公路隧道施工安全风险评估方法优化研究*

桂志敬，吴忠广，严琼，张晨曦

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.交通运输部科学研究院标准与计量研究中心，北京 100029；3.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083；4. 中电建路桥集团有限公司，北京 100083)

0 引言

近年来，各类隧道工程施工过程中，由于施工环境复杂、地质条件差、影响因素多等原因，隧道事故呈现“易发、频发、多发”等特点[1]。根据原国家安全生产监督管理总局公布的隧道施工事故统计，2004—2008年，我国共发生46起隧道施工安全事故[2]；2008—2016年，共发生62起隧道施工安全事故，死亡213人[3]，导致了严重的人员伤亡和经济损失，并造成恶劣的社会影响。对在建隧道工程开展施工安全风险评估，已经成为加强隧道施工安全风险管理的一项重要举措，2011年，交通运输部出台了《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南(试行)》(以下简称“现行指南”)[4]，开始在公路隧道工程施工阶段推行施工安全风险评估工作。

然而，我国幅员辽阔，不同地区的地形地质条件复杂，公路隧道施工面临长大、深埋、高地应力及大变形等突出问题，隧道施工安全面临严峻挑战。现行指南中，相关评估体系已难以满足当前风险评估的需要，国内一些研究学者[1]针对现行指南中的某些指标体系提出相关修改建议，或是通过数学方法对实际隧道工程进行施工安全风险评估。但这些研究大多只是针对某些评估指标或隧道工程提出更为合理的评估方案，未见对现行指南整体的研究评价与优化。

在此背景下，本文对公路隧道工程施工安全风险评估进行全面深入的调研与分析，综合相关专家对现行指南的应用建议，对比国内外相关规范指南，提出“动态风险评估”的观点，对现行指南做出整体评价与优化建议。

1 隧道施工风险评估方法研究进展

当前，国内外多所科研机构和高校在风险评估方法、应用模型、系统程序开发等方面进行了深入研究，并取得一定的技术成果。

程远等[5]选出6项风险因素，采用层次分析法评估隧道施工总体风险等级；马安震[6]基于模糊层次综合评估法和专家调查法，建立了长大隧道施工安全风险评估模型；刘伟等[7]采用统计调查法，对国内山岭公路隧道施工重大灾害事故收集整理分析，建立了多级评价指标体系下的山岭公路隧道施工风险评估方法；曹文贵等[8]在全面分析新奥法隧道施工风险影响因素基础上，建立新奥法隧道施工风险非线性模糊评判方法，并验证了该方法的可行性；刘保国等[9]基于模糊网络分析法，建立了公路山岭隧道施工风险评价指标体系；郭发蔚等[10]基于贝叶斯网络，提出隧道施工风险模糊综合评估方法；徐峰[11]采用可拓综合评判法对老龙头隧道开展施工安全风险评估，界定了隧道初级风险等级区段；熊静霆[12]运用层次分析法及灰色系统理论，构建隧道风险综合评价模型；Wang 等[13]基于模糊综合贝叶斯网络(FCBN)，提出针对地铁建设项目安全风险分析的系统性决策方法；Fan等[14]基于贝叶斯网络(BN)和支持向量机(SVM)技术，建立隧道风险概率及其危害可能性评估模型，并通过工程实例证明了该模型的可行性和准确性；陈亮[15-16]基于专家调查方法，建立风险评估模型并开发了盾构隧道工程施工风险管理与控制软件(TRM)；池秀文等[17]开发了基于ArcGIS Engine平台的地下工程施工安全风险管理系统；Kim[18]在考虑隧道施工复杂度的基础上，建立风险分析系统；Hyun-Ho Choi等[19]基于模糊理论的风险评估模型，并将以此模型开发的风险评估软件成功应用于首尔地铁项目；M.M.Fouladgar等[20]基于TOPSIS方法和模糊理论，考虑多种影响因素，建立了新的风险评估模型，并将其应用于Ghomroud输水隧道工程；Rita L.Sousa等[21]基于贝叶斯网络，建立系统评估和管理隧道施工风险的方法，其中包括地质预测模型与施工战略决策模型；Mcfest-Smith[22]通过调查亚洲50多个隧道的施工风险，从融资和保险的角度提出IMS风险评估方法。

2 各类工程风险评估方法分析

2.1 铁路隧道工程风险评估

2007年，原铁道部公布实施了《铁路隧道风险评估暂行规定》[23]，其与现行指南有以下不同，如表1所示。

表1 与《铁路隧道风险评估暂行规定》内容对比Table1 Comparison with the contents of “Interim provisions on railway tunnel risk assessment”

2.2 地铁及地下工程建设风险管理

2007年，原建设部出台了《地铁及地下工程建设风险管理指南》[24]，其与现行指南有如下不同，如表2所示。

2.3 高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估

交通运输部于2015年3月1日实施了《高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估指南(试行)》[25]，其与现行指南主要有以下不同，如表3所示。

表2 与《地铁及地下工程建设风险管理指南》内容对比Table 2 Comparison with the contents of “Guidelines of risk management for construction of subway and underground works”

表3 与《高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估指南》内容对比Table 3 Comparison with the contents of “Guidelines for construction safety risk assessment of expressway high slope engineering”

2.4 港口工程施工风险评估

2017年9月15日，交通运输部公布实施了《港口工程施工安全风险评估指南》[26]，其与现行指南主要有以下不同，如表4所示。

2.5 国际隧道工程风险管理

2004年，国际隧道协会根据各国隧道建设的情况，经过充分论证，制定了《Guidelines for Tunnelling Risk Management》，中文译为《隧道风险管理指南》，为各国隧道工程风险管理提供了评估方法和参照标准[27]。

表4 与《港口工程施工安全风险评估指南》内容对比Table 4 Comparison with the contents of “Guidelines for port construction construction safety risk assessment”

该指南与现行指南直接相关的为第七章“风险管理的典型组成部分”，包括风险识别、分级及定量评估。风险识别从以下3个方面进行。

1)审查从合作伙伴公司提交的书面文件中得出的类似项目在世界范围内的运作经验。

2)研究正在实施项目的相关风险类型的通用处置原则。

3)与世界各地的项目团队和其他组织的专家进行讨论，并给出分组建议。

该指南中，风险发生后果包括：工人或急救人员伤害、第三方伤害、第三方财产损害、环境破坏、工期延迟、业主经济损失及商誉损失，再由风险发生频率和严重程度构成风险矩阵，并给出风险接受准则。而现行指南中，未涉及对第三方危害的相关内容。

该指南中，提出了简单的定量风险评估方法，分别赋值其发生频率(F)及后果(C)，∑F×C(所有危险源风险总和)即为该风险值，并强调该方法没有描述风险评估的不确定性。

2.6 隧道工程岩土风险管理

2009年11月8日，我国香港特别行政区土木工程拓展署岩土工程办公室实施了《Geotechnical Risk Management for Tunnel Works》(隧道工程岩土风险管理)，在岩土风险识别和风险评估方面，《Geotechnical Risk Management for Tunnel Works》与现行指南相关且可借鉴的内容包括[28]：

1)为评估岩土风险等级，首先应确定当前建设的隧道线路及与工程相关的岩土风险源、施工方法和敏感区域。

2)对影响工程的地质灾害、设计和施工相关的风险，风险评估应在项目风险登记簿中记录下来，并应该建立风险接受度标准。

3)实地调研勘测是识别岩土风险的主要手段之一，包括综合的书面研究、场地勘查，尤其针对特定项目设计的地面勘察和敏感区域状况的调查。

4)岩土风险相对等级的确定，应通过半定量或定性风险评估，确定减轻岩土风险的优先次序，并确定已达到可接受水平的岩土风险，且风险可在不需要主动减轻的情况下接受。

3 现行指南存在的主要问题

通过将现行指南与以上国内外相关规范和风险管理办法对比分析，并结合实际应用经验，分析总结为以下4方面问题。

3.1 静态风险评估体系不尽合理

现行指南评估体系实际执行时，仅从勘察报告、设计文件、现场调查及相关标准规范等资料查找评估体系中需要使用的信息，而这些信息往往非常局限，由此得到的风险评估结果不足以概括整个施工阶段的安全状况。具体表现在：

1)缺乏动态风险评估思路。实际隧道工程中，岩体性质复杂多变，围岩稳定性等级不同所用施工方法不同，其施工组织设计亦有所差别，故隧道工程施工风险评估应是1个动态过程。

2)缺少评估基础信息的获取方式。可将数值仿真、监控量测、超前地质预报等隧道工程常用的技术方法与风险评估相结合，得到适用且可信度高的风险评估基础信息。

3.2 评估指标类型有待增加

随着“西部大开发”及“一带一路”战略的深入实施，公路隧道工程不断增多，隧道工程地质条件将愈加复杂，仅对地质条件、隧道断面、洞口类型、诱发条件、资料完整性等5项内容开展总体风险评估，已难以满足实际隧道工程风险评估的需求，具体表现在：

1)长大、深埋隧道工程增多，长大隧道往往采用多作业面同时开挖，深埋隧道可能存在严重的高地应力问题，成为引发安全事故的潜在因素。

2)地质、水文、气候等多因素会对公路隧道工程施工安全造成影响，如大范围降水往往会造成隧道上方地表水的下渗，若围岩等级低，将显著增加施工风险，严重威胁隧道施工安全。

3)隧道类型日益丰富，跨江、跨河、跨海等复杂条件下的公路隧道工程增多，盾构法、顶管法也逐步应用于公路隧道，其对施工要求更为苛刻，面临的安全问题将更为突出。

3.3 评估指标定义针对性不强

隧道洞口往往是隧道施工安全事故的高发区域，现行指南将洞口特征分为2类：隧道进口施工困难及隧道进口施工较容易。实际评估中带有很强的模糊性和主观性，且分类过于简单，具体表现在：仅从施工便道难易、地形特点等方面考虑，无法较为准确地判断洞口施工的难易程度，此外，影响洞口施工安全性的因素还应包括洞口斜坡角度、偏压情况及浅埋段长度等。

3.4 事故严重程度等级界定不够清晰

现行指南指出：事故严重程度采用指标体系法估测，主要考虑人员伤亡和直接经济损失，也可以根据实际情况，考虑工期延误、环境破坏及社会影响等方面的后果，按照“就高原则”，对多种后果同时产生时，将最严重的确定为最终程度等级。依据“就高原则”确定事故严重程度等级不尽全面，具体表现在：若由“就高原则”确定出2个事故严重程度等级相同，而其中1个事故后果的某些方面指标差距较大，而另1个差距不大，则2事故最终影响结果必不相同，故应综合考虑事故发生后各方面的影响，采用定量的方法对事故后果进行综合全面的估测。

4 现有评估方法优化建议

4.1 优化思路

现行指南自2011年实施以来，为管控桥隧施工安全风险、促进行业安全管理水平提升发挥了积极作用，但在实际操作中尚存在上述技术问题。为更好地发挥现行指南的技术引导和强化管理功能，建议从以下2个方面进行优化。

4.1.1 技术层面优化

在技术层面上，突出评估方法的多元化。现行指南作为行业技术性标准，在贴近实际应用的同时，应突出技术水平与层次，既要有针对普通隧道的指标体系方法，又要根据不同隧道、不同区段的风险差异情况推荐采取不同的评估方法，使其更能接近实际工程需要，而为不改变现行总体评估与专项评估的方法体系，可在宏观层面采用直接判定与综合判定相结合的思路，其中，直接判定方法可采用较为简便的指标体系法、专家调查法(可借鉴《港口工程施工安全风险评估指南》)等，综合判定方法应结合隧道监控量测、地质预报、数值模拟计算等量化评估，辅以专家研讨，确定风险等级。

1)对于总体风险评估，推荐指标体系法、专家调查法等定性评估方法，对现有评估指标进行优化，修改模糊性和主观性较强的指标，细化指标分类。在计算指标体系法分值、确定总体风险等级时，不宜采用简单的线性叠加进行计算，可以参考《高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估》引入权重系数或者采用其他更为科学的计算方法。

2)对于专项风险评估，应分2阶段开展：施工前专项风险评估和施工过程中专项风险评估，分别对应参考《铁路隧道工程风险评估》中的设计阶段、施工阶段。施工前专项风险评估推荐采用指标体系法，关键工点区段，如洞口、特殊地质等，应结合设计图纸参数辅以数值计算、定性与定量结合的方法开展，同时引入再评估机制，即根据不同设计方案、不同设计措施等再次评估确定该阶段采取控制措施后的残留风险。而对于施工过程专项风险评估，则应突出动态性，结合地质围岩情况变化，根据施工监控量测、地质超前预报、数值模拟计算等精细化量化评估，推荐采用多种综合风险评估方法，如指标体系法、模糊层次综合评判法、贝叶斯网络方法等。

3)增加隧道类型与事故类型。可增加盾构隧道、沉管隧道、双连拱隧道等不同隧道施工类型，增加软岩大变形、硬岩岩爆等典型事故类型，完善坍塌、涌水突泥、瓦斯爆炸等现有指标体系。

4.1.2 管理层面优化

在管理层面上，加强评估与施工安全管理的融合。针对现行的评估过程与实际施工结合不紧密等问题，建议将评估结果与专项施工方案相衔接，现行指南中应强化衔接的环节、具体落实要求等。

4.2 建议增加评估方法

4.2.1 模糊层次分析法

模糊层次分析法(F-AHP)将模糊数学的基本理论与层次分析法结合起来，综合了层次分析法的客观性与模糊数学的包容性，是1种灵活且适用性强的多准则决策方法。

就隧道工程的风险状态和分级标准视为模糊的、不确定性的，风险评估就成为一个多因素、多层次的综合评估问题。而模糊层次综合评估法将模糊的定性指标量化，能较好地进行多因素、多层次综合评价。同时，以调查数据为基础，用量化计算来度量风险概率，结果较客观具有说服力。

4.2.2 贝叶斯网络方法

贝叶斯定理以概率论中的条件概率公式为基础，在风险与可靠度领域，贝叶斯统计学的概率信度观点已成功应用于工程领域。

随着隧道工程施工开挖推进，以掌子面揭露情况作为依据，利用贝叶斯更新(Bayesian updating)技术，动态更新围岩地质情况，更新风险预测变量，可得到风险变量的后验分布概率，据此进行量化风险的后验更新，实现风险的动态评估。基于贝叶斯网络的特点，可灵活地将其转化为影响图，并建立效用函数进行风险决策。

4.2.3 蒙特卡洛模拟与事件树法

事故后果与损失包括：经济损失与工期延误。其中，前者主要为设备机具损毁、支护结构毁坏、扩挖及重建支护结构，或额外工程治理所导致的经济费用；后者主要有扩挖、重建支护结构所需的时间成本，或因事故造成的停工整顿时间。

对于工期延误的计算，可采用基于PERT(项目评估与审查技术)的蒙特卡洛(MCS)模拟方法，可得到延误时间的累积分布。

经济损失的量化计算，可基于事件树的风险计算方法，综合考虑事故发生的概率及严重程度、时间概率、空间概率及其承灾体易损性、价值，通过条件概率的形式表达。

4.2.4 事故后果当量估计法

事故后果当量估计法综合考虑人员伤亡、工期延误、经济损失、环境影响及社会影响等5方面事故后果。目前，事故后果的估计主要以人员死亡来描述事故后果等级，将1个单位基本当量定义为死亡1人，其它事故后果可进行当量等价换算。基于国内相关法律法规或标准的规定，借鉴国内外学者对于事故损失统计与估算的相关研究成果，按照公路隧道程的特点，从国民经济和赔偿角度等方面来确定伤亡当量指标[29]，引入修正系数考虑各个地方的福利标准、工程项目大小等参数影响。其中，1个后果当量的等价指标建议参照表5所示的标准；环境影响、社会影响后果分值建议参照表6来获取。

表5 1个当量等价指标建议取值Table 5 One equivalent equivalent indicator recommended value

表6 环境影响、社会影响后果分值Table 6 Environmental impact, social impact scores

后果当量总值用DC表示，则可表示为：

DC=r1(CJ1/300+CJ2/500+
r2(CR1/1+CR2/10+CR3/50)+
r3(CG/30)+r4(CH/9)+r5(CS/9)

(1)

式中：DC为事故当量函数，取线性关系；CJ1为直接经济损失后果，CJ2为间接经济损失后果；CR1、CR2、CR3分别为死伤、重伤及轻伤人数(人员伤亡后果)；CG为工期损失后果；CH为环境影响损失后果；CS为社会影响损失后果。

ri(i=1,2，3,4,5)为5种事故后果损失修正值，可由安全管理各方根据自己的标准和工程实况调整。

在得到事故总当量值后，事故后果分级标准建议采用表7确定。

表7 事故后果等级标准Table 7 Standard table for grade of accidents

5 工程算例

5.1 工程概况

以湖南某高速公路隧道洞口坍塌事故为例，验证提出的专项风险评估方法。该隧道属长隧道，左线隧道长度2 305 m，右线隧道长度2 325 m。山顶最大高程为454.2 m，最大埋深约255 m。洞口段属于小净距隧道，中间段属分离式隧道，左右线进口端洞门仰坡自然坡度约20°～40°，洞口严重偏压，采用偏压端墙洞门形式，单洞净空(宽×高)为10.75 m×5.0 m。该隧道洞口边坡和仰坡由粉质粘土、块石、全风化花岗岩和全风化变质石英岩组成，主要为全风化花岗岩和全风化变质石英砂岩。

5.2 评估计算

首先，按照现行指南推荐的专项风险评估方法，对该隧道左线洞口段进行坍塌风险分析，经计算，坍塌事故可能性分值为4.5分，等级为2级(偶然)，严重程度为2级(较大)，参照风险矩阵得出该隧道洞口坍塌风险等级为II级。

其次，利用前文提到的专项风险评估方法，对于关键工点区段洞口开展施工前专项风险评估，结合设计图纸参数[30]辅以数值计算、定性与定量结合的方法开展评估。

为验算左线洞口坍塌的可能性，根据洞口岩体较破碎、节理裂隙发育的地质条件特征，选用通用离散元软件UDEC模拟平面应变下隧道开挖过程，选取左线洞口段进行检算。初始地应力平衡后，运用系统内嵌命令结合FISH语句模拟洞室开挖，数值计算模型如图1所示。

图1 UDEC数值计算模型Fig.1 UDEC numerical calculation model

支护结构施工不及时，塑性变形过大，将会发生大体积坍塌事故。图2为模拟支护不及时，系统循环10 000步的位移矢量图。此时，上覆土体已发生极大位移，侵入洞室内部，将会诱发大体积坍塌。

图2 支护不及时的位移矢量Fig.2 Support not timely displacement vector

由以上数值模拟计算可知，隧道洞口坍塌可能性大，等级为3级(可能)；对于事故严重程度，采用事故后果当量估计法，经计算后得到DC=14.5，等级为“很严重”，参照风险矩阵得出该隧道洞口坍塌风险等级为Ⅲ级。

5.3 结果分析

根据现行指南，该隧道洞口坍塌风险等级为II级；按照本文提出的优化评估方法(施工前专项风险评估方法)，经数值模拟与事故后果当量估计法计算后，风险等级为Ⅲ级，根据该工程实践情况，该隧道进洞施工困难，施工过程中洞口变形较大，与优化评估方法结果较吻合。

施工前专项风险评估考虑了隧道自然几何尺寸、地形地质特征与勘察设计因素等，相对现行指南事故可能性指标体系法，经数值模拟定量计算的事故可能性判断更为准确；此外，现行指南事故严重程度只考虑人员伤亡与直接经济损失，后果取值人为定性判断误差较大，采用事故后果当量估计法测算，则由于综合考虑各项后果，且细化了后果分级，得出的风险等级更为可信。

6 结论

1)通过综合参考国内外隧道施工风险评估研究现状，对比分析国内外各相关领域标准规范，结合现行指南实际评估过程中存在问题，为现行指南未来修编提出合理建议。

2)从2方面提出优化建议。在技术层面上，建议突出评估方法的多元化，根据不同隧道不同区段的风险差异情况推荐采取不同方法，推荐采用指标体系法、专家信心指数法等定性评估方法作为总体风险评估方法，专项风险评估可根据不同事故类型，实施施工前专项风险评估与施工过程专项风险评估；在管理层面上，加强风险评估与施工安全管理的融合。

3)在确定风险事件严重程度等级时，建议采用“当量”计算方法，不局限于经济损失、人员伤亡等少数指标，最终得出后果当量总值，直观、方便且可操作性较强。

4)以湖南某高速公路隧道洞口坍塌事故为例，利用提到的专项风险评估优化方法，综合运用数值模拟计算与事故后果当量估计方法得到的风险等级与实际情况更为吻合。

5)在评估方法和模型科学可行的条件下，开发风险评估程序将大大缩减评估流程及时间，且方便快捷，可操作性强，故风险评估信息化亦将是下一步研究重点。