仉文崗，梁文灝，覃長兵，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)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，在交通強國戰(zhàn)略的指引下，我國公路及鐵路建設(shè)得到了長足發(fā)展，長大、特大隧道不斷涌現(xiàn)。隨著隧道工程規(guī)模的不斷擴大，目前，特長隧道通常指長度超過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，我國投入運營的特長公路隧道共1 599處，長隧道6 211處。公路隧道總長2 469.89萬延米，其中特長隧道總長717.08萬延米，長隧道總長1 084.43萬延米；我國投入運營的特長鐵路隧道共235座，長3 152 km；在建特長鐵路隧道150座，長2 435 km；規(guī)劃特長鐵路隧道301座，長約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，14 m及以上超大直徑盾構(gòu)隧道工程共59項[2]。我國長大隧道工程規(guī)模較大，但其施工成本較為高昂，且在建設(shè)和運營階段的潛在風(fēng)險也相對較高。然而，相比于我國隧道建設(shè)領(lǐng)域的高速發(fā)展，我國隧道風(fēng)險評估領(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。本文對我國目前隧道建設(shè)和運營安全致災(zāi)風(fēng)險評估指標(biāo)體系和風(fēng)險評估方法研究現(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 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

美國麻省理工學(xué)院Einstein H.H.教授是隧道及地下工程風(fēng)險評估領(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)險評估理論引入隧道及地下工程領(lǐng)域，提出了隧道風(fēng)險評估特點和應(yīng)遵循的理念，首次將不確定性引入隧道工程評估，針對硬巖隧道提出了基于計算機模擬的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及其團隊提出了DAT(Decision Aids in Tunneling)模型，研發(fā)了DAT隧道風(fēng)險決策輔助系統(tǒng)，并在之后對其進(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)險關(guān)系[5]。STRUCK等結(jié)合已有風(fēng)險評估方法，以擬建斯德哥爾摩環(huán)形公路隧道工程背景，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查和統(tǒng)計分析，提出一套應(yīng)用于公路隧道風(fēng)險評估的方法[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)險估計模型[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MTM和TBM兩種典型隧道施工技術(shù)進(jìn)行風(fēng)險評估[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)險管理模式[9]。

隨著隧道工程風(fēng)險評估領(lǐng)域的逐漸發(fā)展，一系列隧道及地下工程領(lǐng)域的風(fēng)險管理文件逐漸出臺。歐洲成立了Euro Test機構(gòu)，并提出Euro TAP(European Tunnel Assessment Program)計劃，對歐洲運營公路隧道展開逐年安全評估工作，并根據(jù)評估結(jié)果制定相應(yīng)的隧道運營安全管理標(biāo)準(zhǔn)。國際隧道協(xié)會(International Tunnelling association， ITA)發(fā)布《隧道風(fēng)險管理指南》，為隧道工程風(fēng)險管理提供一套完整的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)。英國隧道協(xié)會聯(lián)合ITA發(fā)布《隧道及地下工程管理作業(yè)規(guī)范》。國際隧道工程保險集團發(fā)布《隧道工程風(fēng)險管理實踐規(guī)程》。歐盟頒布《歐洲隧道安全指南》，指出針對各種隧道的定量評估方法。隧道工程風(fēng)險評估的理念逐漸得到廣泛接受。

早期風(fēng)險評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)險矩陣法(Risk Matrix)，Clark等提出的風(fēng)險指數(shù)法(Risk Index)[10]等。隨著隧道工程風(fēng)險評估領(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)險評估領(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法是美國運籌學(xué)家Saaty T.L.于20世紀(jì)70年代提出的評估方法，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，通過計算判斷矩陣的最大特征值以及對應(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，實用性強，該方法在隧道工程風(fēng)險評估領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。需要指出的是，對于AHP法，不同指標(biāo)相對權(quán)重的確定是該風(fēng)險評估方法的重點，如何合理確定不同元素的相對權(quán)重對風(fēng)險評估結(jié)果有重要影響。而傳統(tǒng)的層次分析法在確定指標(biāo)相對權(quán)重時，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)相對權(quán)重的確定具有一定主觀因素，從而對風(fēng)險評估結(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法和模糊綜合評價相結(jié)合，在使用AHP法確定各指標(biāo)權(quán)重后，用模糊綜合評價法對模糊指標(biāo)進(jìn)行評定。相比于AHP法，F(xiàn)AHP法在步驟上僅有兩點不同[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)險評估中。由于在隧道工程風(fēng)險評估領(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)險評估中。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)險評估，并基于評估結(jié)果選擇了合適的TBM型號進(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，對隧道設(shè)計、建設(shè)和運營中的風(fēng)險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)險評估領(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)點清晰可見。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個有向無環(huán)圖，由節(jié)點變量與有向邊組合構(gòu)成，節(jié)點代表隨機變量，有向邊表示變量間的直接依賴或因果關(guān)系，是由父節(jié)點指向后代節(jié)點[15-16]。BN法具有強大的計算和推理能力，能夠根據(jù)新輸入的數(shù)據(jù)對網(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)和計算，在復(fù)雜項目管理中體現(xiàn)出一定優(yōu)勢。同時，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?；谝陨蟽?yōu)點，BN法在隧道工程風(fēng)險評估中得到了一定程度的應(yīng)用。SOUSA等以葡萄牙Porto Metro項目為工程背景，基于BN提出了地質(zhì)預(yù)測-施工決策組合模型，在隧道施工前預(yù)測地質(zhì)以選擇風(fēng)險最小的施工策略[17]。同樣基于BN，ZHANG和SKIBNEWSKI等對復(fù)雜項目環(huán)境條件下隧道風(fēng)險進(jìn)行了評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 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相比于國外，我國開展隧道工程風(fēng)險評估相對較晚。同濟大學(xué)丁士昭教授是我國大陸最早開展隧道及地下工程風(fēng)險評估的研究人員。丁士昭和其研究團隊開發(fā)了計算機管理信息系統(tǒng)(PMIS-SM)，并將其應(yīng)用于上海地鐵1號線風(fēng)險評估和管理[20]。

然而，我國在隧道工程風(fēng)險評估領(lǐng)域發(fā)展十分迅速。范益群等將可靠性理論運用于隧道風(fēng)險評估中，提出了改進(jìn)的層級分析方法[21]。毛儒將國外風(fēng)險評估成果引進(jìn)國內(nèi)，采用風(fēng)險矩陣法對沉管隧道和圓形隧道進(jìn)行了風(fēng)險評估[22]。路美麗等對國內(nèi)外隧道風(fēng)險評估方法進(jìn)行了總結(jié)，為后續(xù)研究指明了方向[10]。黃宏偉針對國內(nèi)外風(fēng)險管理研究進(jìn)展進(jìn)行了討論，指出了我國目前在領(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)險評估中[24]。夏永旭等建立了我國公路隧道安全等級劃分計算模型，并將我國公路隧道安全等級劃分為五級[25]。胡群芳對盾構(gòu)隧道建設(shè)期襯砌結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的風(fēng)險進(jìn)行了評估，并對其各風(fēng)險因素進(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)險管控系統(tǒng)[27]。吳波撰寫了《隧道施工安全風(fēng)險管理研究與實務(wù)》一書，對隧道施工安全風(fēng)險管理進(jìn)行了系統(tǒng)研究[28]。仉文崗等對隧道施工與運營過程中的風(fēng)險可靠度分析方法進(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)展高效的可靠度計算方法、新舊隧道與近接構(gòu)筑物的風(fēng)險分析、以及運營隧道的風(fēng)險綜合評估體系建立4個方面發(fā)展。

國內(nèi)也逐漸開始制定隧道風(fēng)險評估相關(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)險控制導(dǎo)則》。2007年，原鐵道部頒布了《鐵路隧道風(fēng)險評估與管理暫行規(guī)定》，中國土木工程學(xué)會聯(lián)合同濟大學(xué)編制完成了《鐵路隧道風(fēng)險評估與管理暫行規(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)險評估指南(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)險管理規(guī)范》。

隨著隧道工程風(fēng)險評估領(lǐng)域在國內(nèi)的飛速發(fā)展，眾多研究人員將國外風(fēng)險評估方法引入國內(nèi)。迄今為止，已有大量風(fēng)險評估方法被應(yīng)用于隧道工程風(fēng)險評估領(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判體系[29]。劉輝等采用FAHP方法，建立了公路隧道施工安全評價指標(biāo)體系[30]。鞏航軍采用Delph法和AHP法，建立了高速公路隧道運營安全綜合評價指標(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項基本風(fēng)險，并采用AHP方法對風(fēng)險權(quán)重進(jìn)行了確定[32]。劉偉采用FAHP法對山嶺公路隧道施工風(fēng)險進(jìn)行了評估[33]。馬安震采用FAHP法對長大隧道施工安全風(fēng)險進(jìn)行了評估[34]。

BN方法也被引入國內(nèi)隧道工程中。趙冬安基于FTA和BN方法，對于地鐵施工安全風(fēng)險進(jìn)行了評估[16]。張姣基于實際事故數(shù)據(jù)，提出了基于BN模型的地鐵盾構(gòu)隧道工程風(fēng)險評估方法[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)險模糊綜合評估方法[15]。WANG等采用BN方法和RVM(Relevance Vector Machine)方法，對隧道引起的對鄰近建筑物的損傷進(jìn)行了評估[36]。

同時，隨著計算機技術(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)險評估領(lǐng)域，尤其被應(yīng)用于隧道巖爆風(fēng)險評估中[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)測結(jié)果與實際結(jié)果較為吻合[38-39]，能夠一定程度上為實際工程提供指導(dǎo)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的優(yōu)點在于，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，就可以對隧道風(fēng)險進(jìn)行評估和預(yù)測。其缺點同樣在于，需要提供大量、精確的數(shù)據(jù)對其進(jìn)行訓(xùn)練，而在實際工程中難于獲得如此翔實的數(shù)據(jù)。尤其是當(dāng)實際工程地質(zhì)情況與輸入訓(xùn)練數(shù)據(jù)發(fā)生較大改變時，其預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性仍待進(jìn)一步檢驗。

除上述提到的主要方法外，隧道工程風(fēng)險評估領(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)險非線性模糊評判方法，并驗證了該方法的可行性[40]。劉保國等建立了集德爾菲法、模糊綜合評判和網(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)險評價中[41]。桂志敬等針對《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險評估指南(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)險評估方法的優(yōu)化建議[42]。

從上述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，隧道風(fēng)險評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，在以往單一風(fēng)險評估方法基礎(chǔ)上，研究人員對于不同風(fēng)險評估方法進(jìn)行組合，以期針對不同的實際工程狀況進(jìn)行更為準(zhǔn)確的隧道風(fēng)險評估。

2 隧道建設(shè)與運營風(fēng)險評估指標(biāo)體系及評估方法

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

2.1 單因素隧道風(fēng)險評估

2.1.1 建設(shè)階段

隧道建設(shè)過程中風(fēng)險眾多，截至目前，已有眾多學(xué)者針對不同風(fēng)險源進(jìn)行了隧道建設(shè)階段單因素風(fēng)險評估。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，其實質(zhì)為圍巖的含水層結(jié)構(gòu)、水動力條件和圍巖力學(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)運移的一種動力破壞現(xiàn)象[43]。迄今為止，隧道涌水單因素風(fēng)險評估體系和評估方法中，代表性的評估體系和評估方法如表1所示。

表1 隧道建設(shè)階段涌水風(fēng)險評估

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

(2)塌方

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

表2 隧道建設(shè)階段塌方風(fēng)險評估

比較表2可知，隧道塌方風(fēng)險評估指標(biāo)體系和隧道涌水風(fēng)險評估指標(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)計及施工構(gòu)成。區(qū)別在于評估涌水風(fēng)險時，細(xì)分評價指標(biāo)更偏向于水文地質(zhì)；而評價塌方風(fēng)險時，細(xì)分評價指標(biāo)更偏向于工程地質(zhì)和隧道設(shè)計及施工。隧道塌方和涌水在細(xì)分評價指標(biāo)上，以及后續(xù)風(fēng)險評價權(quán)重計算上的區(qū)別，共同反映出隧道塌方和涌水風(fēng)險孕災(zāi)機制的不同。此外，李宜城等通過引入動態(tài)權(quán)重的概念，提出了一種風(fēng)險評估新方法，以隧道工程施工塌方風(fēng)險為例，詳細(xì)論述了以動態(tài)權(quán)重為基礎(chǔ)的動態(tài)風(fēng)險評估流程[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)測和風(fēng)險評估領(lǐng)域已涌現(xiàn)眾多方法，本小節(jié)主要介紹隧道巖爆預(yù)測和風(fēng)險評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)險評估

由表3可以發(fā)現(xiàn)，相比于隧道涌水和塌方風(fēng)險評估，由于巖爆致災(zāi)因素眾多，隧道巖爆風(fēng)險評估方法更為多樣，同時神經(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)測和風(fēng)險評估方法以外，眾多研究人員在巖爆風(fēng)險評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，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，對蒼嶺隧道巖爆進(jìn)行了預(yù)測[74]。王慶武等以拉林鐵路巴玉隧道為研究對象，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，利用修改后的谷-陶巖爆判據(jù)對隧道進(jìn)行了巖爆預(yù)測[75]。肖亞勛等在錦屏Ⅱ水電站3號引水隧洞極強巖爆段段實施了“先半導(dǎo)洞+TBM聯(lián)合掘進(jìn)”實驗，結(jié)果表明，TBM半導(dǎo)洞掘進(jìn)的巖爆風(fēng)險遠(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)測相結(jié)合，對巖爆進(jìn)行了預(yù)測[77]。

2.1.2 運營階段

我國對隧道運營階段風(fēng)險評估起步較晚。在隧道運營階段，由交通事故造成隧道的損害可主要歸納為車輛碰撞和火災(zāi)。目前我國關(guān)于隧道運營階段風(fēng)險評估多為綜合性評估，單因素風(fēng)險評估研究較少，主要關(guān)注隧道運營火災(zāi)風(fēng)險評估。

趙峰對公路隧道運營風(fēng)險評估進(jìn)行了深入研究，對國內(nèi)外公路隧道事故數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了統(tǒng)計，首次提出了針對我國的隧道運營社會風(fēng)險接受準(zhǔn)則，并將其和國外準(zhǔn)則進(jìn)行了對比[78]，此外，他對火災(zāi)風(fēng)險和逃生進(jìn)行研究，結(jié)合場景分析法和系統(tǒng)分析法，建立了適用于我國的公路隧道運營風(fēng)險評估方法。張玉春等根據(jù)隧道火災(zāi)時人員疏散的隨機性特性，采用蒙特卡洛方法建立了隧道火災(zāi)人員死亡概率風(fēng)險的評估方法，并基于該模型，利用FDS軟件對某特長隧道進(jìn)行了模擬分析[79]。張崇對于公路隧道火災(zāi)致災(zāi)機理進(jìn)行了研究，繪制了火災(zāi)致災(zāi)機理圖，按消防設(shè)計規(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估[80]?？的葘匪淼阑馂?zāi)危險源進(jìn)行了辨識，分析了隧道火災(zāi)的動態(tài)變化過程，通過改進(jìn)的FAHP方法，建立了公路隧道運營火災(zāi)風(fēng)險評估指標(biāo)體系[81]。

2.2 多因素隧道風(fēng)險評估

如前文所述，隧道建設(shè)及運營階段環(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)險評估方法，能更好地對隧道不同階段所有可能發(fā)生的災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險評估。本小節(jié)從建設(shè)和運營兩個階段出發(fā)，對多因素隧道風(fēng)險評估研究現(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)險評估指標(biāo)體系和風(fēng)險評估方法研究現(xiàn)狀如表4所示。

表4 隧道建設(shè)階段多因素風(fēng)險評估

由此可知，早期隧道建設(shè)階段多因素風(fēng)險評估方法仍主要以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)險評估方法應(yīng)用于該領(lǐng)域。研究人員建立隧道建設(shè)風(fēng)險評估指標(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、管理對隧道風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行分類；黃震等根據(jù)盾構(gòu)隧道開挖不同階段對隧道風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行分類[82]。除表4提及的文獻(xiàn)外，趙東安針對地鐵車站深基坑工程建設(shè)，將其風(fēng)險因素劃分為6類：基坑開挖現(xiàn)場、連續(xù)墻施工現(xiàn)場、輕軌加固現(xiàn)場、圍擋現(xiàn)場、注漿施工現(xiàn)場、現(xiàn)場管理[16]。

2.2.2 運營階段

目前常見的風(fēng)險評估方法綜合考慮了人、車、隧道、管理4方面，對隧道運營階段風(fēng)險進(jìn)行分析，如表5所示。

表5 隧道運營階段多因素風(fēng)險評估

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

3 結(jié)論與未來研究展望

針對隧道建設(shè)和運營階段風(fēng)險評估領(lǐng)域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并就目前國內(nèi)外主要隧道風(fēng)險評估指標(biāo)體系和風(fēng)險評估方法進(jìn)行總結(jié)，對主要風(fēng)險評估方法進(jìn)行介紹，得到如下結(jié)論。

(1)隨著隧道風(fēng)險評估領(lǐng)域的不斷發(fā)展，目前國內(nèi)外隧道風(fēng)險評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)險評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、可拓綜合評判法等其他方法也逐步被應(yīng)用于隧道風(fēng)險評估領(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)險評估方法的同時，對于發(fā)生概率較高的災(zāi)害還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行專項單因素風(fēng)險評估。對于隧道建設(shè)階段多因素風(fēng)險評估，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)是隧道運營階段可能遭受的主要災(zāi)害。對于隧道運營階段多因素風(fēng)險評估，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)注長大運營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)會造成事件事故負(fù)面影響的擴大；其次，隧道是一個密閉空間，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全局快速聯(lián)動系統(tǒng)。其具體工作主要包括：①應(yīng)用AI圖像識別技術(shù)對隧道內(nèi)的安全隱患實施全息感知；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)置各場景的應(yīng)急預(yù)案、知識圖譜；④建立知識-數(shù)據(jù)協(xié)同驅(qū)動隧道預(yù)警平臺進(jìn)行綜合分析決策。

總體而言，國內(nèi)外隧道風(fēng)險評估以半定量或定量方法為主，且單一風(fēng)險評估方法的精準(zhǔn)性和全面性不再能滿足復(fù)雜的實際工程狀況，不同風(fēng)險評估方法和新技術(shù)之間的交叉融合是該領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢。建議綜合實際工程狀況，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、可拓評判法、熵權(quán)法等，對隧道風(fēng)險進(jìn)行更為全面和精確的評估。在隧道建設(shè)階段，既需要對隧道進(jìn)行多因素的整體風(fēng)險評估，也需要對重點災(zāi)害進(jìn)行單項風(fēng)險評估，如塌方、巖爆、涌水、瓦斯等。在隧道運營階段，目前研究多集中于因交通事故而導(dǎo)致的火災(zāi)風(fēng)險評估及處置。對于通風(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AI、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在長大隧道建設(shè)與運營的研究與應(yīng)用，并以新技術(shù)、新設(shè)備不斷賦能隧道運營安全管理。