可信性方法在高速公路隧道中风险评估的应用

乔 立

北京城建设计发展集团股份有限公司 河南 郑州 450046

引言

随着国内高速公路迅速发展，截止到2017年7月左右，高速公路里程已达13.1万公里[1]。高速公路沿线长，而且中国又是山岭众多的国家，穿越山岭是修建高速公路必不可少的一项环节，但是由于山岭地质复杂，环象丛生，必然给施工方、设计方等带来更大的挑战。近几年，修建高速公路隧道过程中，由于围岩勘探不精准、现场管理不到位、加固措施不及时，以及隧道存在的一些不可控制因素等，都导致了高速公路隧道的施工事故问题较其他工程偏高。所以，如何降低高速公路隧道事故发生率以及发生后果的严重程度，已经是我们国家和社会需要重视的课题。

高速公路隧道事故发生的因素往往是随机性、不确定性，所以需要采用风险分析理论对这些因素进行分析和评价，从中找到影响高速公路隧道施工安全的几个重要风险因素，然后对这些因素进行风险等级评定，确定隧道施工安全水平。目前常用的分析方法有[2-7]：模糊数学法、层次分析法、模糊综合评断、敏感性分析方法、模糊层次综合分析方法等。综合分析，本文采用可信性风险分析方法和专家权重法[8]。通过对现场隧道调研，得到高速公路隧道开挖过程中主要的风险事故概率以及造成的后果，并采用可信性分析方法对高速公路隧道施工期的风险进行了评价，根据评价结果，采取相应的措施进行预防。

1 公路隧道施工概况

枫木界隧道位于广西梧州至柳州的一段高速公路隧道，该隧道为曲线连拱隧道，技术标准为双向四车道，隧道分左洞和右洞，左洞起止为ZK142+185- ZK143+690，全长为1505m，右洞起止为K142+206- ZK143+684，全长为1478m，属于长隧道，最大埋深302m，隧道净空（宽×高）10.75m×5.0m，采用新奥法进行施工。枫木界隧道围岩级别分别为Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级三种，其中隧道左、右洞Ⅲ级围岩分别占73%和74%，目前左右隧道都进入Ⅲ级围岩，分为60m和20m。该隧道出口左右洞已开挖段的围岩从地质情况揭示为中风化砂岩，呈镶嵌破裂-散体碎裂结构，节理裂隙发育，岩体破碎，层间结合差，岩体结构面呈水平薄层状且多含泥质填充胶结，拱顶结构面易形成不利组合、易掉块，围岩自稳性降低，为Ⅲ级偏弱围岩，与原设计围岩级别存在一定偏差，给施工安全带来一定风险和隐患。

2 可信性方法的风险分析

2.1 风险分析的基本概念

所谓风险，就是我们不希望的不幸事件发生的概率和可能性，或者是产生危险后果的可能性，高速公路隧道的风险可以定义为：

式中：R—高速公路隧道工程风险；p—发生风险的概率；D—风险损失，主要包括经济损失DC、人员伤亡DL、工期损失DT等。

风险分析通常分为三个步骤[9]：

（1）风险辨识：分析高速公路隧道施工阶段所有的潜在风险因素，通过归类、筛选，从中找到几个影响较大的风险因素。

（2）风险估计：对几个影响较大的风险因素进行概率和后果进行估计，算出风险的影响程度。

（3）风险评价：按照国家的相关标准对目标参数的风险结果进行评判。

2.2 可信性方法

可信性方法是一种非定量的集合性术语。基于可信性的高速公路隧道施工期风险可以分为两类：

（1）高速公路隧道在施工中，围岩的不稳定，施工计划受到干扰，资金超过预期的支出，山体出现滑坡，可信性达不到预期水平。

（2）高速公路隧道施工阶段发生事故后，后果通常包括人参伤亡情况，经济损失情况，环境污染严重程度，山体的破坏程度。

基于可信性的高速公路隧道施工阶段风险分析，根据上述两类危险可能发生的概率大小和发生后造成的后果严重程度用风险度来度量。

风险度（r）与风险发生的概率Pf和风险发生后果严重程度Df存在着如下的关系[10]：

式中Df和Pf的表达式分别如下：

式（3）中：Dfj—第j类风险后果严重程度，ωj—第j类风险后果的权重，

式（4）中：Pfi—第i类风险后果严重程度，ωi—第i类风险后果的权重，

3 可信性方法的工程应用

本文研究对象如第一部分介绍的某高速公路开挖过程中发现实际围岩等级与勘探围岩等级存在一定的偏差以及由于存在的风险造成的经济损失、人员伤亡和工期损失，其他非关键因素不予考虑。为了得到高速公路隧道工程施工时风险的大小，通过专家调查打分并进行权重分析。本次调研在南宁地区进行，为了确保打分的有效性和可信性，发送的对象都是在施工单位、科研单位以及设计单位有着非常丰富的现场经验和专业知识过硬的专家，发送的问卷为25份，收回20份，中级及中级以上职称占到总人数的75%，达到预定的目标。调查内容主要包括开挖时主要风险事故的发生概率和损失两部分，损失一般包括经济损失、工期损失和人员伤亡三部分。

3.1 风险分级

根据高速公路隧道风险目标和风险特点，风险分级对象主要包括风险事故发生的概率、风险事故发生产生后果以及风险水平的等级。进行风险评估之前需要建立一个适合高速公路隧道工程要求和规模的分析体系，评估每个风险事故发生的概率极其产生的破坏程度，为下一步需要采取不同的措施提供评判依据。风险概率分级体系适用于所有风险，而后果分级体系分为经济损失、工期损失和人员伤亡三方面的风险，这三方面通过相互协调实现在同一个风险级别可以应用于所有类型的风险的要求。本文结合相关文献[11-13]得到高速公路隧道概率、后果和风险水平的分级如下表1、表2和表3所示。

表1 风险事故发生概率

表2 风险事故发生后果

表3 风险水平分级

3.2 风险分析

由于每个专家自身的背景、教育程度、工作经历不同，在对同一事件做出评价时，会有不同的评价结果，所以需要对评价结果进行综合分析，最终得到一个比较客观的综合结果。本文采用加权平均法，首先根据专家的不同资历、职称、权威性等设定相应的权重，然后对事件判断出来的相应权重进行累加，最后得到的目标值是最接近真实的数值。本文结合实际情况，将专家分为四个等级，每个等级对应的权重如表4所示[14]。

表4 专家权重确定方法

结合专家人数和专家权重，确定每个事件的风险概率[15]，公式如下：

式中：Pi—专家对第i个事件作出的综合评价标准；ωij—第j个专家对第i个事件的权重系数；Eij—第j个专家评价第i个事件时的评价结果。

通过公式（5）的计算，可以得到高速公路隧道开挖过程中发生事故的概率及后果如表5和表6所示。

表5 风险事故发生概率及权重

表6 风险后果及权重

由公式（4）计算可以得到高速公路隧道开挖过程中发生事故后产生后果严重程度为：Df=0.312

由公式（4）计算可以得到高速公路隧道开挖过程中发生的风险概率为：Pf=0.302

得到Df和Pf后，将它们代入公式（2），风险度为：

对照表3，高速公路隧道开挖过程中总体风险为三级，有一定的危险，需要上层领导采取相应的对应措施。

3.3 对应措施

通过对该高速公路隧道施工过程中的风险进行评估，得到了该隧道存在一定的安全隐患，需要采取相应措施进行预防。

1、由于勘察设计的围岩级别与现场实际的围岩级别存在偏差，而且低于设计围岩级别，所以需要对洞顶上部围岩进行注浆，提高围岩的自稳性。

2、通过改变支护设计参数，提高支护结构的抵抗围岩压力的能力，确保洞内施工人员的生命安全。

3、加强洞内巡查和监测，及时汇报每天洞内变形情况，以便及时调整方案，避免严重后果的发生。

4 结论

（1）本文对高速公路隧道的基本概况进行阐述，找到风险发生的原因；然后引入可信性风险分析方法，建立了适用于高速公路隧道的风险事故发生概率、风险事故后果和风险水准等级，以便为实际工程应用提供理论支撑。

通过现场调研得到该高速公路隧道开过过程中风险事故的发生。

（2）采用可信性风险分析方法，对该高速公路隧道开完过程中主要风险事故概率、风险后果数值进行了评定，得到该高速公路隧道总体风险度为0.520，属于三级风险，需要采取相应的措施进行预防；最后结合实际情况，提出了几条预防风险的措施和建议。