宜萬鐵路復雜隧道風險管理與控制

朱鵬飛,張 梅,黃鴻健,張民慶

(鐵道部工程管理中心,北京 100844)

宜萬鐵路復雜隧道風險管理與控制

朱鵬飛,張 梅,黃鴻健,張民慶

(鐵道部工程管理中心,北京 100844)

宜萬鐵路規模大,水文地質環境極其復雜。在復雜隧道修建過程中,防止突水突泥高風險是一項極其重要的任務。針對復雜隧道進行風險管理,這在鐵路系統尚屬首次。宜萬鐵路在風險理論的基礎上,從識別評估、決策管理、技術應對和安全措施四個體系入手創建了復雜隧道風險管理體系。通過風險管理的研究與實踐,取得了較好的效果。

宜萬鐵路;復雜隧道;風險管理;識別評估;決策管理;技術應對;安全措施

1 概述

隧道及地下工程涉及到眾多的不確定性和不確知性,因而,在建設階段存在著很大和眾多的技術風險。人為或非人為因素導致的工程事故會造成巨大的經濟損失,引起嚴重的社會不良影響。近十多年來,此類事故在國內外不勝枚舉。如1994年上海昌都大廈基坑開挖塌方事故、2002年渝懷鐵路圓梁山隧道突水突泥事故、2003年上海4號線聯絡通道突水塌方事故、2004年廣州地鐵塌方事故、2004年新加坡地鐵塌方事故、2006年宜萬鐵路馬鹿箐隧道突水突泥事故、2007年宜萬鐵路野三關隧道突水突泥事故。這些事故的發生使人們深刻認識到在隧道及地下工程建設中所面臨的巨大挑戰。如何有效控制隧道及地下工程設計、施工和運營管理等各階段潛在的各種風險,減少財產損失和人員傷亡,這是當前隧道建設急需解決的關鍵問題之一。

宜萬鐵路規模大、技術新穎、持續時間長、參加單位多、水文地質復雜,可以說在項目建設中危機重重。此外,宜萬鐵路位于鄂西中低山區,主要行經在長江與清江的分水嶺地帶,其地形、地質條件之復雜集西南山區鐵路之大成,建設條件之艱、難、險居我國鐵路歷史之最,特別是長大隧道穿越的地區巖溶強烈發育,工程地質問題與其他工程相比,其建設中存在的復雜性、不確定性、多樣性和隱蔽性更加突出,突水突泥的風險程度及工程處理難度為國內外罕見,災害造成的后果更加嚴重。因此必須建立科學合理的工程風險評估和防范體制,建立和健全工程風險評估和風險管理的咨詢機構,用全面、系統、科學的風險評估和風險管理實施手段,以達到能在第一時間了解、掌握工程建設過程中不同階段的第一手資料,提高工程風險的預測和防控能力,避免重大事故的發生,使工程風險降到最低。因此,為保證工程建設的安全,全面貫徹“安全第一、預防為主、綜合治理”的思想,開展宜萬鐵路巖溶隧道施工風險管理技術研究是非常必要的。通過研究,盡可能使工程的安全、質量、進度得到有效控制,同時也可為后期宜萬鐵路的安全運營風險控制夯實基礎。

2 風險管理目標

宜萬鐵路是最早系統提出風險管理的鐵路工程項目。為嚴格貫徹“安全第一、預防為主、綜合治理”的方針,運用傳統的管理思想和現代風險理論相結合的方式組織宜萬鐵路建設,為宜萬鐵路建設提供了科學的依據,通過風險的識別、風險估計、風險評價、風險控制和風險監控這樣一個重復的循環過程,以最小的代價,提高抗擊高風險的能力,將建設過程中的多種風險減輕到可接受的水平。為此,宜萬鐵路巖溶隧道是鐵道部建設項目工程開工前首次對風險隧道開展風險評估,并應用風險管理理論體系指導項目建設。

3 風險管理方法

宜萬鐵路巖溶隧道由于風險因素眾多,為了保證風險管理的質量,需要實行系統化風險管理。它指由項目實施有關的各單位全體人員,貫穿于項目實施全過程的,具有全面性的,以風險識別、評價和監控為主要內容,以保證項目戰略目標實現和提高項目整體效益為目的的現代化項目風險管理的理論和方法。

系統化風險管理強調風險的管理過程貫穿于項目的全過程,而且是一個連續、動態的管理和反饋的過程。風險管理從風險識別開始,經過風險估計、風險評價、風險控制和風險監控5個階段,最后再回到風險識別。在風險管理中不斷發現問題,解決問題,重視風險管理中信息的收集、處理和反饋。

宜萬鐵路采取系統化風險管理,主要內容主要包括了4個方面:全團隊風險管理、全方位風險隧道、多措施風險管理、全過程風險管理。系統化風險管理框架模式見圖1。

圖1 宜萬鐵路系統化風險管理框圖

宜萬鐵路巖溶隧道工程采取全面風險管理模式,在建設期內對每個階段的風險識別、風險估計、風險評價、風險控制措施的制定、明確的崗位、職責和決策權、風險監控的方法、職責、程序做了明確的定義,使每個階段風險的管理有章可循,而且各個管理層風險職責明確。

3.1 全過程風險管理

宜萬鐵路巖溶隧道項目可分為4個階段:可行性研究與決策階段、設計階段、實施與控制階段和竣工驗收階段。在全過程的風險管理模式的要求下,在項目的各個階段風險識別、分析的基礎上,對項目風險進行監控,并采取相應措施。

(1)在可行性研究與初步設計階段,根據該項目情況和以往類似項目的實踐識別項目可能潛在的風險,進行整體項目風險水平的評價,宜萬鐵路開展了可研和初步設計咨詢和地質勘察監理等工作。為建設單位的決策提供依據,盡最大可能對風險事件采取禁止或回避的態度。通過設計咨詢,進一步降低巖溶隧道的設計風險。

(2)在設計階段,從工程建設的安全、質量、進度和設計合理性等方面開展工程項目設計部分的風險識別,合理采納咨詢意見,開展施工圖設計,現場核對完善施工圖設計,補充鉆探完善地質資料等。

(3)在項目的實施和控制階段,有針對性地制定相關制度,嚴格執行相關制度文件規定要求,并隨時進行調整。

(4)在竣工驗收階段,風險管理的主要任務是文件整理和驗收工作。這一階段風險管理的主要是對文件資料的完整性、驗收工作的可靠程度和質量等方面進行辨識和評價,并采取相應措施。宜萬鐵路在該階段及時對涉及風險管理工作進行總結,為以后類似項目的風險管理提供參考經驗。

3.2 全方位風險管理

全方位的風險管理包括風險的全面分析、風險的全面評價。

風險的全面分析是基于對宜萬鐵路巖溶隧道風險的客觀認識基礎之上的,宜萬鐵路在總結以往經驗和教訓的基礎上,首先羅列對整個工程建設有影響的風險,注重對項目有重大影響的風險。羅列風險因素從多角度、多方面進行,形成對項目系統風險多方位的全面的透視。結合項目實際和探明的地質情況,認為巖溶、崩塌、滑坡、巖堆、瓦斯、高地應力等不良工程地質造成的災害性事故可能性極大,其中又以巖溶及巖溶水害問題最為嚴重,涌水突泥等突發性災害將嚴重危及施工安全,成為制約工程建設的突出問題,是維系工程成敗的關鍵。

風險的全面評價不僅對風險發生的時間、概率、影響后果作出評價,還對風險的等級進行評分,甚至分析出風險的起因和可控性。開工初期,針對隧道不同段落的地質復雜程度,把隧道的地質風險分為3個等級;隨著對風險的不斷認識和補充勘察的成果運用,提出了按風險程度將宜萬鐵路復雜巖溶隧道劃分為Ⅰ級風險隧道(可能出現大規模巖溶突水突泥隧道)及Ⅱ級風險隧道(可能出現局部突泥突水或大型干溶洞隧道)。研究并明確了巖溶隧道等級劃分、巖溶隧道總體處理原則、巖溶隧道加強安全性處理原則、預警與疏散原則等。

3.3 全團隊風險管理

在宜萬鐵路的風險管理過程中,風險管理不再是傳統意義上的僅僅由風險管理部門或人員來實施的專門管理活動,而是強調在鐵道部宜萬指揮部的統一領導和主導作用,建設各方和所有項目參建人員共同參與,在嚴格執行風險管理辦法和措施的規范下,充分調動參建各方的資源、科研單位、工程項目領域專項技術專業隊伍合作伙伴和國內知名院士、專家協同攻關,建立風險共擔的風險管理機制,提高整個項目抵御風險的能力。

3.4 多措施風險管理

在風險管理的風險識別、風險分析、風險評價、風險控制及風險監控的5個階段中,各個階段都存在多種定性和定量的分析方法。在項目風險管理過程中,結合具體隧道項目的特點,以及出現的風險的情況,靈活運用了風險識別和分析的方法,綜合采用風險應急措施,避免了風險管理方法和措施的單一化和教條化。

4 風險管理體系

宜萬鐵路風險管理從識別評估、決策管理、技術應對和安全措施4個體系入手進行管理。宜萬鐵路風險管理體系組織模式框架見圖2。

圖2 宜萬鐵路風險管理組織模式框架

宜萬鐵路作為目前在建的鐵路系統內公認的高難度、高風險項目,除幾乎具備一般建設工程的全部施工難題和風險外,長大隧道穿越地區巖溶發育的地質問題與其他工程相比,其建設中存在的多樣性、復雜性、不確定性和隱蔽性更加突出,突水突泥的風險程度及工程處理難度為國內外罕見,災害造成的后果更加嚴重。

在宜萬鐵路的工程建設實踐過程中,將風險管理理論與宜萬鐵路巖溶隧道工程充分結合,在隧道施工過程中不斷調整、完善、提高,進而總結形成一系列有針對性的巖溶隧道工程建設的風險管理措施制度,防范隧道施工風險,有效規避風險和減小巖溶災害危害性,實現項目安全控制目標。

4.1 識別評估體系

風險識別體系包括隧道風險評估、隧道風險分級、施工地質預測預報、水文監控4個方面的內容。風險識別體系框架如圖3所示。

圖3 風險管理組織模式框架

4.1.1 隧道風險等級劃分

根據隧道風險評估結論,對風險隧道進行分級。

(1)Ⅰ級風險隧道

Ⅰ級風險隧道主要具備下列地質問題:

①斷層規模 隧道穿過長大或區域性斷層,這些斷層切割地面或地下水系,為地下水的運營通道;

②地表巖溶匯水面積 地表巖溶發育,且有較大的地表水匯集面積,而地表水系不發育,地下徑流為隧道區域內的主要徑流方式;

③地下暗河 隧道附近暗河發育;

④地質構造 隧道位于可溶巖地層向斜構造的核部或可溶巖與非可溶巖接觸界面附近;

⑤物探異常密集帶 隧道洞身高程附近,物探異常密集分布;

⑥巖溶水動力垂直分帶 隧道位于巖溶的水平發育帶中或地下水的水平循環帶中,只要一經揭露斷層、構造或溶腔,就會發生大規模的突水突泥,形成毀滅性的地質災害。

宜萬鐵路的8座Ⅰ級風險隧道全部都具有上述特征,是宜萬鐵路能否成功修建的關鍵工程,也是宜萬鐵路超前預報的重點隧道,需要全線進行超前預報。

(2)Ⅱ級風險隧道

Ⅱ級風險隧道與Ⅰ級風險隧道的區別是隧道位于巖溶的垂直發育帶或地下水的垂直循環帶中,當隧道通過上述地段,揭示大的斷層、構造、溶腔時,有可能發生較大規模的突水突泥,形成工程地質災害,在重點地段需要進行超前預報工作。

(3)一般巖溶隧道

一般巖溶隧道雖然巖溶發育,但形成地質災害的可能性小,作為一般的隧道處理。

根據隧道等級劃分標準,宜萬鐵路有Ⅰ級風險隧道8座,Ⅱ級風險隧道26座,見表1。

4.1.2 施工地質超前預報

宜萬鐵路首次將預測預報納入工序管理,并提出“有疑必探、不探不進”的安全施工理念。通過施工地質預測預報,多次探測到隧道前方不良地質,為化解施工風險起到了重要的作用。

表1 宜萬鐵路Ⅰ、Ⅱ級風險隧道統計

4.1.3 施工方案安全評估

設計單位應根據不良地質情況,做出注漿方案、釋能降壓方案、凍結方案等,針對重大施工技術方案,由建設單位組織進行安全評估與論證,力求采取最安全的方案。

4.1.4 水文監控

水文監測內容包括巖溶地下水的補給來源、排泄點以及反映地下水特征的各要素,如降雨量、涌水點、涌水量、水壓、水位等,對監測的數據需進行整理和分析。

4.2 決策管理體系

針對復雜隧道,決策管理對于規避風險往往起到決定性作用。宜萬鐵路決策管理體系組成如圖4。

4.2.1 建設單位主導和核心作用

充分發揮建設單位的主導和核心作用。成立以指揮長為組長的Ⅰ級風險隧道重大技術方案管理小組,組織審查、論證、決策、批準重大技術方案。

在云霧山、野三關、馬鹿箐、大支坪4個高壓富水充填溶腔技術方案上,存在著堵與放兩種截然不同的方案。堵的方案在以往工程中有實例,但存在著注漿效果不能滿足施工安全的隱患,而放的方案又沒有工程實例可以借鑒。針對堵與放兩種方案,建設指揮部組織專家論證,創新工法,果斷實施,從而使長期困擾宜萬鐵路建設的4個溶腔相繼得到突破、貫通。在施工中既化解了安全風險,又節約了成本、縮短了工期。

4.2.2 風險隧道特別管理小組

成立以指揮部領導為組長的風險隧道特別管理小組,現場組織和監督重大技術方案的實施。特別管理小組主要是針對超前預報、注漿堵水、釋能降壓、結構處理4個影響安全的主要方面進行管理。

圖4 宜萬鐵路風險決策管理體系框架

4.2.3 防范高風險專項機制

宜萬線巖溶隧道工程施工中可能遭遇的風險點多而分散、不確定因素多、偶然性極大,防范極度困難。在宜萬鐵路隧道工程的修建過程中,由于風險因素來源復雜,因此對各項風險來源制定了專門的風險控制措施。具體方法是采用綜合地質預報系統準確判斷溶腔規模、類型及邊界,對可能發現災害性溶腔制定安全進洞條件,監測降雨量和溶腔的水量、水壓及變化趨勢,在完備的預警預報系統的保護下,通過全方位水文專項監測、區域水文地質分析,采用有效的溶腔處理方案,在合適的時機進行溶腔的處理。主要措施有宜萬鐵路建設防范高風險專項機制(施工地質勘察與超前地質預測預報;突發性事件防范應急預案;應對復雜地質、工程難題的設計和施工預案;重難點工程監控;隧道施工量測監控;嚴格規范施工工藝監控;嚴格履約考核獎罰和信息收集、反饋和快速反應專項機制)、動態設計措施、釋能降壓法、專家咨詢制度等。

4.2.4 技術管理專項制度

(1)復雜巖溶隧道超前地質預報管理制度

宜萬鐵路水文地質復雜,不良地質眾多。因此必須采取一定的手段預先判別風險,而后采取應對措施,降低風險到可接受的范圍。為此,建設指揮部制定了《復雜巖溶隧道超前地質預報管理制度》。

(2)復雜巖溶隧道注漿施工管理制度

注漿是處理復雜巖溶的一項有效工法,建設指揮部對此予以高度重視,制定了《復雜巖溶隧道注漿施工管理制度》。

4.3 技術應對體系

針對復雜巖溶隧道施工,應抓好繞避技術、注漿技術、分水降壓技術和釋能降壓技術的方案選擇與應用。對于隧道結構處理,應采取針對性治理方案。技術應對體系結構組成見圖5。

圖5 技術應對體系結構

4.4 安全措施體系

復雜巖溶隧道安全措施的管理主要是制定安全進洞條件,落實安全生產制度及培訓,設置專職安全員,建立防災報警系統,對復雜地段結構進行長期安全監測。安全措施體系見圖6。

圖6 安全措施體系結構

4.4.1 安全進洞條件

對于高風險隧道,根據日降雨量、水壓力、泄水洞日排水量等實行進洞安全等級管理,確定進洞施工警戒條件,確保施工人員絕對安全,如馬鹿箐隧道的安全施工等級管理見表2。齊岳山隧道進口安全施工等級管理見表3。

表2 馬鹿箐隧道安全施工等級管理

表3 齊岳山隧道進口安全施工等級管理

4.4.2 安全生產制度及培訓

針對風險隧道,施工前應對進洞作業人員進行安全生產制度培訓,特別是應學會判別掌子面風險標識,熟悉逃生線路。突水突泥災害的風險兆如下:

(1)掌子面有硬塑狀黏土擠出、泥砂流出;

(2)掌子面有掉塊,并不斷嚴重;

(3)出水部位滲流水量不斷逐漸增大,并呈股狀;

(4)掌子面后部變形量增大,并有掉塊現象。

4.4.3 專職安全員

針對風險隧道,必須設置專職安全員,負責全隧道的安全風險識別,負責預警系統和應急照明系統的開啟。

4.4.4 防災報警系統

在風險隧道施工中必須安裝配置合適的防災害聲光報警裝置,報警裝置應形成系統,一旦有災害預警應立即發出警報,傳給洞口工區的項目經理部值班室,值班室立即啟動應急通信、應急照明并指揮洞內人員安全撤離;正洞、各輔助坑道、橫通道必須配置足夠數量的應急照明裝置,并應確保在有災害發生時能提供足夠亮度的照明指示以利洞內人員逃生;在正洞與平導(如有)之間,在預測高風險段落增設逃生橫通道。

防災報警系統包括視頻監控、聲光報警、應急通信、應急照明、逃生線路、逃生設備、應急排水、應急供電八個方面的內容。

4.4.5 隧道結構長期安全監控

宜萬鐵路針對復雜巖溶地段采用的結構設計和施工措施在以往的工程實踐中是少見的,許多技術措施具有首創性,其安全性需進行長期監測。為此,宜萬鐵路對典型的7座隧道8個工點的特殊地段沉降位移變形、巖溶水壓力、襯砌結構的受力等9個監測項目進行長期監測,為運營維護提供數據支持。確保若出現異常能及時發現,采取相應的應急措施,確保運營安全。

5 結論與體會

(1)通過采取風險管理,宜萬鐵路復雜隧道已全部安全完成。宜萬鐵路風險管理所取得的經驗,必將會對今后類似工程的風險管理提供借鑒價值。

(2)針對復雜隧道,采取全過程、全方位、全團隊、多措施的風險管理方法是十分必要的。只有齊抓共管,才能真正將風險管理應用于工程施工中。

(3)由識別評估體系、決策管理體系、技術應對體系、安全措施體系4個方面所構建的風險管理體系,符合復雜隧道工程的現場需要,值得推廣與應用。

[1] 《中國鐵路隧道史》編纂委員會.中國鐵路隧道史[M].北京:中國鐵道出版社,2004.

[2] 劉兆偉,張民慶,等.巖溶隧道災變預測與處治技術[M].北京:科學出版社,2007.

[3] 何發亮,等.隧道地質超前預報[M].成都:西南交通大學出版社,2006.

[4] 龔彥峰.巖溶隧道災害整治技術[J].鐵道標準設計,2009(5).

[5] 陳赤坤,鄭長青,曹 磊.鐵路隧道風險評估體系的研究和探討[J].鐵道標準設計,2007(S1).

U456.3+3

A

1004 -2954(2010)08 -0007 -05

2010 -05 -04

朱鵬飛(1965—),男,教授級高級工程師,鐵道部工程管理中心副主任,鐵道部宜萬鐵路建設指揮部常務副指揮長,長期從事鐵路工程的建設和研究工作,E-mail:box32@tom.com。