瓊州海峽鐵路跨海隧道全壽命風險評價

王 涵,賀維國,袁 勇

(1.同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092；2.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300131)

0 引言

海南島作為我國第2大島，具有豐富的農業、礦產和旅游資源，且瀕臨資源豐富、戰略位置重要的南海，具有重要的經濟發展和軍事戰略地位。由于瓊州海峽的阻隔，海南島只能依靠海上和空中與大陸溝通，嚴重限制了海南島的發展。為保證瓊州海峽兩岸交通需求和安全，有必要建立永久性、全天候的瓊州海峽跨海通道。瓊州海峽海域具有水深、風大、浪高、海洋災害較多的特點，面臨通航條件高、環境影響敏感的現實，故需要對跨海隧道建設期和運營期風險進行評估，進而提出相應的工程處置措施，為選擇合適線路和施工工法提供參考。

隧道工程風險評價起源于20世紀70年代，H.H.Einstein[1]首次闡述了隧道工程風險研究的特點和理念，后續H.Duddeck[2]和B.Nilsen等[3]對水下隧道工程進行了風險評價，并用于指導工程實踐。21世紀初，黃宏偉等[4]以上海長江隧橋工程為依托，在越江跨海隧道風險研究方面取得重大成果。隨著國內海底隧道建設的興起，眾多研究者[5-8]結合海底隧道工程地質條件，采用數值分析方法對廈門翔安海底隧道縱斷面優化、大連灣海底隧道線位和施工方法選擇以及港珠澳沉管隧道地層適用性、工期造價等問題進行了風險評價、風險對策以及方案比選的研究，為海底隧道工程的立項和施工建設提供了有力支持。近年來，張永剛等[9]和王永紅等[10]分別對擬建渤海灣海底隧道工程建設期和運營期風險進行了研究，為推動渤海灣隧道工程的立項和施工建設提供了研究依據，國內海底隧道工程風險管理理論研究也日趨規范。

目前海底隧道工程風險評價仍主要關注施工期風險，工程施工階段風險雖然較大，但施工風險來源與工程建設條件和規劃設計密切相關，故單單考慮施工期隧道風險是不全面和不系統的[11]。同時，從工程全壽命周期來看，海底隧道工程使用壽命長達100年，運營階段發生火災、地震等意外事件將對隧道造成不可估量的損失。故有必要從工程全壽命周期風險出發，綜合海底隧道工程建設期和運營期的風險評價結果，對隧道工程進行全面系統的風險評估，為風險處理和規避提供參考。

本文考慮海底隧道全壽命風險問題，結合瓊州海峽鐵路跨海隧道工程，重點從建設條件、結構設計、工程施工和運營管理4方面對工程預研階段推薦路線和工法進行風險評價，根據評價結果為工程線路和工法選擇提供參考依據，并針對全壽命周期高風險問題提出風險控制和規避處理建議。

1 工程概況

擬建設的瓊州海峽鐵路跨海隧道，北與湛江至海安鐵路、南與海南東西環鐵路相連，是客貨兼顧的快速跨海通道，設計使用年限為120年，設計車速中客運為200 km/h(預留250 km/h)、貨運為120 km/h，兼駝背運輸隧道模式。預研階段選擇東、中、西3種不同的軸線方案(見圖1)，中線海域隧道長21.1 km，最大水深近90 m；西線海域隧道長32 km，最大水深近43 m，考慮到西線線位隧道長度過大，擬在瓊州海峽海域合理區域建設人工島，便于西線隧道工程設計施工；東線方案因為不滿足預研階段的城市路網規劃和環保要求，故在本文中不予以風險評價和討論。

擬建隧道陸域主要為第四紀地層夾有玄武巖，海域除表部分布有少量第四紀軟土和松散砂層外，主要為第三紀可塑—硬塑黏性土夾密實砂類土。海底地形差異較大，存在中央深水槽侵蝕區、侵蝕盆地區和地形強烈起伏淺灘區等地貌，部分砂層與海水有直接或較強水力聯系。中線方案附近發現10個疑似斷點，隧道建設區抗震設防等級為Ⅶ—Ⅷ級。過往瓊州海峽船舶每年約15萬艘，200 t以上船舶約9萬艘，通航條件復雜；海域內天氣復雜多變、不良天氣頻繁，熱帶氣旋影響時間長，對工程施工運營有一定影響。

圖1 瓊州海峽鐵路跨海隧道方案Fig.1 Scheme of Qiongzhou Strait railway tunnel

建設區域主要為砂土層，無法滿足鉆爆法施工條件；中線線路最大水深近90 m，沉管法施工難度極大；故本文對中線盾構、西線盾構和西線沉管3種方案進行風險評價和方案比選進行研究。盾構法方案采用雙洞加服務隧道方案，隧道內徑9.4 m、外徑11.1 m，為保證瓊州海峽鐵路跨海隧道在高地震烈度和高水壓條件下隧道襯砌結構安全和襯砌結構的防水可靠，擬采用雙層襯砌結構，中、西線盾構法隧道軌面最低設計標高分別為-121.4 m和- 85.1 m；沉管法方案采用矩形框架結構，橫斷面寬20.58 m、高12.71 m，外墻、頂板和底板厚度均為1.3 m，西線隧道軌面最低設計標高為- 68.9 m。中、西線隧道方案縱斷面如圖2所示。

(a) 中線

(b) 西線

2 風險識別

風險識別是風險評估首先進行的工作，全面準確的風險識別才能保證科學的風險分析。風險識別包括風險源查找以及風險源向風險事故轉化條件2方面內容，本文根據相關規范[12-13]要求和工程經驗，結合瓊州海峽鐵路跨海隧道工程特點，從全壽命周期角度進行風險識別。通過專家調查表法進行瓊州海峽鐵路跨海隧道方案風險識別，如表1所示。

表1 瓊州海峽鐵路跨海隧道方案風險識別Table 1 Risk identification of Qiongzhou Strait railway tunnel scheme

3 風險評價

本文利用專家調查表法對瓊州海峽鐵路跨海隧道方案進行風險打分，通過處理分析專家評價結果，對3種隧道方案進行風險綜合評價。風險調查結果來源于42位隧道行業專家學者(有效問卷41份)，為了保證風險評價的全面性，選擇不同工作崗位專家發放調查問卷，有效問卷中管理部門專家6位、設計單位專家17位、施工部門專家7位、科研單位專家11位。考慮到瓊州海峽鐵路跨海隧道風險評估屬于多層次、多因素的復雜問題，模糊層次綜合評估法(FAHP)可以較好處理上述復雜問題[14]，故采用該方法對隧道工程全壽命風險進行評估以及進一步的方案比選。

3.1 模糊層次綜合評價法

模糊層次綜合評價法(FAHP)是一種將模糊綜合評價法(FCE)和層次分析法(AHP)相結合的評價方法，在體系評價、系統優化等方面有著廣泛的應用，是一種定性與定量相結合的評價模型。模糊層次綜合評價法使用層次分析法建立指標體系和確定指標權重，利用模糊綜合評價法確定因素集、評價集模糊綜合評價矩陣，在模糊變換后進行變換結果評價。模糊層次綜合評價流程如圖3所示。

圖3 模糊層次綜合評價流程Fig.3 Flowchart of FAHP

3.2 風險模糊層次綜合評價流程

本文以瓊州海峽鐵路跨海隧道工程中線盾構方案為例，說明模糊層次綜合評價法的具體評價步驟。

1)指標體系建立。建立多層次評價模型是層次分析法的關鍵步驟，通過將目標層分為m個指標，得到一級指標層，繼續劃分可以得到n個次級指標，從而得到多層次風險評價體系，具體如表1所示。通過建立上述各次級指標層(如海域水文評價指標中包含潮汐、流速、波浪等次級評價指標)，有效兼顧到評價指標的關聯性和獨立性，保證了風險評價過程和結果的科學性。

對風險概率估計時，對風險源中每個因素進行分析是難以實現的，為保證對隧道全壽命周期進行風險評價，本文一級因素集選擇建設條件、結構設計、工程施工和運營管理4個影響因素，建立因素集

U=(u1,u2,u3,u4)。

(1)

由于上述每個影響因素包含多個次級因素，為簡化分析需要建立多級模糊評價集反映各級因素間相互關系，將次級因素統一到主因素集中。

2)評價集建立。用模糊語言對中線盾構法隧道方案風險概率進行分類表述，建立評價集

V=(v1,v2,v3,v4)。

(2)

式中：v1為低風險；v2為中風險；v3為嚴重風險；v4為極嚴重風險。

風險評價標準需與規范[12-13]要求保持一致。本文中各風險指標的評價等級由專家調查結果決定，同一風險指標以大多數專家的評價結果為評價集結果。

3)根據隸屬度建立模糊評價矩陣。隸屬度的確定在模糊綜合評價中占有重要的地位，決定著評價結果的有效性，通過隸屬度關系建立模糊評價矩陣R，反映各因素指標和評語集的對應關系。

(3)

在工程領域，最基本層的指標因素往往無法量化[15]，本文通過專家調查法確定模糊評價矩陣。

4)因素權重確定。在因素集中，每個因素對風險評價結果的影響程度不同，為了反映各因素的重要程度，對各因素賦予相應權重。瓊州海峽隧道工程全壽命風險評價因素權重采用專家調查表中層次分析法計算得到，其中一級指標綜合權重向量

A=(a1,a2,a3,a4)。

(4)

式中a1—a4分別代表一級模糊評價中的建設條件、結構設計、工程施工和運營管理權重值。各次級因素權重系數可以通過同樣方法得到。

5)多層次綜合評價。針對多層次風險評價模型的特點，通過建立多重因素集、評價集和模糊評價矩陣，逐層向上計算至最終確定目標層的風險評價結果。

以二級指標評價集Bi為例，可以根據二級指標權重Ai和對應的隸屬度矩陣Ri得到。

Bi=Ai°Ri。

(5)

式中“° ”為模糊運算符。

在工程風險評價中常采用主因素決定型M(∧,∨)和加權平均型M(?,+)進行模糊綜合處理，其中加權平均型較為精確，適用于兼顧考慮整體因素的綜合評價[16]。為綜合評價瓊州海峽鐵路跨海隧道整體風險，本文采用加權平均型進行模糊變換。故

Bi=Ai°Ri，

(6)

根據二級指標評價集Bi可得到一級指標隸屬度矩陣

(7)

同理，考慮到一級指標權重A和一級指標隸屬度矩陣，一級指標評價集

B=A°R。

(8)

6)風險目標綜合風險評價。綜合評價的目的是為了選出優勝對象，在得到一級指標評價集B后需要將其轉換為綜合分值P。在瓊州海峽鐵路跨海隧道工程中，為最大程度利用信息和反映所有評價指標貢獻[17]，采用平均隸屬度法將風險等級與其概率加權平均后得到的風險等級作為最后的風險等級P。

模糊變換結果B(b1,b2,b3,b4)中bi代表Ⅰ—Ⅳ級風險出現的概率，對bi有如下關系：

(9)

考慮到不同等級風險在全壽命風險評價中的重要性不同，建立不同風險等級權重系數，如表2所示。

表2 風險等級權重系數Table 2 Weight coefficients of risk grades

模糊變換綜合風險指標

(10)

式中：i為風險等級；Wi為風險等級所對應的權重；bi為式(9)中各級風險概率。

4 方案比選

根據模糊層次綜合評價法的風險評價，可以得到3種隧道方案的整體風險評價結果，如表3所示。可知：中線盾構法方案風險指標P為2.21，西線盾構法方案風險指標P為1.92，西線沉管法方案風險指標P為2.44。

表3 鐵路跨海隧道方案風險系數及評價結果Table 3 Risk coefficients and evaluation results of Qiongzhou Strait railway tunnel schemes

從上述風險指標的風險等級概率和綜合評價結果可以看出，在瓊州海峽鐵路跨海隧道工程的工法選擇上，盾構法方案較沉管法方案的風險綜合等級更低。其中，沉管法方案中Ⅳ級(不可接受風險等級)風險概率較盾構法方案大，導致沉管法方案整體風險評價結果偏高。

在隧道工程的方案線位選擇上，工程建設條件中西線方案水深較中線方案小，隧道工程項目設計和施工條件較好；但西線方案隧道長度較中線長約10 km，隧道工程建設周期長，同時需建設人工島嶼，在一定程度上增大了西線方案的整體風險等級，故綜合隧道長度和建設條件進行簡單分析時，中線和西線線位盾構法方案的整體風險差距不大，與模糊綜合層次評價結果較為吻合。

除隧道方案的綜合風險評價外，當次級因素風險偏大時仍會影響隧道的最終建設，故對次級因素進行分析是必要的，3種隧道方案風險情況的專家調查統計結果如表4所示。

從表4統計結果可以看出：西線沉管法方案中Ⅳ級風險數量為7項，遠高于盾構法方案；盾構法方案的中、西線風險統計結果相近。上述統計結果和綜合評價結果相近，說明了綜合評價結果的可靠性。

從上述風險綜合評價結果和風險評價統計結果可以得到以下結論：

1)建設條件中，盾構法方案中不良地質是唯一的Ⅲ級風險項；而海域水文氣象條件較差，沉管法隧道方案中波浪和水流流速為Ⅳ級不可接受風險，沉管管段運輸和對接難度大，導致沉管方案技術、經濟風險較大。

2)結構設計中，盾構法和沉管法隧道結構形式存在較大差異，但風險均在可接受范圍，需要注意盾構法聯絡通道的設計風險。

3)隧道工程施工是全壽命周期中風險最大的階段，Ⅳ級風險數量最多、比例最大。盾構法方案存在3項Ⅳ級風險，隧道長距離掘進、高水壓條件使得盾尾密封、刀具磨損更換和橫通道開挖風險極大；沉管法方案存在5項Ⅳ級風險，惡劣的海域水文條件使得沉管法隧道基槽施工的邊坡穩定、回淤控制、基礎施工以及水下對接定位和壓力控制難度大。

4)運營管理階段風險評價是隧道全壽命風險評價的重要部分，斷層移動給隧道長期運營管理帶來挑戰，地震、火災等意外事件對盾構法方案隧道運營管理影響較大，而海域內海床沖刷對沉管法隧道運營風險影響較大。

通過上述方案綜合比選分析可知，瓊州海峽鐵路跨海隧道沉管法方案整體風險評價結果和Ⅳ級風險項數量和比例高于盾構法方案，應優先選擇盾構法方案。在線位選擇上，中線和西線盾構法方案風險綜合評價結果接近，風險統計結果較類似，單從工程風險評價方面看西線盾構方案略優，但西線方案海底隧道長度約為中線方案的1.5倍，工程投資和建設周期相應增長，具體線路比選還需考慮工程投資等因素進一步研究。

5 重大風險分析及控制

在工程實踐中，風險的存在不可避免，將風險項按風險等級和性質進行區別處理，對重大風險項進行重點控制，有助于降低隧道工程的整體風險水平，保證工程的安全和可靠。風險控制的思路主要有2方面：一是減小風險發生概率，一般為事先采取控制措施；二是減小風險發生后損失的大小，包括事先控制和事后補救[18]。根據瓊州海峽鐵路跨海隧道工程特點，結合專家調查表中建議以及工程實踐經驗，匯總整理出以下瓊州海峽鐵路隧道盾構法方案中Ⅳ級風險和部分Ⅲ級風險的控制規避措施。

1)不良地質條件(Ⅲ級風險)控制措施。海底隧道處于海水包圍中，相對陸域隧道勘查難度大，采用先進的勘查方法和多種勘查手段相結合進行全面地質調查至關重要。隧道掘進中需完善地質勘查信息，采取合理地層加固措施和應急方案確保隧道掘進安全。

2)盾尾密封(Ⅳ級風險)控制措施。中線隧道方案水深近90 m，盾構掘進面臨高水壓施工問題，盾尾密封和密封裝置更換風險大。為保證盾尾密封質量和壽命，需采用多道密封和合理監測系統，良好的盾構姿態控制可大幅度提升盾尾密封壽命，盾尾密封更換需采取有效的地層加固措施和選擇合理的更換時間。

3)刀具磨損和更換(Ⅳ級風險)控制措施。除面臨高水壓外，該工程還存在長距離掘進難點，為減少刀具磨損和更換次數需選擇耐磨材料和備用刀具設計，盾構選型需考慮帶壓換刀和常壓換刀，選擇合理加固措施進行刀具甚至刀盤更換。

4)橫通道開挖(Ⅳ級風險)控制措施。橫通道開挖風險等級和概率極大，中線線位水深條件下的橫通道開挖工程尚無先例。橫通道設計時需優化隧道內部設計甚至突破規范要求減少橫通道數量；對橫通道開挖過程中的地層加固措施進行深入研究，保證施工組織管理和監測質量，避免重大風險事故發生。

5)斷層活動(Ⅲ級風險)控制措施。在隧道長期運營中，斷層活動將導致隧道縱向變形差異，地震作用下易發生襯砌結構破壞。在地質勘查確定斷層活動特點后，斷層附近通過采用柔性設計和設置減震層等措施，減小不一致變形和地震動力響應對隧道長期運營可靠性的影響。

6 結論與建議

1)通過隧道全壽命風險識別和評價可以看出，隧道施工階段風險與建設條件、結構設計關系密切，同時運營管理期也存在風險等級較高的風險項，綜合全壽命風險進行評價有助于提高風險評價的整體性和全面性。

2)采用模糊層次綜合評價法，從全壽命周期角度對瓊州海峽鐵路跨海隧道預研階段的3種方案進行風險評價，綜合評價結果和風險項統計可知盾構法方案優于沉管法方案，中線和西線盾構法方案評價結果相近，需要綜合工程投資等進一步研究。

3)針對瓊州海峽鐵路跨海隧道盾構法方案，結合風險評價結果和專家建議提出了高風險項控制措施以降低工程整體風險。瓊州海峽鐵路跨海隧道工程面臨長距離、高水壓等工程特點，需要對不良地質勘查、盾尾密封、刀具磨損更換和運營管理中的斷層移動、地震等風險項進行深入分析和研究。

對隧道全壽命過程各階段進行風險評價，針對各階段中較大風險因素采取相應風險控制措施，對降低工程風險具有重要意義。同時工程項目風險評價和管理是一個動態過程，需要在工程項目全壽命周期不同階段進行合理的信息和評價模型更新，比如隧道施工過程中將施工周期長短作為一重要風險評價指標，從而更準確評價工程風險、提出合理處置措施。文中工程措施均為風險控制的一般性措施，后續還需要針對瓊州海峽跨海鐵路隧道的全壽命風險作進一步深入研究，故本文暫不涉及風險控制措施后的殘余風險評價和相關的對比研究。

7 致謝

譚忠盛、傅鶴林等多位行業專家以及相關單位對本文風險調查識別和風險控制措施提出給予了指導和支持，而且譚忠盛教授還提供了寶貴的工程建設條件資料，在此一并致以衷心的感謝！