洞門仰坡自然坡度約20°～40°，洞口嚴重偏壓，采用偏壓端墻洞門形式，單洞凈空(寬×高)為10.75 m×5.0 m。該隧道洞口邊坡和仰坡由粉質粘土、塊石、全風化花崗巖和全風化變質石英巖組成，主要為全風化花崗巖和全風化變質石英砂巖。

5.2 評估計算

首先，按照現行指南推薦的專項風險評估方法，對該隧道左線洞口段進行坍塌風險分析，經計算，坍塌事故可能性分值為4.5分，等級為2級(偶然)，嚴重程度為2級(較大)，參照風險矩陣得出該隧道洞口坍塌風險等級為II級。

其次，利用前文提到的專項風險評估方法，對于關鍵工點區段洞口開展施工前專項風險評估，結合設計圖紙參數[30]輔以數值計算、定性與定量結合的方法開展評估。

為驗算左線洞口坍塌的可能性，根據洞口巖體較破碎、節理裂隙發育的地質條件特征，選用通用離散元軟件UDEC模擬平面應變下隧道開挖過程，選取左線洞口段進行檢算。初始地應力平衡后，運用系統內嵌命令結合FISH語句模擬洞室開挖，數值計算模型如圖1所示。

圖1 UDEC數值計算模型Fig.1 UDEC numerical calculation model

支護結構施工不及時，塑性變形過大，將會發生大體積坍塌事故。圖2為模擬支護不及時，系統循環10 000步的位移矢量圖。此時，上覆土體已發生極大位移，侵入洞室內部，將會誘發大體積坍塌。

圖2 支護不及時的位移矢量Fig.2 Support not timely displacement vector

由以上數值模擬計算可知，隧道洞口坍塌可能性大，等級為3級(可能)；對于事故嚴重程度，采用事故后果當量估計法，經計算后得到DC=14.5，等級為“很嚴重”，參照風險矩陣得出該隧道洞口坍塌風險等級為Ⅲ級。

5.3 結果分析

根據現行指南，該隧道洞口坍塌風險等級為II級；按照本文提出的優化評估方法(施工前專項風險評估方法)，經數值模擬與事故后果當量估計法計算后，風險等級為Ⅲ級，根據該工程實踐情況，該隧道進洞施工困難，施工過程中洞口變形較大，與優化評估方法結果較吻合。

施工前專項風險評估考慮了隧道自然幾何尺寸、地形地質特征與勘察設計因素等，相對現行指南事故可能性指標體系法，經數值模擬定量計算的事故可能性判斷更為準確；此外，現行指南事故嚴重程度只考慮人員傷亡與直接經濟損失，后果取值人為定性判斷誤差較大，采用事故后果當量估計法測算，則由于綜合考慮各項后果，且細化了后果分級，得出的風險等級更為可信。

6 結論

1)通過綜合參考國內外隧道施工風險評估研究現狀，對比分析國內外各相關領域標準規范，結合現行指南實際評估過程中存在問題，為現行指南未來修編提出合理建議。

2)從2方面提出優化建議。在技術層面上，建議突出評估方法的多元化，根據不同隧道不同區段的風險差異情況推薦采取不同方法，推薦采用指標體系法、專家信心指數法等定性評估方法作為總體風險評估方法，專項風險評估可根據不同事故類型，實施施工前專項風險評估與施工過程專項風險評估；在管理層面上，加強風險評估與施工安全管理的融合。

3)在確定風險事件嚴重程度等級時，建議采用“當量”計算方法，不局限于經濟損失、人員傷亡等少數指標，最終得出后果當量總值，直觀、方便且可操作性較強。

4)以湖南某高速公路隧道洞口坍塌事故為例，利用提到的專項風險評估優化方法，綜合運用數值模擬計算與事故后果當量估計方法得到的風險等級與實際情況更為吻合。

5)在評估方法和模型科學可行的條件下，開發風險評估程序將大大縮減評估流程及時間，且方便快捷，可操作性強，故風險評估信息化亦將是下一步研究重點。