综合管廊全生命周期安全风险辨识体系

强万明， 商冬凡， 卢 明， 赵一凡

(河北省建筑科学研究院有限公司， 河北 石家庄 050022)

2015年以来，我国综合管廊建设里程井喷式增长，至2018年4月，管廊拟在建里程已超7800 km[1,2]。管廊作为城市的“生命线工程”，一旦发生安全事故将会导致连锁反应，造成供电、供暖和供水等设施瘫痪。因此如何构建合理、系统的综合管廊风险辨识体系值得探究。本文在综合管廊安全风险辨识研究中，引入全生命周期概念，构建完善的综合管廊全生命周期安全风险辨识体系，为管廊建设决策提供了有力依据。

1 管廊安全风险辨识概述

1.1 综合管廊安全风险辨识对象

综合管廊安全风险辨识对象包括：综合管廊廊体、附属系统、入廊管线[3]。附属系统主要包括:通风系统、消防系统、供电系统、照明系统、给排水系统、标识系统、监控与报警系统。入廊管线主要包括：给水管道、再生水管道、排水管道、天然气管道、热力管道、电力电缆和通信线缆。

1.2 综合管廊安全风险辨识技术现状

目前，国外在综合管廊安全风险辨识方面的研究主要涉及与其他基础设施的功能兼容和管廊运营中的风险控制等[4]，通过对项目区域的历史用途进行全面研究，识别地下结构和管道的风险因素，在整体上多参考隧道风险辨识。另外在盾构隧道方面，大量采用故障树分析法和层次分析法，对隧道掘进过程中可能发生不良事件的潜在风险进行探讨。

在政策上，我国出台的《城市地下综合管廊运行维护及安全技术标准》，从设计参数和运营两方面对管廊建设进行了规定。在技术上，多采用肯特法进行管线安全风险辨识[5]。目前，我国新建管廊将雨污水管道、再生水管道等也纳入管廊，未来还考虑将垃圾管等纳入管廊[6]，管道种类的增加也给安全风险辨识带来更大的挑战。

1.3 综合管廊全生命周期安全风险辨识

本文在综合管廊全生命周期理论的基础上，根据阶段可交付成果合理划分单元进行聚类分析，再通过文献对比、HHM(Hierarchical Holographic Model)层次全息模型法、WBS(Work Breakdown Structure)工作分解结构法和肯特法构建综合管廊全生命周期安全风险辨识体系。对综合管廊中存在的有害因素进行辨识和分析，为提出合理可行的安全对策和管理决策提供科学依据。

2 管廊全生命周期风险指标体系

在构建综合管廊全生命周期风险指标体系时，首先进行全生命周期单元划分，然后针对不同单元的性质使用不同方法展开风险识别。最后通过德尔菲法、AHP(Analytic Hierarchy Process)层次分析法构建风险矩阵，量化指标。

2.1 综合管廊全生命周期单元划分

本文首先采用WBS分解结构法，遵循SMART原则，即：具体、可量化、可实现、相关性和有时限五个条件，分析管廊全生命周期。管廊项目全生命周期三级划分结果如表1所示。根据表1，完成综合管廊全生命周期的单元划分，为管理决策提供科学依据。

表1 综合管廊项目全生命周期的三级分解

综合管廊全生命周期分为六个阶段(图1)，不同阶段有不同的风险源，部分风险源存在交叉耦合，通过分析，将规划阶段和可研阶段归并为策划阶段，施工阶段与验收阶段归并为施工阶段，故将综合管廊依照：策划阶段、设计阶段、施工阶段和运营阶段共四个单元进行全生命周期风险识别，梳理风险机理，建立风险清单，形成综合管廊全生命周期风险指标体系。

图1 综合管廊全生命周期单元划分

2.2 策划阶段风险

综合管廊设计使用年限为100年，规划和选址方面需要与道路和地铁等地下空间协同进行，策划阶段考虑整个城市的未来发展。通过查阅资料，采用文献对比的方法得到策划阶段主要风险：社会稳定风险、项目融投资风险、土地使用风险、政策法律风险、信用和合同风险、项目审批风险、环境风险、项目公司风险和不可抗力风险。

2.3 设计阶段风险

设计阶段的风险具有随机性、复杂性和多因素的特点，因此本文采用层次全息模型HHM法进行其风险因素的识别，从多维度、多视角、不同层面进行风险分析[7]。首先构建图2所示的综合管廊设计阶段的风险识别HHM框架。将利益相关者、设计方案和设计目标管理作为综合管廊设计阶段风险识别的三个视角，它们处于平行层面，采用等级可变动的方法进行不同视角的风险识别[8]，如图3所示。分析不同类别之间的内在联系，得到综合管廊设计阶段的风险因素清单，如表2所示。

图2 设计阶段的风险识别HHM框架

图3 基于等级可变的综合管廊设计阶段风险识别流程

阶段风险因素设计阶段环保政策变动风险管线敷设安全距离管廊政策变动风险管道与廊体的间距资金供应风险管线引出口尺寸出入口尺寸逃生口尺寸入廊管线分舱依据人员通行区域尺寸断面尺寸防火分区设计廊体分舱数目设计图内容缺失入廊管线种类各线路间产生碰撞最小埋深设计各专业沟通不畅设计人员设计理念图纸与现场不符吊装口设计通风设计接口设计管线支撑结构设计人员专业性设计方法新技术的应用材料、设备的选用防水设计线位设计干线、支线和缆线综合管廊分布廊体与道路两侧建筑间距

2.4 施工阶段风险

综合管廊施工技术日趋完善，向着信息化、数据化和绿色环保的方向迈进。通过在施工阶段应用BIM技术，对每一个施工步骤严格把关，最大程度上降低能耗、节约资源。综合管廊的使用寿命关乎一座城市的发展，而施工的质量在综合管廊能否达到设计使用年限中起直接作用[9]。

基于施工技术的多样性、复杂性和施工组织设计的特点，该阶段采用WBS分解结构法分别进行风险识别。第一级将其分解为项目建设阶段、项目试运行阶段和竣工验收阶段，如图4所示。

图4 施工阶段WBS任务分解

依据施工过程中阶段可交付成果为导向对项目工作内容进行逐层分组。综合考虑施工阶段中的组织关系、外部制约、强制性逻辑、工艺流程、材料设备、人力资源、季节温度并进行风险识别。

前期准备中存在：信用风险、施工组织方案、材料供应、地质勘查、设计方案和施工作业环境风险。施工操作中存在：技术人员水平、地基处理、排水、支护衬砌、噪声污染、水污染、扬尘、交通影响、工程变更、群众干预、估计废弃物污染和人员变动风险。施工管理中存在：缺乏高层管理支持、管理能力不足、预算不足、通风防火、自然灾害、人员安全、管廊防水、隐蔽工程验收、不同标段质量不齐和关键人员冲突风险。移交过程存在：提前移交风险、不可抗力风险、验收及竣工移交不到位风险。

2.5 运营阶段风险

在综合管廊的运营过程中，由于电力、雨水、污水、给水、燃气等管线共同敷设，不同种类管线物理和化学性质差异大，互相之间存在干扰，会引起耦合致灾，必须要做到早发现、早解决。

本文基于肯特分析法，运用多灾种耦合致灾分析法进行改进建立综合管廊运营阶段的风险识别，其识别流程图如图5所示。

图5 运营阶段的风险识别流程

将综合管廊运营阶段风险识别的因素划分为四个一级影响因素：第三方破坏、腐蚀因素、廊体因素和操作失误。分别对四个一级影响因素进行研究，得到二级影响因素，并对所有二级影响因素进行耦合致灾作用机理的分析，最终得到综合管廊运营阶段的风险因素。

(1)第三方破坏

管道事故的主要诱因是第三方破坏，其中包含人为破坏和环境破坏两方面。具体因素指：管道标识、资金票据、人口密度、线路状态、交通繁忙程度、巡线频率、占压情况、公共教育、地质环境、附属设备、运维系统、人为损害和信息共享安全。

(2)腐蚀因素

综合管廊的腐蚀主要是两部分：管道腐蚀和廊体腐蚀，都是由于与其他物质接触时发生物理及化学反应。管道腐蚀主要由于大气环境腐蚀、输送介质腐蚀、管道内防护、管道运行年限和防腐层种类；廊体结构腐蚀主要由于氯离子剥离、碳化、冻融作用，土壤对廊体的化学腐蚀、土壤中微生物对廊体的腐蚀、土壤对廊体的电化学腐蚀等。

(3)廊体因素

廊体因素主要包括廊体断面尺寸和平面布局等设计因素，施工工艺和质量等施工因素，以及综合管廊运维中廊体产生的变形等风险。本节主要分析综合管廊运维情况对廊体的影响。运维中诱发廊体安全事故的风险因素主要有：管线质量、管线疲劳失效、管材材料老化、温度、湿度、压力、入廊管线安装、管道接口检测、廊体变形、出入口堵塞和日常监测。

(4)操作失误

综合管廊在运营过程中采用了大量的新技术，例如：BIM、GIS、RS、可视化运维管理和物联网等。其中涉及到庞杂的数据、软件和算法，都存在人员操作失误的风险。另外政府的补贴力度、入廊管线的意愿、运营期间责任问题、政府失信、运维制度的建立、管线入廊模式的选取等在运营过程中均存在操作失误的风险，会导致经济损失，影响整个综合管廊体系的使用[10]。

(5)多灾种耦合机理分析

综合管廊在使用过程中，由于管线问题、地质变化和维护不当，有可能发生坍塌、不均匀沉降、爆炸、火灾和中毒等灾害。各管线中含有不同介质，它们之间可以发生相互作用，导致各灾种之间可能发生耦合、蔓延和衍生，其作用机理如图6所示。

图6 各灾种作用机理

2.6 风险清单

在初级风险因素清单建立的基础之上，通过与市政工程建设方面的专家进行交流，确认已经识别的风险因素是否合理。再综合考虑某项风险因素导致风险事件后综合管廊系统的恢复能力，以及日常监测维护活动可以规避的风险，过滤微小和较小的风险因素，建立最终地下综合管廊风险因素清单如表3所示。

3 定量化分析

基于上述分析，采用德尔菲法和AHP层次分析法，确定各风险指标权重，再依据风险矩阵表确定风险等级。

3.1 构建风险判断矩阵

首先设计调查问卷并且向30位管廊设计、施工和运营方面的专家发放问卷。针对判断矩阵的准则，采用[1～9]尺度做为重要性标度，其中元素两两比较，判断哪个重要，重要多少。

3.2 风险指标权重量化

依据上述标准，得到4个单元风险指标构成的4个风险矩阵，以及4个单元构成的风险矩阵，判断是否满足一致性并计算权重，最后根据4个单元构成的风险矩阵对各单元风险指标权重进行加权，得到综合管廊全生命周期安全风险辨识体系中各指标的权重。根据权重的大小判断其风险等级，如表3所示。

表3 风险指标权重及风险等级

4 结 语

目前在综合管廊安全风险辨识研究中，仍处于跟踪阶段，存在层次不够明显，内容不够系统，辨识结果不够客观的现状。对此，本文基于全生命周期概念，提供针对性的方法对各单元进行风险识别，选用层次分析法等进行数据处理，最终完成整个辨识体系的构建，兼具整体性、针对性、实践性和数字化，对管廊的安全管理更具指导意义。具体研究结果如下：

(1)形成综合管廊全生命周期具体概念，采用WBS分解结构法分析后将其划分为：策划阶段、设计阶段、施工阶段和运营阶段。

(2)通过文献对比、层次全息模型法、多灾种耦合分析和肯特法对4个阶段进行深入的风险识别，形成包含109项指标的初级风险因素清单。

(3)结合层次分析法、德尔菲法和1～9标度法对初级风险指标进行筛分，过滤微小和极小风险指标，最终得到31项风险指标：策划阶段5项，设计阶段9项，施工阶段8项和运维阶段9项，再通过构建风险矩阵计算权重，确定了风险等级。

综合管廊建设和城市建设日新月异，地下物流系统和智慧城市理论不断发展，雨污水管线和垃圾管道等新型管线逐步入廊，管廊与地铁和地下商业等地下设施协同规划，不同结构间的影响仍需进一步探究，综合管廊全生命周期风险辨识体系仍需要不断修正、更加深入。