風險分析的方法在巖石隧道工程中的應用

摘要:本文分析了隧道施工期風險管理目標和范圍，闡述了巖石隧道工程風險分析的具體思路，供大家參考。

關鍵詞:巖石隧道 風險分析 災害 不確定因素

0 引言

隧道工程施工中可能發生一些不可預見的風險，如工程地質條件的變化、自然災害、資金不到位等問題，最終導

致工程成本超支，工期延誤，建成的隧道存在質量問題等，因而隧道工程建設中存在較大風險因素，且具有很大的突發性和偶然性。為降低諸多風險因素對工程項目造成的不利影響，有必要在隧道工程施工中實施有效的風險管理。通過風險辨識、風險分析、風險評價、風險決策和風險控制，科學合理地使用管理方法、技術手段對項目涉及的風險實施有效控制，主動、系統地對項目風險進行全過程管理及監控，達到降低項目風險、妥善處理風險事故不利后果的目的。

1 隧道施工期風險管理目標和范圍

對于隧道工程施工單位來說，可將風險管理目標視為項目管理目標的一部分，并與成本、時間、質量目標相一致，確定為:①確保在工程各個階段制定的風險消除或減輕措施得以實施;②為項目實施創造安全的環境;③保證項目按計劃、有節奏地施工，使項目始終處于良好的受控狀態;④應對緊急狀況。

隧道施工風險管理的范圍包括:工人健康和安全風險;第三方健康和安全風險;第三方財產風險;環境風險;業主工期風險和財務風險。

2 巖石隧道工程風險分析

2.1 風險分析的基本概念 從以往事故統計資料可以發現，在巖石隧道中風險因素多，不確定性強，并且損失后果

往往十分嚴重。因此，在巖石隧道的項目決策、設計、施工、運營管理中都必須重視風險的分析，從而達到控制風險的目的?？刂骑L險不是為了消除風險，所謂有得必有失，獲得安全的同時，必然需要付出其他方面的代價，諸如增加投入，延長工期等。而風險屬于潛在危險的概率，未必就一定會發生。因此，在隧道工程中最關心的是應該以多少代價作為風險成本，而要解決該問題首先應該準確地把握風險。

風險是現代社會中經常用到的一個術語，是與人類的生產生活相伴產生的。對于風險的概念可以通俗地解釋為:風險就是不幸事件發生的可能性;或者說風險是一個事件產生令人不希望的后果的可能性(概率)。國際隧道協會(ITA)對風險的定義為:災害事故對人身安全及健康可能造成損害的概率。風險具有普遍性與不確定性兩大特征。作為最簡單的理解，可以把風險定義為對目標參數造成損害的概率，對于單一事件，可以用下式來表示:

PR=F(PC，C) (1)

式中:RR為項目風險(可能存在的差異程度):Pc為差異可能出現的程度:C為風險損失，分別對應于工期損失C1，費用損失C2，質量損失C3等。

風險分析是對風險的危害性進行系統識別和對風險進行評估，通常分為如下3個步驟:①風險辨識:分析所有的潛在風險因素，并進行歸類整理，再進行篩選，重點考慮那些對目標參數影響較大的風險因素。②風險估計:對風險因素的發生概率和后果進行估計，給出風險的概率分布。③風險評價:對目標參數的風險結果參照一定標準進行評判。

2.2 風險分析 一般可從地質條件、工期長短、技術水平、施工管理制度及經驗等因素影響隧道的成本，安全及質量方面來分析。

Cordon T.C1ark提出對風險評估的方法。他對風險產生的可能性分成五類(見表1)。對事件影響程度分為輕微、中等、嚴重、重大及災難性(見表2)。根據風險的可能性及影響程度，將二者相乘，得出風險指數(見表3)。

表1 可能性估值

有人(Keith Mitcheal)將典型風險以圖形表示風險指數為四類(如圖1)從圖中明顯地看出與表3所列基本相同。

目前，人們對風險評估后，如何實施該工程項目是采用”ALARP原則(即”As low as reasonably practicable”principle)就是說，風險盡量低而既合理又實際的原則。

說明:A—頻繁的:B—多次的:C—可能的:D—不大可能的:E極難出現的

Ⅰ—影響輕微:Ⅱ—略有損失:Ⅲ—損失產生:Ⅳ—致命的損失Ⅴ—多重的知名損失

圖1 事件發生地嚴重程度

2.2 巖石隧道的風險因素及辨識 根據風險分析的目的和階段不同，需要考慮的風險因素也不同。在項目立項時，由于需要對項目有一個全面的把握，從而作出正確的決策，因此應該考慮到方方面面的風險，包括政策、經濟、環境、社會、技術、效益、設計、施工等各個方面。而對于施工期間，為了工程的順利完成，減少事故的發生，側重點就在施工風險上。在運營過程中，則主要表現在效益風險，以及重大安今事故風險。因此，對于風險的認識，一方面要有仝局性，另一方面要有階段性。

在各階段的風險分析中，施工期的風險由于其事故的高發性而成為風險分析研究的焦點，在巖石隧道工程施工過程中的風險兇素可以歸納為以下幾個方面:

2.2.1 自然風險 各種自然災害，包括地震、滑坡、洪水、雷擊、嚴寒、高溫、雨季等。

2.2.2 環境風險 開挖造成的圍巖擾動，巖體內有毒氣體釋放，影響地下水流， 引起噪音、廢氣、廢渣污染等。

2.2.3 施工風險 ①施工技術風險因素:新技術、新方法的應用困難或失敗，施工工藝的落后，施T技術與方案不合理，施工進度不合理，現場T作小均衡系數大，隧道施工技術問題的不確定性，爆破控制不當，隧道軸線定位偏差，隧道變形超出控制以及質量檢測技術失誤等。

②施工現場風險因素:地質資料的不確定性、工作面塌方、密封漏損、巖爆、瓦斯爆炸、有毒氣體釋放(硫化氫氣體等)、巖溶、突涌水、洞外危崖落石、危石、洞口滑坡、施工用電事故、通訊不暢以及安全措施不力等。

③設備風險因素:包括隧道掘進機損壞、刀具磨損過快、施工設備備件短缺、施丁備維修小當、設備安裝調試失誤以及機電設備安裝事故等。

④原材料和成品半成品材料風險因素:原材料和成品半成品的訂貨或供應不足、原材料和成品半成品品種和數量的差錯、原材料和成品半成品質量和規格不合格、運輸存儲和工損耗以及特殊材料或新材料質量穩定性等。

⑤進度施工管理及人員素質:施工控制訃劃不完善、施工控制計劃可操作性差、施工控制計劃組織機構人員不落實、施工控制信息不暢通、有效控制方法落后、管理人員素質差以及承包商和監理工程師不合作等。

2.2.4 重大事故風險:火災、爆炸等。

2.3 風險估計 通常采用概率法并以試驗、統計資料和專家評判為基礎，對不同危害或事故的發生概率進行估計。為進行概率估計，我們會經常采用一些統計和風險分析的方法，主要有定量概率樹分析、敏感度分析、德爾菲方法、層次分析法、影響圖方法、蒙特卡洛法和模糊綜合評判方法等等。

結果描述也是風險分析的重要部分，它為發生破壞或損壞后所應采用的補救措施提供了最基本的依據。在風險分析的這個階段，往往采用“事故樹分析”和“如果、怎樣的分析法”進行分析。

在結果描述時，采用統一的形式，比如“費用”對于決策者來說是非常直觀和明確的，但要把工期延誤、人員傷亡、社會效益、環境破壞等全部以費用來描述，還有相當的困難，而且也未必合適。因此，對于多目標的決策問題，如何減少目標參數，從而簡化分析過程，看來也非常重要。

在風險估計過程中，最重要的是得到對所關心的指標(例如質量、工期、費用)有影響的風險因素的發生概率和損失后果。例如:隧道瓦斯爆炸為一風險因素，可以通過統計資料或專家調查的方法得到發生概率Pc，以及瓦斯爆炸一旦發生，產生的工期延誤及費用損失作為其風險損失c。通過對所有風險因素的相應分析，就可以得到一張風險因素發生概率及其損失的統計表。

針對所有的風險因素根據其概率進行隨機組合，得到各種不同的風險組合，進而也就得到了每一種情況的概率和損失，將所有情況綜合即可得到研究對象的每一個參數(工期、費用、質量)的概率分布。這種繁瑣的計算可以采用蒙特卡洛方法借助計算機進行仿真模擬。

2.4 實用風險估計方法的建議 一般地，蒙特卡洛方法仍然要風險分析的專業人士才能進行，對于現場施工人員仍嫌繁瑣。這里建議一種適合于隧道實際工程的方法，主要用于對控制指標的預測與監控。以對隧道變形指標的控制為例，首先給出風險度的定義為

(2)

式中:R為風險度，仃為目標參數(隧道變形)的方差，U為目標參數(隧道變形)的期望值，x為目標參數的控制指標(變形控制值)。

根據概率理論，不難得出風險度的平方是隧道變形大于變形控制值概率的上限。因此，風險度越大，也就代表項目風險越大。這樣，問題的關鍵就轉變為如何得到隧道變形分布的期望和方差。經過對大量數據資料的分析，以及通過蒙特卡洛法的計算模擬，可以發現隧道變形的分布形式接近于正態分布，而正態分布的數學表達相對復雜，出于易操作的考慮，假設隧道變形服從偽正態分布， 見圖3—1，即只需變形的下限a和上限b即可得到整個變形分布。首先參考前述的風險因素統計表，找出對隧道變形產生影響的因素及影響大小。下限即所有風險都不發生時的情況，用理論計算值代替，上限可以認為所有風險全部發生的情況，即將所有風險因素的影響綜合考慮。上下限的變化范圍即風險因素的影響范圍，從而可得變形分布的期望和方差為

UX=2(a+b)(3a)

δX=36(b-a)(3b)

通過以上的分析計算，現場人員可以很方便地預測變形超出控制的程度，為下一步采取措施提供依據。該方法最大的特點就是在決定論占主導的工程技術領域，引入了概率和風險的概念，使得采用確定性(決定論)判斷轉化為考慮各種不確定因素的綜合評判，更加符合實際工程。該方法同樣適用于對其他指標的控制及預測。

2.5 風險評價 對于每種選擇方案的風險都要進行評價， 以便進行最終的決策，目的是使風險減至最小或是選擇方案具有更高的期望效益。如果以主觀偏愛進行選擇，那么可以考慮在評估可能有的多種結果的基礎上進行直接分級。

顯然，同時根據一個參數進行不同選擇方案的比較要容易一些。但對于多目標的決策，諸如費用、工期、經濟效益、社會效應、環境保護等等，問題就要復雜得多。很可能是某一種選擇只在幾個方面而不是所有方面優于其他種選擇，在這種情況下必須對不同目標參數給定某種加權值。而分析的過程應該結合決策者的偏好，最好有決策者參與，對不同目標的重要性進行加權引。

2.6 風險控制 隧道工程的風險控制無外乎是風險轉移和風險自留。

風險轉移就是通過保險，以及分包等形式將風險轉移出去，通俗地說，就是花錢買平安，但是目前國內有關隧道方面的保險費率研究相對比較落后，而且分析基本上是由保險公司單方面進行，業主基本上不作相應研究，這顯然存在很大問題。而解決的辦法應該是由業主委托獨立的咨詢公司進行分析，但國內類似的咨詢公司基本沒有因此，工程保險對業主來講仍然存在一定風險。

對于自留的風險，應該采取相應措施進行防治，尤其是那些會造成人員傷亡或重大工程事故的風險，要盡可能地消除。如對于隧道施工引起地面下沉、建筑物開裂，可以采取的控制措施可能有:分部開挖方法、超前錨桿支護或超前管棚加固、采用控制爆破技術、加強隧道開挖后的支護以及加強施工檢測等。但采取這些措施之前，要進行科學性、可行性、經濟性的論證和優化，使自留的風險在合理的經濟指標下達到最小。

3 結束語

隧道施工過程中，塌方和邊仰坡失穩是最大的風險因素，施工技術人員應該具有這樣的風險意識，加強超前支護和施工監測等風險規避措施，防范于未然。風險分析是個動態的過程，在施工過程中會凸現出特殊風險因素或風險因素權重的波動，因此在風險分析中應該不斷修正其風險因素和所占權重。