某山洞隧道工程施工风险评估研究＊

杨亚宁

（湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉 430068）

随着中国经济高速发展，社会经济水平和人们生活质量不断提高，人们往往追求更便利的出行方式，如城市地铁、现代高铁、高速公路等。隧道工程交通运输的核心，发展也极为迅速，如长度从20 世纪末的10 km 跃升到20 km 级，再到2018 年建成且投入运营的港珠澳大桥海底沉管隧道长达5 664 m；数量从1980 年的4 386 座增长到2019 年的16 798 座，2020 年新增开通铁路隧道714 座，总长约1 589 km；在建铁路隧道2 746 座，总长约6 083 km；规划铁路隧道6 395 座，总长约16 325 km。

隧道工程在发展的同时，施工线路难免会穿越城市复杂地下空间、野外山川与河流，因隧道工程施工困难及施工安全等问题造成施工中风险事故不断增加、风险损失不断增大。

近年来国内外学者对隧道工程施工做了大量研究。因此，本文依托武汉市某山洞隧道工程，对其进行风险评估，首先根据实际施工情况将隧道施工工序进行分解，再识别每道工序的风险事件及风险因素，最后利用层次分析法及综合集成法对其进行风险评估，根据风险等级定义表，得出隧道工程施工风险等级。

1 隧道工程概况

1.1 工程地质条件

本文依托某山洞隧道施工工程，隧道全长约525.5 m，隧洞宽3.0～12.0 m，高3.25～6.2 m，隧道为Ⅴ～Ⅳ级围岩，其中Ⅴ级围岩段长380.5 m，Ⅳ级围岩段长145 m。

1.2 工程特点

本隧道均采用非爆破开挖方式，工期压力大，主要采用破碎头与人工配合开挖；隧道洞身围岩主要有Ⅳ、Ⅴ级，以Ⅴ级软弱围岩为主，地质条件较为复杂，施工难度高。

2 隧道风险识别

隧道施工过程风险因素识别是找出影响其工程安全的关键风险因素，是风险管理的第一步，也是风险评估的依据和前提。通过对隧道、竖井施工过程中可能发生的风险事故进行分析，对比文献、实际施工资料，总结归纳出影响风险施工发生的风险因素，针对风险因素进行风险分析及风险控制。论文基于武汉某山洞隧道施工风险因素识别，并对其风险分析。

根据本工程实际施工，将隧道施工风险分为四部分：洞身超前支护H1、双侧壁导坑法施工及初期支护H2、仰拱及填充H3、二次衬砌H4，对可能出现在施工过程中的四种风险进行估值评分。

3 风险评估

风险评估是在风险识别、分析的基础上对风险进行评价，通过层次分析法对风险事件、风险因素进行权重计算，再根据专家调查权重法估算出下级风险因素发生的概率以及发生的后果影响，最后将下级风险因素权重与下级风险因素发生的概率与后果影响进行综合计算，得出隧道工程施工风险等级。

3.1 基于AHP 的指标权重确定

利用层次分析法将同等级风险因素两两相互比较[7]，采用1～9 比率标度法对各风险因素进行对比分析并构建判断矩阵，通过求解判断矩阵的特征向量得到各风险因素的相对权重。

最大特征值λmax与特征向量W之间的关系为AW=λmaxW。上式中W分量为相应n个因素的权重：

其中，相对权重为：

几何平均值为：

3.2 竖井工程风险等级计算

以实际工程施工为基础，针对隧道施工过程中的风险事件、风险因素，邀请在隧道工程领域有一定建树的专家对其发生的概率P及发生后果C按照风险概率范围和风险因素发生概率描述估值打分，结果如表1 和表2 所示。

表1 风险因素发生概率等级标准

表2 风险因素发生后果等级标准

根据式（1）对风险因素进行风险概率计算：

式（1）中：R为风险概率值；P为风险因素发生的概率；C为风险因素发生后果的等级概率。

例如，风险因素“小导管布置不当”的风险概率值为：R=P+C－P×C=0.2+0.4－0.2×0.4=0.52。

同理，可以计算出“工作面局部塌陷”中其他风险因素的风险概率值，将计算出的风险概率值组成向量：N1=（0.52，0.60）。

其他风险事故的风险概率值向量分别为：支护变形N2=（0.51，0.44），导洞断面坍塌N3=（0.51，0.65，0.37），拱顶沉降N4=（0.52，0.44），支撑失稳N5=（0.44，0.37，0.52），仰拱填充隆起变形N6=（0.58，0.68，0.28），浇筑失稳N7=（0.65，0.36，0.44）。

采用综合集成方法，根据式（2）计算各风险事故的风险概率值：

式（2）中：R为各风险事故风险概率值；W为各风险因素的权重向量；N为各风险事故的风险概率值向量。

计算可得工作面局部塌陷的风险概率值为0.573，支护变形为0.493，导洞断面坍塌为0.578，拱顶沉降为0.504，支撑失稳为0.483，仰拱填充隆起变形为0.621，浇筑失稳为0.557。

即可以得出关键技术施工风险概率值向量为：洞身超前支护P（H1）=（0.573，0.493），双侧壁导坑法施工及初期支护P（H2）=（0.578，0.504，0.483），仰拱及填充P（H3）=（0.621），拱墙二次衬砌P（H4）=（0.557）。

同理根据式（2）可以得出洞身超前支护的风险概率值为0.553，双侧壁导坑法施工及初期支护为0.641，仰拱及填充为0.621，拱墙二次衬砌为0.557。

则各关键技术施工风险概率值组成的向量为（0.553，0.541，0.621，0.557），那么隧道工程施工的风险概率值为：R=W×B=0.553×0.157+0.641×0.505+0.621×0.245+0.557×0.088=0.611。

根据风险等级的定义，该隧道工程风险等级为4 级，属于较高等级，风险处于较高等级，风险后果非常严重，可能对工程有大范围的破坏以及人员的伤亡，应立即采取紧急安全应急预案，采取相应的措施。

4 结论

本文结合武汉市某隧道、竖井实际工程，通过研究国内外相关理论和方法，结合工程实际，对隧道、竖井施工过程进行风险识别、风险分析、风险评价及风险控制，形成较为完整的风险管理体系。主要结论如下。

通过对实际施工过程的研究，将隧道施工过程分解为洞身超前支护、双侧壁导坑法施工及初期支护、仰拱及填充、拱墙二次衬砌，识别各工序可能发生的风险因素，在风险等级标准的基础上，构建隧道、大型竖井施工过程的风险评价体系，为之后分析和评价作铺垫。

在隧道施工过程的风险评价体系的基础上，首先利用判断矩阵确定层次分析法模型中各级指标风险因素权重值，其次，在专家调查权重法基础上计算层次分析法中下级指标风险概率值。最后，根据综合集成法分别计算出风险事故发生的风险概率值和顶事件风险事故风险概率值。根据风险等级标准得出隧道风险等级结果表明，此隧道施工风险等级均为4 级，关键风险因素为未及时封面、不对称开挖、浇筑方式不正确、未设置防水板。以武汉某山洞隧道为实例，在实际施工时，应该以人为基础，施工方案为核心，日常监控为辅助对工程进行风险管理，确保人员以及工程的安全。