公路隧道施工风险评估若干问题的探讨

周庆昕 薛亚东

（1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092）

我国的公路隧道建设在近十几年间快速发展，1993年我国的公路隧道通车里程为136km／682座，2000年我国隧道通车里程已达628km／1684座，近10年来，公路隧道平均每年新建350km.公路隧道的高速发展一方面带动了经济的建设，另一方面也造成了相关工程事故的发生数量的增多，如2005年12月22日14时40分，四川省都江堰至汶川高速公路董家山右线隧道发生特大瓦斯爆炸事故，造成44人死亡，11人受伤，直接经济损失2035万元.因此对公路隧道进行施工风险评估，能够在施工前确定施工过程中潜在的重大风险事故，从而提出相应的措施以增强施工的安全性.

在隧道风险评估与管理的探索中，国外起步较早［1］，已经在控制坍塌事故风险的方面取得了成功，国际隧道与地下空间协会发布了隧道风险管理指南［2］，对于施工的风险控制具有重要的指导意义.

国内也开展了大量风险理论引进和研究，许多专家学者从隧道施工风险评估的整体出发，对施工风险辨识、施工风险评估体系进行了探索：程远等提出了采用专家调查法与层次分析法相结合的方式对大跨度浅埋公路隧道进行施工风险识别［3］；刘伟运用层次分析法确定公路隧道风险因素的权重［4］；贺志军引入了“当量”这个概念，以施工后果当量估计方法来解决山岭铁路隧道施工后果的估计问题［5］.

很多专家学者从隧道的典型施工步出发，建立了特定施工过程、特定风险源的风险管理体系：刘科伟进行了系统的隧道建设期塌方风险分析与研究［6］；陈蔚通过层次分析法对洞口失稳风险源进行了辨识与排序［7］；邓加亮采用专家调查法识别出隧道施工过程中瓦斯存在的风险因素［8］.现阶段施工风险评估项目主要依据《指南》中的内容，公路隧道施工风险评估主要从两方面进行：一是施工总体风险评估，二是专项风险评估.本文通过若干公路施工风险评估项目，提出了在实际风险评估过程中遇到的问题，提出了自己的解决办法.

1 风险评估风险指标的计算

1.1 地质条件的取值

根据《指南》中的内容，公路隧道总体风险评估指标包括地质条件G（包含围岩情况、瓦斯含量及富水情况）、开挖断面A、隧道全长L、洞口形式S以及洞口特征C五大方面，风险指标值R＝G×（A＋L＋S＋C），这样就将隧道的风险指标定量化为了一定的数值.

从公式R＝G×（A＋L＋S）可以看出，地质情况G占有的权重很高，地质情况的恶化往往会造成风险指标值的显著提高，但从《指南》中会发现当G取值为0时，无论开挖断面、隧道全长、洞口形式、洞口特征各取值为多少，最后都将得出隧道总体为低度风险，这显然是不合理的.所以针对这种问题应规定G值不小于1，即当G值为零时取G＝1.

在确定地质情况G的取值时，要确定隧道围岩状况a的取值，围岩状况a的取值依据见表1.围岩状况的确定依据主要是Ⅴ、Ⅵ级围岩长度占隧道全长的百分比，然而在实际的风险评估过程中往往存在着这样的隧道，其Ⅴ、Ⅵ级围岩所占比重可能不高，仅仅为20%，根据《指南》围岩状况a取值为0，但是其隧道当中一次存在的Ⅴ、Ⅵ级围岩长度30m，长距离的Ⅴ、Ⅵ级围岩隧道施工会提高隧道施工的风险，所以在进行围岩状况的取值时，更客观的方法应当引入Ⅴ、Ⅵ级围岩最长连续长度这一指标，与Ⅴ、Ⅵ级围岩占全长百分比这一指标采取并集运算的方式，详细表述见表2.

表1 围岩情况指标值

表2 围岩情况指标值改进方法

1.2 洞口特征指标的确定

根据《指南》中的内容，在对风险指标洞口特征C进行取值时的依据就是主观评定隧道进口施工是否困难，带有很强的主观性与模糊性，然而众所周知，在隧道的修建过程中洞口历来就是施工的难点，常有“进洞难”的说法.

所以在进行隧道总体风险评估的过程中，洞口特征这一指标值不应简单依靠专家调查法进行模糊主观的评判，而是应该从洞口特征出发，得到定量的指标值.

通过实际的评估过程发现，影响洞口施工风险的主要因素有洞口围岩特性、施工工艺与地形特点.所以在进行隧道风险评估时，建议采用将洞口特征风险指标值定量化的方式将洞口特征指标值细化，包括洞口围岩特性、施工工艺成熟度、地形特点三个组成部分，具体分类见表3.对于表中的建议取值，其值设定参照了《指南》中桥梁风险评估对于施工工艺及地形特点的取值.

表3 洞口特征指标值

在进行洞口特征这个指标的选取时我们已经考虑了洞口围岩条件的因素，并且洞口处的特征是与隧道整体的围岩情况无关的，所以公式变为R＝G×（A＋L＋S＋C），这样就可以避免在进行总体风险评估时对围岩情况进行重复考虑.

1.3 总体风险指标的补充

《指南》当中关于总体风险评估主要选取的评价指标有地质条件、开挖断面、隧道全长、洞口形式、洞口特征四项内容.在实际的评估过程中发现，随着隧道工程的日益增多，一些长大隧道工程也随之增长，长大隧道在施工过程中往往会采取多作业面同时作业的形式，作业面的增加往往伴随着竖井、斜井数量的增加以及人为因素影响的增强，所以建议在公路隧道施工安全风险评估中引入作业面个数这一指标值.

此外随着公路隧道工程分布的广泛，一些特定区域的极端气候条件也会对施工的安全造成很大影响.比如在公路隧道的施工过程中，降雨往往是影响施工安全的重要方面，区域降雨量较高，大范围降水多发往往会造成隧道上方地表水的下渗，尤其是当岩体较为破碎时这种情况更加明显，地表水的下渗会使围岩稳定性降低，从而造成坍塌事故的发生.所以区域气候条件也可以作为总体风险评价的指标之一.

1.4 关于洞口形式指标值的建议

《指南》中对于洞口形式这一指标值，采取竖井、斜井、水平洞分别赋值的办法进行洞口形式指标值的确定，但是在实际工程当中，往往洞口的形式并不是单一的，很多公路隧道工程中既有竖井，又有斜井与水平洞，所以这就使得洞口形式这一指标值很难确定，比较恰当的做法可以是将竖井个数所占洞口总数的百分比作为洞口形式指标值确定的依据，具体的取值情况可进行后续的研究.

2 专项风险评估

2.1 专项风险评估流程

通过公路隧道风险评估的实践，发现《指南》中对于风险源和风险事件两个概念有些混淆，顾名思义风险源表示引发风险事件的原因或因素，包括地质条件、气候条件、人为因素等等，从概念上出发风险源只是诱因，本身不是风险事件，也不一定会形成风险事件，而风险事件表示具体的风险事故.

《指南》当中的风险估测建议应是针对风险事件，比如塌方、瓦斯爆炸等等，分析这些具体事件发生的概率及产生的影响；风险源普查的作用主要是找出产生风险事件的诱因，从而能够全面分析风险可能性.

在实际的评估过程中还发现针对某一特定的公路隧道工程进行专项风险评估，往往很难准确快速地确定风险评估的内容，很难找到切入点，《指南》中提出了瓦斯爆炸、塌方、围岩稳定等等风险事件供评估人员进行参考，结合《指南》中已有的内容与实际的评估过程，提出了如下的专项风险评估流程：首先对该隧道进行施工作业分解，针对整条隧道施工作业总体分解为：左右线洞口明挖施工、洞口暗埋段施工、岩溶段开挖施工、隧道正常段开挖施工四大部分；然后进一步细化到施工单元步，包括：爆破开挖、支护、防水、洞口边仰坡防护等等；之后通过专家调查法分析各施工单元步当中包含的风险事件及风险源，隧道专项评估的重大风险事件一般主要包括：洞口失稳、塌方、大变形、结构损坏、瓦斯、渗漏水及环境影响，风险源的普查可以按照建设条件、结构因素、施工因素三方面进行.最后按照施工作业划分板块，对单元施工步进行风险源普查与风险事件分析，结合《指南》中参考提供的风险事件评估方法进行专项风险评估.

2.2 数值模拟在专项风险评估中的应用

随着计算机技术的发展、计算速度的加快、计算理论的完善，数值模拟在隧道工程中的作用也日渐明显.数值模拟在隧道工程的设计、施工、研究等方面以其快速、相对准确、方便等特点逐渐得到了更广阔的应用.

《指南》当中在进行塌方及稳定性风险评估时没有引入数值模拟验算这一部分内容，而是单纯采用了指标体系法的方式，该方法简便、明确，适合于实际工程当中的应用，但是在进行实际工程的专项风险评估中发现数值模拟往往又是必要的，单独采用指标体系法进行塌方、稳定性等的风险评价往往缺乏说服力.

所以在对公路隧道进行专项风险评估时建议引入数值分析的内容.通过数值分析，可以模拟出隧道开挖过程中围岩的稳定性情况与岩体的位移情况，这些结果与定量评价体系相结合针对塌方、稳定等风险得出更全面的结论；数值分析得出的位移、应力云图可以分析得出隧道断面结构薄弱点与应力集中点，从而在施工阶段采取结构补强措施，预防事故的发生.

2.3 风险事件严重等级的确定

《指南》当中采用指标体系法的方式进行风险事件严重程度的估测，主要从人员伤亡、财产损失、社会影响、环境影响几个角度来进行严重等级的估测.当几种角度评估的严重等级存在矛盾时，采取“就高”原则.

但是这种方法也会存在弊端，评价一个风险事件的严重程度不应该只选取其严重程度最高的方面，而是应该综合考虑事故发生后方方面面的影响，得到一个全面的估计.所以在对某公路隧道进行风险事故严重等级估计时，根据参考文献［6］中关于事故后果“当量”的概念，将风险后果分为：直接经济损失、人员伤亡后果、工期损失后果、间接经济损失后果，总风险后果指标值为四项指标值之和.四项指标采用“当量”进行转化，根据国内外安全理念，死亡1人为一个基本单位“当量”，按照国内外安全理念惯例，“一当量”对应事故损失结果为：死亡1人、10人重伤或50人轻伤、工期延误30d、300万元直接损失、隐蔽损失统一以500万元表示，则总体后果指标：

式中，Cz为事故直接损失（万元）；Cr1为死亡人数（人）；Cr2为重伤人数（人）；Cr3为轻伤人数（人）；Cy为工期延误损失（d）；Cj为间接隐蔽损失（万元）.

各后果指标值对应的事故后果严重性等级见表4.

表4 事故严重性等级标准

在确定风险事件的损失时，常常采用的是专家调查法，依靠相关的工程经验得到风险事件可能造成的具体损失，其他方法尚在探索当中.对于事故严重性等级的建议取值，参考了参考文献［6］中国内外对于事故严重性评定的准则，并结合《指南》中原有的事故严重性等级的建议取值而提出.

3 结 语

通过以上的分析，我们总结了在进行公路隧道风险评估工程当中遇到的问题及相应的解决办法：①对洞口特征C采取了更加客观的定量评价方法，并对围岩状况指标值确定方式进行了改进.②明确了风险源与风险事件的概念，提出了合理的专项风险评估步骤.③在塌方、围岩稳定等风险评价时，补充了三维有限元施工模拟的内容，与定量的指标体系法相结合.④在确定风险事件严重程度等级时，《指南》当中采取就高原则确定风险事件严重等级，本文采取“当量”转化的方法，将所有损失转化成当量计算综合，综合考虑了各个方面对最终风险事件严重等级的影响.

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

［2］Søen Degn Eskesen，PER Tengborg，JøGEN 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 远.基于层次分析法的大跨浅埋公路隧道施工风险识别［J］.岩土工程学报，2011，33（1）：192－195.

［4］刘 伟.山岭公路隧道施工风险评价及其应用研究［D］.西安：长安大学，2011.

［5］贺志军.山岭铁路隧道工程施工风险评估及其应用研究［D］.长沙：中南大学，2009.

［6］刘科伟.公路隧道建造期塌方风险分析及控制的系统研究［D］.长沙：湖南大学，2012.

［7］陈 蔚.山岭隧道洞口稳定性分析及失稳风险评估［J］.低温建筑技术，2012（5）：108－111.

［8］邓加亮.公路瓦斯隧道施工风险分析［D］.长沙：长沙理工大学，2010.

［9］交通运输部.公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南（交质监法［2011］217号）［S］.2011.