风险管理在隧道工程监控量测中的应用

卢颖明

(中国铁道科学研究院，北京 100081)

1 隧道工程概况

铜锣山隧道是纳黔高速公路C19合同段重点控制工程，设计行车速度为80 km/h，主洞建筑界限为10.25 m×5.00 m(净宽×净高)。隧道进口位于曲线段，为双洞单向行车隧道，左洞长度为2 133 m(ZK128+260～ZK130+393)，右洞长度为2 068 m(YK128+267～YK130+335)，隧道进出口均采用削竹式洞门。

进洞段位于斜坡上，斜坡自然坡度15°～30°，隧道洞口轴线与地形等高线近于垂直。洞口段地形条件较好，无斜坡变形现象。通过地表工程地质测绘未发现滑坡、崩塌等不良地质现象。

Ⅳ级围岩拱部无支护时，围岩自稳时间短，在隧道洞室的拱部、肩部均易发生松动变形、小塌方，进而发展为中、大塌方。Ⅴ级围岩开挖后，围岩易坍塌，处理不当会出现大坍塌。因此施工方边开挖边进行喷锚临时支护，采用台阶分部开挖，初期支护应及时，及时封闭成环。

隧址区地震基本烈度为6度。

2 隧道工程建设中风险管理的定义

隧道结构处于地下，其地质条件、围岩特性、水文情况等的不确定，使其在建设过程中、运营期间包含的风险比一般的土木工程要大得多。因此隧道工程的风险管理日益成为研究的焦点问题。

目前对于隧道工程风险的定义比较多，本文结合各方理论综合分析，将隧道工程风险简单定义为

式中，R为隧道风险;P为风险发生的概率;C为风险造成的损失。

其中，风险发生的概率并不是某一公式直接得来，也不是随便估计出来的，应该综合考虑多方面的因素。作为新奥法修建的隧道工程，监控量测更是应该作为重点考虑的一项。

隧道工程项目风险管理的内容包括四个方面:风险识别、风险评估、风险应对和风险监控。

3 隧道工程风险识别

风险识别是工程项目风险管理的第一步，也是十分重要的一步，它是风险管理系统的基础。风险识别包括收集资料、分析不确定性、确定风险事件、编制风险识别报告等，其过程为:收集数据→分析不确定性→确定风险事件并归类→编制风险识别报告。

识别风险的过程应根据工程实际情况，针对铜锣山隧道工程建设所有可能的风险来源和结果进行实事求是的调查。铜锣山隧道工程的风险可划分为六大方面:

1)隧道工程地质水文状况的不确定性、围岩级别差，地震等级高等风险。

2)施工风险。包括施工技术风险、施工现场风险、施工机械设备风险、施工材料风险、操作人员素质风险和施工管理风险。

3)施工工期风险。包括来自工程建设环境、业主、承包方、设计方、监理方的风险因素。

4)投资风险。包括项目决策风险、项目技术风险、项目采购风险、参建方信用风险、工程完工风险、生产经营风险、宏观经济变化、社会政治风险、环境保护风险和不可抗力风险。

5)环境风险。包括施工期的水污染、空气污染、噪声、固体废弃物、振动等对周边环境带来的影响。

6)运营风险。包括隧道结构安全性、稳定性、耐久性风险，隧道防水可靠性、耐腐蚀性风险，运营通风系统的可靠性风险，消防设施可靠性风险，以及典型灾害事故风险，如火灾、地震等。

铜锣山隧道工程的风险多集中于以上六个方面，特别是隧道建设中的风险，越来越受到重视。一旦出现事故，将会威胁到工作人员的生命安全，造成不良社会影响，耽误施工进度，经济损失更是不可估计。因此，在隧道的风险管理中，应充分重视施工期间的监控量测。只有做好监控量测，才能及时地预测预报出施工过程中可能出现的风险，避免风险的发生，才能保护施工人员的人生安全，将风险损失降到最低。

4 基于监控量测的隧道工程风险评估

4.1 监测项目

1)钢架内力量测。在选测钢架内力的断面，设置6个测点，如图1所示，分别在拱顶、左右拱腰、左右边墙及仰拱位置。采用表面应变计进行量测，采用频率仪进行读数。每个测点安装2个表面应变计，分别位于钢架的内、外缘上，即图2中1、2号点。

图1 测点布置

图2 表面应变计布置

2)围岩与混凝土接触压力量测。在选测围岩与混凝土接触压力的断面，设置10个测点，分别在拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右边墙位置、左右墙脚、仰拱，如图3所示。采用压力盒进行量测，采用频率仪进行读数。安装围岩与混凝土接触压力测试的压力盒时，压力盒安装在初支背后，压力盒承压面与岩面密贴。

图3 测点布置

图4 混凝土应变计布置

3)喷射混凝土内部应力量测。在选测喷射混凝土内部应力的断面，设置10个测点，分别在拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右边墙位置、左右墙脚、仰拱，如图3所示。采用混凝土应力计进行量测，采用频率仪进行读数。安装喷射混凝土内部应力测试的应力计时，每个测点安装2个应力计，位于喷射混凝土中，布置如图4所示。

4)初支与二次衬砌间接触压力量测。在选测初支与二次衬砌间接触压力的断面，设置10个测点，每个测点安装1个压力盒，测点埋设及布置同围岩与混凝土接触压力量测。

5)二次衬砌内部应力量测。在选测二次衬砌内部应力的断面，设置10个测点，每个测点安装2个应力计，测点埋设及布置同喷射混凝土内部应力量测。

6)围岩内部位移。在选测断面，设置2个测桩，位于左右边墙位置，如图3中8、9号点的位置。每测桩设5个位移测点，采用多点位移计进行量测。

4.2 监测数据

下面是位于铜锣山隧道Ⅴ级围岩YK130+020断面监测数据图(见图5～图11)。监测内容包括围岩压力、初支混凝土应力、初支型钢应力、围岩位移。其中，围岩压力受压为正，初支混凝土和型钢受压为负，围岩位移向下为负。

图5 YK130+020断面围岩压力时态曲线

图6 YK130+020断面内侧初期支护混凝土应力时态曲线

图7 YK130+020断面外侧初期支护混凝土应力时态曲线

图8 YK130+020断面型钢拱架内侧应力时态曲线

图9 YK130+020断面型钢拱架外侧应力时态曲线

图10 YK130+020断面右边墙围岩位移时态曲线

图11 YK130+020断面左边墙围岩位移时态曲线

在2010年1月13日，隧道开挖底部仰拱。由图5～图9可知，在仰拱开挖后围岩压力，初支应力，型钢应力没有明显变化，但是由图10、图11围岩位移监测数据可知围岩向下移动。如果按照通常的风险评估理论，完全可以忽略该隧道断面的风险。但仔细分析可知，当仰拱开挖后，型钢拱架脚底失去支撑，围岩压力，初支应力，型钢应力没有明显变化是比较正常的。但是有经验的隧道工作人员认为此时开挖仰拱，围岩应力重分布，在仰拱施作前是比较危险的，并不能忽略其破坏的风险。

隧道工程在建设过程中的风险评估有多种方案。如概率法、矩阵法、专家法、模糊数学法等。但这些方法都是建立在一个类似空中楼阁的理想的模型上，或者是很大程度上依赖于评估者个人的主观认识，并没有真正反映隧道施工的实际情况。在此，本文将结合隧道监控量测数据，运用树状层次分析的风险评估方法，以具体的监测数据分析评估该隧道建设中的风险。

树状层次分析法先根据现场施工情况确定各个监测数据的权重。以纳黔铜锣山隧道为例，此隧道右洞YK130+020断面，2010年1月14日开挖仰拱，初期支护及时施作，但二次衬砌还没有及时跟上，所以在上面四项监测数据中与仰拱开挖最紧密的墙角围岩位移的数据应该占比较大的权重。经专家系统数据库分析可取0.4。而其它几项的权重取平均值0.2。如图12。再分析监测数据。将风险按表1分五级打分。

图12 风险等级

表1 风险评估打分规则

结合铜锣山隧道的监测数据，按照表1的方法打分，结果见表2。

表2 监测数据风险评估

最后计算风险百分比:(1×0.2+2×0.2+1×0.2+1×0.4)/4=30%

由此可以判断铜锣山隧道是稳定的，没有坍塌的风险。

但是不同的地质条件，不同的围岩支护，不同的设计、施工、监理队伍，不同的施工工序，隧道工程发生风险的概率不同，风险评估的权重也不尽相同。比如在开挖掌子面时拱顶沉降所占的权重就比较大。在风险评估时应咨询相关专家，综合考虑各项监测数据，给予某些监测项目较大系数，而并不是平均分配。这样得出的风险评估才更切合实际。

5 隧道工程风险应对

通过风险的识别、评估，可以掌握隧道施工过程中潜在的风险及其可能造成的损失。隧道工程的风险应对是指面对隧道工程风险应采取措施，尽可能回避、减少或降低工程风险损失，完成工程预期目标的工作。该工作顺序为:分析风险识别及评价的结论→比选风险处理方案→提出处理方案→组织落实。隧道工程常用的风险处理措施有:风险回避、风险减轻、风险转移、风险分散、风险自留、风险修正等。针对铜锣山隧道风险评估的结果，可采取以下具体措施:

1)隧道围岩级别差，应采取台阶法施工，短进尺;

2)针对隧道围岩位移变化大的情况，应在墙角施做锁脚锚杆;

3)在开挖仰拱后应该及时封闭成环;

4)针对施工的具体情况，加强监测频率。

6 隧道工程风险监控

隧道风险管理中风险的识别、评估、应对三个环节已经构成一个整体。但是在工程项目的实施过程中，风险会不断发生变化，可能有新的风险出现，也可能预期的风险会消失。隧道工程由于其环境的特殊性和不可预知性，风险变化的可能性显得尤为明显。因此，对隧道工程进行风险监控是十分重要的。

风险监控的主要任务是随着工程项目的进展，密切跟踪已识别的风险，监视残余风险和识别新的风险，监控已经采取应对的风险效果，进一步寻找机会，细化风险应对措施，实现消除或减轻风险的目标。

风险监控的依据有:风险管理计划、风险应对计划、工程项目的变更和已发生的风险事件。

风险监控的主要方法和技术有:项目风险应对审计;定期项目评估;增值分析;技术因素度量;附加风险应对计划;独立风险分析。

风险监控的内容主要包括:计划风险监控;风险管理有效性监控;设备安全可靠性监控;行为风险监控;作业环境监控;项目融资风险监控。

风险监控的成果:随机应变措施;纠偏措施;变更请求;修改风险应对计划;风险数据库;更新风险评估。

7 结论

隧道工程风险是隧道工程必须面对的一个重大问题，如何降低损失、化解风险是学术界、工程界共同面对的一个重大课题。风险管理者只有通过全面的识别、细致的分析、合理的评判、恰当的处理、实时的监控，才能使工程免受重大损失，保证工程效益。

我国对隧道工程风险管理的研究起步较晚，本文主要有以下几点说明:

1)隧道风险识别、分析与管理应该成为隧道工程项目风险管理或项目监理的一个有机组成部分。应充分认识隧道工程地质条件变化等不可预见的风险，认真做好超前地质预报。通过对隧道工程风险管理所包含的几个部分的深入研究，建立隧道工程项目整个实施阶段的系统的风险管理技术。

2)定量分析是风险分析的一大特点，但有时很难确定风险发生的概率，单纯的主观估计意义又不大。因此，应该研究定性与定量相结合的适应于隧道工程的风险分析与评价方法，以便为制订科学的风险响应策略提供理论基础。

3)风险评价中最关键的是风险概率和权重的取值。本文提出建立与风险因素数据库相结合的专家分析数据库。该工作是将现场条件、施工状况等各种可能的风险因素列出清单，再细化分类，存储在数据库。第一时间通过网络远程传输到各位专家手中，运用专家的渊博知识和丰富经验，对可能存在的风险进行打分，确定各种状况下的风险因素的概率和权重，再按风险公式计算得出风险等级值，最后再反馈给专家，提出切实可行的规避方案。

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