可信性方法在高速公路隧道中風險評估的應(yīng)用

喬 立

北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司 河南 鄭州 450046

引言

隨著國內(nèi)高速公路迅速發(fā)展，截止到2017年7月左右，高速公路里程已達13.1萬公里[1]。高速公路沿線長，而且中國又是山嶺眾多的國家，穿越山嶺是修建高速公路必不可少的一項環(huán)節(jié)，但是由于山嶺地質(zhì)復(fù)雜，環(huán)象叢生，必然給施工方、設(shè)計方等帶來更大的挑戰(zhàn)。近幾年，修建高速公路隧道過程中，由于圍巖勘探不精準、現(xiàn)場管理不到位、加固措施不及時，以及隧道存在的一些不可控制因素等，都導(dǎo)致了高速公路隧道的施工事故問題較其他工程偏高。所以，如何降低高速公路隧道事故發(fā)生率以及發(fā)生后果的嚴重程度，已經(jīng)是我們國家和社會需要重視的課題。

高速公路隧道事故發(fā)生的因素往往是隨機性、不確定性，所以需要采用風險分析理論對這些因素進行分析和評價，從中找到影響高速公路隧道施工安全的幾個重要風險因素，然后對這些因素進行風險等級評定，確定隧道施工安全水平。目前常用的分析方法有[2-7]：模糊數(shù)學(xué)法、層次分析法、模糊綜合評斷、敏感性分析方法、模糊層次綜合分析方法等。綜合分析，本文采用可信性風險分析方法和專家權(quán)重法[8]。通過對現(xiàn)場隧道調(diào)研，得到高速公路隧道開挖過程中主要的風險事故概率以及造成的后果，并采用可信性分析方法對高速公路隧道施工期的風險進行了評價，根據(jù)評價結(jié)果，采取相應(yīng)的措施進行預(yù)防。

1 公路隧道施工概況

楓木界隧道位于廣西梧州至柳州的一段高速公路隧道，該隧道為曲線連拱隧道，技術(shù)標準為雙向四車道，隧道分左洞和右洞，左洞起止為ZK142+185- ZK143+690，全長為1505m，右洞起止為K142+206- ZK143+684，全長為1478m，屬于長隧道，最大埋深302m，隧道凈空（寬×高）10.75m×5.0m，采用新奧法進行施工。楓木界隧道圍巖級別分別為Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級三種，其中隧道左、右洞Ⅲ級圍巖分別占73%和74%，目前左右隧道都進入Ⅲ級圍巖，分為60m和20m。該隧道出口左右洞已開挖段的圍巖從地質(zhì)情況揭示為中風化砂巖，呈鑲嵌破裂-散體碎裂結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，層間結(jié)合差，巖體結(jié)構(gòu)面呈水平薄層狀且多含泥質(zhì)填充膠結(jié)，拱頂結(jié)構(gòu)面易形成不利組合、易掉塊，圍巖自穩(wěn)性降低，為Ⅲ級偏弱圍巖，與原設(shè)計圍巖級別存在一定偏差，給施工安全帶來一定風險和隱患。

2 可信性方法的風險分析

2.1 風險分析的基本概念

所謂風險，就是我們不希望的不幸事件發(fā)生的概率和可能性，或者是產(chǎn)生危險后果的可能性，高速公路隧道的風險可以定義為：

式中：R—高速公路隧道工程風險；p—發(fā)生風險的概率；D—風險損失，主要包括經(jīng)濟損失DC、人員傷亡DL、工期損失DT等。

風險分析通常分為三個步驟[9]：

（1）風險辨識：分析高速公路隧道施工階段所有的潛在風險因素，通過歸類、篩選，從中找到幾個影響較大的風險因素。

（2）風險估計：對幾個影響較大的風險因素進行概率和后果進行估計，算出風險的影響程度。

（3）風險評價：按照國家的相關(guān)標準對目標參數(shù)的風險結(jié)果進行評判。

2.2 可信性方法

可信性方法是一種非定量的集合性術(shù)語?；诳尚判缘母咚俟匪淼朗┕て陲L險可以分為兩類：

（1）高速公路隧道在施工中，圍巖的不穩(wěn)定，施工計劃受到干擾，資金超過預(yù)期的支出，山體出現(xiàn)滑坡，可信性達不到預(yù)期水平。

（2）高速公路隧道施工階段發(fā)生事故后，后果通常包括人參傷亡情況，經(jīng)濟損失情況，環(huán)境污染嚴重程度，山體的破壞程度。

基于可信性的高速公路隧道施工階段風險分析，根據(jù)上述兩類危險可能發(fā)生的概率大小和發(fā)生后造成的后果嚴重程度用風險度來度量。

風險度（r）與風險發(fā)生的概率Pf和風險發(fā)生后果嚴重程度Df存在著如下的關(guān)系[10]：

式中Df和Pf的表達式分別如下：

式（3）中：Dfj—第j類風險后果嚴重程度，ωj—第j類風險后果的權(quán)重，

式（4）中：Pfi—第i類風險后果嚴重程度，ωi—第i類風險后果的權(quán)重，

3 可信性方法的工程應(yīng)用

本文研究對象如第一部分介紹的某高速公路開挖過程中發(fā)現(xiàn)實際圍巖等級與勘探圍巖等級存在一定的偏差以及由于存在的風險造成的經(jīng)濟損失、人員傷亡和工期損失，其他非關(guān)鍵因素不予考慮。為了得到高速公路隧道工程施工時風險的大小，通過專家調(diào)查打分并進行權(quán)重分析。本次調(diào)研在南寧地區(qū)進行，為了確保打分的有效性和可信性，發(fā)送的對象都是在施工單位、科研單位以及設(shè)計單位有著非常豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗和專業(yè)知識過硬的專家，發(fā)送的問卷為25份，收回20份，中級及中級以上職稱占到總?cè)藬?shù)的75%，達到預(yù)定的目標。調(diào)查內(nèi)容主要包括開挖時主要風險事故的發(fā)生概率和損失兩部分，損失一般包括經(jīng)濟損失、工期損失和人員傷亡三部分。

3.1 風險分級

根據(jù)高速公路隧道風險目標和風險特點，風險分級對象主要包括風險事故發(fā)生的概率、風險事故發(fā)生產(chǎn)生后果以及風險水平的等級。進行風險評估之前需要建立一個適合高速公路隧道工程要求和規(guī)模的分析體系，評估每個風險事故發(fā)生的概率極其產(chǎn)生的破壞程度，為下一步需要采取不同的措施提供評判依據(jù)。風險概率分級體系適用于所有風險，而后果分級體系分為經(jīng)濟損失、工期損失和人員傷亡三方面的風險，這三方面通過相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)在同一個風險級別可以應(yīng)用于所有類型的風險的要求。本文結(jié)合相關(guān)文獻[11-13]得到高速公路隧道概率、后果和風險水平的分級如下表1、表2和表3所示。

表1 風險事故發(fā)生概率

表2 風險事故發(fā)生后果

表3 風險水平分級

3.2 風險分析

由于每個專家自身的背景、教育程度、工作經(jīng)歷不同，在對同一事件做出評價時，會有不同的評價結(jié)果，所以需要對評價結(jié)果進行綜合分析，最終得到一個比較客觀的綜合結(jié)果。本文采用加權(quán)平均法，首先根據(jù)專家的不同資歷、職稱、權(quán)威性等設(shè)定相應(yīng)的權(quán)重，然后對事件判斷出來的相應(yīng)權(quán)重進行累加，最后得到的目標值是最接近真實的數(shù)值。本文結(jié)合實際情況，將專家分為四個等級，每個等級對應(yīng)的權(quán)重如表4所示[14]。

表4 專家權(quán)重確定方法

結(jié)合專家人數(shù)和專家權(quán)重，確定每個事件的風險概率[15]，公式如下：

式中：Pi—專家對第i個事件作出的綜合評價標準；ωij—第j個專家對第i個事件的權(quán)重系數(shù)；Eij—第j個專家評價第i個事件時的評價結(jié)果。

通過公式（5）的計算，可以得到高速公路隧道開挖過程中發(fā)生事故的概率及后果如表5和表6所示。

表5 風險事故發(fā)生概率及權(quán)重

表6 風險后果及權(quán)重

由公式（4）計算可以得到高速公路隧道開挖過程中發(fā)生事故后產(chǎn)生后果嚴重程度為：Df=0.312

由公式（4）計算可以得到高速公路隧道開挖過程中發(fā)生的風險概率為：Pf=0.302

得到Df和Pf后，將它們代入公式（2），風險度為：

對照表3，高速公路隧道開挖過程中總體風險為三級，有一定的危險，需要上層領(lǐng)導(dǎo)采取相應(yīng)的對應(yīng)措施。

3.3 對應(yīng)措施

通過對該高速公路隧道施工過程中的風險進行評估，得到了該隧道存在一定的安全隱患，需要采取相應(yīng)措施進行預(yù)防。

1、由于勘察設(shè)計的圍巖級別與現(xiàn)場實際的圍巖級別存在偏差，而且低于設(shè)計圍巖級別，所以需要對洞頂上部圍巖進行注漿，提高圍巖的自穩(wěn)性。

2、通過改變支護設(shè)計參數(shù)，提高支護結(jié)構(gòu)的抵抗圍巖壓力的能力，確保洞內(nèi)施工人員的生命安全。

3、加強洞內(nèi)巡查和監(jiān)測，及時匯報每天洞內(nèi)變形情況，以便及時調(diào)整方案，避免嚴重后果的發(fā)生。

4 結(jié)論

（1）本文對高速公路隧道的基本概況進行闡述，找到風險發(fā)生的原因；然后引入可信性風險分析方法，建立了適用于高速公路隧道的風險事故發(fā)生概率、風險事故后果和風險水準等級，以便為實際工程應(yīng)用提供理論支撐。

通過現(xiàn)場調(diào)研得到該高速公路隧道開過過程中風險事故的發(fā)生。

（2）采用可信性風險分析方法，對該高速公路隧道開完過程中主要風險事故概率、風險后果數(shù)值進行了評定，得到該高速公路隧道總體風險度為0.520，屬于三級風險，需要采取相應(yīng)的措施進行預(yù)防；最后結(jié)合實際情況，提出了幾條預(yù)防風險的措施和建議。