周慶昕 薛亞東

（1.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；2.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092）

我國的公路隧道建設在近十幾年間快速發(fā)展，1993年我國的公路隧道通車里程為136km／682座，2000年我國隧道通車里程已達628km／1684座，近10年來，公路隧道平均每年新建350km.公路隧道的高速發(fā)展一方面帶動了經濟的建設，另一方面也造成了相關工程事故的發(fā)生數量的增多，如2005年12月22日14時40分，四川省都江堰至汶川高速公路董家山右線隧道發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，造成44人死亡，11人受傷，直接經濟損失2035萬元.因此對公路隧道進行施工風險評估，能夠在施工前確定施工過程中潛在的重大風險事故，從而提出相應的措施以增強施工的安全性.

在隧道風險評估與管理的探索中，國外起步較早［1］，已經在控制坍塌事故風險的方面取得了成功，國際隧道與地下空間協(xié)會發(fā)布了隧道風險管理指南［2］，對于施工的風險控制具有重要的指導意義.

國內也開展了大量風險理論引進和研究，許多專家學者從隧道施工風險評估的整體出發(fā)，對施工風險辨識、施工風險評估體系進行了探索：程遠等提出了采用專家調查法與層次分析法相結合的方式對大跨度淺埋公路隧道進行施工風險識別［3］；劉偉運用層次分析法確定公路隧道風險因素的權重［4］；賀志軍引入了“當量”這個概念，以施工后果當量估計方法來解決山嶺鐵路隧道施工后果的估計問題［5］.

很多專家學者從隧道的典型施工步出發(fā)，建立了特定施工過程、特定風險源的風險管理體系：劉科偉進行了系統(tǒng)的隧道建設期塌方風險分析與研究［6］；陳蔚通過層次分析法對洞口失穩(wěn)風險源進行了辨識與排序［7］；鄧加亮采用專家調查法識別出隧道施工過程中瓦斯存在的風險因素［8］.現(xiàn)階段施工風險評估項目主要依據《指南》中的內容，公路隧道施工風險評估主要從兩方面進行：一是施工總體風險評估，二是專項風險評估.本文通過若干公路施工風險評估項目，提出了在實際風險評估過程中遇到的問題，提出了自己的解決辦法.

1 風險評估風險指標的計算

1.1 地質條件的取值

根據《指南》中的內容，公路隧道總體風險評估指標包括地質條件G（包含圍巖情況、瓦斯含量及富水情況）、開挖斷面A、隧道全長L、洞口形式S以及洞口特征C五大方面，風險指標值R＝G×（A＋L＋S＋C），這樣就將隧道的風險指標定量化為了一定的數值.

從公式R＝G×（A＋L＋S）可以看出，地質情況G占有的權重很高，地質情況的惡化往往會造成風險指標值的顯著提高，但從《指南》中會發(fā)現(xiàn)當G取值為0時，無論開挖斷面、隧道全長、洞口形式、洞口特征各取值為多少，最后都將得出隧道總體為低度風險，這顯然是不合理的.所以針對這種問題應規(guī)定G值不小于1，即當G值為零時取G＝1.

在確定地質情況G的取值時，要確定隧道圍巖狀況a的取值，圍巖狀況a的取值依據見表1.圍巖狀況的確定依據主要是Ⅴ、Ⅵ級圍巖長度占隧道全長的百分比，然而在實際的風險評估過程中往往存在著這樣的隧道，其Ⅴ、Ⅵ級圍巖所占比重可能不高，僅僅為20%，根據《指南》圍巖狀況a取值為0，但是其隧道當中一次存在的Ⅴ、Ⅵ級圍巖長度30m，長距離的Ⅴ、Ⅵ級圍巖隧道施工會提高隧道施工的風險，所以在進行圍巖狀況的取值時，更客觀的方法應當引入Ⅴ、Ⅵ級圍巖最長連續(xù)長度這一指標，與Ⅴ、Ⅵ級圍巖占全長百分比這一指標采取并集運算的方式，詳細表述見表2.

表1 圍巖情況指標值

表2 圍巖情況指標值改進方法

1.2 洞口特征指標的確定

根據《指南》中的內容，在對風險指標洞口特征C進行取值時的依據就是主觀評定隧道進口施工是否困難，帶有很強的主觀性與模糊性，然而眾所周知，在隧道的修建過程中洞口歷來就是施工的難點，常有“進洞難”的說法.

所以在進行隧道總體風險評估的過程中，洞口特征這一指標值不應簡單依靠專家調查法進行模糊主觀的評判，而是應該從洞口特征出發(fā)，得到定量的指標值.

通過實際的評估過程發(fā)現(xiàn)，影響洞口施工風險的主要因素有洞口圍巖特性、施工工藝與地形特點.所以在進行隧道風險評估時，建議采用將洞口特征風險指標值定量化的方式將洞口特征指標值細化，包括洞口圍巖特性、施工工藝成熟度、地形特點三個組成部分，具體分類見表3.對于表中的建議取值，其值設定參照了《指南》中橋梁風險評估對于施工工藝及地形特點的取值.

表3 洞口特征指標值

在進行洞口特征這個指標的選取時我們已經考慮了洞口圍巖條件的因素，并且洞口處的特征是與隧道整體的圍巖情況無關的，所以公式變?yōu)镽＝G×（A＋L＋S＋C），這樣就可以避免在進行總體風險評估時對圍巖情況進行重復考慮.

1.3 總體風險指標的補充

《指南》當中關于總體風險評估主要選取的評價指標有地質條件、開挖斷面、隧道全長、洞口形式、洞口特征四項內容.在實際的評估過程中發(fā)現(xiàn)，隨著隧道工程的日益增多，一些長大隧道工程也隨之增長，長大隧道在施工過程中往往會采取多作業(yè)面同時作業(yè)的形式，作業(yè)面的增加往往伴隨著豎井、斜井數量的增加以及人為因素影響的增強，所以建議在公路隧道施工安全風險評估中引入作業(yè)面?zhèn)€數這一指標值.

此外隨著公路隧道工程分布的廣泛，一些特定區(qū)域的極端氣候條件也會對施工的安全造成很大影響.比如在公路隧道的施工過程中，降雨往往是影響施工安全的重要方面，區(qū)域降雨量較高，大范圍降水多發(fā)往往會造成隧道上方地表水的下滲，尤其是當巖體較為破碎時這種情況更加明顯，地表水的下滲會使圍巖穩(wěn)定性降低，從而造成坍塌事故的發(fā)生.所以區(qū)域氣候條件也可以作為總體風險評價的指標之一.

1.4 關于洞口形式指標值的建議

《指南》中對于洞口形式這一指標值，采取豎井、斜井、水平洞分別賦值的辦法進行洞口形式指標值的確定，但是在實際工程當中，往往洞口的形式并不是單一的，很多公路隧道工程中既有豎井，又有斜井與水平洞，所以這就使得洞口形式這一指標值很難確定，比較恰當的做法可以是將豎井個數所占洞口總數的百分比作為洞口形式指標值確定的依據，具體的取值情況可進行后續(xù)的研究.

2 專項風險評估

2.1 專項風險評估流程

通過公路隧道風險評估的實踐，發(fā)現(xiàn)《指南》中對于風險源和風險事件兩個概念有些混淆，顧名思義風險源表示引發(fā)風險事件的原因或因素，包括地質條件、氣候條件、人為因素等等，從概念上出發(fā)風險源只是誘因，本身不是風險事件，也不一定會形成風險事件，而風險事件表示具體的風險事故.

《指南》當中的風險估測建議應是針對風險事件，比如塌方、瓦斯爆炸等等，分析這些具體事件發(fā)生的概率及產生的影響；風險源普查的作用主要是找出產生風險事件的誘因，從而能夠全面分析風險可能性.

在實際的評估過程中還發(fā)現(xiàn)針對某一特定的公路隧道工程進行專項風險評估，往往很難準確快速地確定風險評估的內容，很難找到切入點，《指南》中提出了瓦斯爆炸、塌方、圍巖穩(wěn)定等等風險事件供評估人員進行參考，結合《指南》中已有的內容與實際的評估過程，提出了如下的專項風險評估流程：首先對該隧道進行施工作業(yè)分解，針對整條隧道施工作業(yè)總體分解為：左右線洞口明挖施工、洞口暗埋段施工、巖溶段開挖施工、隧道正常段開挖施工四大部分；然后進一步細化到施工單元步，包括：爆破開挖、支護、防水、洞口邊仰坡防護等等；之后通過專家調查法分析各施工單元步當中包含的風險事件及風險源，隧道專項評估的重大風險事件一般主要包括：洞口失穩(wěn)、塌方、大變形、結構損壞、瓦斯、滲漏水及環(huán)境影響，風險源的普查可以按照建設條件、結構因素、施工因素三方面進行.最后按照施工作業(yè)劃分板塊，對單元施工步進行風險源普查與風險事件分析，結合《指南》中參考提供的風險事件評估方法進行專項風險評估.

2.2 數值模擬在專項風險評估中的應用

隨著計算機技術的發(fā)展、計算速度的加快、計算理論的完善，數值模擬在隧道工程中的作用也日漸明顯.數值模擬在隧道工程的設計、施工、研究等方面以其快速、相對準確、方便等特點逐漸得到了更廣闊的應用.

《指南》當中在進行塌方及穩(wěn)定性風險評估時沒有引入數值模擬驗算這一部分內容，而是單純采用了指標體系法的方式，該方法簡便、明確，適合于實際工程當中的應用，但是在進行實際工程的專項風險評估中發(fā)現(xiàn)數值模擬往往又是必要的，單獨采用指標體系法進行塌方、穩(wěn)定性等的風險評價往往缺乏說服力.

所以在對公路隧道進行專項風險評估時建議引入數值分析的內容.通過數值分析，可以模擬出隧道開挖過程中圍巖的穩(wěn)定性情況與巖體的位移情況，這些結果與定量評價體系相結合針對塌方、穩(wěn)定等風險得出更全面的結論；數值分析得出的位移、應力云圖可以分析得出隧道斷面結構薄弱點與應力集中點，從而在施工階段采取結構補強措施，預防事故的發(fā)生.

2.3 風險事件嚴重等級的確定

《指南》當中采用指標體系法的方式進行風險事件嚴重程度的估測，主要從人員傷亡、財產損失、社會影響、環(huán)境影響幾個角度來進行嚴重等級的估測.當幾種角度評估的嚴重等級存在矛盾時，采取“就高”原則.

但是這種方法也會存在弊端，評價一個風險事件的嚴重程度不應該只選取其嚴重程度最高的方面，而是應該綜合考慮事故發(fā)生后方方面面的影響，得到一個全面的估計.所以在對某公路隧道進行風險事故嚴重等級估計時，根據參考文獻［6］中關于事故后果“當量”的概念，將風險后果分為：直接經濟損失、人員傷亡后果、工期損失后果、間接經濟損失后果，總風險后果指標值為四項指標值之和.四項指標采用“當量”進行轉化，根據國內外安全理念，死亡1人為一個基本單位“當量”，按照國內外安全理念慣例，“一當量”對應事故損失結果為：死亡1人、10人重傷或50人輕傷、工期延誤30d、300萬元直接損失、隱蔽損失統(tǒng)一以500萬元表示，則總體后果指標：

式中，Cz為事故直接損失（萬元）；Cr1為死亡人數（人）；Cr2為重傷人數（人）；Cr3為輕傷人數（人）；Cy為工期延誤損失（d）；Cj為間接隱蔽損失（萬元）.

各后果指標值對應的事故后果嚴重性等級見表4.

表4 事故嚴重性等級標準

在確定風險事件的損失時，常常采用的是專家調查法，依靠相關的工程經驗得到風險事件可能造成的具體損失，其他方法尚在探索當中.對于事故嚴重性等級的建議取值，參考了參考文獻［6］中國內外對于事故嚴重性評定的準則，并結合《指南》中原有的事故嚴重性等級的建議取值而提出.

3 結 語

通過以上的分析，我們總結了在進行公路隧道風險評估工程當中遇到的問題及相應的解決辦法：①對洞口特征C采取了更加客觀的定量評價方法，并對圍巖狀況指標值確定方式進行了改進.②明確了風險源與風險事件的概念，提出了合理的專項風險評估步驟.③在塌方、圍巖穩(wěn)定等風險評價時，補充了三維有限元施工模擬的內容，與定量的指標體系法相結合.④在確定風險事件嚴重程度等級時，《指南》當中采取就高原則確定風險事件嚴重等級，本文采取“當量”轉化的方法，將所有損失轉化成當量計算綜合，綜合考慮了各個方面對最終風險事件嚴重等級的影響.

［1］Einstein H H.Risk and Risk Analysis in Rock Engineering［J］.Tunnelling and Underground SpaceTechnology，1996，11（2）：141－155.

［2］S?en Degn Eskesen，PER Tengborg，J?GEN Kampmann，et al.Guidelines for tunnelling risk management：Inter1766national tunnelling association，working group No.2［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2004，19：217－237.

［3］程 遠.基于層次分析法的大跨淺埋公路隧道施工風險識別［J］.巖土工程學報，2011，33（1）：192－195.

［4］劉 偉.山嶺公路隧道施工風險評價及其應用研究［D］.西安：長安大學，2011.

［5］賀志軍.山嶺鐵路隧道工程施工風險評估及其應用研究［D］.長沙：中南大學，2009.

［6］劉科偉.公路隧道建造期塌方風險分析及控制的系統(tǒng)研究［D］.長沙：湖南大學，2012.

［7］陳 蔚.山嶺隧道洞口穩(wěn)定性分析及失穩(wěn)風險評估［J］.低溫建筑技術，2012（5）：108－111.

［8］鄧加亮.公路瓦斯隧道施工風險分析［D］.長沙：長沙理工大學，2010.

［9］交通運輸部.公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南（交質監(jiān)法［2011］217號）［S］.2011.